Лопатка паровой турбины из легированных сталей с защитным покрытием

Полезная модель направлена на повышение стойкости покрытия к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, снижении трудоемкости практической реализации и расширения диапазона свойств защитных покрытий. Указанный технический результат достигается тем, что лопатка паровой турбины из легированных сталей с защитным покрытием, содержащая поверхностный слой, модифицированный имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, и нанесенным на него многослойным покрытием, из чередующиеся слоев эрознонностойких и корроэионностойких материалов. В качестве материалов слоем, использованы Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, La, Eu и ич нитриды, бориды и карбиды. Толщина каждого слоя покрытия составляет от 100 нм до 5 мкм при общей толщине покрытия от 10 мкм до 100 мкм. Покрытие может содержать следующие варианты слоев: каждый металлический слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый нитридный слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый нитридный слой покрытия во время его нанесения обработан ионной имплантацией. В покрытии использованы слои, подвергнутые ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией. 11 з.п.ф., 5 табл.

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток паровой турбины от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.

Известна лопатка с гальваническим никель-кадмиевым покрытием [Петухов А.Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров // Труды ЦИАМ 1213, 1987. - 36 с.].

Недостатками этого покрытия являются невысокая устойчивость к солевой коррозии, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводораживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.

Известна также лопатка с покрытием для защиты от солевой коррозии, включающее слои, полученные ионно-плазменным методом: первый слой из титана толщиной от 0,5 до 5,0 мкм, второй слой нитрида титана толщиной 6 мкм (Патент РФ 2165475, МПК⁷ С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, опубл. 20.04.2001).

Основным недостатком этого покрытия является его недостаточно высокая стойкость к солевой коррозии (в связи с его пористостью) и недостаточная стойкости к капельно-ударной, эрозии из-за малой толщины и твердости. При увеличении толщины покрытия происходит снижение усталостной и адгезионной прочности, что ухудшает эксплуатационные свойства деталей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому

результату к заявляемому является лопатка паровой турбины с защитным покрытием, содержащая поверхностный слой, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенным на него многослойным покрытием (Патент РФ 2226227, кл. С23С 14/48, опубл. 27.03. 2004).

Основным недостатком аналога является обеспечение недостаточно надежной защиты изделия от пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, что особенно важно при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин, а также недостаточно широкого диапазона свойств защитных покрытий, снижающих возможность оптимизации покрытий по условиям эксплуатации защищаемых деталей.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение стойкости лопатки из легированной стали с покрытием к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, снижении трудоемкости практической реализации и расширения диапазона свойств защитных покрытий.

Технический результат достигается тем, что лопатка паровой турбины из легированной стали с защитным покрытием, содержащая поверхностный слой, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенным на него многослойным покрытием, в отличие от прототипа, лопатка имеет поверхностный слой, модифицированный имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией.

Технический результат достигается также тем, что многослойное покрытие содержит чередующиеся слои эрозионностойких и коррозионностойких материалов в качестве материала которых использованы слои Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Мo, W, Al, La, Eu и их нитридов, боридов и карбидов, причем толщина каждого слоя составляет

от 100 нм до 5 мкм при общей толщине покрытия от 10 мкм до 100 мкм.

Технический результат достигается также тем, что покрытие может содержать следующие варианты слоев: каждый металлический слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый нитридный слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый нитридный слой покрытия во время его нанесения обработан ионной имплантацией.

Технический результат достигается также тем, что использованы слои покрытия, со следующими характеристиками: все слои подвергнутые ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией; титановые слои покрытия подвергнутые имплантации ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией.

Технический результат достигается также тем, что использовано покрытие подвергнутое постимплантационному отпуску, совмещенному с нанесением многослойного покрытия.

Технический результат достигается также тем, что лопатка содержит покрытие и/или его слои, подвергнутые ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 до 50 КэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 2·10¹⁸ ион/см ².

Для исследования стойкости лопаток паровых турбин на солевую и газовую коррозии, газоабразивную и капельно-ударной эрозию, были изготовлены образцы из стали 20Х13, которые были подвергнуты (указанным в таблице 1) вариантам обработки, с целью получения защитных покрытий. Количество образцов группы бралось равным трем.

Табл.1
Группы образцов	Имплантируемые ионы (в основу)	Имплантиру емые ионы (в покрытие)	Материал слоев и схема их чередования
1 (Прототип)	N	-	4(Ti-TiN-TiN)
2	N+Cr	N	4(Ti-TiN-TiN)
3	Y	N	4(Ti-TiN-TiN)

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Cr, Y, Yb, С,В, Zr) с энергией Е=0,2КэВ-50 КэВ и дозой облучения Д=2·10¹⁸ последующемим постимплантационным отпуском в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч с одновременным нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия (материал слоев и схема их чередования согласно таблицы 1) Толщины слоев во всех случаях составляли: первый слой - Me толщиной около 1 мкм, второй слой - нитрид Me толщиной около 2 мкм. Количество слоев во всех случаях бралось равным 12 при общей толщине покрытия от 19 до 21 мкм.

