RU2769799C1 - Method of protecting blades of a gas turbine engine from titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust abrasive erosion - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building and can be used in aircraft engine building and power turbine building for protection of blade airfoil of compressor of gas turbine engine from titanium alloys. Method involves placing blades in a chamber of a vacuum unit, creating the required vacuum, ion cleaning of the blade surface and application of ion-plasma multilayer coating on it with specified number of pairs of layers in form of titanium with metal layer and layer of titanium with metal and nitrogen compounds, wherein during application of coating as metal in layers of titanium with metal and in layers of compounds of titanium with metal and nitrogen vanadium is used, in the process of applying the coating, the blade is rotated relative to its longitudinal axis to ensure the treatment of the entire working surface of the airfoil, coating is applied simultaneously on both sides of the blade from electric arc evaporators located in the peripheral part of the vacuum unit chamber at alternation of titanium evaporators with vanadium evaporators.

EFFECT: increased resistance of gas turbine engine compressor blades from ultrafine-grained titanium alloys to erosion destruction at simultaneous increase of endurance and cyclic durability.

6 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток из титановых сплавов с регламентированной ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой от эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.SUBSTANCE: invention relates to mechanical engineering and can be used in aircraft engine building and power turbine building to protect the feather of working blades made of titanium alloys with a regulated ultrafine-grained (UFG) structure from erosive destruction while increasing endurance and cyclic durability.

Механические свойства (α+β)-титановых сплавов зависят от параметров формирующейся микроструктуры в процессе получения полуфабриката и его термомеханической обработки [Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, R.Boyer, G.Welsch, E.Collings, - ASM International, 1998, p.522-527; Колачев Б.А., Полькин И.С., Талалаев, В.Д. Титановые сплавы разных стран: Справочник. // М.: ВИЛС. 2000, 316 с. (с.37, 96-152)]. Равноосная структура рассматриваемых титановых сплавов (обычно с размером зерен α-фазы 15-20 мкм) обеспечивает оптимальное сочетание прочности и пластичности и, как следствие, сопротивление усталости [Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, R.Boyer, G.Welsch, E.Collings, - ASM International, 1998, 1048 p. (p.533-539); Колачев Б.А., Полькин И.С., Талалаев, В.Д. Титановые сплавы разных стран: Справочник. // М.: ВИЛС. 2000, 316 с. (с.183-186)]. При этом уменьшение размеров структурных составляющих (зерен первичной α-фазы и/или пластин вторичной α-фазы) способствует повышению сопротивления усталостному разрушению. Например, в сплаве Ti-6Al-4V с размером зерна 2 мкм, предел выносливости может достигать 650 МПа при симметричном цикле нагружения (R=-1) [Колачев Б.А., Полькин И.С., Талалаев, В.Д. Титановые сплавы разных стран: Справочник. // М.: ВИЛС. 2000, 316 с. (с.184)].The mechanical properties of (α + β)-titanium alloys depend on the parameters of the emerging microstructure in the process of obtaining a semi-finished product and its thermomechanical processing [Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, R. Boyer, G. Welsch, E. Collings, - ASM International, 1998, p .522-527; Kolachev B.A., Polkin I.S., Talalaev, V.D. Titanium alloys from different countries: a Handbook. // M.: VILS. 2000, 316 p. (p.37, 96-152)]. The equiaxed structure of the considered titanium alloys (usually with a grain size of α-phase 15-20 μm) provides an optimal combination of strength and ductility and, as a result, fatigue resistance [Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, R. Boyer, G. Welsch, E. Collings , - ASM International, 1998, 1048 p. (p.533-539); Kolachev B.A., Polkin I.S., Talalaev, V.D. Titanium alloys from different countries: a Handbook. // M.: VILS. 2000, 316 p. (p.183-186)]. In this case, a decrease in the size of the structural components (grains of the primary α-phase and/or plates of the secondary α-phase) contributes to an increase in the resistance to fatigue failure. For example, in the Ti-6Al-4V alloy with a grain size of 2 μm, the endurance limit can reach 650 MPa with a symmetrical loading cycle (R=-1) [Kolachev B.A., Polkin I.S., Talalaev, V.D. Titanium alloys from different countries: a Handbook. // M.: VILS. 2000, 316 p. (p. 184)].

Титановые двухфазные альфа-бета (α+β)- сплавы с регламентированной ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, обеспечивающей повышенный уровень механических свойств, могут быть использованы для изготовления лопаток компрессора гшазотурбинного двигателя (ГТД). В частности, существует способ штамповки заготовок из УМЗ двухфазных титановых сплавов в изотермических условиях при температуре ниже на 200…300°С [патент РФ № 2707006. МПК B21J5/00 Способ штамповки заготовок с ультрамелкозернистой структурой из двухфазных титановых сплавов, Опубл.21.11.2019.] Данный способ штамповки заготовок из двухфазных титановых сплавов обеспечивает повышенные механические свойства (предел прочности, пластичность и вязкость разрушения), при этом одновременно снижает продолжительность и трудоемкость обработки.Titanium two-phase alpha-beta (α+β) alloys with a controlled ultrafine-grained (UFG) structure, which provides an increased level of mechanical properties, can be used for the manufacture of compressor blades for gas-turbine engines (GTEs). In particular, there is a method for stamping billets from UFG two-phase titanium alloys under isothermal conditions at a temperature lower by 200...300°C [patent Russian Federation No. 2707006. IPC B21J5/00 Method for stamping workpieces with an ultrafine-grained structure from two-phase titanium alloys, Publ. simultaneously reduces the duration and complexity of processing.

