Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе (варианты)

Изобретение относится к способу упрочняющей обработки детали из сплава на основе никеля. Технический результат состоит в повышении выносливости и циклической долговечности детали. Способ включает бомбардировку поверхностного слоя ионами по двум вариантам. По первому варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него ионов La при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅1016 см-2 до 1,6⋅1017 см-2. По второму варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него ионов Yb при энергии от 32 до 38 кэВ, дозой от 9,0⋅1016 см-2 до 1,7⋅1017 см-2. Перед ионной имплантацией производят электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С. После ионной имплантации производят отжиг в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа. В качестве сплава на никелевой основе используют сплав, содержащий, вес.%: 10,5-11,7 Со; 15,2-15,8 Cr; 4,9-5,3 W; 1,83-1,96 Мо; 0,15-0,25 Nb; 2,5-3,2 Al; 4,2-4,8 Ti; 0,05-0,06 С; 0,25-0,3 Hf; 0,8-0,09 В; 0,03-0,05 Zr, остальное - никель. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток из сплавов на основе никеля для повышения выносливости и циклической долговечности деталей.

Известен способ обработки поверхности лопатки турбины теплового двигателя, включающий удаление отработанного слоя потоком ионов плазмы тугоплавких материалов с последующей термообработкой (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993).

Однако известный способ очистки поверхности (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993) потоком ионов плазмы инертного газа не предусмотривает последующее ионно-имплантационное модифицирование, что не позволяет обеспечить комплекс необходимых повышенных эксплуатационных характеристик (выносливости, длительной прочности) деталей из сплавов на основе никеля.

Известен также способ модификации поверхности жаропрочных сплавов включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №20007501, МПК С23С 14/48, 1994).

Основным недостатком этого способа являются невысокие эксплуатационные обработанных характеристики деталей.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплактационной обработки деталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г.; а также А.С. СССР №1642786, МПК С23С 14/48, Способ ионной имплантации. Опубл. 30.09.1994.). При этом, обработка поверхности осуществляется путем имплантации ионного пучка с плотностью мощности 1⋅103 Вт/см2 с предварительным облучением поверхности импульсным ионным пучком с плотностью мощности 5⋅106-108 Вт/см2 и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см2.

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

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала детали, который позволил бы обеспечить повышенные эксплуатационные характеристики деталей из сплавов на никелевой основе.

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик деталей из сплавов на никелевой основе за счет использования комплексной обработки поверхности деталей.

Технический результат достигается вариантами способа упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе путем бомбардировки поверхностного слоя ионами.

В отличие от прототипа по первому варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него или ионов La при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅1016 см-2 до 1,6⋅1017 см-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа, а перед ионной имплантацией производят электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, а в качестве сплава на никелевой основе используют сплав, содержащий, в весовых %: 10,5-11,7% Со; 15,2-15,8% Cr; 4,9-5,3% W; 1,83-1,96% Мо; 0,15-0,25% Nb; 2,5-3,2% Al; 4,2-4,8% Ti; 0,05-0,06% С; 0,25-0,3% Hf; 0,8-0,09%В; 0,03-0,05% Zr, остальное - никель.

В отличие от прототипа по второму варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него или ионов Yb при энергии от 32 до 38 кэВ, дозой от 9,0⋅1016 см-2 до 1,7⋅1017 см-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа, а перед ионной имплантацией производят электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, а в качестве сплава на никелевой основе используют сплав, содержащий, в весовых %: 10,5-11,7% Со; 15,2-15,8% Cr; 4,9-5,3% W; 1,83-1,96% Мо; 0,15-0,25% Nb; 2,5-3,2% Al; 4,2-4,8% Ti; 0,05-0,06% С; 0,25-0,3% Hf; 0,8-0,09%В; 0,03-0,05% Zr, остальное - никель.

Кроме того, по всем вариантам способа возможен следующий дополнительный прием: использование в качестве детали турбинной лопатки.

Пример. Для оценки эксплуатационных свойств лопаток турбин из никелевых сплавов были проведены следующие испытания. Образцы из сплавов на никелевой основе, были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу- прототипу (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г,).), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по предлагаемому способу. Образцы деталей (лопаток турбин) были изготовлены из сплава на никелевой основе ЧС88У ВИ (сплава на никелевой основе, содержащий, в весовых %: 10,5-11,7% Со; 15,2-15,8% Cr; 4,9-5,3% W; 1,83-1,96% Мо; 0,15-0,25% Nb; 2,5-3,2% Al; 4,2-4,8% Ti; 0,05-0,06% С; 0,25-0,3% Hf; 0,8-0,09%В; 0,03-0,05% Zr, остальное - никель). Режимы и условия обработки деталей по способу-прототипу были следующие: имплантация ионов La; имплантация ионов Yb; энергия ионов от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅1016 см-2 до 1,6⋅1017 см-2.

