Способ получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из титановых сплавов



Владельцы патента RU 2388685:

Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" (RU)
Научно-производственное некоммерческое партнерство "ТЕХНОПАРК АВИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ" (RU)

Изобретение относится к способу получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Способ включает ионно-имплантационную обработку поверхности основного материала лопатки. После упомянутой обработки на поверхность лопатки наносят слой металла толщиной от 10 до 30 нм. Затем производят имплантационную обработку этого слоя ионами других металлических и неметаллических материалов до получения сплошного внедренного в поверхность слоя толщиной от 1 до 9 нм. Затем повторяют чередующееся нанесение слоев металла толщиной от 10 до 30 нм с последующей имплантацией ионов на глубину от 1 до 9 нм после каждого нанесения металлического слоя. В качестве металла используют Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, La, Eu или их соединения, а в качестве имплантируемых ионов других металлических и неметаллических материалов - Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их сочетание, при условии разнородности металлов, наносимых в качестве слоя, и металлов, имплантируемых в этот слой. Технический результат заключается в повышении стойкости покрытия к эрозионному разрушению при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности. 19 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора и турбины 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 испаряющегося материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и наносят покрытие с последующим отжигом неоднократно до требуемой толщины [Патент РФ №2192501, C23C 14/34, 10.11.2002].

Известен способ нанесения ионно-плазменных покрытий (преимущественно 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 C23C 14/16, 30/00, C22C 19/05, 21/04, 20.04.2001).

Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой эрозионной стойкости лопатки. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение усталостной и адгезионной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их эксплуатационные свойства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ получения ионно-плазменного покрытия на лопатках, заключающийся в том, что 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 и нитридов титана, причем постимплантационный отпуск и нанесение многослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл (Патент РФ №2226227, МПК C23C 14/48, 27.03. 2004).

Основным недостатком аналога является недостаточная надежность защиты от эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости, циклической прочности, что особенно важно при эксплуатации компрессорных лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) и лопаток паровых турбин, а также недостаточно широкого диапазона свойств защитных покрытий, снижающих возможность оптимизации покрытий по условиям эксплуатации защищаемых деталей.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости покрытия к эрозионному разрушению при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.

Технический результат достигается тем, что в способе получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из титановых сплавов, включающем ионно-имплантационную обработку поверхности основного материала лопатки с последующим чередующимся нанесением на нее слоев металлов и соединений этих металлов с другими металлическими и неметаллическими материалами, в отличие от прототипа, после ионно-имплантационной обработки поверхности основного материала лопатки вначале на ее поверхность наносят слой металла толщиной от 10 до 30 нм, затем производят имплантационную обработку этого слоя ионами других металлических и неметаллических материалов до получения сплошного внедренного в поверхность слоя толщиной от 1 до 9 нм, а затем повторяют чередующееся нанесение слоев металла толщиной от 10 до 30 нм с последующей имплантацией ионов на глубину от 1 до 9 нм после каждого нанесения металлического слоя, причем в качестве металлов используют Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Mo, W, Al, La, Eu или их соединения, а в качестве имплантируемых ионов других металлических и неметаллических материалов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их сочетание, при условии разнородности металлов, наносимых в качестве слоя и металлов, имплантируемых в этот слой.

Технический результат достигается также тем, что после имплантаци ионов проводят постимплантационный отпуск, причем постимплантационный отпуск и нанесение нанослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

Технический результат достигается также тем, что ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-50 КэВ и дозе имплантации ионов от 1010 до 5·1020 ион/см2, но не превышающей начало распыления материала слоя, причем ионную имплантацию могут производить в импульсном и/или непрерывном режиме.

Технический результат достигается также тем, что наносят слои из металлов суммарной толщиной от 10-90% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет от 1,2 до 30 мкм.

Технический результат достигается также тем, что покрытие наносят только на перо и/или хвостовик лопатки.

Для оценки стойкости лопаток паровых и газовых турбин на эрозионную стойкость были проведены следующие испытания. На образцы из титанового сплава ВТ6 были нанесены покрытия по способу-прототипу и предлагаемому способу (табл.1).

