Способ упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов

Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Способ включает упрочняющую обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку лопаток. Ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя проводят ионами азота в режиме плазменно-иммерсионной ионной имплантации, вращая моноколесо одновременно относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси, и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса. Вращение осуществляют со скоростью, обеспечивающей обработку всей рабочей поверхности лопаток моноколеса. Поток имплантируемых ионов направляют на обрабатываемое моноколесо по крайней мере только с одной из сторон от обрабатываемого моноколеса. Плазменно-иммерсионную ионную имплантацию лопаток ведут при энергии от 0,4 до 2,0 кэВ, силе тока от 0,3 до 2,5 мА/см2, при частоте тока от 80 до 90 кГц до получения глубины имплантированного слоя от 1 до 8 мкм. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов.

Известен способ модификации поверхности деталей из сплавов, включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №2007501, МПК С23С 14/48, опубл. 1994).

Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом ионную очистку осуществляют ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионное легирование азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5⋅10-3 Па в течение 2-2,5 ч.

Основным недостатком аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из сплавов на основе титана (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей из титановых сплавов, как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) и лопатки паровых турбин.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Опубл.: 20.04.2013 г.) При этом ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см2 до 160 мкА/см2 в течение от 0,3 до 1,0 ч, а ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ.

Основным недостатком этого способа (Патент РФ №2479667) и вышеперечисленных аналогов (патенты РФ №№2007501 и 2116378) является невозможность равномерной обработки рабочих поверхностей лопаток моноколес (блисков), в связи с возникновением теневых участков, препятствующих проникновению ионов к обрабатываемой поверхности лопаток. Поэтому все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток моноколеса, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей их рабочей поверхности.

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала лопаток моноколеса из сплавов на основе титана, который позволил бы обеспечить их повышенные эксплуатационные характеристики (предела выносливости, циклической долговечности).

Техническим результатом заявляемого способа является повышение выносливости и циклической долговечности лопаток моноколеса компрессора ГТД за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов, включающем обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя лопаток, в отличие от прототипа ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя осуществляют ионами азота, при этом поток имплантируемых ионов направляют на одну сторону обрабатываемого колеса и до получения глубины имплантированного слоя от от 1 мкм до 8 мкм осуществляют его вращение одновременно относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси со скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса со скоростью 2 об/мин до 20 об/мин, причем ионную имплантацию лопаток ведут при энергии от 0,4 кэВ до 2,0 кэВ, силе тока от 0,3 мА/см2 до 2,5 мА/см2, при частоте тока от 80 до 90 кГц.

Кроме того, в способе упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов возможно использование следующих дополнительных приемов: после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг; полирование моноколеса с лопатками ведут электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В.

Полирование моноколеса с лопатками можно проводить электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В. Например, в качестве фторсодержащего электролита можно использовать водный раствор фтористого калия.

Полирование моноколеса с лопатками можно проводить электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В. Например, в качестве фторсодержащего электролита можно использовать водный раствор фтористого калия.

Для оценки эксплуатационных свойств лопаток моноколеса были проведены следующие испытания. Образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были обработаны ионно-имплантационым методом как по способу-прототипу (патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48., опубл. 20.04.2013 г.), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам ионной имплантации, так и по режимам предлагаемого способа.

Испытания на выносливость и циклическую долговечность проводились на образцах - лопатках, вырезанных из моноколеса после его ионно-имплантационной обработки. За неудовлетворительный результат (Н.Р.) принимался результат, не обеспечивающий повышение эксплуатационных свойств лопаток по сравнению с прототипом.

Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.

Электрохимическое полирование: электрический потенциал от 330 В до 350 В, 320 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 330 В -удовлетворительный результат (У.Р.); 340 В - (У.Р.); 350 В - (У.Р.); 360 В (Н.Р.)

Ионно-имплантационная обработка азотом:

Энергия: 0,3 кэВ (Н.Р.); 0,4 кэВ (У.Р.); 0,8 кэВ (У.Р.); 1,6 кэВ (У.Р.); 2,5 кэВ (У.Р.); 2,7 кэВ (Н.Р.);

сила тока: 0,2 мА/см2 (Н.Р.); 0,3 мА/см2 (У.Р.); 0,8 мА/см2 (У.Р.); 1,6 мА/см2 (У.Р.); 2,5 мА/см2 (У.Р.); 2,8 мА/см2 (Н.Р.);

частота тока: 70 кГц (Н.Р.); 80 кГц (У.Р.); 90 кГц (У.Р.); 100 кГц (Н.Р.).