Кроме того, в процессе работы ГТД лопатки компрессора наряду с высокими циклическими нагрузками, подвергаются эрозионному разрушению поверхности. В этой связи защита лопаток от пылеабразивной эрозии является весьма актуальной задачей. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин предлагается комбинированный способ упрочнения, основанный на модифицировании структурно-фазового состава и наноструктурирования материала в объеме и поверхностном слое. Во-первых, формирование УМЗ регламентированной структуры с использованием интенсивной пластической деформации в объеме материала обеспечит наиболее высокие прочностные и усталостные свойства, а также низкотемпературную и/или высокоскоростную сверхпластичность, необходимую для последующего формообразования изделия. Во-вторых, модификация поверхности за счет формирования нанокристаллических слоев в защитном покрытии методами ионно-плазменной обработки позволит обеспечить сопротивление коррозионным и эрозионным воздействиям.In addition, during the operation of the gas turbine engine, the compressor blades, along with high cyclic loads, are subjected to erosion destruction of the surface. In this regard, the protection of blades from dust-abrasive erosion is a very urgent task. Based on the requirements for operational properties, for the manufacture of gas turbine compressor blades, a combined hardening method is proposed based on the modification of the structural-phase composition and nanostructuring of the material in the volume and surface layer. Firstly, the formation of UFG of a regulated structure using severe plastic deformation in the bulk of the material will provide the highest strength and fatigue properties, as well as low-temperature and/or high-speed superplasticity, necessary for the subsequent shaping of the product. Secondly, surface modification due to the formation of nanocrystalline layers in the protective coating by ion-plasma treatment will provide resistance to corrosion and erosion effects.

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). A known method of vacuum ion-plasma coating on a substrate in an inert gas environment, including the creation of an electrical potential difference between the substrate and the cathode and cleaning the surface of the substrate with an ion flux, reducing the potential difference and coating, conducting coating annealing by increasing the potential difference, and the ion flux and the flow of evaporated material coming from the cathode to the substrate is screened, the cleaning is carried out with inert gas ions, after cleaning the screens are removed and the coating is applied in several stages until the required thickness is obtained (RF patent 2192501, C23C 14/34, publ. 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).A known method of applying ion-plasma coatings on turbine blades, including sequential deposition in vacuum of the first layer of titanium with a thickness of 0.5 to 5.0 microns, then applying a second layer of titanium nitride with a thickness of 6 microns (RF patent 2165475, IPC C23C 14/16 , 30/00, С22С 19/05, 21/04, published 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.The main disadvantage of this method is to provide insufficiently high erosion resistance of the blade surface. In addition, with an increase in the thickness of the coating (or each of the coating layers), the adhesion and fatigue strength of coated parts decreases, which worsens their service life and reliability.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий размещение лопаток в камере вакуумной установки, создание необходимого вакуума, ионную очистку поверхности лопатки и нанесение на нее ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством 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). В известном способе (патент РФ 2226227)  перед нанесением многослойного покрытия проводят ионную имплантацию ионами азота и постимплантационный отпуск, который совмещают с нанесением многослойного покрытия, а многослойное покрытие наносят многократным чередованием слоев титана, ε-нитрида титана и α-нитрида титана, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a method of protecting the blades of a compressor of a gas turbine engine made of titanium alloys from dust erosion, including placing the blades in the chamber of a vacuum unit, creating the necessary vacuum, ionic cleaning of the surface of the blade and applying an ion-plasma multilayer coating on it with a given number of pairs of layers in the form of a layer of titanium with metal and a layer of titanium compounds with metal and nitrogen (RF patent 2226227, IPC S23S 14/48, publ. 03/27/2004). In a known method (RF patent 2226227), before applying a multilayer coating, ion implantation with nitrogen ions and post-implantation tempering are carried out, which is combined with the application of a multilayer coating, and the multilayer coating is applied by repeated alternation of layers of titanium, ε-titanium nitride and α-titanium nitride, and post-implantation tempering and the deposition of a multilayer coating is carried out in one vacuum volume in one technological cycle.

Основным недостатком аналога является невысокие эрозионная стойкость, предел выносливости, а также циклическая долговечность лопаток компрессора ГТД, При этом повышение указанных свойств особенно важно для таких деталей из титановых сплавов, как компрессорные лопатки ГТД. Кроме того известный способ не может быть использован для нанесения покрытий на лопатки компрессора из титановых сплавов с УМЗ структурой.The main disadvantage of the analogue is the low erosion resistance, endurance limit, and cyclic life of the GTE compressor blades. At the same time, the increase in these properties is especially important for such parts made of titanium alloys as GTE compressor blades. In addition, the known method cannot be used for coating compressor blades made of titanium alloys with UFG structure.

Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать лопатки из титановых сплавов с УМЗ структурой от эрозионного износа в условиях воздействия газовых потоков, содержащих абразивные частицы, при одновременном повышении предела выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.The objective of the present invention is to create such a multilayer coating that would be able to effectively protect blades made of titanium alloys with UFG structure from erosive wear under the influence of gas flows containing abrasive particles, while increasing the endurance limit and cyclic durability of the protected parts.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости лопаток компрессора ГТД из УМЗ титановых сплавов к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых лопаток за счет нанесения эрозионностойкого покрытия. The technical result of the proposed method is to increase the resistance of the compressor blades of the GTE compressor from UMP titanium alloys to erosion destruction while ensuring the specified endurance and cyclic durability of the protected blades by applying an erosion-resistant coating.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты лопаток газотурбинного двигателя из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой от пылеабразивной эрозии, включающем размещение лопаток в камере вакуумной установки, создание необходимого вакуума, ионную очистку поверхности лопатки и нанесение на нее 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, 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 нанесения покрытия осуществляют вращение лопатки относительно ее продольной оси с обеспечением обработки всей рабочей поверхности пера, при этом нанесение покрытия выполняют одновременно с обеих сторон лопатки, причем нанесение покрытия осуществляют одновременно, по крайней мере, с четырех равномерно расположенных в периферийной части рабочей камеры вакуумной установки электродуговых испарителей, при чередовании испарителей из титана с испарителями из ванадия.The technical result is achieved by the fact that in the method of protecting the blades of a gas turbine engine made of titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust-abrasive erosion, including placing the blades in the chamber of a vacuum installation, creating the necessary vacuum, ionic cleaning of the blade surface and applying an ion-plasma multilayer coating on it with a given amount pairs of layers in the form of a layer of titanium with metal and a layer of titanium compounds with metal and nitrogen, in contrast to the prototype, when coating as a metal in layers of titanium with metal and in layers of titanium compounds with metal and nitrogen, vanadium is used, and in the coating process the blade is rotated relative to its longitudinal axis to ensure that the entire working surface of the feather is treated, while the coating is applied simultaneously on both sides of the blade, and the coating is carried out simultaneously, at least from four evenly spaced in the peripheral part of the working blade. chambers of the vacuum installation of electric arc evaporators, with the alternation of titanium evaporators with vanadium evaporators.

Технический результат достигается также тем, что в способе защиты лопаток газотурбинного двигателя из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой от пылеабразивной эрозии возможно использование в качестве материала лопаток титанового сплава с регламентированной ультрамелкозернистой структурой, способ получения которого включает предварительную пластическую деформацию заготовки для формирования УМЗ структуры, последующую штамповку в изотермических условиях путем нагрева заготовки и штампа при температуре ниже на 200…300°С температуры полиморфного превращения с последующим охлаждением заготовки до комнатной температуры, причем перед пластической деформацией заготовку сначала подвергают термической обработке для получения дуплексной структуры с объемной долей зерен первичной α-фазы не более 30%, причем пластическую деформацию проводят высокоскоростной ротационной ковкой при температуре ниже температуры полиморфного превращения на 200…300°С с логарифмической степенью деформации не менее 1,5, с обеспечением УМЗ структуры бимодального типа, а после штамповки осуществляют стабилизирующий отжиг при температуре ниже температуры полиморфного превращения на 400…450°С в течение 2…6 часов с охлаждением на воздухе [ согласно технологии, описанной в патенте РФ № 2707006 Способ штамповки заготовок с ультрамелкозернистой структурой из двухфазных титановых сплавов, Опубликовано: 21.11.2019 Бюл. № 33]. The technical result is also achieved by the fact that in the method of protecting the blades of a gas turbine engine made of titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust-abrasive erosion, it is possible to use a titanium alloy with a regulated ultrafine-grained structure as a material for the blades, the method of obtaining which includes preliminary plastic deformation of the workpiece to form an UFG structure, followed by stamping under isothermal conditions by heating the workpiece and die at a temperature lower by 200...300°C than the polymorphic transformation temperature, followed by cooling the workpiece to room temperature, and before plastic deformation, the workpiece is first subjected to heat treatment to obtain a duplex structure with a volume fraction of grains of the primary α-phase not more than 30%, and plastic deformation is carried out by high-speed rotational forging at a temperature below the temperature of polymorphic transformation by 200 ... 300 ° C with a logarithmic degree of deformation not less than 1.5, with the provision of a UFG structure of a bimodal type, and after stamping, stabilizing annealing is carried out at a temperature below the temperature of polymorphic transformation by 400 ... 450 ° C for 2 ... 6 hours with air cooling [according to the technology described in the RF patent No. 2707006 Method for stamping workpieces with an ultrafine-grained structure from two-phase titanium alloys, Published: 11/21/2019 Bull. No. 33].