Стойкость к солевой коррозии исследовалась по ускоренной методике Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ). Сущность методики испытания заключается в ускорении коррозионного процесса под влиянием ионов хлора при высоких и быстроменяющихся температурах и относительной влажности воздуха, приближенных к условиям эксплуатации лопаток.

В процессе испытаний производилось взвешивание образцов на аналитических весах модели ВЛР-200: в исходном состоянии; после испытаний: с продуктами коррозии на поверхности образцов; после удаления коррозионного налета химическим способом.

Кроме этого проводилась оценка глубины коррозионных повреждений общепринятым металлографическим методом на наклонных шлифах. Результаты коррозионных испытаний приведены в табл.2 и 3.

Таблица 2.Коррозионная стойкость.
п/п	Результаты внешнего осмотра	Результаты взвешивания, г.	Потер я массы, г
До удаления продуктов коррозии	После удаления продуктов коррозии	В исход. сост.	После испытаний
С продуктами корр.	После их удаления
1.	Продукты коррозии по всему периметру образца	Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	34,8154	34,7594	34,6846	0,1308
2.	Продукты коррозии по всему периметру образца	Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	34,5618	34,5121	34,4872	0,0746
3	Продукты коррозии по периметру образца	Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	34,6713	34,6356	34,6180	0,0533
4	Продукты коррозии по отдельным участкам образца	Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	33,9782	33,9501	33,9361	0,0421
5	Продукты коррозии по отдельным участкам образца	Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	34,1271	34,1063	34,0959	0,0312
6	Продукты коррозии по отдельным участкам образца	Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	34,2785	34,2384	34,2184	0,0601
7	Продукты коррозии по отдельным участкам	Редко расположенные мелкие точечные повреждения по	34,1778	34,1579	34,1477	0,0301

	образца	всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)
8	Продукты коррозии по отдельным участкам образца	Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	34,6126	34,5923	34,5804	0,0322
9	Продукты коррозии по отдельным участкам образца	Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	33,7289	33,7079	33,6949	0,0340
10	Продукты коррозии по отдельным участкам образца	Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)	34,3274	34,3042	34,2906	0,0368

Таблица 3.Оценка глубины коррозионных повреждений
п/п	Толщина покрытия, мкм	Глубина повреждения покрытия, мкм	Глубина повреждения основного материала, мкм
0	без покрытия	без покрытия	89
1	Около 18	Повреждение покрытия до основного материала	6
2	Повреждение покрытия до 9 мкм	нет
3	Повреждение покрытия до 8 мкм	нет
4	Повреждение покрытия до 6 мкм	нет
5	Повреждение покрытия до 7 мкм	нет
6	Повреждение покрытия до 9 мкм	нет
7	Повреждение покрытия до 8 мкм	нет
8	Повреждение покрытия до 11 мкм	нет
9	Повреждение покрытия до 5 мкм	нет

10

Повреждение покрытия до 4 мкм

нет

Таблица 4.Стойкость к пылевой эрозии.
п/п	Потеря массы, мкм	Увеличение стойкости, раз	п/п	Потеря массы, мкм	Увеличение стойкости. раз
0	4,07	-	6	0,43	9,45
1	0,57	7,14	7	0.41	10,01
2	0,47	8,68	8	0.35	11,56
3	0,45	9,11	9	0.28	14,47
4	0.44	9,14	10	0,29	13,94
5	0,42	9,56

Таблица 5.Стойкость к капельно-ударной эрозии
п/п	Увеличение стойкости, раз	п/п	Увеличение стойкости, раз
0	-	6	5,67
1	2,87	7	6,62
2	3.59	8	5,13
3	3,78	9	3,69
4	4,15	10	7,15
5	4,98

Анализ результатов сравнительных коррозионных испытаний показал, что наилучшие защитные свойства обеспечивает предлагаемое покрытие. Образец, имеющий предлагаемое покрытие, характеризуется наименьшей потерей массы и минимальной площадью поверхности. пораженной коррозией. При этом глубина наблюдаемых коррозионных повреждений не превысила толщины покрытия и не достигла основного материала, что свидетельствует о высокой надежности наносимого многослойного покрытия.

Стойкость к пылевой эрозии исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ "Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионоплазменных покрытий в запыленном потоке воздуха" 10790, 1987. - 37 с.) в пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью 2650 кг/м³, твердость HV=12000 МПа. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-3 ПК, давление в приемной камере 0,115-0,122 МПа, время воздействия - 120 с, концентрация абразива в потоке до 2-3 г/м³, что несколько выше, чем концентрация пылевых частиц на входе в авиационный двигатель в реальных условиях. Результаты испытания приведены в табл.4. Из таблицы видно, что стойкость к пылевой эрозии у образца с предлагаемых лопаток, увеличилась, приблизительно в 7...14 раз.