Условия обработки по предлагаемому способу. (Удовлетворительным результатом (У.Р.) считался результат, в котором прочностные характеристики испытуемых деталей из сплава на никелевой основе, обработанные по предлагаемому способу превышали аналогичные характеристики деталей, обработанных по способу-прототипу не менее чем на 6%.)

По первому варианту:

Электролитно-плазменное полирование поверхности детали:

- напряжение: 240 В- Н.Р. (Неудовлетворительный результат), 260 В- У.Р., 280 В- У.Р., 300 В- У.Р., 320 В- У.Р., 340 В- Н.Р.

- электролит: водный раствор сульфата аммония, концентрацией: 2,5%- H. Р., 4%- У.Р., 6%- У.Р., 8%- У.Р., 10%- Н.Р.

- температура: 60-80°С, 50°С- Н.Р., 60°С- У.Р., 70°С- У.Р., 80°С- У.Р., 90°С- Н.Р.

Режимы имплантации ионов La:

- энергия ионов: 33 кэВ - Н.Р., 35 кэВ - У.Р., 37 кэВ - У.Р., 40 кэВ - У.Р., 43 кэВ - Н.Р.

- доза: 7,6⋅1016 см-2 - Н.Р., 8,0⋅1016 см-2 - У.Р., 1,1⋅1017 см-2 - У.Р., 1,6⋅1017 см-2 - У.Р., 1,8⋅1017 см-2 - Н.Р.

- величина тока: 20 мкА/см2, 30 мкА/см2, 40 мкА/см2,

Режимы постимплантационного отжига в вакууме:

- температура от 740°С до 960°С 720°С- Н.Р., 740°С- У.Р., 800°С- У.Р., 840°С- У.Р., 900°С- У.Р., 960°С- У.Р., 980°С- Н.Р.

- время отжига, в течение от 1,8 до 2,2 часа. 1,6 час- Н.Р., 1,8 час- У.Р., 2,0 час- У.Р., 2,2 час- У.Р., 2,4 час- Н.Р.

По второму варианту:

Электролитно-плазменное полирование поверхности детали:

- напряжение: 240 В- Н.Р. (Неудовлетворительный результат), 260 В- У.Р., 280 В- У.Р., 300 В- У.Р., 320 В- У.Р., 340 В- Н.Р.

- электролит: водный раствор сульфата аммония, концентрацией: 2,5%- H. Р., 4%- У.Р., 6%- У.Р., 8%- У.Р., 10%- Н.Р.

- температура: 60-80°С, 50°С- Н.Р., 60°С- У.Р., 70°С- У.Р., 80°С- У.Р., 90°С- Н.Р.

Режимы имплантации ионов Yb:

- энергия ионов: 30 кэВ - Н.Р., 32 кэВ - У.Р., 37 кэВ - У.Р., 38 кэВ - У.Р., 40 кэВ - Н.Р.

- доза: 8,4⋅1016 см-2 - Н.Р., 9,0⋅1016 см-2 - У.Р., 1,1⋅1017 см-2 - У.Р., 1,7⋅1017 см-2 - У.Р., 1,9⋅1017 см-2 - Н.Р.

- величина тока: 20 мкА/см2, 30 мкА/см2, 40 мкА/см2,

Режимы постимплантационного отжига в вакууме:

- температура от 740°С до 960°С 720°С- Н.Р., 740°С- У.Р., 800°С- У.Р., 840°С- У.Р., 900°С- У.Р., 960°С- У.Р., 980°С- Н.Р.

- время отжига, в течение от 1,8 до 2,2 часа. 1,6 час- Н.Р., 1,8 час- У.Р., 2,0 час- У.Р., 2,2 час- У.Р., 2,4 час- Н.Р.