Технический результат достигается также тем, что в способе защиты лопаток газотурбинного двигателя из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой от пылеабразивной эрозии 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 15,0 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, а при нанесении покрытия осуществляя вращение лопатки относительно ее продольной оси придают ей дополнительно колебательные движения; после нанесения требуемого количества слоев покрытия проводят отжиг, причем отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.The technical result is also achieved by the fact that in the method of protecting the blades of a gas turbine engine made of titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust-abrasive erosion during coating, a ratio of titanium to vanadium is provided, wt. %: V from 4 to 12, the rest is Ti, and a layer of titanium with vanadium is applied with a thickness of 0.2 μm to 0.3 μm, and a layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen is applied with a thickness of 1.1 μm to 2.2 μm with a total thickness of the multilayer coating from 5.0 µm to 15.0 µm; the deposition of layers of titanium compounds with vanadium is carried out in the mode of assisting with argon ions, and the layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen are carried out in the mode of assisting with nitrogen ions, and when applying the coating, rotating the blade relative to its longitudinal axis gives it additional oscillatory movements; after applying the required number of coating layers, annealing is carried out, and annealing and coating are carried out in one vacuum volume in one technological cycle.

Сущность изобретения поясняется схемой нанесения эрозионностойкого покрытия. На фигуре (фиг.) показаны лопатки, расположенные в вакумной установке для нанесения ионно-плазхменных многослойных покрытий . Фигура содержат: 1 – лопатка компрессора ; 2 – держатель изделий; 3 – рабочая камера; 4 – центральная вертикальная ось камеры установки; 5 – электродуговые испарители (ЭДИ); 6 – вертикальная ось рабочей камеры; 7 – дверь рабочей камеры; 8 – гнезда для деталей (угловые скорости вращения: ω₁ – вращение держателя изделий относительно вертикальной оси, ω₂ - вращение лопатки относительно собственной оси).The essence of the invention is illustrated by the scheme of applying an erosion-resistant coating. The figure (fig.) shows the blades located in a vacuum installation for applying ion-plasma multilayer coatings. The figure contains: 1 - compressor blade; 2 – product holder; 3 - working chamber; 4 – central vertical axis of the installation chamber; 5 – electric arc evaporators (EDI); 6 – vertical axis of the working chamber; 7 - door of the working chamber; 8 - nests for parts (angular speeds of rotation: ω ₁ - rotation of the product holder about the vertical axis, ω ₂ - rotation of the blade about its own axis).

Способ осуществляется следующим образом. Лопатки компрессора 1 (фиг.) размещают на держателе изделий 2 в камере вакуумной установки. Держатель изделий выполнен в виде стола с гнездами 8 для закрепления в каждой ячейке лопатки 1. Держатель 2, в процессе нанесения покрытия на лопатки 1, вращается относительно центральной вертикальной оси цилиндрической рабочей камеры установки 4, одновременно с этим, происходит вращение лопаток 1 вокруг собственной продольной оси, параллельной вертикальной оси установки оси. В рабочей камере 3 создается необходимый вакуум, проводится ионная очистка поверхности лопаток и нанесение на них ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом. При нанесении покрытия в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий. Нанесение покрытия осуществляют одновременно, по крайней мере, с четырех равномерно расположенных в периферийной части рабочей камеры вакуумной установки электродуговых испарителей 5, при чередовании расположения испарителей из титана с испарителями из ванадия.The method is carried out as follows. The compressor blades 1 (Fig.) are placed on the product holder 2 in the chamber of the vacuum unit. The product holder is made in the form of a table with sockets 8 for fixing the blade 1 in each cell. The holder 2, in the process of coating the blade 1, rotates relative to the central vertical axis of the cylindrical working chamber of the installation 4, at the same time, the blades 1 rotate around their own longitudinal axis parallel to the vertical axis of the axis setting. The necessary vacuum is created in the working chamber 3, ion cleaning of the surface of the blades is carried out and an ion-plasma multilayer coating is applied to them with a given number of pairs of layers in the form of a layer of titanium with metal and a layer of titanium compounds with metal and nitrogen. Vanadium is used as the metal in the layers of titanium with metal and in the layers of titanium with metal and nitrogen compounds when coating. Coating is carried out simultaneously, at least from four electric arc evaporators 5 evenly located in the peripheral part of the working chamber of the vacuum unit, with alternating arrangement of titanium evaporators with vanadium evaporators.

Для нанесения покрытия могут использоваться протяженные электродуговые испарители 5 (ЭДИ), работающие в режиме возвратно-поступательного движения области катодного пятна (зоны испарения) под воздействием электромагнитного поля, возникающего в результате протекания тока по катоду. Возвратно-поступательное движение области катодного пятна обеспечивается переключением контактов на концах ЭДИ. Испарение материала катода происходит за счет дуги, возбужденной между расположенными по периферии чередующимися, расположенными попарно ЭДИ с титановыми катодами и ЭДИ с ванадиевыми катодами. For coating, extended electric arc evaporators 5 (EDI) can be used, operating in the mode of reciprocating movement of the cathode spot area (evaporation zone) under the influence of an electromagnetic field resulting from the flow of current through the cathode. The reciprocating motion of the cathode spot region is provided by switching contacts at the ends of the EDI. Evaporation of the cathode material occurs due to the arc excited between the alternating, arranged in pairs, EDI with titanium cathodes and EDI with vanadium cathodes located along the periphery.