Таблица 1
№ Группы образцов Имплантируемые ионы (в основу) Имплантируемые ионы (в покрытие) Толщина слоев: металлического / неметалличекого или имплантированного Материал слоев и схема их чередования
1 (Прототип) N - 1 мкм / 2 мкм 4(-Ti-TiN-TiN2-)
2 N N 20 нм / 8 нм -Ti-TiN-Ti-TiN2-
3 Y N 10 нм / 8 нм -Ti-TiN-Ti-TiN2-
4 Yb N 30 нм / 6 нм -Zr-ZrN-Zr-ZrN2-
5 Сг В 30 нм / 8 нм -Zr-ZrB-Zr-
6 В С 26 нм / 6 нм -Ti-TiC-Ti-
7 Yb С 26 нм / 6 нм -Zr-ZrC-Zr-
8 Y+N С и N 22 нм / 8 нм -Cr-CrN-Cr-CrC-
9 Y+Zr B и N 16 нм / 8 нм -Zr-ZrB-Zr-ZrN-Zr-ZrN-
10 Y+Zr+N С и N 10 нм / 6 нм -W-WN-W-WC-

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti ) с энергией Е=0,2 - 50 КэВ и дозой облучения D=2·108 ион/см2, как без отжига, так и с последующим постимплантационным отпуском в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч с одновременным нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия (материал слоев и схема их чередования согласно таблице 1). Общая толщина покрытия составляла величину от 1,2 до 30 мкм.

Эрозионная стойкость 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 ρ=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, что несколько выше, чем концентрация пылевых частиц на входе в авиационный двигатель в реальных условиях. Результаты испытания приведены в таблице 2. Из таблицы видно, что стойкость к эрозии у образца, обработанного по предлагаемой методике, увеличилась приблизительно в 8…9,5 раза, а по сравнению с прототипом в 3…3,7 раза.

Таблица 2
Эрозионная стойкость
№ п/п Потеря массы, г Увеличение стойкости, раз № п/п Потеря массы, г Увеличение стойкости, раз
0 7,23 - 6 0,91 7,95
1
(Прототип)
2,77 2,61 7 0,85 8,51
2 0,89 8,12 8 0,90 8,03
3 0,87 8,31 9 0,82 8,82
4 0.92 7,86 10 0, 75 9,64
5 0,81 8,93

Результаты сравнительных испытаний на эрозионную стойкость образцов с покрытиями показали, что предлагаемый способ нанесения нанослойного покрытия, по сравнению с прототипом, позволяет получать покрытия с более высокой эрозионной стойкостью.

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титанового сплава ВТ6 на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 400 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - 470-480 МПа, а по предлагаемому способу 540-560 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение предлагаемого способа получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин, при использовании различных комбинаций материалов наносимых слоев и слоев, полученных путем имплантации ионов, на различных этапах формирования нанослойного покрытия, позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, эрозионную стойкость, выносливость и циклическую прочность, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения.

1. Способ получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из титановых сплавов, включающий ионно-имплантационную обработку поверхности основного материала лопатки с последующим чередующимся нанесением на нее слоев металлов и соединений этих металлов с другими металлическими и неметаллическими материалами, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной обработки поверхности основного материала лопатки на ее поверхность вначале наносят слой металла толщиной от 10 до 30 нм, затем производят имплантационную обработку этого слоя ионами других металлических и неметаллических материалов до получения сплошного внедренного в поверхность слоя толщиной от 1 до 9 нм, а затем повторяют чередующееся нанесение слоев металла толщиной от 10 до 30 нм с последующей имплантацией ионов на глубину от 1 до 9 нм после каждого нанесения металлического слоя, причем в качестве металла используют Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Ta, Mo, W, Al, La, Eu или их соединения, а в качестве имплантируемых ионов других металлических и неметаллических материалов используют Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их сочетание, при условии разнородности металлов, наносимых в качестве слоя и металлов, имплантируемых в этот слой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после имплантации ионов проводят постимплантационный отпуск, причем постимплантационный отпуск и нанесение нанослойного покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-50 КэВ и дозе имплантации ионов от 1010 до 5·1020 ион/см2, и не превышающей начало распыления материала слоя.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ионную имплантацию производят в импульсном режиме.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что ионную имплантацию производят в непрерывном режиме.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что ионную имплантацию производят в импульсном режиме.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что ионную имплантацию производят в непрерывном режиме.