глубина имплантированного слоя: 0,5 мкм (Н.Р.); 1 мкм (У.Р.); 2 мкм (У.Р.); 4 мкм (У.Р.); 6 мкм (У.Р.); 8 мкм (У.Р.); 10 мкм (Н.Р.);

скорость вращения относительно оси, перпендикулярной его продольной оси с угловой скоростью: 2 об/мин (Н.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 22 об/мин (Н.Р.);

скорость вращения относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса с угловой скоростью: 2 об/мин (Н.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 22 об/мин (Н.Р.);

после ионно-имплантационной обработки проводили постимплантационный отжиг:

- температура: 200°С (Н.Р.); 300°С (У.Р.); 450°С (У.Р.); 500°С (У.Р.); 600°С (У.Р.); 650°С (У.P.); 700°С (Н.Р.);

- давление остаточных газов: 5⋅10-2 Па (Н.Р.); 1⋅10-3 Па (У.Р.); 3⋅10-3 Па (У.Р.); 4⋅10-3 Па (У.Р.); 5⋅10-3 Па (У.P.); 7⋅10-3 Па (Н.Р.);

- время: =1,0-2 ч 0,5 час (Н.Р.); 1,0 час (У.Р.); 1,5 час (У.Р.); 2,0 час (У.Р.); 2,5 час (Н.Р.);

Отжиг проводили в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

В результате проведенных испытаний установлено следующее: условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии составляет в среднем 460-470 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 465-480 МПа, а по предлагаемому способу - 500-510 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов следующих приемов: упрочняющую обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку лопаток; проведение ионно-имплантационной обработки поверхностного слоя ионами азота при энергии от 0,4 кэВ до 2,0 кэВ, силе тока от 0,3 мА/см2 до 2,5 мА/см2, при частоте тока от 80 до 90 кГц, вращая одновременно моноколесо относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса, со скоростями вращения, обеспечивающими обработку всей рабочей поверхности лопаток моноколеса; направление потока имплантируемых ионов на обрабатываемое моноколесо только с одной из сторон от обрабатываемого моноколеса; проведение обработки лопаток до получения глубины имплантированного слоя от 1 мкм до 8 мкм; проведение обработки лопаток при скоростях вращения относительно оси, перпендикулярной его продольной оси с угловой скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин, а относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса с угловой скоростью 2 об/мин до 20 об/мин; проведение после ионно-имплантационной обработки

постимплантационного отжига; проведение полирования моноколеса с лопатками электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 В до 350 В, позволяет повысить условный предел выносливости и циклическую долговечность лопаток моноколеса компрессора ГТД за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.

1. Способ упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов, включающий обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя лопаток, отличающийся тем, что ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя осуществляют ионами азота, при этом поток имплантируемых ионов направляют на одну сторону обрабатываемого колеса и до получения глубины имплантированного слоя от 1 до 8 мкм осуществляют его вращение одновременно относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси, со скоростью от 4 до 20 об/мин и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса, со скоростью 2 до 20 об/мин, причем ионную имплантацию лопаток ведут при энергии от 0,4 до 2,0 кэВ, силе тока от 0,3 до 2,5 мА/см2, при частоте тока от 80 до 90 кГц.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что полирование моноколеса с лопатками ведут электрохимическим методом в водном растворе фторосодержащих солей, концентрацией от 4 до 10%, путем приложения к моноколесу с лопатками электрического потенциала величиной от 330 до 350 В.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.
Изобретение относится к способу ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов. Моноколесо устанавливают на валу держателя.
Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава. Способ включает ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток энергией от 20 кэВ до 35 кэВ и дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2,0⋅1017 см-2 с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев.

