Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ЛОПАТОК БЛИСКА ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения рабочих лопаток блиска (моноколеса) компрессора ГТД из легированных сталей.

Известен также способ модификации поверхности деталей, включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №20007501, МПК С23С 14/48, 1994).

Основным недостатком этого способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из легированных сталей.

Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом ионную очистку осуществляют ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионное легирование азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5⋅10-3 Па в течение 2-2,5 ч.

Основным недостатком аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из сталей и сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).

Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Опубл.: 20.04.2013 г.) При этом ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см² до 160 мкА/см в течение от 0,3 до 1,0 ч, а ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ.

Основным недостатком аналогов способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из сталей и сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из легированных сталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г.; а также А.С. СССР №1642786, МПК С23С 14/48, Способ ионной имплантации. Опубл. 30.09.1994.). При этом, обработка поверхности осуществляется путем имплантации ионного пучка с плотностью мощности 1⋅10³ Вт/см² с предварительным облучением поверхности импульсным ионным пучком с плотностью мощности 5⋅10⁶-10⁸ Вт/см² и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см².

Основным недостатком этого способа (А.С. СССР №1642786; патент РФ №2116378) и вышеперечисленных аналогов (патенты РФ №№2007501, 2479667 и 2116378) является невозможность равномерной обработки рабочих поверхностей лопаток моноколес (блисков), в связи с возникновением теневых участков, препятствующих проникновению ионов к обрабатываемой поверхности лопаток. Поэтому все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопатокмоноколеса, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей их рабочей поверхности.

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала лопаток блиска из легированных сталей, который позволил бы обеспечить их повышенные эксплуатационные характеристики (предела выносливости, циклической долговечности).

Техническим результатом заявляемого способа являетсяповышение выносливости и циклической долговечности лопатокблиска компрессора ГТД из легированных сталейза счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения лопаток блиска из легированных сталей, включающем упрочняющую обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку рабочей поверхности лопаток, в отличие от прототипа, ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя проводят ионами азота при энергии от 0,8 кэВ до 1,8 кэВ, силе тока от 0,9 мА/см² до 2,2 мА/см², при частоте тока от 80 до 90 кГц до получения глубины имплантированного слоя от 1 мкм до 8 мкм, при этом поток имплантируемых ионов направляют на одну сторону обрабатываемого блиска и осуществляют его вращение одновременно относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси, со скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр блиска, со скоростью 2 об/мин до 20 об/мин вращения.

Кроме того, в способе упрочнения лопаток блиска из легированных сталей возможно использование следующих дополнительных приемов: после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг; полирование блиска ведут электрохимическим методом в водном растворе соли фторида аммония концентрацией 3,5-11,0 г/литр, а полирование ведут при температуре от 60°С до 90°С, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 270 В до 290 В.

Полирование блиска с лопатками можно проводить электрохимическим методом в водном растворе соли фторида аммония концентрацией 3,5-11,0 г/литр, причем полирование ведут при температуре от 60°С до 90°С путем приложения к блиску электрического потенциала величиной от 270 В до 290 В.

Для оценки эксплуатационных свойств лопаток блиска были проведены следующие испытания. Образцы из железохромоникелевых сплавов (ХН45МВТЮБР-ИД, ХН45МВТЮБР-ПДбыли обработаны ионно-имплантационым методом как по способу-прототипу (патент РФ №2116378. МПК С23С 14/48, 1998 г.) согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам ионной имплантации, так и по режимам предлагаемого способа.

Испытания на выносливость и циклическую долговечность проводились на образцах - лопатках, вырезанных из блиска после его ионно-имплантационной обработки. За неудовлетворительный результат (Н.Р.) принимался результат, не обеспечивающий повышение эксплуатационных свойств лопаток по сравнению с прототипом.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Электрохимическое полирование: электрический потенциал (напряжение) 240 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 250 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 260 В - У.Р.; 265 В - У.Р.; 275 В - Н.Р.). Электролит - водный раствор соли фторида аммония концентрацией: (3,0 г/литр - Н.Р.; 3,5 г/литр - У.Р.; 5,0 г/литр - У.Р.; 11,0 г/литр - У.Р.; 12 г/литр - Н.Р. Температура процесса обработки: от 50°С - Н.Р.; 60°С - У.Р.; 80°С - У.Р.; 90°С - У.Р.; 97°С - Н.Р.

