Лопатка турбомашины, стойкая к солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии

 

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 турбомашины, содержащая поверхностный слой основного материала, модифицированный ионной имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, AI, Si, W, Pt, Pd или комбинацией этих ионов и нанесенным на него многослойным ионно-плазменным покрытием с чередованием слоев металлов Ti, Pt, Zr, Cr, TiAl и их нитридов, при этом толщина слоя покрытия может составлять от 10 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 5 мкм до 30 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 N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, AI, Si, W, Pt, Pd или их сочетанием. 9 з.п.ф., 4 табл.

Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для повышения эксплуатационных свойств рабочих лопаток компрессора и турбины, работающих в условиях воздействия солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии.

В промышленности известна лопатка турбомашины, стойкость которой повышена путем использования гальванического никель-кадмиего (NiCd) покрытия на лопатки компрессора ГТД (Петухов А.Н. Усталость замковых соединений лопаток компрессоров // Труды ЦИАМ 1213,1987. -36 с).

Недостатками этой лопатоки турбомашины являются невысокая устойчивость к солевой коррозии, экологический вред гальванического производства, а также вероятность наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.

Также известны стальные детали машин, стойкие к солевой коррозии. Содержащие покрытия, полученные последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера первого слоя конденсированного сплава на основе никеля толщиной от 6 до 25 мкм и второго слоя покрытия на основе алюминия толщиной от 4 до 12 мкм (Полищук И.Е. Структура и свойства газотермических покрытий на основе интерметаллидов системы никель-алюминий // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. науч. тр. НАН Украины, Науч. Совет НАНУ по пробл. "Физика твердого тела". - Киев, 1998).

Недостатками этой лопатки турбомашины являются высокая температура отжига (=610°С), которая приводит к изменениям в структуре материала детали (например таких сталей как 20X13, ЭИ961, 15X11МФ). Кроме того, процесс получения таких деталей с покрытий характеризуется высокой трудоемкостью (не менее 4 ч на садку) и материалоемкостью, при этом увеличение толщины покрытия приводит к существенному снижению усталостной детали и адгезионной прочности покрытия.

Известна лопатка турбомашины, стойкая к солевой коррозии содержащая покрытие, полученное последовательным осаждением в вакууме первого слоя из титана толщиной от 0,5 до 5,0 мкм, и второго слоя нитрида титана толщиной 6 мкм (Патент РФ 2165475 "Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии", МПК7 С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, 20.04.2001).

Известено также лопатка турбомашины, стойкая к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии, содержащая модифицированный ионной имплантацией ионами азота поверхностный слой и, нанесенное на него многослойное покрытие содержащее многократно чередующиеся слои титана и нитридов титана, полученное в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл. (Патент РФ 2226227, кл. С23С 14/48, 27.03.2004).

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является лопатка турбомашины, стойкая к солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, содержащая поверхностный слой основного материала, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенным на него многослойным покрытием. (Заявка РФ 2005134034, МПК. С23С 14/48, от 03.11.2005).

Основным недостатком известной лопатки турбомашины (Заявка РФ 2005134034, МПК. С23С 14/48, от 03.11.2005), является недостаточно высокая стойкость лопаток турбомашин к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии, а также недостаточная выносливость и циклическая прочность лопаток. Указанные качества особенно важны при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение стойкости лопатки турбомашины к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности.

Технический результат достигается тем, что лопатка турбомашины, стойкая к солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, содержащая поверхностный слой основного материала, модифицированный ионной имплантацией, и нанесенным на него многослойным покрытием в отличие от прототипа содержит поверхностный слой, модифицированный имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, AI, Si, W, Pt, Pd или их комбинации, а в качестве многослойного покрытия ионно-плазменное покрытие с чередованием слоев металлов Ti, Pt, Zr, Сr, TiAl и их нитридов, при этом толщина слоя покрытия может составлять от 10 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 5 мкм до 30 мкм.

Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины содержит варианты покрытия, полученного при: проведении ионной имплантации после нанесения каждого слоя металла; проведении ионной имплантации после нанесения каждого слоя покрытия; проведении ионной имплантации ионами азота после нанесения каждого слоя металла; проведении ионной имплантации легирующими ионами, при одновременном нанесении каждого слоя покрытия.

Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины содержит: модифицированный поверхностный слой основного материала и покрытие содержат легирующие элементы N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, AI, Si, W, Pt, Pd или их сочетание; поверхностный слой основного материала и покрытие полученное при проведении постимплантационного отпуска, совмещенного с нанесением многослойного покрытия, осуществленных в одном вакуумном объеме за один технологический цикл; поверхностный слой основного материала и покрытие полученное при проведении ионной имплантации с энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5·1020 ион/см2.