В результате проведенных испытаний на жаропрочность были получены следующие результаты: длительная прочность лопаток из никелевого сплава ЧС88У ВИ в среднем по сравнению с прототипом составляет:

1) При температуре 600°С, нагрузке 1000 МПа составляет:

прототип: 360-380 час;

по предлагаемому техническому решению: 490-510 час;

2) При температуре 800°С, нагрузке 500 МПа составляет:

прототип: 410-430 час;

по предлагаемому техническому решению: 520-540 час;

3) При температуре 900°С, нагрузке 250 МПа составляет:

прототип: 360-370 час;

по предлагаемому техническому решению: 410-420 час.

Предел выносливости образцов из никелевого сплава ЧС88У ВИ, обработанных по предлагаемому способу превышает аналогичные показатели, полученные по способу-прототипу в среднем на 6,7% - 8,4%. (для Yb увеличение на 6% - 7,7%, для La увеличение на 6, 9% - 8,7%.

Увеличению микротвердости поверхности образцов из никелевого сплава ЧС88У ВИ, обработанных по предлагаемому способу превышает микротвердость поверхности образцов, полученных по способу-прототипу в среднем на 57-62%.

Таким образом, предложенный способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе позволяет повысить их эксплуатационные характеристики за счет использования комплексной обработки поверхности деталей.

1. Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе, включающий ионную бомбардировку поверхностного слоя ионами, отличающийся тем, что используют сплав на никелевой основе, содержащий, вес.%: 10,5-11,7 Со; 15,2-15,8 Cr; 4,9-5,3 W; 1,83-1,96 Мо; 0,15-0,25 Nb; 2,5-3,2 Al; 4,2-4,8 Ti; 0,05-0,06 С; 0,25-0,3 Hf; 0,8-0,09 В; 0,03-0,05 Zr, остальное - никель, при этом перед ионной имплантацией осуществляют электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, причем бомбардировку поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов La при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅1016 см-2 до 1,6⋅1017 см-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа.

2. Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе, включающий ионную бомбардировку поверхностного слоя , отличающийся тем, что используют сплав на никелевой основе , содержащий, вес.%: 10,5-11,7 Со; 15,2-15,8 Cr; 4,9-5,3 W; 1,83-1,96 Мо; 0,15-0,25 Nb; 2,5-3,2 Al; 4,2-4,8 Ti; 0,05-0,06 С; 0,25-0,3 Hf; 0,8-0,09 В; 0,03-0,05 Zr, остальное - никель, при этом перед ионной имплантацией осуществляют электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8% водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С, причем бомбардировку поверхностного слоя осуществляют имплантацией в него ионов Yb при энергии от 32 до 38 кэВ, дозой от 9,0⋅1016 см-2 до 1,7⋅1017 см-2 с последующим отжигом в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве детали используют турбинную лопатку.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к получению износостойкого покрытия для режущего инструмента. Способ включает вакуумно-плазменное нанесение покрытия из нитрида или карбонитрида титана, алюминия, кремния, циркония и молибдена при соотношении, мас.

Изобретение относится к получению износостойкого покрытия для режущего инструмента. Способ включает вакуумно-плазменное нанесение покрытия из нитрида или карбонитрида титана, кремния, алюминия, хрома и железа при соотношении, мас.

Изобретение относится к способу получения износостойкого покрытия для режущего инструмента, включающему вакуумно-плазменное нанесение покрытия из нитрида или карбонитрида титана, молибдена, алюминия, кремния и хрома при соотношении, мас.

Изобретение относится к получению износостойкого покрытия для режущего инструмента. Способ включает вакуумно-плазменное нанесение покрытия из нитрида или карбонитрида титана, алюминия, кремния, хрома и железа при соотношении, мас.

Изобретение относится к способу изготовления высокотемпературной сверхпроводящей ленты. Осуществляют осаждение буферных слоев на подложку в следующей последовательности: слой оксида алюминия, слой оксида иттрия, слой оксида магния, слой гомоэпитаксиального оксида магния и слой манганита лантана, осаждение слоя высокотемпературного сверхпроводника на буферные слои и нанесение по меньшей мере одного защитного слоя.
Изобретение относится к способу защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению эрозионно-стойких теплозащитных покрытий методом плазменного напыления. Может применяться в ракетно-космической технике при изготовлении теплонагруженных элементов ЖРД, например камер сгорания.

Изобретение относится к системе многослойных покрытий для коррозионно нагруженных деталей. Система покрытия для подложки включает первый, второй и третий слои, при этом первый слой выполнен как усиливающий сцепление слой, второй слой представляет собой пластичный металлический слой со столбчатой структурой, а самый верхний, третий, слой представляет собой керамический оксидный слой с твердостью по меньшей мере 20 ГПа.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Проводят нанесение многослойного покрытия.