Для оценки эрозионной стойкости лопаток были проведены следующие испытания. На образцы лопаток, изготовленных из титановых сплавов с УМЗ структурой марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были нанесены покрытия как по способу-прототипу (патент РФ 2226227, МПК C23C 14/48, опубл. 27.03.2004), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.To evaluate the erosion resistance of the blades, the following tests were carried out. Samples of blades made of titanium alloys with UFG structure of grades VT6, VT8, VT8 m, VT41, VT18u, VT31, VT9, VT22, VT25u were coated as per the prototype method (RF patent 2226227, IPC C23C 14/48, publ. . 27.03.2004), according to the conditions and modes of application given in the prototype method, and the coating according to the proposed method.

Реализация способа получения регламентированной УМЗ структуры в лопатке компрессора ГТД из сплава ВТ8М-1 осуществляется следующим образом: пруток ВТ8М-1 диаметром 70 мм и длиной 1000 мм подвергали термической обработке: нагрев до температуры 940°C в течение 1 часа с последующей закалкой в воду. Отжиг проводили при 700°C в течение 4 часов с охлаждением на воздухе. По результатам оптической микроскопии микроструктура прутка состояла из пластин α-фазы толщиной 0,12 мкм, разделенных β-фазными прослойками, и 30% зерен глобулярной первичной α-фазы со средним размером 3 мкм. Затем пруток подвергали ротационной ковке с предварительным подогревом в течение 20 минут при температуре 750°C. Диаметр прутка уменьшился с 70 до 32 мм, а длина увеличилась с 1 до 4 м (e - приблизительно1,7, скорость деформирования выше 300 мм с^-1). По результатам оптической и просвечивающей электронной микроскопии видно, что пластинчатая составляющая структуры практически полностью трансформируется в равноосную со средним размером зерен 0,25 мкм. При этом средний размер глобулярных зерен первичной α-фазы после пластической деформации составил около 3 мкм. Часть зерен были вытянуты вдоль направления деформации. The implementation of the method for obtaining a regulated UFG structure in a GTE compressor blade from VT8M-1 alloy is carried out as follows: a VT8M-1 rod with a diameter of 70 mm and a length of 1000 mm was subjected to heat treatment: heating to a temperature of 940°C for 1 hour, followed by quenching in water. Annealing was carried out at 700°C for 4 hours with air cooling. According to the results of optical microscopy, the microstructure of the rod consisted of α-phase plates 0.12 µm thick, separated by β-phase interlayers, and 30% grains of the globular primary α-phase with an average size of 3 µm. Then the rod was subjected to rotational forging with preheating for 20 minutes at a temperature of 750°C. The diameter of the rod decreased from 70 to 32 mm, and the length increased from 1 to 4 m (e - approx. 1.7, strain rate above 300 mm s ^-1 ). According to the results of optical and transmission electron microscopy, it can be seen that the lamellar component of the structure is almost completely transformed into an equiaxed one with an average grain size of 0.25 μm. In this case, the average size of globular grains of the primary α-phase after plastic deformation was about 3 μm. Some of the grains were elongated along the deformation direction.

Полученную заготовку для обеспечения течения материала в штампе покрывали суспензией стеклоэмали, нагревали до температуры 740±20°С. Время нагрева в печи 20±5 минут. Далее заготовку клещами вынимали из печи и переносили в нагретый до температуры 740±10°С штамп, установленный на гидравлическом прессе с усилием 630 т.с. Штамповку осуществляли в изотермических условиях. После деформации заготовку вынимали из штампа и охлаждали до комнатной температуры, очищали от смазки. После калибровки и обрезки облоя осуществляли отжиг при температуре 550°С в течение 2 часов с охлаждением на воздухе.The resulting workpiece to ensure the flow of material in the stamp was covered with a suspension of glass enamel, heated to a temperature of 740±20°C. The heating time in the oven is 20±5 minutes. Next, the workpiece was taken out of the furnace with tongs and transferred to a stamp heated to a temperature of 740 ± 10°C, mounted on a hydraulic press with a force of 630 tf. Stamping was carried out under isothermal conditions. After deformation, the workpiece was removed from the die, cooled to room temperature, and cleaned of grease. After calibration and flash trimming, annealing was carried out at a temperature of 550°C for 2 hours with air cooling.

