способ обработки поверхности лопаток газотурбинного двигателя

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности лопатки, при котором лопатку предварительно подвергают обработке, включающей химическую очистку, после чего устанавливают ее в вакуумную камеру, в которой создают разрежение и проводят ионную очистку поверхности лопатки аргоном, после чего наносят на нее покрытие, отличающийся тем, что в процессе предварительной обработки лопатки ее дополнительно обрабатывают электрокорундом, а нанесение покрытия на лопатку осуществляют методом магнетронного распыления материала, при котором лопатки размещают в вакуумной камере с изолированием части их поверхности, не подлежащей нанесению на нее покрытия, после чего создают разрежение в вакуумной камере в интервале от (5·10^-2 ) до (10^-1) Па, осуществляют нагрев вакуумной камеры в интервале температур от 100 до 600°С, перед ионной очисткой аргоном осуществляют ионную очистку кислородом, причем общее время ионной очистки кислородом и аргоном составляет 5-15 мин, магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/ч, а в качестве материала распыления используют серебро.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время ионной очистки кислородом составляет не менее 2 мин, а аргоном - остальное.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость магнетронного напыления обеспечивают блоком питания, включающим импульсную систему питания с переменной частотой 6-10 кГц и скважностью 2-10.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость магнетронного напыления регулируют величиной силы тока разряда или его мощностью.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют источник питания с силой тока разряда не менее 400 мА или мощностью не менее 2 кВт.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед размещением изделий в вакуумной камере их обрабатывают электрокорундом с зерном 0,1-0,3 мм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для химической очистки используют ацетон и осуществляют ее после обработки электрокорундом.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатывают поверхность компрессорных лопаток газотурбинных двигателей.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что обрабатывают пазы замка лопатки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к нанесению покрытий в вакууме, и может быть использовано при обработке лопаток газотурбинных двигателей, например, пазов замков компрессорных лопаток.

Известен газофазный способ нанесения покрытий патент ФРГ №970456, МПК: С 23 С 11/14, 1962 г.) - аналог.

Основным недостатком известного способа является невысокая твердость получаемых изделий с покрытием. Это связано с тем, что при нанесении покрытий используют высокие температуры и длительные выдержки в среде газа реагента.

Известен способ нанесения гальванических покрытий на поверхность изделий, заключающийся в том, что осуществляют экранирование краевых участков обрабатываемой поверхности, через обрабатываемую поверхность пропускают электролит со стороны экранированного участка, перераспределяют ток по поверхности катода, что приводит к осаждению слоя металла (А.С. СССР №1285067, МКИ 4: С 25 D 7/04, опубл. 23.01.87 г. БИ №3) - аналог.

Недостатком известного способа является низкая плотность покрытия, недостаточная однородность покрытия по толщине, присутствие в покрытии следов гальванических растворов и как следствие снижение коррозионной стойкости и адгезии.

Известен способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов, включающий последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, при этом после проведения ионной имплантации проводят ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 3×10 ^-1 до 4×10^-1, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме (патент РФ №2234556, МПК С 23 С 14/06, 14/48, опубл. 20.08.04 г., БИ №23) - прототип.

Недостатком известного способа обработки поверхности лопаток является низкая прочность покрытий, невысокая адгезия покрытия к материалу лопатки и необходимость проведения дополнительной термообработки, которая усложняет и удлиняет технологический цикл нанесения покрытий. Кроме того, известный способ предполагает нанесение покрытия на всю лопатку одновременно, что также не всегда является желательным.

Например, в случае нанесения покрытия на рабочие лопатки иногда бывает целесообразно нанести покрытие только на часть их поверхности, например, на пазы замков лопаток, при этом допустимо наличие покрытия на внутренней поверхности полки и наличие интерференционного слоя в виде цветов побежалости на всей поверхности хвостовика.

Такое нанесение покрытия обосновано тем, что, с одной стороны, рабочие лопатки газотурбинного двигателя должны быть установлены в пазы диска рабочего колеса с возможностью их замены в случае неисправности, а, с другой стороны, лопатки должны быть размещены и фиксированы в пазах диска с обеспечением надежной работы двигателя.