Изобретение относится к способу получения сегнетоэлектрической пленки Ba1-xSrxTiO3 и может быть использовано для мощной сверхвысокочастотной техники. На первом этапе распыляют мишень состава Ba0,4Sr0,6TiO3 на подложку карбида кремния в атмосфере кислорода при давлении 2 Па и температуре подложки 700-900°С в течение времени, достаточного для создания сплошного сегнетоэлектрического слоя.

Изобретение относится к способу нанесения жаростойких покрытий из плазмы вакуумно-дугового разряда и может быть использовано для повышения надежности и долговечности широкого ряда деталей машин и инструмента.

Изобретение относится к получению стальных деталей, упрочненных под прессом и изготавливаемых из листов, содержащих покрытие на основе алюминия и цинковое покрытие, и обладающих хорошими характеристиками в отношении фосфатирования и, следовательно, хорошим сцеплением с краской.

Изобретение относится к области физики низкоразмерных структур, а именно к формированию наноразмерной тонкопленочной структуры, и может быть использовано в различных высокотехнологичных областях промышленности и науки для создания новых материалов.

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.

Изобретение относится к способу получения тонких магнитных наногранулированных пленок. Способ включает последовательное осаждение на термостойкую подложку тонкой пленки оксида ферромагнитного металла и слоя металла-восстановителя при комнатной температуре с последующим вакуумным отжигом полученной двухслойной пленки.

Изобретение относится к способу получения на подложке пленок с ферромагнитными кластерами Mn5Ge3Ox в матрице GeO при низких температурах. Получаемая Mn5Ge3Ox фаза может быть использована в качестве элементов спинтроники.
Изобретение относится к способу формирования нанокристаллического поверхностного слоя на деталях из алюминиевых сплавов (варианты) и может быть использовано для обработки лопаток газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к области медицины, а именно к способу нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали, включающему нанесение покрытия на предварительно обработанную поверхность металлического имплантата, при этом поверхность металлических имплантатов из титана и нержавеющей стали подвергают очистке методом ионного травления в герметичной камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9⋅10-5-1⋅10-6 Торр, с последующим заполнением камеры аргоном и вакуумированием камеры до остаточного давления 4⋅10-4-1⋅10-3 Торр, а ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 мин, затем на поверхность ортопедических имплантатов из титана и из нержавеющей стали наносят дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C, причем используют магнетронный источник углеродной плазмы с мощностью 95-108 Вт, источник атомов серебра с мощностью 2-20 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона от 0,1 до 1,5 кэВ, а процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжают в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 4⋅10-4-1⋅10-3 Торр камере, при этом наносят на металлическую поверхность ортопедических имплантатов двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной от 9 до 1180 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5-9,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4-1,2 нм.

Изобретение относится к области изготовления тонкопленочных материалов и может быть использовано для создания полупроводниковых приборов, в частности тепловых приемников.

Изобретение относится к способу ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении.

Изобретение относится к способу упрочняющей обработки детали из сплава на основе никеля. Технический результат состоит в повышении выносливости и циклической долговечности детали. Способ включает бомбардировку поверхностного слоя ионами по двум вариантам. По первому варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него ионов La при энергии от 35 до 40 кэВ, дозой от 8,0⋅1016 см-2 до 1,6⋅1017 см-2. По второму варианту бомбардировку поверхностного слоя производят имплантацией в него ионов Yb при энергии от 32 до 38 кэВ, дозой от 9,0⋅1016 см-2 до 1,7⋅1017 см-2. Перед ионной имплантацией производят электролитно-плазменное полирование поверхности детали при напряжении 260-320 В, в электролите: 4-8 водный раствор сульфата аммония при температуре 60-80°С. После ионной имплантации производят отжиг в вакууме при температуре от 740°С до 960°С в течение от 1,8 до 2,2 часа. В качестве сплава на никелевой основе используют сплав, содержащий, вес.: 10,5-11,7 Со; 15,2-15,8 Cr; 4,9-5,3 W; 1,83-1,96 Мо; 0,15-0,25 Nb; 2,5-3,2 Al; 4,2-4,8 Ti; 0,05-0,06 С; 0,25-0,3 Hf; 0,8-0,09 В; 0,03-0,05 Zr, остальное - никель. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

Наверх