Полученные штамповки имеют УМЗ структуру бимодального типа, в которой 70% составляют равноосные ультрамелкие зерна со средним размером 0,9 мкм с преимущественно высокоугловыми границами и 30% – зерна первичной α-фазы размером 3 мкм. (согласно технологии, приведенной в патенте РФ № 2707006 Способ штамповки заготовок с ультрамелкозернистой структурой из двухфазных титановых сплавов, Опубликовано: 21.11.2019 Бюл. № 33.)The resulting forgings have a UFG structure of a bimodal type, in which 70% are equiaxed ultrafine grains with an average size of 0.9 μm with predominantly high-angle boundaries and 30% are grains of the primary α-phase with a size of 3 μm. (according to the technology given in the patent of the Russian Federation No. 2707006 Method for stamping blanks with an ultrafine-grained structure from two-phase titanium alloys, Published: 11/21/2019 Bull. No. 33.)

Данная технология может быть реализована для заготовок из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ3-1, ВТ22 . This technology can be implemented for billets made of titanium alloys of grades VT6, VT8, VT18U, VT3-1, VT22.

Режимы нанесения покрытия по предлагаемому способу.Coating modes according to the proposed method.

Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с четырех, одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей. Расположение испарителей - периферийное, с обеих сторон лопаток, с чередованием электродугового испарителя из ванадия с испарителем из титана. Электродуговые испарители располагались в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки. Лопатки, по первому варианту вращались одновременно вокруг собственной продольной оси с совершением оборота вокруг централиной вертикальной оси цилиндрической рабочей камеры установки. Скорость вращения лопаток относительно собственной оси составляла от 8 до 10 об/мин, относительно оси камеры установки от 1 до 2 об/мин. При использовании варианта обработкис колебательныим движением лопаток, составляющими по 30° по обе стороны от вертикали, производилось от 3 до 5 колебаний в минуту. 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.The deposition of layers of titanium compounds with vanadium was carried out: from four, simultaneously operating separate electric arc evaporators. The location of the evaporators is peripheral, on both sides of the blades, with alternating electric arc evaporator made of vanadium with an evaporator made of titanium. Electric arc evaporators were located in the peripheral part of the cylindrical working chamber of the ion-plasma facility. The blades, according to the first version, rotated simultaneously around their own longitudinal axis with a revolution around the central vertical axis of the cylindrical working chamber of the installation. The speed of rotation of the blades relative to its own axis was from 8 to 10 rpm, relative to the axis of the installation chamber from 1 to 2 rpm. When using the processing option with the oscillatory movement of the blades, which are 30 ° on both sides of the vertical, from 3 to 5 oscillations per minute were made. The deposition of layers of titanium compounds with vanadium was carried out in the mode of assistance with argon ions, and the layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen are carried out in the mode of assistance with nitrogen ions.

Толщина слоя титана с ванадием: 0,1 мкм – неудовлеворительный результат (Н.Р.); 0,2 мкм – удовлетворительный результат (У.Р.); 0,3 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом: 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: 4,0 мкм (Н.Р.); 5,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 9,0 мкм (У.Р.); 12,0 мкм (У.Р.); 15,0 мкм (У.Р.); 18,0 мкм (Н.Р.).Thickness of the titanium layer with vanadium: 0.1 µm - unsatisfactory result (N.R.); 0.2 µm - satisfactory result (U.R.); 0.3 µm (U.R.); 0.5 µm (N.R.). Thickness of the layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen: 0.9 µm (N.R.); 1.1 µm (U.R.); 1.5 µm (U.R.); 2.2 µm (U.R.); 2.5 µm (N.R.). Overall coating thickness: 4.0 µm (N.R.); 5.0 µm (U.R.); 7.0 µm (U.R.); 9.0 µm (U.R.); 12.0 µm (U.R.); 15.0 µm (U.R.); 18.0 µm (N.R.).

Оптимальная толщина покрытия, нанесенного по предлагаемому способу составляла от 5 мкм до 15 мкм, покрытия-прототипа также от 5 мкм до 15 мкм.The optimal thickness of the coating applied by the proposed method ranged from 5 μm to 15 μm, the prototype coating is also from 5 μm to 15 μm.

Эрозионная стойкость поверхности образцов исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха 10790, 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 4,3…7,2 раза. Как показали исследования, одной из причин увеличения эрозионной стойкости лопаток являлось сочетание предложенного покрытия с основным материалом детали (сравнение покрытия нанесенного на обычный титановый сплав и титановый сплав с УМЗ структурой показал разницу в эрозионной стойкости в 4… 6 раз в пользу сплава с УМЗ структурой).Erosion resistance of the surface of the samples was investigated by the method of CIAM (Technical report CIAM Experimental study of the wear resistance of vacuum ion-plasma coatings in a dusty air flow 10790, 1987. - 37 p.) on a sandblasting unit 12G-53 jet-ejector type. For blowing, ground quartz sand with density p=2650 kg/m ³ and hardness HV=12000 MPa was used. Blowing was carried out at an air-abrasive flow rate of 195-210 m/s, flow temperature 265-311 K, pressure in the receiving chamber 0.115-0.122 MPa, exposure time - 120 s, abrasive concentration in the flow up to 2-3 g/m ³ . The test results showed that the erosion resistance of the coatings obtained by the proposed method increased in comparison with the prototype coating by approximately 4.3...7.2 times. Studies have shown that one of the reasons for increasing the erosion resistance of the blades was the combination of the proposed coating with the main material of the part (comparison of the coating applied to a conventional titanium alloy and a titanium alloy with a UFG structure showed a difference in erosion resistance by 4 ... 6 times in favor of an alloy with a UFG structure) .

