RU2655563C1 - Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии - Google Patents

Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии Download PDF

Info

Publication number
RU2655563C1
RU2655563C1 RU2017129501A RU2017129501A RU2655563C1 RU 2655563 C1 RU2655563 C1 RU 2655563C1 RU 2017129501 A RU2017129501 A RU 2017129501A RU 2017129501 A RU2017129501 A RU 2017129501A RU 2655563 C1 RU2655563 C1 RU 2655563C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium
blisk
carried out
plasma
ion
Prior art date
Application number
RU2017129501A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Михайлович Смыслов
Юрий Михайлович Дыбленко
Марина Константиновна Смыслова
Аскар Джамилевич Мингажев
Василий Андреевич Гонтюрев
Алексей Валерьевич Олейник
Александр Витальевич Гумеров
Вячеслав Юрьевич Гордеев
Константин Сергеевич Селиванов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Priority to RU2017129501A priority Critical patent/RU2655563C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2655563C1 publication Critical patent/RU2655563C1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/02Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48Ion implantation

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способу защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии. Осуществляют упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, 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. Перед ионно-плазменной модификацией поверхностного слоя проводят электролитно-плазменное полирование поверхности блиска. Ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя проводят ионами азота при энергии от 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозе от 1,5⋅1019 см-2 до 2,5⋅1019 см-2, силе тока от 0,1 мА/см2 до 3 мА/см2, при частоте тока от 70 до 100 кГц. При нанесении покрытия в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий. В процессе ионно-плазменной обработки блиск вращают относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений, обеспечивающих обработку всей его рабочей поверхности. 10 з.п. ф-лы, 1 пр.

