CC BY
235
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 669.058
А. М. Смыслов, А. Д. Мингажев, М. К. Смыслова, К. С. Селиванов, А. А. Мингажева
НАНОСЛОЙНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
Рассматривается возможность получения вакуумно-плазменных нанослойных покрытий для лопаток турбомашин из титановых сплавов совмещением процессов электродугового осаждения и ионной имплантации. Приводятся результаты исследования стойкости к капельно-удаоной эрозии, солевой коррозии и газоабразивной эрозии. Газоабразивная эрозия; нанослойные покрытия; нанослойный титановый сплав; вакуумно-плазменные нанослойные покрытия
Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость (например, титановые сплавы марок ВТ6, ВТ8, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22 и др.). Указанные сплавы широко применяются, например, для изготовления рабочих и направляющих лопаток турбин, работающих в условиях газоабразивной и влажно-паровой среды, при температурах до 500-540 оС. Лопатки турбин из титановых сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому при изготовлении или ремонте деталей из титановых сплавов действуют повышенные требования к микро- и макрогеометрии поверхности, точности изготовления размеров, плавности переходов между сечениями и проч. Кроме конструкционных концентраторов напряжений на поверхности деталей при эксплуатации дополнительно возникают различного рода дефекты, снижающие прочность и надежность работы всего изделия в целом.
Для защиты лопаток от эксплуатационного воздействия традиционно используют высокотвердые защитные покрытия или стеллитовые пластины, снижающие эрозионный износ. Известные способы повышения стойкости лопаток к влажно-паровой эрозии [1, 2] припайкой или приваркой стеллитовых пластин, электроискровое и кластерное упрочнение, плазменное, дето-
Контактная информация: (347) 273-07-63
национное напыление, ТВЧ-закалка - малоприемлемы или неприменимы для титановых сплавов из-за большой склонности этого материала к окислению при нагреве и последующему растрескиванию. В результате в поверхности появляются недопустимые дефекты основного материала и материала покрытия [3].
Известен способ ионной имплантации [4, 5] путем облучения поверхности ионами легирующих элементов с энергий 300 кЭВ и дозой до 2- 019 ион/см2 [4] с последующим стабилизирующим отжигом. Однако малая глубина модифицированного слоя поверхности (до 1-2 мкм) не может обеспечить необходимую долговечность изделия при его эксплуатации в условиях влажно-паровой или абразивной эрозии. Для лопаток из титановых сплавов эта задача может быть решена сочетанием ионно-имплантацион-ной обработки поверхности с последующим нанесением высокотвердого защитного ионноплазменного покрытия [6], что должно обеспечить заданные эксплуатационные свойства.
В этой связи, настоящая работа посвящена созданию эрозионностойкого ионно-плазменного покрытия и технологии его нанесения, позволяющего повысить стойкость лопаток из титановых сплавов к солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости и циклической прочности деталей с защитными покрытиями.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Предлагаемый способ получения эрозионностойкого нанослойного покрытия для лопаток турбомашин из титановых сплавов заключается в следующем. На поверхность лопатки производят вакуумно-плазменное осаждение выбранного металлического подслоя и нанослоев из нитридов, карбидов и/или карбонитридов алюминия или соединения титана, циркония и алюминия с азотом и/или углеродом. При этом после осаждения подслоя и каждого нанослоя проводят его ионно-имплантационную обработку.