Для исследования стойкости лопаток турбомашин на солевую и газовую коррозии, газоабразивную и капельно-ударной эрозию, были изготовлены образцы из стали 20×13, которые были подвергнуты (указанным в таблице 1) вариантам обработки.

Табл.1
Группы образцов Имплантируемые ионы (в основу) Имплантиру емые ионы (в покрытие) Материал слоев и схема их чередования
Прототип (П)N+CrN n1(Ti-TiN-TiN)
1N+Cr Nn2(Ti-TiN-Ti-TiAlN)
2 YbY n2(Zr-ZrN-Ti-TiAlN)
3Y+N Crn2 (Cr-CrN-Ti-TiAlN)
4Y Nn2(Ti-TiAlN-Ti-TiN)
5 YbY n2(Zr-ZrN-TiAIN)
6С Nn2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
7Yb+Si Sin2(Zr-ZrN-TiAIN)
8 C+WN n2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
9Yb+W Yn2(Zr-ZrN-TiAIN)
10 Al+PtW n2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)

Таблица
11Pd+Pt, AIn2 (Ti-TiAlN-Ti-TiN)
12Si,+AI Nn2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
13Y+Pd Ptn2 (Ti-TiN-Ti-TiAlN)
14Pt Ybn2(Zr-TiAlN-Ti -ZrN)
15W Сn2(Ti-TiAlN-Ti-TiN)
16 WYb+N n2(Ti-TiAlN-Ti-TiN)

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Cr, Y, Yb, С, В, Zr, AI, Si, W, Pt, Pd) с энергией Е=300эВ-30 КэВ и дозой облучения Д=3·10 19 ион/см2, с 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 составляли: прототип - первый слой - Me толщиной около 1 мкм, второй слой - нитрид Me толщиной около 2 мкм, количество слоев n1 бралось равным 12 при общей толщине покрытия от 19 до 21 мкм; предлагаемое техническое решение - первый слой - Me толщиной 0,3 мкм, последующие слои - толщиной от 10 нм до 2 мкм, количество слоев n2 бралось от 12 до 1560 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 с углом наклона=3. Результаты коррозионных испытаний приведены в табл.2.

Таблица 2 - Коррозионная стойкость.
п/ п Результаты внешнего осмотра Результаты взвешивания, г. Потеря массы, г
До удаления продуктов коррозии После удаления продуктов коррозии В исход, сост.После испытаний (с удаленными продуктами коррозии)
ППродукты коррозии по всему периметру образца Точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении)32,8242 32,75220,0720
1. Продукты коррозии по периметру образца Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 33,126033,09330,0327
2. Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 32,096832,06370,0331
3 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 32,980732,95150,0292
4 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 32,754232,73190,0223

Таблица
5Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 33,091733,04460,0471
6 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 32,127432,10370,0237
7. Продукты коррозии по периметру образца Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 33,348033,31400,0340
8. Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 32,894032,85830,0357
9 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 33,546733,51660,0301
10 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 34,109434,08160,0278
11 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении 33,118333,08520,0331
12 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 33,138133,10580,0323
13 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 32,325032,28570,0393

Таблица
14Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 33,112734,07420,0385
15 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Отдельные точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении 32,479032,44920,0298
16 Продукты коррозии по отдельным участкам образца Редко расположенные мелкие точечные повреждения по всей поверх. образца (при 4-х крат. увеличении) 33,008432,96820,0402

Таблица 3. Стойкость к пылевой эрозии.
п/пПотеря массы, мкмУвеличение стойкости, разп/пПотеря массы, мкмУвеличение стойкости, раз
8 0,469,91
П 4,56- 90,54 8,44
10,61 7,4710 0,4111,12
2 0,3413,41 110,36 12,67
30,33 13,8212 0,2816,29
4 0,2915,72 130,37 12,32
50,34 13,4114 0,3911,69
6 0,3114,71 150,35 13,03
70,38 12,0016 0,3313,82

Таблица 4. Стойкость к капельно-ударной эрозии.
п/пУвеличение стойкости, раз п/пУвеличение стойкости, раз
П- 99,9
1 6,510 9,2
28,9 1110,3
3 10.112 11,8
412,7 1312,1
5 9,614 11,2
68,7 1510,5
7 11,316 11,4
810,1

Анализ результатов сравнительных коррозионных испытаний показал, что наилучшими свойствами обладает предлагаемая лопатка турбомашины, поскольку они характеризуется наименьшей потерей массы и минимальной площадью поверхности, пораженной коррозией, что свидетельствует о высокой надежности деталей.