Изобретение относится к способу нанесения нанопленочного покрытия на подложку и может быть использовано для получения нанопокрытий на поверхностях различных подложек при невысокой температуре.
Изобретение относится к способу упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к плазменной химико-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки из высоколегированных сталей или сплавов на никелевой основе.
Изобретение относится к способу получения многослойного защитного покрытия лопаток турбомашин из титановых сплавов. Способ включает вакуумно-плазменное осаждение легирующих элементов хрома, алюминия и иттрия на поверхность лопаток и термическую обработку.

Использование: изобретение относится к способу получения многослойной детали из титанового сплава. Осуществляют ионно-имплантационное модифицирование листовой детали из титанового сплава путем ионной имплантации азота, углерода или бора с энергией 30-50 кэВ, плотностью тока 35-50 мкА/см2 и флюэнсом 1016-1018 ион/см2 и постимплантационного отжига при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5×10-3 Па в течение 1,5-3,5 ч.

Изобретение относится к нанесению покрытия на поверхность стального изделия, применяемого для защиты от эрозионного износа рабочих лопаток влажнопаровых ступеней турбин, эксплуатирующихся в экстремальных условиях.
Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава. Способ включает ионно-имплантационную обработку материала поверхностного слоя лопаток энергией от 20 кэВ до 35 кэВ и дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2,0⋅1017 см-2 с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев.
Изобретение относится к способу упрочнения рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к способам нанесения износостойких высокотемпературных покрытий на режущий инструмент из быстрорежущей стали или твердого сплава.

Изобретение относится к области износостойких покрытий на основе соединения борида алюминия–магния и может быть использовано для изготовления инструмента и различных деталей.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к получению износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионностойких покрытий, и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ассортимента деталей машин и инструмента.
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 пылеабразивной эрозии.

Изобретение относится к износостойким многослойным покрытиям с алмазоподобным углеродом и может быть использовано в металлообработке, машиностроении, медицине, химической промышленности для повышения эксплуатационных характеристик изделий функционально различного назначения.

Изобретение относится к многослойному покрытию, нанесенному методом физического осаждения, в частности к функциональным покрытиям преимущественно для изделий, таких как режущие и штамповые инструменты, хирургические импланты (эндопротезы), а также пары трения, которые могут быть синтезированы ионно-плазменными методами.

Изобретение относится к нанесению антифрикционного слоя на металлические поверхности. Металлическую деталь устанавливают на магнитный диск диаметром 300 мм, который вращают со скоростью 50-52 об/ мин или на поворотный стол с диаметром 550 мм, которому сообщают возвратно-поступательное вращение на 180° со скоростью 1500 мм/мин.

Способ получения сегнетоэлектрической пленки Ba1-xSrxTiO3 относится к технологиям получения тонких пленок и может быть использован при получении сегнетоэлектрических пленок Ba1-xSrxTiO3 для сверхвысокочастотной техники.
Изобретение относится к области антибликового остекления приборов радиоэлектронной техники. Антибликовое покрытие содержит первый внутренний слой из TiO2 толщиной 10-17 нм, второй слой из SiO2 толщиной 27-36 нм, третий слой из TiO2 толщиной 102-120 нм и четвертый слой из SiO2 толщиной 87-95 нм.

Изобретение относится к способу упрочнения лопаток моноколеса из титановых сплавов и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении. Способ включает упрочняющую обработку микрошариками, полирование, ионную очистку и ионно-имплантационную обработку лопаток. Ионно-имплантационную обработку поверхностного слоя проводят ионами азота в режиме плазменно-иммерсионной ионной имплантации, вращая моноколесо одновременно относительно его центра в плоскости, перпендикулярной его продольной оси, и относительно оси, образованной пересечением плоскости, проходящей через ось потока имплантируемых ионов и центр моноколеса. Вращение осуществляют со скоростью, обеспечивающей обработку всей рабочей поверхности лопаток моноколеса. Поток имплантируемых ионов направляют на обрабатываемое моноколесо по крайней мере только с одной из сторон от обрабатываемого моноколеса. Плазменно-иммерсионную ионную имплантацию лопаток ведут при энергии от 0,4 до 2,0 кэВ, силе тока от 0,3 до 2,5 мАсм2, при частоте тока от 80 до 90 кГц до получения глубины имплантированного слоя от 1 до 8 мкм. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

Наверх