Нанослои формируют при вращении лопаток вокруг собственной оси и относительно последовательно расположенных катодов, а ионно-имплантационную обработку осуществляют устройствами для имплантации ионов, расположенными между катодами [7]. Имплантаци-онную обработку проводят ионами легирующих элементов (например Сг, У, УЬ, С, В, 2г, К, Ьа, Т или их комбинацией) при энергии ионов от 0,2 до 300 кэВ и плотности ионов от 1010 до 5-1020 ион/см2. Для более качественного формирования нанослоев производят взаимное экранирование потоков распыляемого материала при помощи экранов, расположенных между катодами и устройствами имплантируемых ионов. При осаждении нанослоев используют составные катоды, содержащие либо титан и цирконий, либо титан, алюминий и цирконий. Дополнительно, перед нанесением металлического подслоя поверхность лопатки подвергают имплантации ионами легирующих элементов при энергии ионов от 0,2 до 300 кэВ и дозе имплантации ионов от 1010 до 5-1020 ион/см2 и постимплантационному отжигу. Имплантацию, постимплантационный отжиг и нанесение покрытия производят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл. При нанесении покрытия и его ионно-имплантационной обработке, в зависимости от вида покрытия, обеспечивают толщины нанослоев в диапазоне от 0,1 до 20 нм. Заданную толщину нанослоя (£, нм) получают регулированием количества материала, осаждаемого на деталь за пол-оборота детали вокруг собственной оси относительно потока осаждаемого материала, и скорости вращения детали вокруг собственной оси. Для расчета скорости вращения детали:
Т = и / Vг , (1)
где т - заданное время полуоборота детали вокруг собственной оси, обеспечивающее формирование нанослоя заданной толщины из /-го компонента; ^ - заданная толщина нанослоя покрытия, сформированная из /-го компонента:
и = V/ ■ Т/, (2)
где V/ - средняя скорость наращивания покрытия из /-го компонента, образующего монослой покрытия;
V/ = Н/ /т, (3)
где Н/ - суммарная толщина слоев, сформированных из /-го компонента в покрытии, нанесенном при вращении детали; Т - время формирования покрытия заданной толщины.
В качестве -х компонентов используют нитриды, карбиды и/или карбонитриды титана, циркония, алюминия и нитриды, карбиды и/или
карбонитриды соединений этих металлов (/ = 1, 2, 3...20).
2) для соотношения скорости осаждения (наращивания) -х компонентов:
к = V, / = Н/ / Н+1, (4)
где к - коэффициент, указывающий на необходимость превышения (снижения) скорости осаждения /-го компонента по сравнению со скоростью (/+1)-го компонента; Vi+1 - средняя скорость наращивания покрытия из (/+1)-го компонента; Н/+1 - суммарная толщина слоев, сформированных из (/+1)-го компонента в покрытии, нанесенном при вращении детали.
Для повышения качества микрогеометрии поверхности лопатки перед нанесением покрытия осуществляют электролитно-плазменное полирование. Для этого лопатку погружают в водный раствор электролита и прикладывают к ней положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение, под действием которого между поверхностью обрабатываемого изделия и электролитом образуется парогазовый слой, а процесс полирования осуществляют по крайней мере в три этапа, на первом из которых к обрабатываемой лопатке прикладывают электрическое напряжение от 120 до 170 В, выдерживают ее при этом напряжении в течение 0,3-0,8 мин., на втором этапе это напряжение увеличивают до 210-350 В, выдерживают лопатку при этом напряжении в течение 1,55,0 минут, затем осуществляют третий этап полирования лопатки. Для этого, не вынимая лопатку из электролита, отключают электрическое напряжение, удаляют лопатку из электролита, охлаждают лопатку, вновь прикладывают к ней положительное по отношению к электролиту электрическое напряжение от 210 до 350 В, погружают лопатку в электролит и ведут полирование течение 0,8-2,5 минут. В качестве электролита используют водный раствор солей со значением рН 4-9, причем в течение первого и второго этапов обработки обеспечивают беспрерывную подачу электрического напряжения, включая момент перехода от первого этапа ко второму. Для исследования стойкости лопаток из титановых сплавов на солевую и газовую коррозии, газоабразивную и капельно-ударную эрозию были изготовлены образцы из титанового сплава ВТ-1. Образцы были подвергнуты на экспериментальной вакуумно-плазменной установке нескольким вариантам обработки, указанным в табл. 1. Количество образцов группы бралось равным трем.
