Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЗАЩИТЫ БЛИСКА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ 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.

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 перспективными методами обработки лопаток турбомашин являются электрохимические методы полирования поверхностей [Грилихес С.Я. Электрохимическое и химическое полирование: Теория и практика. Влияние на свойства металлов. Л., Машиностроение, 1987.], при этом наибольший интерес для рассматриваемой области представляют методы электролитно-плазменного полирования (ЭПП) деталей [например, Патент ГДР (DD) №238074 (А1), МПК C25F 3/16, опубл. 06.08.86., а также Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ №3].

Известен способ полирования металлических поверхностей, включающий анодную обработку в электролите [Патент РБ №1132, МПК C25F 3/16, 1996, БИ №3], а также способ электрохимического полирования [Патент США №5028304, МПК В23Н 3/08, C25F 3/16, C25F 5/00, опубл. 02.07.91.]

Известные способы электрохимического полирования не позволяют производить качественное полирование поверхности детелей из титановых сплавов.

Известен также способ электролитно-плазменного полирования деталей из титановых сплавов [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16. Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов. Бюл. №32, 2009], включающий погружение детали в электролит, содержащий окислитель, фторсодержащее соединение и воду, формирование вокруг обрабатываемой поверхности детали парогазовой оболочки и зажигание разряда между обрабатываемой деталью и электролитом путем подачи на обрабатываемую деталь электрического потенциала.

Однако известный способ [Патент РФ №2373306, МПК C25F 3/16] является многостадийным, что приводит с одной стороны к возрастанию сложности процесса обработки деталей, снижению качества и надежности процесса обработки из-за необходимости обеспечения большего количества параметров процесса и их соотношений, а также к повышению его трудоемкости.

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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий упрочняющую обработку, ионную очистку и ионную имплантацию пера лопатки с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом (Патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004).

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 является повышение 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 защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий упрочняющую обработку, ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, в отличие от прототипа, перед ионно-плазменной модификацией поверхностного слоя проводят электролитно-плазменное полирование поверхности блиска путем приложения к нему электрического потенциала от 250 В до 320 В, причем в качестве электролита используют водный раствор с содержанием от 3 до 7 вес. % гидроксиламина солянокислого чистого, чистого для анализа (ч.д.а.) или технически чистого и содержанием от 0,7 до 0,8 вес. % NaF или KF в качестве фторсодержащего соединения, а также с содержанием неорганической легкорастворимой соли с рН≈7, причем полирование ведут при температуре от 70°С до 96°С, при величине тока от 0,2 А/см² до 0,7 А/см² в течение не менее 1,5 минут, а ионно-имплантационную обработку лопаток блиска проводят ионами азота при энергии от 20 кэВ до 25 кэВ, дозой от 2,0⋅10¹⁷ см^-2 до 2,5⋅10¹⁷ см^-2, причем при ионно-имплантационной обработке блиска и при нанесении покрытия на блиск его вращают относительно его продольной оси и, одновременно, либо вращают относительно его поперечной оси, либо придают блиску колебательные движения относительно его поперечной оси, обеспечивающие нанесение покрытия на всю рабочую поверхности блиска, а в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий, причем нанесение титана и ванадия производят одновременно с двух электродуговых испарителей для титана и двух электродуговых испарителей для ванадия, попарно расположенных по разные стороны от блиска.

Кроме того возможно использование следующих дополнительных приемов: упрочняющую обработку материала поверхностного слоя лопаток блиска проводят виброабразивным шлифованием, а при нанесении покрытия используют соотношение титана к ванадию, вес. %: V от 30 до 45, 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 9,0 мкм; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.

Для оценки эрозионной стойкости лопаток блиска были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8м, ВТ41, ВТ18у, ВТ3-1, 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. В качестве упрочняющей обработки лопаток блиска применялась виброабразивное шлифование.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Электролитно-плазменное полирование:

Электрический потенциал: 240 В - Н.Р., 250 В - У.Р., 270 В - У.Р., 290 В -У.Р., 300 В - У.Р., 320 В - У.Р., 340 В - Н.Р.

Электролит: водный раствор с содержанием от 3 до 7 вес. % гидроксиламина солянокислого чистого, чистого для анализа (ч.д.а.) или технически чистого и содержанием от 0,7 до 0,8 вес. % NaF или KF в качестве фторсодержащего соединения, а также с содержанием неорганической легкорастворимой соли с рН≈7.

Температура электролита: от 70°С до 96°С.

Величина электрического тока: от 0,2 А/см² до 0,7 А/см².

Время: 1,5-10 минут.

Шероховатость исходной полируемой поверхности не более Ra 0,78…0,82 мкм.

Ионно-имплантационная обработка азотом:

энергия - 18 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 22 кэВ (У.Р.); 23 кэВ (У.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 2 7 кэВ (Н.Р.);

доза - 1,8⋅10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); 2,0⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2,5⋅10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 3⋅10¹⁷ см^-2 (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. Блиск, по первому варианту вращался одновременно вокруг собственной продольной оси и поперечной оси, по второму варианту вращался вокруг собственной продольной оси с совершением колебательных движений. Поперечная ось совпадала по ориентации с вертикальной осью цилиндрической рабочей камеры установки. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 8 до 10 об/мин, относительно поперечной оси от 3 до 5 об/мин. Колебательные движения составляли по 30° по обе стороны от вертикали, при от 3 до 5 колебаний в минуту. 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: 0,1 мкм - неудовлеворительный результат (Н.Р.); 0,2 мкм - удовлетворительный результат (У.Р.); 0,3 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом: 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: 4,0 мкм (Н.Р.); 5,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 9,0 мкм (У.Р.); 11,0 мкм (Н.Р.).

Толщина покрытия, нанесенного по предлагаемому способу составляла от 5 мкм до 9 мкм, покрытия-прототипа от 0 мкм (в затененных зонах) до 9 мкм.

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 р=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 6…7 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, ВТ8м, 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 лопаток блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии следующих приемов: упрочняющую обработку лопаток блиска; ионно-имплантационную обработку 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; перед ионно-имплантационной обработкой электролитно-плазменное полирование поверхности блиска путем приложения к блиску электрического потенциала от 250 В до 320 В; использование водного раствора электролита с содержанием от 3 до 7 вес. % гидроксиламина солянокислого чистого, чистого для анализа (ч.д.а.) или технически чистого и содержанием от 0,7 до 0,8 вес. % NaF или KF в качестве фторсодержащего соединения, а также с содержанием неорганической легкорастворимой соли с рН≈7; проведение полирования при температуре от 70°С до 96°С, при величине тока от 0,2 А/см² до 0,7 А/см² в течение не менее 1,5 минут; проведение ионно-имплантационной обработки лопаток блиска ионами азота при энергии от 20 кэВ до 25 кэВ, дозой от 2,0⋅10¹⁷ см^-2 до 2,5⋅10¹⁷ см^-2, 2,0⋅10¹⁷ см^-2 до 2,5⋅10¹⁷ см^-2; при ионно-имплантационной обработке блиска и при нанесении покрытия на блиск производят его одновременное вращение относительно его продольной оси и его поперечной оси с приданием блиску колебательных движений относительно его поперечной оси, обеспечивающих нанесение покрытия на всю рабочую поверхности блиска; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия; произведение нанесения титана и ванадия одновременно с двух электродуговых испарителей для титана и двух электродуговых испарителей для ванадия, попарно расположенных по разные стороны от блиска, а также использование следующих дополнительных приемов: при нанесении покрытия используют соотношение титана к ванадию, вес. %: V от 30 до 45, 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 9,0 мкм; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота, позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения - позволяет повысить 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..