Description

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.
Известен способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в среде инертного газа, включающий создание разности электрических потенциалов между подложкой и катодом и очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия, проведение отжига покрытия путем повышения разности потенциалов, причем ионный поток и поток испаряемого материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и покрытие наносят в несколько этапов до получения требуемой толщины (патент РФ 2192501, С23С 14/34, опубл. 10.11.2002).
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.
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 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 микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, 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 лопатокблиска 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, включающем упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, 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 320 В до 360 В с использованием в качестве электролита 2-7% водного раствора смеси NH4F и KF при содержании NH4F от 16 до 26 вес. %, KF - остальное, при этом ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя проводят ионами азота при энергии от 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅1019 см-2 до 2,5⋅1019 см-2, силой тока от 0,1 мА/см2 до 3 мА/см2, при частоте тока от 70 до 100 кГц, а при нанесении покрытия в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий, причем при ионно-плазменной обработке блиска его вращают относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений, обеспечивающих обработку всей рабочей поверхности блиска, а ионно-плазменную обработку и нанесение покрытия производят одновременно с обеих сторон блиска, причем нанесение титана производят одновременно с двух электродуговых испарителей, расположенных по разные стороны от блиска, а нанесение ванадия с двух электродуговых испарителей, также расположенных с обеих сторон блиска, причем нанесение покрытия осуществляют одновременно со всех четырех упомянутых испарителей.
Технический результат достигается также тем, что в способе защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии возможно использование следующих вариантов: при нанесении покрытия используют соотношение титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12, 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 7,0 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; электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°С до 90°C, в течение от 0,8 до 7 мин; в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8 вес. % TiF4; после нанесения требуемого количества слоев покрытия проводят отжиг, причем отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
Процесс электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемый блиск из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к нему положительный электрический потенциал, а к электролиту - отрицательный, в результате чего достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют при электрическом потенциале от 320 В до 360 В, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси KF и NH4F, при их содержании, вес. %: 80% KF и 20% NH4F. Полирование, в зависимости от параметров блиска и заданной микрогеометрии поверхности, ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2, при температуре от 70°С до 90°С, в течение от 0,8 до 7 мин. Для повышения качества обработки в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF4. Перед полированием блиска в электролите по режимам его обработки обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.
Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг рабочей поверхности блиска парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Величина pН электролита находится в пределах 4-9. Температура электролита - в диапазоне 70-90°C.
При осуществлении электролитно-плазменного полирования происходят следующие процессы. Под действием протекающих токов происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки. Излишняя теплота, возникающая при нагреве детали и электролита, отводится через систему охлаждения. При этом поддерживают заданную температуру процесса. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между деталью и электролитом) в парогазовой оболочке возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки.
При подаче положительного потенциала на деталь, в процессе протекания указанных реакций, происходит анодирование поверхности детали с одновременным химическим травлением образующегося окисла. Причем при анодной поляризации парогазовый слой состоит из паров электролита, анионов и газообразного кислорода. Поскольку травление происходит, в основном, на микронеровностях, где образуется тонкий слой окисла, а процессы анодирования продолжаются, то в результате совместного действия этих факторов происходит уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности и, как следствие, полирование последней.
При обработке в электролите 2-7% водного раствора смеси KF и NH4F при их содержании, вес. %: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное, поверхность детали покрывается слоем легко растворимого налета из фтористых соединений, образованных вытеснением кислорода (TiO2+F-TiF4). При напряжении от 320 В до 340 В температура разряда достаточно высока для ведения стабильного процесса полирования. Поскольку деталь из-за наличия парогазовой оболочки непосредственно не контактирует с электролитом, то соединение TiF4 испаряется, т.е. полирование ведется через испарение фторированного слоя (Тпл. TiF4=238°C).
При обработке блисков целесообразно введение в состав электролита поверхностно-активных веществ (ПАВ). Введение ПАВ уменьшает коэффициент поверхностного натяжения раствора, что улучшает состояние парогазового слоя на границе «газ-жидкость». Однако не следует создавать значительных концентраций ПАВ, поскольку это может привести к образованию нежелательных несмываемых пленок на поверхности изделия. Кроме того, увеличение концентрации ПАВ может привести к обратному эффекту, т.е. увеличению величины коэффициента поверхностного натяжения раствора. Концентрация основных компонентов электролита является величиной, достаточно варьируемой. При этом нижний предел их концентрации определяется необходимостью обеспечения количественного доминирования ионов фтора над ионами кислорода как в образующейся на поверхности изделия пленке, так и в парогазовой оболочке. Верхний предел концентрации раствора электролита лимитируется увеличением количества образующихся, в процессе обработки, токсичных газообразных продуктов (F-, NH3). Для минимизации джоуль-ленцовых потерь электролит должен обладать достаточной электропроводимостью. При подборе концентрации электролита из диапазона от 2 до 7% водного раствора смеси KF и NH4F (при вес. %: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное), а также дополнительных добавок (поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8%) TiF4) необходимо также учитывать возможность его продолжительного использования без дополнительной корректировки состава.
Для оценки стойкости лопаток блиска к их сопротивлению эрозионному износу были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, 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.
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу
Электролитно-плазменное полирование: электрический потенциал от 320 В до 360 В, 300 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 320 В -удовлетворительный результат (У.Р.); 330 В - (У.Р.); 360 В - (У.Р.); 370 В (Н.Р.); электролиты: от 2% до 7% (1% - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2%; 3%; 5%; 7%; 8% - (Н.Р.); водный раствор смеси KF и NH4F, при их содержании, вес. %: NH4F от 16% до 26% (14% - (Н.Р.); 16%; 20%; 24%; 26%; 28% - (Н.Р.)), KF - остальное.
Ионно-плазменная обработка азотом:
энергия - 0,1 кэВ (Н.Р.); 0,2 кэВ (У.Р.); 0,7 кэВ (У.Р.); 1,4 кэВ (У.Р.); 2,1 кэВ (У.Р.); 2,5 кэВ (У.Р.); 2,7 кэВ (Н.Р.);
доза - 1,3⋅1019 см-2 (Н.Р.); 1,5⋅1019 см-2 (У.Р.); 2,5⋅1019 см-2 (У.Р.); 3⋅1019 см-2 (Н.Р.);
сила тока - 0,07 мА/см2 (Н.Р.); 0,1 мА/см2 (У.Р.); 0,8 мА/см2 (У.Р.); 1,6 мА/см2 (У.Р.); 2,4 мА/см2 (У.Р.); 3,0 мА/см2 (У.Р.); 3,4 мА/см2 (Н.Р.);
частота тока - (от 70 до 100 кГц), 60 кГц (Н.Р.); 70 кГц (У.Р.); 80 кГц (У.Р.); 100 кГц (У.Р.); 110 кГц (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, а блиск вращался вокруг собственной продольной оси с совершением колебательных движений. Продольная ось совпадала по ориентации с осью цилиндрической рабочей камеры установки и потоком наносимого материала. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 8 до 10 об/мин. Колебательные движения составляли по 30° по обе стороны от вертикали. 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 (0,2 мкм до 0,3 мкм): 0,1 мкм (Н.Р.); 0,2 мкм (У.Р.) 0,3 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом (1,1 мкм до 2,2 мкм): 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 (от 5 мкм до 7 мкм): 4,0 мкм (Н.Р.); 5,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 8,0 мкм (Н.Р.).
Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 5 мкм до 7 мкм.
После нанесения покрытия проводили отжиг в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.
Эрозионная стойкость поверхности образцов исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ №10790: Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха, 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 8…9 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, ВТ8 м, 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 блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии следующих приемов: ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя 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; проведение перед ионно-плазменной модификацией поверхностного слоя электролитно-плазменного полирования поверхности приложением к обрабатываемой детали электрического потенциала от 320 В до 360 В, используя в качестве электролита 2-7% водный раствор смеси NH4F и KF при содержании NH4F от 16 до 26 вес. %, KF - остальное; ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя ионами азота при энергии 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅1019 см-2 до 2,5⋅1019 см-2, силой тока от 0,1 мА/см2 до 3 мА/см2, при частоте тока от 70 до 100 кГц; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия, в частности, при соотношении титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12%, остальное - Ti; вращение при ионно-плазменной обработке блиска относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений, обеспечивающих обработку всей рабочей поверхности блиска; проведение ионно-плазменной обработки и нанесение покрытия одновременно с обеих сторон блиска; проведение нанесения титана одновременно с двух электродуговых испарителей, расположенных по разные стороны от блиска и нанесение ванадия с двух электродуговых испарителей, также расположенных с обеих сторон блиска, осуществление нанесения покрытия одновременно со всех четырех упомянутых испарителей; при нанесении слоя титана с ванадием толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм; при нанесении слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм; осуществление нанесения слоев соединений титана с ванадием в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом в режиме ассистирования ионами азота; ведение электролитно-плазменного полирования при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°С до 90°С в течение от 0,8 до 7 мин; дополнительное введение в состав электролита 0,3-0,8 вес. % TiF4; после нанесения требуемого количества слоев покрытия проведение отжига; проведение отжига и нанесения покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл, 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.