А. М. Смыслов и др. • Нанослойное покрытие для лопаток турбомашин из титановых сплавов
111
Таблица 1
Варианты вакуумно-плазменных покрытий
№ группы образцов Ионы, имплантируемые в основу Ионы, имплантируемые в покрытие Материал слоев и схема их чередования
1* N - -Ті-Ті№Ті№
2 №Сг N -тю-™-™с-
3 У N -Т іАШ-Т і№Т іАШ-
4 УЬ У ^гС^Ш^ШС^г№
5 С N
6 в Сг - ТіАМ-ТіС№Ті№ ТіС№
7 Zr У
8 Y+N Сг -ZrC-ZrCN-ZrN-
9 Y+Zr Zr ^гА1^Ш^гА1^г№
10 Zr+N Zr ^гС^Ш^гС^г№
Примечание: * - Прототип покрытия [6]
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами К, Сг, У, УЬ, С, В, 2г) с энергией Е = 0,3-30 кэВ и плотностью облучения О = 3^1019 ион/см2 с последующим постимплантационным отпуском в вакууме при температуре 400 ОС в течение 1 ч. Толщины слоев составляли: покрытие-прототип [6] первый слой - металл (Ме) толщиной 1 мкм, второй слой - нитрид Ме толщиной 2 мкм, при общем количестве слоев 16 при общей толщине покрытия 24 мкм. При формировании нанос-лойного покрытия [7] его общая толщина составляла 24 мкм, при толщинах нанослоев в диапазоне от 0,1 до 20 нанометров.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА
Стойкость к солевой коррозии исследовалась по ускоренной методике ВИАМ. Сущность методики испытания заключается в ускорении коррозионного процесса под влиянием ионов хлора при высоких и быстроменяющихся температурах и относительной влажности воздуха, приближенных к условиям эксплуатации лопаток. Кроме этого, проводилась оценка глубины коррозионных повреждений общепринятым металлографическим методом на наклонных шлифах (табл. 2). Результаты коррозионных испытаний показали увеличение стойкости образцов с нанослойными покрытиями [7] по сравнению с традиционным [6] в 1,3-1,4 раза.
Стойкость к газоабразивной эрозии исследовалась по методике ЦИАМ [8] в пескоструйной установке «2Г-53» струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался кварцевый песок с плотностью р = 2650 кг/м3, твердость НУ 12000. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-311К, 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 табл. 3.
Т аблица 2
Глубина коррозионных повреждений образцов
с различными вариантами вакуумно-плазменных покрытий толщиной 20 мкм
№ группы образцов Глубина повреждения покрытия после коррозионных испытаний, мкм Глубина повреждения основно-го материала, мкм
1 до основного материала 1,3
2 1,1 нет
3 1,7
4 1,1
5 0,8
6 1,5
7 1,6
8 2,0
9 1,8
10 1,3
Из таблицы видно, что стойкость к газоабразивной эрозии у образца, обработанного по предлагаемому способу, увеличилась приблизительно в 4,9-8,8 раз, а по сравнению с покрытием-прототипом в 1,5—2,5 раза. Стойкость к капельно-ударной эрозии исследовалась по методике МЭИ (Московского энергетического института) на стенде «Эрозия» при соударении жидких частиц размером 800 мкм и скоростью 300 м/с. Результаты исследования приведены в табл. 4. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии у образцов, обработанных по предлагаемому способу, увеличилась приблизительно от 1,5 до 2,1 раз по сравнению с прототипом.
Дополнительно была проведена оценка усталостной прочности образцов из материала ло-
паток паровых турбин, титанового сплава ТС5, обработанных по способу-прототипу и предлагаемому способу (при наработке 2-107 циклов). По способу-прототипу усталостная прочность составила 260 МПа, по предлагаемому -275 МПа. Аналогичные результаты также были получены для образцов из титановых сплавов ВТ6, ВТ14, ВТ3-1.
