Лопатка турбомашины
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, содержит на своей перьевой части защитное покрытие, полученное при использовании ионной очистки поверхности пера с последующим нанесением ионно-плазменного покрытия путем испарения металлов с цилиндрической поверхности, по крайней мере, одного вращающегося вокруг своей продольной оси охлаждаемого катода-обечайки, при перемещении по продольной поверхности катода-обечайки катодного пятна. Кроме того, указанное покрытие, использующееся на лопатке турбомашины, получено при использовании катода-обечайки, имеющего, по крайней мере, два винтовых участка, распределенные по его цилиндрической поверхности и выполненные из разнородных металлических материалов. Используемое на пере лопатки покрытие получено при скорости вращения катода-обечайки и перемещения катодного пятна, выбранные из условия обеспечения захвата катодным пятном, по крайней мере, двух винтовых участков при одном перемещении катодного пятна вдоль продольной оси катода-обечайки. 4 з.п.ф., 1 прим.
Полезная модель относится к лопаткам турбомашин с износо-, коррозионно- и эрозионностойкими ионно-плазменными покрытиями и может быть применена в машиностроении, энергомашиностроении и авиадвигателестроении.
Новый, более высокий уровень функциональных свойств лопаток ГТД и ГТУ определяются, главным образом характеристиками их рабочих поверхностей. Как показывает практика развития техники и технологий в этой области, наиболее эффективным методом их обеспечения являются покрытия с заданным составом и свойствами, наиболее перспективным и эффективным процессом нанесения покрытий являются ионно-плазменные способы нанесения пленочных мультислойных, в том числе нанотолщинных покрытий в вакууме. Этот способы имеют ряд существенных преимуществ перед другими известными способами нанесения покрытий на лопатки турбомашин.
Известена лопатка турбомашины, содержащая покрытие, полученное последовательным осаждением в вакууме на поверхность пера лопатки конденсированных слоев материалов (патент РФ 
2165475, С23С 14/16, 30/00, с22с 19/05, 20/04, 20.04.2001).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа является лопатка турбомашины содержащая вакуумно-плазменное многослойного износостойкое покрытие, полученное путем нанесения в среде реакционного газа. (Патент РФ 2266975, МПК С23С 14/06, Способ получения вакуумно-плазменного износостойкого покрытия. 2005 г). Причем покрытие содержит нижний слой из соединения титана и металла, промежуточный - из нитрида или карбонитрида титана и металла и верхний слой - из материала промежуточного слоя, легированного кремнием, при этом в качестве металла используют алюминий, или железо, или хром, или молибден, или цирконий, а нанесение слоев покрытия осуществляют расположенными горизонтально в одной плоскости тремя катодами, два из которых располагают противоположно и выполняют составными из титана и используемого металла, а третий выполняют составным из титана и кремния. (Патент РФ 2266975, МПК С23С 14/06, Способ получения вакуумно-плазменного износостойкого покрытия. 2005 г).
Недостатками лопаток турбомашин с такими покрытиями являются низкие эксплуатационные характеристики, поскольку используемые для защиты лопатки многослойные покрытия формируются в условиях, которые не позволяют получать качественные нанотолщинные слои многослойного покрытия.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эксплуатационных свойств лопаток турбомашин за счет использования многослойных нанотолщинных покрытий.
Технический результат достигается тем, что лопатка турбомашины, содержащая на своей перьевой части защитное покрытие, нанесенное после ионной очистки поверхности и полученное путем испарения металлов с цилиндрической поверхности, по крайней мере, одного вращающегося вокруг своей продольной оси охлаждаемого катода-обечайки, при перемещении по продольной поверхности катода-обечайки катодного пятна, а также при размещении лопатки в вакуумной камере и вращении лопатки вокруг собственной оси и перемещении ее относительно катодов-обечаек, в отличие от прототипа, покрытие получено при использовании катода-обечайки, имеющего, по крайней мере, два винтовых участка, распределенные по его цилиндрической поверхности и выполненные из разнородных металлических материалов, причем покрытие на пере лопатки получено при использовании скорости вращения катода-обечайки и перемещения катодного пятна, выбранные из условия обеспечения захвата катодным пятном, по крайней мере, двух винтовых участков при одном перемещении катодного пятна вдоль продольной оси катода-обечайки.
Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины, содержит покрытие, полученное: либо при использовании катода-обечайки, состоящего по меньшей мере, из двух следующих металлов Ti, Zr, Hf, Cr, Al, La, Eu и/или сплава на их основе, либо при использовании катода-обечайки, состоящего по меньшей мере, из двух следующих металлов Ni, Cr, Al, Y и/или сплава на их основе, а также содержит покрытие, полученное в среде реакционного газа, в частности азота при давлении 10-2-5·10-4 мм.
Повышение эксплуатационных свойств лопаток турбомашин с использование нанослойных покрытий объясняется следующими причинами. При выполнении вращающегося катода-обечайки достигается хорошее охлаждение, как за счет теплоотвода, так и за счет более быстрой смены поверхности испарения при вращении катода. Кроме того, при вращении катода происходит смена вида испаряемого металла. Частота смены вида испаряемого металла зависит от количества разнородных спирально согнутых полос цилиндрического катода, от диаметра катода, скорости вращения, скорости перемещения катодного пятна по катоду.
