Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЗАЩИТНОГО МНОГОСЛОЙНОГО ПОКРЫТИЯ НА ЛОПАТКИ БЛИСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ИЗ ТИТАНОВОГО СПЛАВА ОТ ПЫЛЕАБРАЗИВНОЙ ЭРОЗИИ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.

Известен способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в среде инертного газа, включающий создание разности электрических потенциалов между подложкой и катодом и очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия, проведение отжига покрытия путем повышения разности потенциалов, причем ионный поток и поток испаряемого материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и покрытие наносят в несколько этапов до получения требуемой толщины (Патент РФ 2192501, С23С 14/34, опубл. 10.11.2002).

Известен способ нанесения ионно-плазменных покрытий на лопатки турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме первого слоя из титана толщиной от 0,5 до 5,0 мкм, затем нанесение второго слоя нитрида титана толщиной 6 мкм (Патент РФ 2165475, МПК С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, опубл. 20.04.2001).

Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой эрозионной стойкости поверхности лопатки. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение адгезионной и усталостной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их ресурс и надежность.

Рабочие лопатки компрессора ГТД и ГТУ, в процессе эксплуатации, подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость (например, титановые сплавы марок ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ3-1, ВТ22 и др.)

Однако лопатки турбин из указанных сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий полирование поверхности лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию ионами азота поверхностного слоя лопаток блиска и последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с ванадием и слоя соединений титана с ванадием и азотом (Патент РФ 2552202, МПК С23С 14/06, Способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии. Опубл. Бюл. №16 10.06.2015).

Основным недостатком аналога является недостаточная надежность защиты от эрозионного разрушения при одновременном снижении предела выносливости, циклической долговечности. При этом повышение указанных свойств особенно важно для таких деталей из титановых сплавов, как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).Кроме того, все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток и нанесения покрытий на блиски, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей рабочей поверхности блиска.

Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать блиски ГТД из титановых сплавов от эрозионного износа в условиях воздействия газовых потоков, содержащих абразивные частицы, при одновременном повышении предела выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.

Техническим результатом заявляемого способа являетсяповышение стойкости лопаток блиска компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых элементов блиска за счет обеспечения равномерного нанесения покрытия и равномерной обработки поверхностного слоя рабочей поверхности блиска.

Технический результат достигается тем, что в способе нанесения защитного многослойного покрытия на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титанового сплава от пылеабразивной эрозии, включающем полирование поверхности лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию ионами азота поверхностного слоя лопаток блиска и последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с ванадием и слоя соединений титана с ванадием и азотом, в отличие от прототипа, перед полированием производят упрочняющую обработку микрошариками поверхностей лопаток блиска, а ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя ионами азота проводят при энергии от 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅10¹⁹ см^-2 до 2,5⋅10¹⁹ см^-2, при силе тока от 0,1 мА/см² до 3 мА/см², и частоте тока от 70 до 100 кГц, причем при ионно-плазменной модификации блиска и нанесении многослойного покрытия обеспечивают обработку всех рабочих поверхностей лопаток блиска путем его вращения относительно продольной оси с обеспечением колебательных движений, при этом ионно-плазменную модификацию и нанесение многослойного покрытия проводят одновременно с обеих сторон блиска, причем при нанесении слоев каждой пары многослойного покрытия используют четыре одновременно работающих раздельных электродуговых испарителя, при этом два электродуговых испарителя из титана устанавливают по разные стороны от блиска и два электродуговых испарителя из ванадия располагают с обеих сторон блиска, причем указанные электродуговые испарители устанавливают с чередованием электродугового испарителя из ванадия с электродуговым испарителем из титана.

Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения защитного многослойного покрытия на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титанового сплава от пылеабразивной эрозиивозможно использование следующих вариантов:при нанесении покрытия используют соотношение титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12, остальное - Ti, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм;

нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют при ассистировании ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом - при ассистировании ионами азота; упомянутую дробеструйную обработку проводят при воздействии на блиск ультразвуковыми колебаниями, причем блиск приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, а лопатки блиска проводят через неподвижную камеру, внутри которой создают облако микрошариков за счет в воздействия на них по меньшей мере одной вибрирующей поверхности лопаток блиска, расположенной в упомянутой камере; после нанесения требуемого количества пар слоев покрытия проводят отжиг, причем отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

Для оценки стойкости лопаток блиска к их сопротивлению эрозионному износу были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были нанесены покрытия как по способу-прототипу (патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.

Традиционно обработка микрошариками лопаток с досточно толстыми стенками осуществляется потоком микрошариков, создаваемым при помощи сопел. При этом осуществляют одновременно двухстороннюю обработку лопатки. Этот способ дробеструйной обработки имеет нестабильные условия обработки поверхностей лопаток. В том случае, когда поверхности, подлежащие дробеструйной обработке, представляют собой лопасти моноблочного лопаточного колеса, отстоящие друг от друга на относительно небольшое расстояние, способ дробеструйной обработки с использованием сопел оказывается еще более сложным в реализации.