При нанесении на лопатки покрытия из серебра оно, являясь довольно легко прирабатываемым металлом, позволяет решить обе эти задачи, так как такое покрытие является тугоплавким и не пригорает при высоких рабочих температурах работы лопаток газотурбинного двигателя, это позволяет легко производить замену лопаток, не повреждая элементов двигателя. Кроме того, такое покрытие хорошо прирабатывается, а из-за обеспечения высокой точности толщины покрытия при его нанесении, осуществляет надежное фиксирование лопаток в пазах диска. Нанесение покрытий из серебра методом магнетронного распыления позволяет обеспечить при нанесении требуемую толщину покрытия с погрешностью не более 5%.

Задача изобретения заключается в повышении прочности и увеличении адгезии покрытий, получении покрытий из чистых материалов при низком содержании примесей, при одновременном повышении их долговечности, например, при работе лопаток с покрытиями в условиях высокой температуры, а также упрощении технологического процесса нанесения покрытий.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки поверхности лопатки ее предварительно подвергают обработке, включающей химическую очистку, после чего устанавливают ее в вакуумную камеру, где создают разрежение и проводят ионную очистку поверхности лопатки аргоном, после чего наносят на нее покрытие, причем в процессе предварительной обработки лопатки ее дополнительно обрабатывают электрокорундом, а нанесение покрытия на лопатку осуществляют методом магнетронного распыления материала, при котором лопатки размещают в вакуумной камере с изолированием части их поверхности, не подлежащей нанесению на нее покрытия, после чего создают разрежение в вакуумной камере в интервале от (5×10^-2 ) до (10^-1) Па, осуществляют нагрев вакуумной камеры в интервале температур от 100°С до 600°С, перед ионной очисткой аргоном осуществляют ионную очистку кислородом, причем общее время ионной очистки кислородом и аргоном составляет 5-15 мин, магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/час, а в качестве материала распыления используют серебро.

Для получения оптимальных характеристик покрытия в заявляемом способе:

- химическую очистку могут проводить с использованием ацетона и/или раствора тринатрийфосфата;

- в способе время ионной очистки кислородом может составлять не менее 2 минут, а аргоном - остальное;

- в способе скорость магнетронного напыления может быть обеспечена блоком питания, включающим импульсную систему питания с переменной частотой 6-10 кГц и скважностью 2-10 мс;

- в способе скорость магнетронного напыления могут регулировать величиной силы тока разряда или его мощностью;

- в способе могут использовать источник питания с силой тока разряда не менее 400 мА или мощностью не менее 2 кВт;

- в способе перед размещением изделий в вакуумной камере возможна их обработка электрокорундом с зерном 0,1-0,3 мм;

- в способе предварительную обработку ацетоном могут осуществлять после обработки электрокорундом;

- в соответствии со способом могут обрабатывать поверхность компрессорных лопаток газотурбинных двигателей.

- В соответствии со способом могут обрабатывать пазы замка лопатки компрессора.

В заявляемом способе указанный технический результат достигается только при совместном использовании указанных существенных признаков в приведенных интервалах, а именно:

- ионная очистка состоит из двух последовательных этапов очистки сначала кислородом, а потом аргоном, причем общее время ионной очистки должно быть не менее 5 минут и не более 15 минут. Очистку кислородом осуществляют для удаления органических загрязнений на лопатках, а очистку аргоном - как подготовительный этап для удаления с изделий пленки и неорганических загрязнений, оставшихся после ионной очистки кислородом.

Если ионную очистку проводить менее 5 минут, то это отрицательно скажется на адгезии покрытия из-за недостаточной очистки поверхности изделий перед его нанесением, а при продолжительной ионной очистке (более 15 минут) возникает аморфизация поверхности, что также уменьшает адгезию покрытий, а следовательно, их прочность и долговечность;

- при нагреве вакуумной камеры до температуры ниже 100°С не происходит ее обезгаживания, что также снижает адгезию покрытия, а кроме того не позволяет получить чистое покрытие из-за возможного наличия в его составе различных примесей. Нагрев вакуумной камеры до температуры более 600°С недопустим, так как при нанесении на лопатки газотурбинных двигателей покрытий из серебра методом магнетронного распыления необходимо учитывать, что лопатки газотурбинных двигателей являются ответственными элементами и работают в условиях высоких нагрузок и температур, а в случае нагрева вакуумной камеры до температуры более 600°С, т.е. до температуры, превышающей температуру растворения пленки на изделии, резко понизится прочность покрытия и его адгезия, а следовательно, и долговечность покрытия и лопатки;