Claims (11)

1. Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий упрочняющую обработку микрошариками, полирование кромок лопаток блиска, 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, отличающийся тем, что перед ионно-плазменной модификацией поверхностного слоя проводят электролитно-плазменное полирование поверхности блиска путем приложения к нему электрического потенциала от 320 В до 360 В с использованием в качестве электролита 2-7% водного раствора смеси NH4F и KF при содержании NH4F от 16 до 26 вес. %, KF - остальное, при этом ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя проводят ионами азота при энергии от 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозе от 1,5⋅1019 см-2 до 2,5⋅1019 см-2, силе тока от 0,1 мА/см2 до 3 мА/см2, при частоте тока от 70 до 100 кГц, а при нанесении покрытия в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий, причем в процессе ионно-плазменной обработки осуществляют вращение блиска относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений с обеспечением обработки всей рабочей поверхности блиска, при этом ионно-плазменную обработку и нанесение покрытия выполняют одновременно с обеих сторон блиска, причем нанесение покрытия осуществляют одновременно с четырех испарителей, при этом для нанесения титана используют два электродуговых испарителя, которые располагают по разные стороны от блиска, и для нанесения ванадия используют два электродуговых испарителя, расположенных с обеих сторон блиска.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при нанесении покрытия обеспечивают соотношение титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12, 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 7,0 мкм.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что 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.
4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что 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.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°С до 90°С в течение от 0,8 до 7 мин.
6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°С до 90°С в течение от 0,8 до 7 мин.
7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°С до 90°С в течение от 0,8 до 7 мин.
8. Способ по п. 3, отличающийся тем, что электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°С до 90°С в течение от 0,8 до 7 мин.
9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8 вес. % TiF4.
10. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что после нанесения требуемого количества слоев покрытия проводят отжиг, причем отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что после нанесения заданного количества слоев покрытия проводят отжиг, причем отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.
RU2017129501A 2017-08-18 2017-08-18 Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии RU2655563C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017129501A RU2655563C1 (ru) 2017-08-18 2017-08-18 Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017129501A RU2655563C1 (ru) 2017-08-18 2017-08-18 Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2655563C1 true RU2655563C1 (ru) 2018-05-28