Ионно-имплантационная обработка азотом:

Энергия: 0,6 кэВ (Н.Р.); 0,8 кэВ (У.Р.); 1,6 кэВ (У.Р.); 1,8 кэВ (У.Р.); 2,1 кэВ (Н.Р.);

сила тока: 0,7 мА/см² (Н.Р.); 0,9 мА/см² (У.Р.); 1,3 мА/см² (У.Р.); 1,6 мА/см² (У.Р.); 1,8 мА/см² (У.Р.); 2,1 мА/см² (Н.Р.);

частота тока: 70 кГц (Н.Р.); 80 кГц (У.Р.); 90 кГц (У.Р.); 100 кГц (Н.Р.).

глубина имплантированного слоя: 0,5 мкм (Н.Р.); 1 мкм (У.Р.); 2 мкм (У.Р.); 4 мкм(У.Р.); 6 мкм (У.Р.); 8 мкм (У.Р.); 10 мкм (Н.Р.);

скорость вращения относительно оси, перпендикулярной его продольной оси с угловой скоростью: 2 об/мин (Н.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 22 об/мин (Н.Р.);

скорость вращения относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса с угловой скоростью: 2 об/мин (Н.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 22 об/мин (Н.Р.);

после ионно-имплантационной обработки проводили постимплантационный отжиг:

- температура: 200°С (Н.Р.); 300°С (У.Р.); 450°С (У.Р.); 500°С (У.Р.); 600°С (У.Р.); 650°С (У.Р.); 700°С (Н.Р.);

- давление остаточных газов: 5⋅10^-2 Па (Н.Р.); 1⋅10^-3 Па (У.P.); 3⋅10^-3 Па (У.Р.); 4⋅10^-3 Па (У.P.); 5⋅10^-3 Па (У.Р.); 7⋅10^-3 Па (Н.Р.);

- время: =1,0-2 ч 0,5 час (Н.Р.); 1,0 час (У.Р.); 1,5 час (У.Р.); 2,0 час (У.Р.); 2,5 час (Н.Р.);

Отжиг проводили в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

В результате проведенных испытаний установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) образцов в исходном состоянии составляет 315-320 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 330-340 МПа, МПа, а по предлагаемому способу 350-360 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе упрочнения лопаток блиска из легированных сталей следующих приемов: упрочняющую обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку лопаток; проведение ионно-имплантационной обработки поверхностного слоя ионами азота при энергии от 0,8 кэВ до 1,8 кэВ, силе тока от 0,9 мА/см² до 2,2 мА/см², при частоте тока от 80 до 90 кГц, вращая одновременно блиск относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр блиска, со скоростями вращения, обеспечивающими обработку всей рабочей поверхности лопаток блиск; направление потока имплантируемых ионов на обрабатываемый блиск только с одной из сторон от обрабатываемого блиска; проведение обработки лопаток до получения глубины имплантированного слоя от 1 мкм до 8 мкм; проведение обработки лопаток при скоростях вращения относительно оси, перпендикулярной его продольной оси с угловой скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин, а относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр блиска с угловой скоростью 2 об/мин до 20 об/мин; проведение после ионно-имплантационной обработки постимплантационного отжига; проведение полирования блиска электрохимическим методом в водном растворе соли фторида аммония концентрацией 3,5-11,0 г/литр при температуре от 60°С до 90°С путем приложения к блиску электрического потенциала величиной от 270 В до 290 В. позволяет повысить условный предел выносливости и циклическую долговечность лопаток блиска компрессора ГТД за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.