- при создании в вакуумной камере более глубокого разрежения, чем 5×10^-2 Па или менее 10^-1 Па, ухудшается качество покрытия, например его чистота, а следовательно, и адгезионные показатели покрытия, что происходит из-за влияния атмосферы, которое проявляется в воздействии на процесс нанесения покрытий оксидов, попадании в вакуумную камеру газов или воды и т.д.;

- магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/час. При скорости менее 6 мкм/час ухудшаются прочностные характеристики покрытия, а именно вязкость, увеличивается его жесткость и т.д., а увеличение скорости связано только с характеристиками блока питания и ограничивается ими, при этом оптимальная скорость напыления серебра с указанными в формуле параметрами составляет 6-9 мкм/час;

- в качестве материала покрытия используют серебро, так как, в соответствии с директивной технологией изготовления лопаток газотурбинных двигателей на определенные части их поверхности предписано наносить покрытия из серебра. Нанесение покрытий из серебра методом магнетронного распыления позволяет обеспечить при нанесении требуемую толщину покрытия с погрешностью не более 5%. И, кроме того, именно этот металл позволяет в сочетании с другими существенными признаками заявляемого изобретения получить технический результат, направленный на повышение прочности покрытий, что особенно важно при их эксплуатации в условиях трения и износа, увеличивает адгезию покрытий, при одновременном повышении долговечности покрытий, например, при работе изделий в условиях высокой температуры;

- заявляемый способ перед размещением лопаток в магнетроне предполагает их предварительную обработку, которая состоит из химической очистки, например, ацетоном и в обработке электрокорундом.

Необходимость такой предварительной обработки вызвана тем, что лопатки газотурбинных двигателей являются ответственными деталями, которые работают в условиях высоких нагрузок и температур, что предъявляет жесткие требования к их производству и, в том числе и к наносимым на них покрытиям, которые должны обладать высокими адгезионными свойствами, прочностными свойствами и долговечностью. Указанные качества покрытия напрямую зависят от степени очистки поверхности лопаток перед нанесением на них покрытий, лопатки должны быть хорошо обезжирены и подвергнуты механической очистке, например, электрокорундом.

- При нанесении покрытий из серебра на лопатки газотурбинных двигателей, как правило, стоит задача нанесения покрытий на определенные участки поверхности лопаток, что, как указывалось выше, обосновано условиями их крепления и работы, а также их технологичностью.

Заявляемый способ базируется на следующих теоретических предпосылках. Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующимися в плазме аномально тлеющего разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени-катода. Магнетронная распылительная система является одной из разновидностей схем диодного распыления. Основные элементы магнетронной распылительной системы: мишень-катод, анод и магнитная система, предназначены для локализации плазмы у поверхности мишени-катода, который, как правило, охлаждается проточной водой, поступающей по трубопроводу. На катод подается постоянное напряжение (как правило - 300-800 В) через клемму от источника питания, под мишенью-катодом расположена магнитная система, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала. Все элементы смонтированы в корпусе, присоединенном к вакуумной камере через изолирующие вакуумно-плотные уплотнения.

Основными преимуществами магнетронного способа напыления являются, как известно, высокая скорость нанесения пленки, точность состава распыляемого материала в покрытии и обеспечение заданной толщины покрытия с минимальной погрешностью, а также то, что конструкции магнетронов позволяют осуществить нанесение покрытий на определенные участки поверхности изделий, например, лопаток газотурбинных двигателей, что ускоряет процесс нанесения покрытий и повышает его технологичность. Причем скорость конденсации при магнетронном распылении зависит от силы тока разряда или мощности и от давления рабочего тела, что определяет довольно жесткие требования к источникам питания. Для обеспечения оптимальной воспроизводимости и стабильности процесса силу тока разряда поддерживают с точностью 2%, если же стабилизация процесса осуществляется по мощности разряда, то подводимую мощность поддерживают с точностью 20 Вт в диапазоне регулирования до 10 кВт.