Таблица 3
Стойкость к газоабразивной эрозии
№ группы образцов Потеря массы, мкм Увеличение стойкости, раз
1 0,61 3,47
2 0,38 5,57
3 0,31 6,84
4 0,42 5,05
5 0,24 8,33
6 0,32 6,63
7 0,29 7,31
8 0,34 6,23
9 0,35 6,06
10 Стойкос 0,29 гь к капельно-уд 7,31 Таблица арной эрозии
№ группы образцов Увеличение стойкости, раз
1 3,57
2 6,12
3 5,15
4 5,76
5 5,33
6 5,92
7 7,08
8 7,12
9 7,32
10 7,54
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные лабораторные исследования показали, что нанослойные покрытия [7] с различным сочетанием материалов, наносимых из последовательно расположенных катодов и расположенных в промежутках между ними источников имплантитуемых ионов, позволяют увеличить по сравнению с существующим покрытием [6] стойкость к солевой коррозии (до 1,5 раз), капельно-ударной эрозии (до 2,1 раза), газоабразивной эрозии (в 2,5 раза).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гонсеровский Ф. Г. А.С. СССР №1278469, МПК Г 01 Б 25/28. Рабочая лопатки влажно-паровой турбины. Бюл. № 47, 1986.
2. Гонсеровский Ф. Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных рабочих лопаток после эрозионного износа // Электрические станции. 1998. № 8. С. 37-41.
3. Солонина О. П., Глазунов С. Г. Жаропрочные титановые сплавы. М.: Металлургия, 1976. 447 с.
4. Повышение циклической прочности металлов и сплавов методом ионной имплантации / Б. Г. Владимиров [и др.] // Поверхность. Физика, химия, механика. 1982. № 7. С. 139-147.
5. Патент РФ № 2117073 МПК С 23 С 14/48. Способ модификации поверхности титановых сплавов / М. И. Гусева [и др.] // Бюл. №22, 1998 г.
6. Патент РФ № 2234556 МПК С 23 С 14/06. Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов / А. М. Смыслов [и др.]. 2004 г.
7. Патент РФ № 2390578, МПК С 23 С 14/06. Способ получения эрозионно стойкого покрытия, содержащего нанослои, для лопаток турбомашин из титановых сплавов / А. М. Смыслов [и др.] // Бюл. № 15, 2010.
8. Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха: технич. отчет ЦИАМ №10790, 1987. 37 с.
ОБ АВТОРАХ
Смыслов Анатолий Михайлович, зав. каф. тех-нол. машиностроения. Дипл. инж.-технол. (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по производству двигателей ЛА (УГАТУ, 1993). Иссл. в обл. ионно-имплант. и вакуумно-плазм. модиф. поверхности.
Мингажев Аскар Джамильевич, доц. той же каф. Дипл. инж. по машинам и аппаратам хим. пр-в (УНИ, 1976). Канд. техн. наук по техн. ле-тательн. аппаратов и двигателей (УГАТУ, 1987). Иссл. в обл. жаростойких и термобарьерных покрытий применит. к деталям авиац. техн.
Смыслова Марина Константиновна, доц. каф. оборуд. и техн. сварочн. пр-ва. Дипл. инж. техн. машиностр. (УГАТУ, 1997). Канд. техн. наук по техн. машиностр. (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. высокотвердых вакуумных ионно-плазмен. покрытий.
Селиванов Константин Сергеевич, доц., ст. науч. сотр. НИЧ каф. технологии машиностр. Дипл. инженер по технол. машиностр. (УГАТУ, 1997). Канд. техн. наук по технологии машиностроения (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. физ.-хим., структурно-фазового состояния и эксплуатац. свойств поверхности детали после ее ионно-импл., ваккумно-плазменного модифицирования.
Мингажев Аскар Джамильевич, доц. той же каф. Дипл. инж. по машинам и аппаратам хим. пр-в (УНИ, 1976). Канд. техн. наук по техн. ле-тательн. аппаратов и двигателей (УГАТУ, 1987). Иссл. в обл. жаростойких и термобарьерных покрытий применит. к деталям авиац. техн.