Стойкость к капельно-ударной эрозии исследовалась по методике МЭИ (Московского энергетического института) на стенде "Эрозия" при соударении жидких частиц размером 800 мкм и скоростью С_уд=300 м/с.

Результаты исследования приведены в табл.5. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии у образцов с предлагаемыми покрытиями, увеличилась, приблизительно от 3 до 7 раз.

Дополнительно были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из стали 20Х13 на воздухе и коррозионной среде в соответствии с требованиями ГОСТ 9.302-88. В результате эксперимента установлено следующее: при испытаниях на воздухе условный предел выносливости (_-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 320 МПа, у образцов с предлагаемым покрытием - до 380 МПа; при испытаниях в коррозионной среде условный предел выносливости образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 180 МПа, у образцов с предлагаемым покрытием - до 320 МПа.

Повышение предела выносливости у обработанных образцов во всех видах испытаний указывает на то, что лопатка паровой турбины с защитным покрытием, содержащая поверхностный слой основного материала, модифицированный имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, и нанесенным на него многослойным покрытием, содержащим чередующиеся слои эрозионностойких и коррозионностойких материалов, в качестве которых использованы Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Мо, W, Al, La, Eu и их нитридов, боридов и карбидов, при толщине слоя составляющего от 100 нм до 5 мкм при общей толщине покрытия от 10 мкм до 100 мкм, при использовании следующих вариантов слоев покрытия: каждый металлический слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый нитридный слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией; каждый нитридный слой покрытия во время его нанесения обработан ионной имплантацией; подвергнутые ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией; титановые слои покрытия подвергнутые имплантации ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией; а также использование на лопатке покрытия подвергнутого постимплантационному отпуску, совмещенному с нанесением многослойного покрытия, а также использование на лопатке покрытия и/или его слоев, подвергнутых ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 до 50 КэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 2·10¹⁸ ион/см², значительно улучшает усталостные свойства лопаток как на воздухе, так и в коррозионной среде.

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого покрытия при использовании упомянутых комбинаций слоев, обработанных ионной имплантацией позволяет увеличить по сравнению с прототипом стойкость к солевой коррозии, пылевой, капельной эрозии, при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, при уменьшении трудоемкости нанесения покрытия и расширении диапазона свойств покрытий, что подтверждает заявленный технический результат.

1. Лопатка паровой турбины из легированных сталей с защитным покрытием, содержащая поверхностный слой основного материала, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенным на него многослойным покрытием, отличающаяся тем, что содержит поверхностный слой, модифицированный имплантацией ионами одного из следующих химических элементов: Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией.

2. Лопатка паровой турбины по п.1, отличающаяся тем, что многослойное покрытие содержит чередующиеся слои эрозионностойких и коррозионностойких материалов.

3. Лопатка паровой турбины по п.2, отличающаяся тем, что многослойное покрытие содержит чередующиеся слои Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Мо, W, Al, La, Eu и их нитридов, боридов и карбидов.

4. Лопатка паровой турбины по п.3, отличающаяся тем, что толщина слоя составляет от 100 нм до 5 мкм при общей толщине покрытия от 10 до 100 мкм.

5. Лопатка паровой турбины по п.4, отличающаяся тем, что каждый металлический слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией.

6. Лопатка паровой турбины по п.4, отличающаяся тем, что каждый слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией.

7. Лопатка паровой турбины по п.4, отличающаяся тем, что каждый нитридный слой покрытия после его нанесения обработан ионной имплантацией.

8. Лопатка паровой турбины по п.4, отличающаяся тем, что каждый нитридный слой покрытия во время его нанесения обработан ионной имплантацией.

9. Лопатка паровой турбины по любому из пп.6-8, отличающаяся тем, что использованы слои покрытия, подвергнутые ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией.

10. Лопатка паровой турбины по п.4, отличающаяся тем, что использованы титановые слои покрытия, подвергнутые имплантации ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией.

11. Лопатка паровой турбины по любому из пп.1-8 и 10, отличающаяся тем, что покрытие подвергнуто постимплантационному отпуску, совмещенному с нанесением многослойного покрытия.

12. Лопатка паровой турбины по любому из пп.1-8 и 10, отличающаяся тем, что содержит покрытие и/или его слои подвергнутые ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 до 50 КэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 2·10¹⁸ ион/см² .

13. Лопатка паровой турбины по п.9, отличающаяся тем, что покрытие подвергнуто постимплантационному отпуску, совмещенному с нанесением многослойного покрытия.

14. Лопатка паровой турбины по п.9, отличающаяся тем, что содержит покрытие и/или его слои подвергнутые ионной имплантации при энергии ионов от 0,2 до 50 КэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 2·10 ¹⁸ ион/см².