Family

ID=62560564

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017129501A RU2655563C1 (ru) 2017-08-18 2017-08-18 Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2655563C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2694941C1 (ru) * 2018-10-09 2019-07-18 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ электрополирования лопаток блиска и рабочий контейнер для его реализации
RU2700229C1 (ru) * 2018-10-09 2019-09-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ электрополирования лопаток блиска
RU2768945C1 (ru) * 2021-10-27 2022-03-25 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2226227C1 (ru) * 2002-08-05 2004-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии
RU2375493C1 (ru) * 2008-05-04 2009-12-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ нанесения ионно-плазменного покрытия
US20100075172A1 (en) * 2006-04-19 2010-03-25 Ropal Ag Process for producing a corrosion-protected and high-gloss substrate
US8580354B2 (en) * 2007-07-11 2013-11-12 Applied Materials, Inc. Plasma treatment of substrates prior to deposition
RU2585599C1 (ru) * 2015-03-02 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии
US20170030204A1 (en) * 2010-05-28 2017-02-02 Vladimir Gorokhovsky Erosion And Corrosion Resistant Protective Coatings For Turbomachinery
WO2017100911A1 (en) * 2014-12-17 2017-06-22 Jonathan Webster Conditioning method of gas turbine engine components for increasing fuel efficiency.

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2226227C1 (ru) * 2002-08-05 2004-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии
US20100075172A1 (en) * 2006-04-19 2010-03-25 Ropal Ag Process for producing a corrosion-protected and high-gloss substrate
US8993119B2 (en) * 2006-04-19 2015-03-31 Ropal Europe Ag Process for producing a corrosion-protected and high-gloss substrate
US8580354B2 (en) * 2007-07-11 2013-11-12 Applied Materials, Inc. Plasma treatment of substrates prior to deposition
RU2375493C1 (ru) * 2008-05-04 2009-12-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ нанесения ионно-плазменного покрытия
US20170030204A1 (en) * 2010-05-28 2017-02-02 Vladimir Gorokhovsky Erosion And Corrosion Resistant Protective Coatings For Turbomachinery
WO2017100911A1 (en) * 2014-12-17 2017-06-22 Jonathan Webster Conditioning method of gas turbine engine components for increasing fuel efficiency.
RU2585599C1 (ru) * 2015-03-02 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2694941C1 (ru) * 2018-10-09 2019-07-18 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ электрополирования лопаток блиска и рабочий контейнер для его реализации
RU2700229C1 (ru) * 2018-10-09 2019-09-13 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ электрополирования лопаток блиска
RU2768945C1 (ru) * 2021-10-27 2022-03-25 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2552202C2 (ru) Способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии
RU2373306C2 (ru) Способ многоэтапного электролитно-плазменного полирования изделий из титана и титановых сплавов
RU2552201C2 (ru) Способ повышения эрозионной стойкости лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов
Muraleedharan et al. Surface modification of pure titanium and Ti 6A1 4V by intensified plasma ion nitriding
RU2655563C1 (ru) Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии
RU2161661C1 (ru) Способ нанесения износостойких покрытий и повышения долговечности деталей
Molaei et al. Sodium aluminate concentration effects on microstructure and corrosion behavior of the plasma electrolytic oxidation coatings on pure titanium
Mashtalyar et al. Polymer-containing layers formed by PEO and spray-coating method
Fathi et al. Effects of surface finishing procedures on corrosion behavior of DMLS-AlSi10Mg_200C alloy versus die-cast A360. 1 aluminum
RU2552203C2 (ru) Способ полирования деталей из титановых сплавов
RU2461667C1 (ru) Способ электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов
JP4512603B2 (ja) 耐ハロゲンガス性の半導体加工装置用部材
RU2281194C1 (ru) Способ восстановления эксплуатационных свойств деталей машин
RU2706263C1 (ru) Способ электролитно-плазменного полирования изделий из титановых и железохромоникелевых сплавов
RU2467098C1 (ru) Способ электролитно-плазменного удаления покрытий из нитридов титана или нитридов соединений титана с металлами
Kiryukhantsev-Korneev et al. Healing effect in coatings deposited by hybrid technology of vacuum electro-spark alloying, pulsed cathodic arc evaporation, and magnetron sputtering using Cr3C2-NiAl electrodes
RU2495966C1 (ru) Способ полирования деталей из титановых сплавов
Xin et al. Corrosion and wear properties of micro-arc oxidation treated Ti6Al4V alloy prepared by selective electron beam melting
RU2682265C1 (ru) Способ упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава
RU2533223C1 (ru) Способ обработки лопатки газотурбинного двигателя
RU2693414C1 (ru) Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии
RU2768945C1 (ru) Способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии
RU2806569C1 (ru) Способ защиты пера лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от газоабразивного износа
RU2677041C1 (ru) Способ нанесения защитного многослойного покрытия на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титанового сплава от пылеабразивной эрозии
Yang et al. Influence of silicate concentration in electrolyte on the growth and performance of plasma electrolytic oxidation coatings prepared on low carbon steel