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 265-311К, 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.3. Из таблицы видно, что стойкость к пылевой эрозии увеличилась, по сравнению с прототипам приблизительно в 1,63,4 раза.

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

Результаты исследования приведены в табл.4. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии увеличилась, по сравнению с прототипом, приблизительно от 1,3 до 1,9 раз.

Дополнительно были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из стали 20X13 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) повышается с 320 МПа (прототип) до 380 МПа; при испытаниях в коррозионной среде условный предел выносливости образцов повышается с 280 МПа (прототип) до 340 МПа.

Подобные результаты были получены также для образцов из материалов ЭИ961 и 15X11МФ.

Проведенные испытания покрытий показали, что приведенная в формуле полезной модели совокупность существенных признаков позволяет достичь технического результата - повышения стойкости лопатки турбомашины к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости, циклической прочности.

Пример конкретной реализации способа

Обработку поверхности лопаток турбомашин по описываемому способу проводят после всех формообразующих механических обработок, включая полирование. Лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60 до 65С. После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2-104 Па и проводят очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантацией азота и хрома по режиму

Таблица
N+CrN (Ti--TiN-TiAlN)

Имплантируемый ион Азот

Энергия ионов 300-1000 эВ

Плотность ионного тока 5-10 мА/см2

Доза имплантации ионов 31019 ион/см 2

Имплантируемый ион Хром

Энергия ионов 300-1000 эВ

Плотность ионного тока 5-10 мА/см2

Доза имплантации ионов 3·1019 ион/см2

После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400С в течение 1 ч, совмещенный с нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия на основе титана и нитрида титана с последовательным чередованием слоев: первый слой - титан толщиной 0,3 мкм, второй слой - нитрид титана толщиной 0,3 мкм, третий слой алюмонитрид титана толщиной 0,6 мкм, причем, после нанесения каждого слоя титана производят имплантацию ионов азота по режиму: энергия ионов 300-1000 эВ, доза имплантации ионов 5·1018 ион/см2. Нанесение указанных слоев повторяют до получения заданной толщины (20 мкм) многослойного покрытия. Режимы при нанесении покрытия: ток 1=140 А, напряжение U=140 В.

1. Лопатка турбомашины, стойкая к солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии, 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, C, B, Zr, N, Al, Si, W, Pt, Pd или их комбинации, а в качестве многослойного покрытия ионно-плазменное покрытие с чередованием слоев металлов Ti, Pt, Zr, Cr, TiAl и их нитридов.

2. Лопатка турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что толщина слоя покрытия составляет от 10 нм до 2 мкм при общей толщине покрытия от 5 до 30 мкм.

3. Лопатка турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что содержит покрытие, полученное при проведении ионной имплантации после нанесения каждого слоя металла.

4. Лопатка турбомашины по п.2, отличающаяся тем, что содержит покрытие, полученное при проведении ионной имплантации после нанесения каждого слоя покрытия.

5. Лопатка турбомашины по п.3, отличающаяся тем, что содержит покрытие, полученное при проведении ионной имплантации ионами азота после нанесения каждого слоя металла.

6. Лопатка турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что содержит покрытие, полученное при проведении ионной имплантации легирующими ионами, при одновременном нанесении каждого слоя покрытия.

7. Лопатка турбомашины по п.2, отличающаяся тем, что содержит покрытие, полученное при проведении ионной имплантации легирующими ионами, при одновременном нанесении каждого слоя покрытия.

8. Лопатка турбомашины по любому из пп.3, 4, 6, 7, отличающаяся тем, что модифицированный поверхностный слой основного материала и покрытие содержат легирующие элементы N, Cr, Y, Yb, C, B, Zr, Al, Si, W, Pt, Pd или их сочетание.

9. Лопатка турбомашины по любому из пп.3, 4, 6, 7, отличающаяся тем, что содержит поверхностный слой основного материала и покрытие, полученное при проведении постимплантационного отпуска, совмещенного с нанесением многослойного покрытия, осуществленных в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

10. Лопатка турбомашины по любому из пп.3, 4, 6, 7, отличающаяся тем, что содержит поверхностный слой основного материала и покрытие, полученное при проведении ионной имплантации с энергии ионов 300-1000 эВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 20 ион/см2.



 

Похожие патенты:

Решение относится к области технологии машиностроения, а именно, к инструментам, позволяющим формировать антифрикционно-упрочненный поверхностный слой из суспензии антифрикционного порошка и связующего поверхностно-пластическим деформированием дорнованием, и может быть использовано при обработке длинномерных внутренних цилиндрических поверхностей, например, отверстий в деталях гидроцилиндров, гильз.
Наверх