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность исследуемых лопаток, после 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, полученных по способу-прототипу - 455-470 МПа, а по предлагаемому способу - 500-520 МПа.In addition, tests were carried out for endurance and cyclic durability of the studied blades after coating. Samples of the following grades of titanium alloys (VT6, VT8, VT8 m, VT41, VT18u, VT31, VT9, VT22, VT25u) were tested in air. As a result of the experiment, the following was established: the conditional endurance limit (-1) of the samples obtained by the prototype method is 455-470 MPa, and by the proposed method - 500-520 MPa.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе нанесения эрозионностойких покрытий на лопатки компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов с ультрамелкозернистой сруктурой следующих приемов: включающем размещение лопаток в камере вакуумной установки; создание необходимого вакуума; ионную очистку поверхности лопатки; нанесение на лопатку ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия; вращение лопатки относительно ее продольной оси в процессе нанесения покрытия с обеспечением обработки всей рабочей поверхности пера; нанесение покрытия одновременно с обеих сторон лопатки одновременное; нанесение покрытия, по крайней мере, с четырех равномерно расположенных в периферийной части рабочей камеры вакуумной установки электродуговых испарителей, при чередовании испарителей из титана с испарителями из ванадия; использование в качестве материала лопаток двухфазного альфа-бета титанового сплава с регламентированной ультрамелкозернистой структурой, полученной предварительной пластической деформацией заготовки, последующей штамповкой в изотермических условиях путем нагрева заготовки и штампа при температуре ниже на 200…300°С температуры полиморфного превращения с последующим охлаждением заготовки до комнатной температуры, причем перед пластической деформацией заготовку сначала подвергают термической обработке для получения дуплексной структуры с объемной долей зерен первичной α-фазы не более 30%, причем пластическую деформацию проводят высокоскоростной ротационной ковкой при температуре ниже температуры полиморфного превращения на 200…300°С с логарифмической степенью деформации не менее 1,5, с обеспечением УМЗ структуры бимодального типа, а после штамповки осуществляют стабилизирующий отжиг при температуре ниже температуры полиморфного превращения на 400…450°С в течение 2…6 часов с охлаждением на воздухе; обеспечение при нанесении покрытия соотношения титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12, остальное – Ti; нанесение слоя титана с ванадием толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм, а слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 5,0 мкм до 15,0 мкм позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения – повысить стойкость лопаток компрессора ГТД из УМЗ титановых сплавов к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых лопаток за счет нанесения эрозионностойкого покрытия. Thus, the conducted comparative tests have shown that the use of the following techniques in the method of applying erosion-resistant coatings on the compressor blades of a gas turbine engine made of titanium alloys with an ultrafine-grained structure: including placing the blades in a chamber of a vacuum installation; creating the necessary vacuum; ion cleaning of the blade surface; application to the blade of an ion-plasma multilayer coating with a given number of pairs of layers in the form of a layer of titanium with metal and a layer of titanium compounds with metal and nitrogen; use as a metal in layers of titanium with metal and in layers of titanium compounds with metal and vanadium nitrogen; rotation of the blade relative to its longitudinal axis in the process of coating to ensure the processing of the entire working surface of the pen; coating simultaneously on both sides of the blade simultaneously; coating at least four electric-arc evaporators evenly spaced in the peripheral part of the working chamber of the vacuum unit, with alternating titanium evaporators with vanadium evaporators; use as a blade material of a two-phase alpha-beta titanium alloy with a regulated ultrafine-grained structure obtained by preliminary plastic deformation of the workpiece, followed by forging under isothermal conditions by heating the workpiece and die at a temperature lower by 200 ... 300 ° C than the temperature of polymorphic transformation, followed by cooling the workpiece to room temperature temperature, and before plastic deformation, the workpiece is first subjected to heat treatment to obtain a duplex structure with a volume fraction of grains of the primary α-phase of not more than 30%, and plastic deformation is carried out by high-speed rotational forging at a temperature below the temperature of polymorphic transformation by 200 ... 300 ° C with a logarithmic degree deformation of at least 1.5, with the provision of a UFG structure of a bimodal type, and after stamping, stabilizing annealing is carried out at a temperature below the temperature of polymorphic transformation by 400 ... 450 ° C for 2 ... 6 hours with cooling on air; ensuring the coating ratio of titanium to vanadium, wt. %: V from 4 to 12, the rest - Ti; deposition of a layer of titanium with vanadium with a thickness of 0.2 µm to 0.3 µm, and a layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen with a thickness of 1.1 µm to 2.2 µm with a total thickness of the multilayer coating from 5.0 µm to 15.0 microns allow to achieve the technical result of the claimed invention - to increase the resistance of the compressor blades of the gas turbine engine made of UFG titanium alloys to erosion destruction while ensuring the specified endurance and cyclic durability of the protected blades by applying an erosion-resistant coating.