При использовании схемы процесса нанесения покрытия, позволяющей быстро изменять составы испаряемых материалов, т.е. при схеме перемещения зоны испарения по винтовой линии пересекающей в противоположном направлении винтовую линию полос разнородных материалов катода-обечайки, а также при значительных скоростях вращения катода-обечайки образуется покрытие на пере лопатки в виде нанослойной композиции.
Для сравнительной оценки эксплуатационных свойств лопатки-прототипа и лопатки турбомашины согласно предлагаемого технического решения были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность деталей в условиях эксплуатационных температур (при 300°С -450°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (
1) лопаток в среднем составляет:
A. Лопатки-прототипы:
1. ВТЗ-1 - 610-640 МПа;
2. ВТ5 - 520-550 МПа;
3. ВТ6 - 700-720 МПа;
4. ВТ9 - 820-835 МПа;
B. Лопатки, по предлагаемому техническому решению:
1. ВТЗ-1 - 680-720 МПа;
2. ВТ5 - 660-670 МПа;
3. ВТ6 - 770-785 МПа;
4. ВТ9 - 885-910 МПа;
Условия формирования покрытия на лопатке турбомашины по предложенному техническому решению. Использовался составной катод, состоящий из двух спирально согнутых полос, образующих при совмещении друг с другом цилиндрическую обечайку. Полосы были выполнены из титанового сплава ВТ1-0 и циркониевого сплава Э-110. Размеры катода: наружный диаметр - 200 мм, внутренний диаметр - 200 мм, высота - 800 мм. Покрытия наносили вакуумной камере экспериментальной установки с периферийным расположением катода. Размещение обрабатываемых деталей в вакуумной камере производили на держателе изделий карусельного типа, при нанесении покрытия производилось вращение деталей вокруг собственной оси с угловой скоростью 8 об/мин, а их перемещение их относительно катодов-обечаек при вращении держателя изделий с угловой скоростью 1 об/мин. Покрытия наносили после предварительной ионной очистки. Покрытия толщиной 6 мкм осаждались в течение 50 мин при температуре 560-580°С при токе дуги 120 А. Слои TiN осаждали в среде реакционного газа азота при напряжении на подложке 140 В. Для осаждения слоев TiCN в качестве реакционного газа использовалась смесь азота и ацетилена (содержание ацетилена в смеси 30%), напряжение на подложке 160 В. Ток фокусирующих катушек при конденсации TiN составляет 0,3 А, при конденсации TiCN - 0,4 А. Скорость вращения катода составляла 6, 18, 32 об/мин. Проведенные металлографические исследования показали на увеличение количества слоев в покрытии (при прочих равных условиях) при повышении числа оборотов катода. При нанесении покрытия для лопатки-прототипа, использовались аналогичные режимы, за исключением используемых катодов, которые не были составными и были изготовлены из титанового сплава ВТ1-0 и циркониевого сплава Э-110.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить эксплуатационные свойств лопаток турбомашин за счет использования защитного покрытия, нанесенного после ионной очистки поверхности и полученного путем испарения металлов с цилиндрической поверхности, по крайней мере, одного вращающегося вокруг своей продольной оси охлаждаемого катода-обечайки, при перемещении по продольной поверхности катода-обечайки катодного пятна, а также при размещении лопатки в вакуумной камере и вращении лопатки вокруг собственной оси и перемещении ее относительно катодов-обечаек, а также за счет покрытия полученого при использовании катода-обечайки, имеющего, по крайней мере, два винтовых участка, распределенные по его цилиндрической поверхности и выполненные из разнородных металлических материалов, при использовании покрытия на пере лопатки полученого при использовании скорости вращения катода-обечайки и перемещения катодного пятна, выбранные из условия обеспечения захвата катодным пятном, по крайней мере, двух винтовых участков при одном перемещении катодного пятна вдоль продольной оси катода-обечайки.
1. Лопатка турбомашины, содержащая на своей перьевой части защитное покрытие, полученное при использовании ионной очистки поверхности пера с последующим нанесением ионно-плазменного покрытия путем испарения металлов с цилиндрической поверхности, по крайней мере, одного вращающегося вокруг своей продольной оси охлаждаемого катода-обечайки при перемещении по продольной поверхности катода-обечайки катодного пятна, а также при размещении лопатки в вакуумной камере и вращении лопатки вокруг собственной оси и перемещении ее относительно катодов-обечаек, отличающаяся тем, что покрытие получено при использовании катода-обечайки, имеющего, по крайней мере, два винтовых участка, распределенные по его цилиндрической поверхности и выполненные из разнородных металлических материалов, причем покрытие на пере лопатки получено при использовании скорости вращения катода-обечайки и перемещения катодного пятна, выбранные из условия обеспечения захвата катодным пятном, по крайней мере, двух винтовых участков при одном перемещении катодного пятна вдоль продольной оси катода-обечайки.
2. Лопатка турбомашины по п.1, отличающаяся тем, что содержит покрытие, полученное при использовании катода-обечайки, состоящего по меньшей мере, из двух следующих металлов Ti, Zr, Hf, Cr, Al, La, Eu и/или сплава на их основе.
3. Лопатка турбомашины п.1, отличающаяся тем, что содержит покрытие, полученное при использовании катода-обечайки, состоящего по меньшей мере, из двух следующих металлов Ni, Cr, Al, Y и/или сплава на их основе.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что содержит покрытие, полученное в среде реакционного газа.
5. Способ по п.4, отличающийся тем, что содержит покрытие, полученное в среде реакционного газа азота при давлении 10-2-5·10-4 мм.
