Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИОННО-ИМПЛАНТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ЛОПАТОК МОНОКОЛЕСА КОМПРЕССОРА

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения рабочих лопаток моноколеса (блиска) компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) из высоколегированных сталей и титановых сплавов для повышения эксплуатационных характеристик.

Известен способ азотирования изделий из титанового сплава в тлеющем разряде, который включает вакуумный нагрев изделий из титанового сплава в тлеющем разряде в плазме азота повышенной плотности. Плазму азота повышенной плотности формируют в кольцевой области вращения электронов, захваченных магнитным полем, а азотирование упомянутых изделий выполняют в смеси газов N₂ 50%÷60%+Ar 50÷40% при давлении 40 Па и нагреве изделий до температуры 700÷730°С с выдержкой в течение 2-3 часов. Затем осуществляют восстановительный отжиг при 800÷830°С в аргоне с выдержкой в течение 30 мин, после чего изделия охлаждают в вакууме. Обеспечивается интенсификация процесса азотирования, формирование развитого нитридного диффузионного слоя, повышающего циклическую усталость. (RU 2611607, МПК С23С 8/36, С23С 8/24, опубликовано: 28.02.2017.)

Основным недостатком этого способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов при их ионном азотировании по сравнению с ионной имплантацией.

Известен способ ионной имплантации поверхностей деталей из титановых сплавов, включающий обработку поверхности деталей лазерным лучом, который фокусируют в пятно в форме круга с удельной мощностью излучения 200-450 Вт/мм2, после чего пятно перемещают по обрабатываемой поверхности со скоростью 45-70 мм/с и проводят имплантацю ионов азота с дозой (2-6)⋅1017 ион/см2. Повышаются эксплуатационные свойства изделий из титановых сплавов за счет повышения износостойкости при высоких показателях усталостной прочности (RU 2470091, МПК С23С 14/48, опубликовано: 20.12.2012).

Основным недостатком данного аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей. Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов лазерной обработки и ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей, как компрессорные лопатки ГТД.

Известен способ модификации титановых сплавов, который позволяет улучшить эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов путем последовательной обработки пучками ионов аргона с энергией 250 -400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см2 и дозой (1-2)⋅10¹⁹ ион/см2, ионов азота с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 10-40 мА/см2, дозой (1-2)⋅10¹⁹ ион/см2 и последующего стабилизирующего отжига при 450-600°С в вакууме (1-5)⋅10^-3 Па в течение 1,5-2 ч (RU 2117073, МПК С23С 14/48, опубликовано: 10.08.1998).

Основным недостатком данного аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей. Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов с использованием трехступенчатой обработки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Способ включает ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. Ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ и плотности тока от 130 мкА/см2 до 160 мкА/см2 в течение от 0,3 до 1,0 часа. Ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ. Ионную имплантацию проводят в непрерывном в импульсном режиме. Способ позволяет повысить предел выносливости и циклической долговечности деталей из титановых сплавов (RU 2479667, МПК С23С 14/48, опубликовано: 20.04.2013).

Основным недостатком этого способа является невозможность равномерной обработки рабочих поверхностей лопаток моноколес компрессора ГТД из титановых сплавов в связи с наличием теневых участков, препятствующих проникновению ионов к обрабатываемой поверхности лопаток. Тем самым не обеспечивается равномерное повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик лопаток моноколеса.

Задачей настоящего изобретения является равномерная модификация поверхностного слоя лопаток моноколеса, позволяющая повысить физико-механические и эксплуатационные свойства.

Технический результат заключается в повышении физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик лопаток моноколеса компрессора ГТД: выносливости и циклической долговечности, за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.

Поставленная задача и технический результат достигаются в способом ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора, в котором согласно изобретению в вакуумной камере устанавливают два источника ионов, вертикальные плоскости которых, проходящие через центр ионного источника и параллельные направлению движения потока ионов расположены под углом 0°-180° и на разном уровне относительно друг друга: при этом ионные источники равно удалены на расстояние h от горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения моноколеса, моноколесо устанавливают на валу держателя и производят ионно-имплантационную обработку лопаток, непрерывно вращая моноколесо вокруг вертикальной оси, проходящей через центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, одновременно поворачивают моноколесо вокруг своей продольной оси до получения заданной дозы имплантируемых ионов, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами азота при энергии от 15 до 40 кэВ, дозой от 1,5⋅10¹⁷ ион/см² до 2,5⋅10¹⁷ ион/см.

Для оценки эксплуатационных свойств лопаток моноколес были проведены следующие испытания. Образцы из высоколегированных сталей и титановых сплавов были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки по патенту RU №2479667, МПК С23С 14/48,20.04.2013), так и по режимам предлагаемого способа.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная имплантация ионами азота: энергия - 16 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 35 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,6⋅10¹⁷ ион/см² (Н.Р.); 1,8⋅10¹⁷ ион/см² (У.Р.); 2,0⋅10¹⁷ ион/см² (У.Р.); 2,2⋅10¹⁷ ион/см² (У.Р.); 2,4⋅10¹⁷ ион/см² (Н.Р.).

Ионную имплантацию проводили в непрерывном режиме с двумя источниками ионов. В качестве деталей из высоколегированных сталей и титановых сплавов использовались лопатки компрессора ГТД. Для ионно-имплантационной обработки использовали два протяженных генератора газовой плазмы, выполненных с возможностью обеспечения работы с азотом и имеющих размеры выходной апертуры 400×100 мм.

Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из высоколегированных сталей и титановых сплавов (20Х13, 15X1 1МФ, ЭИ961, ЭП866, ВТ6, ВТ 18-У и ВТ8) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости образцов из высоколегированных сталей в исходном состоянии составляет 315 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - 345-360 МПа, а по предлагаемому способу -370-385 МПа; образцов из титановых сплавов в исходном состоянии составляет 365 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу -375-385 МПа, а по предлагаемому способу 395-445 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионно-имплантационной обработки деталей из высоколегированных сталей и титановых сплавов предложенной согласно изобретению совокупности операций, позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, выносливость и циклическую прочность, что подтверждает обеспечение заявленного технического результата предлагаемого изобретения

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлено устройство для реализации способа ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора

На фиг. 2 - схема установки ионных источников на вакуумной камере.

Пример конкретной реализации способа

Устройство для реализации способа содержит: вакуумную камеру 1, вал держателя 2, моноколесо 3, нижний источник ионов 4, верхний источник ионов 5.

В вакуумной камере 1 установлен вал держателя 2, на котором крепится моноколесо 3. Также в вакуумной камере 1 установлены два источника ионов: нижний 4 и верхний 5, вертикальные плоскости которых, проходящие через центр ионного источника и параллельные направлению движения потока ионов расположены под углом 0°-180° и на разном уровне относительно друг друга: один на уровне верхних лопаток, второй - на уровне нижних лопаток моноколеса компрессора, при этом ионные источники равно удалены от горизонтальной плоскости, проходящей через ось вращения моноколеса, моноколесо устанавливают на валу держателя и производят ионно-имплантационную обработку лопаток, непрерывно вращая моноколесо вокруг вертикальной оси, проходящей через центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, одновременно поворачивают моноколесо вокруг своей продольной оси для равномерной имплантации всех лопаток до получения заданной дозы имплантируемых ионов, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки проводят ионами азота при энергии от 15 до 40 кэВ, дозой от 1,5⋅10¹⁷ ион/см² до 2,5⋅10¹⁷ ион/см².

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики лопаток моноколеса компрессора ГТД: выносливости и циклической долговечности, за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.