Claims (6)

1. Способ защиты лопаток газотурбинного двигателя из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой от пылеабразивной эрозии, включающий размещение лопаток в камере вакуумной установки, создание необходимого вакуума, ионную очистку поверхности лопатки и нанесение на нее 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 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 нанесения покрытия осуществляют вращение лопатки относительно ее продольной оси с обеспечением обработки всей рабочей поверхности пера, при этом нанесение покрытия выполняют одновременно с обеих сторон лопатки, причем нанесение покрытия осуществляют одновременно, по крайней мере, с четырех равномерно расположенных в периферийной части рабочей камеры вакуумной установки электродуговых испарителей, при чередовании испарителей из титана с испарителями из ванадия.1. A method for protecting the blades of a gas turbine engine made of titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust-abrasive erosion, including placing the blades in the chamber of a vacuum installation, creating the necessary vacuum, ionic cleaning of the blade surface and applying an ion-plasma multilayer coating on it with a given number of pairs of layers in the form of a layer titanium with metal and a layer of titanium compounds with metal and nitrogen, characterized in that vanadium is used as a metal in the layers of titanium with metal and in the layers of titanium compounds with metal and nitrogen, and during the coating process, the blade is rotated relative to its longitudinal axis with the provision of processing the entire working surface of the pen, while the coating is performed simultaneously on both sides of the blade, and the coating is carried out simultaneously, at least from four evenly located in the peripheral part of the working chamber of the vacuum unit of the electric arc evaporator lei, when alternating titanium evaporators with vanadium evaporators. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала лопаток используется двухфазный альфа-бета титановый сплав с регламентированной ультрамелкозернистой структурой, полученной предварительной пластической деформацией заготовки, последующей штамповкой в изотермических условиях путем нагрева заготовки и штампа при температуре ниже на 200…300°С температуры полиморфного превращения с последующим охлаждением заготовки до комнатной температуры, причем перед пластической деформацией заготовку сначала подвергают термической обработке для получения дуплексной структуры с объемной долей зерен первичной α-фазы не более 30%, а пластическую деформацию проводят высокоскоростной ротационной ковкой при температуре ниже температуры полиморфного превращения на 200…300°С с логарифмической степенью деформации не менее 1,5, с обеспечением УМЗ структуры бимодального типа, а после штамповки осуществляют стабилизирующий отжиг при температуре ниже температуры полиморфного превращения на 400…450°С в течение 2…6 часов с охлаждением на воздухе.2. The method according to claim 1, characterized in that the material of the blades is a two-phase alpha-beta titanium alloy with a regulated ultrafine-grained structure obtained by preliminary plastic deformation of the workpiece, followed by forging under isothermal conditions by heating the workpiece and die at a temperature below 200 ... 300°C of the polymorphic transformation temperature, followed by cooling the workpiece to room temperature, and before plastic deformation, the workpiece is first subjected to heat treatment to obtain a duplex structure with a volume fraction of grains of the primary α-phase of not more than 30%, and plastic deformation is carried out by high-speed rotational forging at a temperature below temperature of polymorphic transformation by 200...300°С with a logarithmic degree of deformation of at least 1.5, providing a UFG structure of a bimodal type, and after stamping, stabilizing annealing is carried out at a temperature lower than the temperature of polymorphic transformation by 400...450°С in t duration 2…6 hours with air cooling. 3. Способ по любому из пп. 1, 2, 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 до 0,3 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 1,1 до 2,2 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 5,0 до 15,0 мкм.3. The method according to any one of paragraphs. 1, 2, characterized in that the coating provides the ratio of titanium to vanadium, wt.%: V from 4 to 12, the rest is Ti, and the layer of titanium with vanadium is applied with a thickness of 0.2 to 0.3 μm, and the layer compounds of titanium with vanadium and nitrogen are applied with a thickness of 1.1 to 2.2 µm with a total thickness of the multilayer coating of 5.0 to 15.0 µm. 4. Способ по п. 3, 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, а при нанесении покрытия осуществляя вращение лопатки относительно ее продольной оси придают ей дополнительно колебательные движения. 4. The method according to p. 3, characterized in that the application of layers of titanium compounds with vanadium is carried out in the mode of assisting with argon ions, and the layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen are carried out in the mode of assisting with nitrogen ions, and during coating, rotating the blade relative to its longitudinal axes give it additional oscillatory motion. 5. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, 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.5. The method according to any one of paragraphs. 1, 2, 4, characterized in that after applying the required number of coating layers, annealing is carried out, and annealing and coating are carried out in one vacuum volume in one technological cycle. 6. Способ по п. 3, 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.6. The method according to p. 3, characterized in that after applying the required number of coating layers, annealing is carried out, and annealing and coating are carried out in one vacuum volume in one technological cycle.

Images