8. Способ по любому из пп.1, 2, 6, 7 отличающийся тем, что наносят слои из металлов суммарной толщиной от 10-90% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет от 1,2 до 30 мкм.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что наносят слои из металлов суммарной толщиной от 10-90% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет от 1,2 до 30 мкм.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что наносят слои из металлов суммарной толщиной от 10-90% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет от 1,2 до 30 мкм.

11. Способ по п.5, отличающийся тем, что наносят слои из металлов суммарной толщиной от 10-90% от общей толщины покрытия, а общая толщина покрытия составляет от 1,2 до 30 мкм.

12. Способ по любому из пп.1, 2, 6, 7, 9-11, отличающийся тем, что покрытие наносят только на перо лопатки.

13. Способ по любому из пп.1, 2, 6, 7, 9-11, отличающийся тем, что покрытие наносят на хвостовик и перо лопатки.

14. Способ по п.3, отличающийся тем, что покрытие наносят только на перо лопатки.

15. Способ по п.4, отличающийся тем, что покрытие наносят только на перо лопатки.

16. Способ по п.5, отличающийся тем, что покрытие наносят только на перо лопатки.

17. Способ по п.8, отличающийся тем, что покрытие наносят только на перо лопатки.

18. Способ по п.3, отличающийся тем, что покрытие наносят на хвостовик и перо лопатки.

19. Способ по п.4, отличающийся тем, что покрытие наносят на хвостовик и перо лопатки.

20. Способ по п.5, отличающийся тем, что покрытие наносят на хвостовик и перо лопатки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к разработке прецизионных сплавов с особыми физико-химическими свойствами - сплава на основе германия для получения пленок и покрытий, работающих в агрессивных средах, в частности в морской воде.

Изобретение относится к огнетеплозащитным покрытиям и может быть использовано в ракетной технике для нанесения на внутреннюю поверхность сопла ракетного двигателя.
Изобретение относится к способам получения защитных футеровочных покрытий и может быть использовано для защиты изделий со сложным профилем, предназначенных для работы в условиях высокоагрессивной среды.

Изобретение относится к защитному слою, сплаву, из которого он выполнен, и конструктивному элементу. .

Изобретение относится к многослойным композиционным материалам для подшипников скольжения или втулок, в которых стремятся использовать не содержащие свинца скользящие слои.

Изобретение относится к многослойным композиционным материалам для подшипников скольжения или втулок, в которых стремятся использовать не содержащие свинца скользящие слои.

Изобретение относится к наноструктурным системам покрытий. .

Изобретение относится к области прецизионных сплавов. .
Изобретение относится к наноструктурированным покрытиям для нержавеющей стали и может быть использовано при эксплуатации нержавеющей стали в качестве материалов конструкционного и технологического назначения нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к защитному слою для защиты детали от коррозии и окисления при высоких температурах. .
Изобретение относится к способам нанесения нанослойных покрытий на лопатки турбомашин из легированных сталей. .
Изобретение относится к области получения нанокристаллических материалов, в частности к получению нанокристаллических поверхностных слоев на изделиях из металлических материалов, и может быть использовано для обработки лопаток газовых и паровых турбин.

Изобретение относится к технике нанесения покрытий для получения аморфных алмазоподобных углеводородных покрытий и может быть использовано в медицине. .
Изобретение относится к способу изготовления шпинделя из стали для трубопроводной аппаратуры и может быть использовано при изготовлении задвижек и вентилей для перекрывания трубопроводов или регулирования расхода проходящих в них сред.
Изобретение относится к способу вакуумного нанесения ионно-плазменных покрытий и может быть применено в машиностроении, преимущественно, для ответственных деталей, например, рабочих и направляющих лопаток турбомашин.
Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к способу получения наночастиц металла на поверхности подложки. .
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. .

Изобретение относится к устройству имплантации ионов азота в деталь (5) из алюминиевого сплава и способу обработки алюминиевого сплава и может найти применение в области обработки пластмасс при изготовлении пресс-форм из алюминиевого сплава.

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технике, используемой для модификации поверхностей изделий и может быть использовано в машино- и приборостроении и других областях.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам обработки поверхности металлических изделий, и может быть использовано в турбостроении при изготовлении деталей ГТД.

Изобретение относится к способу ионно-плазменного нанесения на деталь наноструктурированного металлического покрытия и может найти применение в химико-термической обработке металлических изделий, работающих в условиях контактно-циклического нагружения.

Изобретение относится к способу получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении

Наверх