В то же время, использование облака микрошариков, формируемых при помощи вибрирующей поверхности в неподвижной камере, через которую проходят лопатки блиска при его вращении, обеспечивает равномерную обработку поверхностей.

При дробеструйной обработкеблиск с лопатками совершает несколько полных оборотов вокруг своей оси, что позволяет повысить однородность обработки поверхностного слоя детали.

В процессе дробеструйной обработки использование ультразвуковых колебаний позволяет повысить однородность обработки поверхности детали.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Ионно-плазменная обработка азотом:

энергия - 0,1 кэВ (Н.Р.); 0,2 кэВ (У.Р.); 0,7 кэВ (У.Р.); 1,4 кэВ (У.Р.); 2,1 кэВ (У.Р.); 2,5 кэВ (У.Р.); 2, 7 кэВ (Н.Р.);

доза - 1,3⋅10¹⁹ см^-2 (Н.Р.); 1,5⋅10¹⁹ см^-2 (У.Р.); 2,5⋅10¹⁹ см^-2 (У.Р.); 3⋅10¹⁹ см^-2 (Н.Р.);

сила тока - 0,07 мА/см² (Н.Р.); 0,1 мА/см² (У.Р.); 0,8 мА/см² (У.Р.); 1,6 мА/см² (У.Р.); 2,4 мА/см² (У.Р.); 3,0 мА/см² (У.Р.); 3,4 мА/см² (Н.Р.);

частота тока - (от 70 до 100 кГц), 60 кГц (Н.Р.); 70 кГц (У.Р.); 80 кГц (У.Р.); 100 кГц (У.Р.); 110 кГц (Н.Р.).

Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с четырех, одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей. Расположение испарителей - периферийное, с обеих сторон блиска, с чередованием электродугового испарителя из ванадия с испарителем из титана. Электродуговые испарители располагались в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а блиск вращался вокруг собственной продольной оси с совершением колебательных движений. Продольная ось совпадала по ориентации с осьюцилиндрической рабочей камеры установки и потоком наносимого материала. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 8 до 10 об/мин. Колебательные движения составляли по 30° по обе стороны от вертикали. Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.

Толщина слоя титана с ванадием (0,2 мкм до 0,3 мкм): 0,1 мкм (Н.Р.); 0,2 мкм (У.Р.); 0,3 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом (1,1 мкм до 2,2 мкм): 0,9 мкм (Н.Р.); 1,1 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,2 мкм (У.Р.); 2,5 мкм (Н.Р.). Общая толщина покрытия (от 5 мкм до 7 мкм): 4,0 мкм (Н.Р.); 5,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 8,0 мкм (Н.Р.).

Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 5 мкм до 7 мкм.

После нанесения покрытия проводили отжиг в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

Эрозионная стойкость поверхности образцов исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха 10790, 1987. - 37 с.) на пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью ρ=2650 кг/м³, твердость HV=12000 МПа. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-311 К, давление в приемной камере 0,115-0,122 МПа, время воздействия - 120 с, концентрация абразива в потоке до 2-3 г/м³. Результаты испытания показали, что эрозионная стойкость покрытий, полученных по предлагаемому способу, увеличилась по сравнению с покрытием-прототипом приблизительно в 7…8 раз.

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов - лопаток, вырезанных из блиска после его ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий.

Испытывались образцы из следующих марок титановых сплавов (ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 465-480 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 455-470 МПа, а по предлагаемому способу - 490-510 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе защиты лопатокблиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии следующих приемов: упрочняющую обработку микрошариками, полирование и ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска; последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; проведение ионно-плазменной модификации поверхностного слоя ионами азота при энергии 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅10¹⁹ см^-2 до 2,5⋅10¹⁹ см^-2, силой тока от 0,1 мА/см² до 3 мА/см², при частоте тока от 70 до 100 кГц,; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия, в частности, при соотношении титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12%, остальное - Ti; при ионно-плазменной обработке блиска и нанесении покрытия, блиск вращают относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений, обеспечивающих обработку всей рабочей поверхности блиска; произведение ионно-плазменной обработки и нанесение покрытия одновременно с обеих сторон блиска; проведение нанесения титана одновременно с двух электродуговых испарителей, расположенных по разные стороны от блиска и нанесение ванадия с двух электродуговых испарителей, также расположенных с обеих сторон блиска, осуществление нанесения покрытия одновременно со всех четырех упомянутых испарителей; при нанесении слоя титана с ванадием толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм; при нанесении слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм; осуществление нанесения слоев соединений титана с ванадием в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом в режиме ассистирования ионами азота; проведение лопаток блиска через неподвижную камеру, внутри которой создают облако микрошариков воздействием на них, расположенной в упомянутой камере, по крайней мере одной вибрирующей поверхностью; после нанесения требуемого количества слоев покрытия проведение отжига; проведение отжига и нанесения покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл, позволяетповысить стойкость лопаток блиска компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых элементов блиска за счет обеспечения равномерного нанесения покрытия и равномерной обработки поверхностного слоя рабочей поверхности блиска.