Пример конкретного выполнения способа.

Задание: нанести покрытие из серебра на пазы замков лопаток компрессора из сплава ЭП-718ИД, при этом исходя из технологических условий толщина покрытия должна составлять 3-4 мкм, покрытие должно соответствовать требованиям ГОСТ 9.301-86, а на границе материала лопатки и покрытия не должны наблюдаться следы загрязнения, так как это ухудшает прочностные характеристики покрытия и его адгезию. Допускается наличие покрытия на внутренней поверхности полки и наличие интерференционного слоя в виде цветов побежалости на всей поверхности хвостовика.

Операцию нанесения покрытия выполняли методом вакуумного напыления с магнетроном на установке «Каролина Д-12». Поверхности, подлежащие покрытию, были подвергнуты обработке электрокорундом 25А № F70 на установке ST-700. После чего лопатки были обезжирены в растворе тринатрийфосфата и просушены, а затем промыты в ацетоне. После проведения предварительной обработки лопатки были установлены и закреплены в приспособлениях, представляющих собой, например, металлические листы с прорезями, которые позволяют нанести покрытия только на пазы замков лопаток, и помещены в вакуумную камеру магнетрона.

Для формирования покрытия из серебра использовался метод магнетронного распыления на постоянном токе, который основан на использовании скрещенного магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации рабочего газа и создания над поверхностью мишени-катода области плотной плазмы. На катод магнетрона по отношению к заземленному аноду подавали напряжение от 400 до 500 В. Распыление материала мишени-катода происходит за счет ее бомбардировки ионами рабочего газа, в данном случае аргона, а в качестве материала мишени-катода использовали пластины серебра с чистотой соответствующей ГОСТ (99,99%). Напуск газа в вакуумную камеру осуществляли при помощи регулятора расхода газа, входящего в состав системы напуска.

После загрузки изделий в установку и размещения их в вакуумной камере, например, по направляющим вакуумной камеры, проводилась откачка камеры до давления 5×10^-2 Па. Перед нанесением серебра для повышения адгезионных свойств покрытия поверхность обрабатываемых компрессорных лопаток в течение 5 минут подвергалась обработке ионами кислорода и 10 минут ионами аргона при следующих параметрах ионного источника I=550 мА, U=2,6 кВт. После окончания очистки включался напуск рабочего газа, а именно аргона со скоростью, определяемой давлением в вакуумной камере, которое составляло (5×10^-2 ) Па до (10^-1) Па, а после стабилизации давления включались магнетронные распылители при значениях тока и рабочего напряжения магнетронов в интервалах от 0,5-3,0 А и 300-650 В соответственно. Давление в вакуумной камере автоматически поддерживалось в интервале от (5×10^-2 ) Па до (10^-1) Па, при котором наблюдается скорость напыления серебра около 8 мкм/час. Процесс нанесения покрытия осуществляли в вакуумной камере без вынимания из нее изделий до окончания процесса обработки. После окончания заданного количества циклов перемещения обрабатываемых изделий в вакуумной камере, которое составило около 30 минут и зависит от необходимой толщины покрытия, установка автоматически отключается и в нее производится напуск атмосферы.

Для изменения толщины покрытий возможно использование других режимов или параметров напыления (время, количество циклов и т.д.), однако основные параметры режима, указанные в независимом пункте формулы изобретения, должны использоваться в интервалах, приведенных в независимом пункте формулы изобретения.

Толщина получаемой пленки в соответствии с техническим заданием должна составить от 3 до 4 мкм, на границе материала лопатки и покрытия не должны наблюдаться следы загрязнения, а прочность сцепления покрытия с основным металлом должна соответствовать требованиям действующей нормативной документации.

В соответствии с требованиями ГОСТ 9.301-86 качество покрытия проверялось:

- по внешнему виду;

- по толщине покрытия;

- на прочность сцепления с основным металлом.

Контроль прочности сцепления производился двумя методами:

- методом нагрева, в соответствии с ГОСТ 9.302-88, п.5.9,

- методом измерения температур с ГОСТ 9.302-88, п.5.10,

а контроль толщины покрытия:

- гравиметрическим методом;

- микроскопом металлографическим.

Результаты контроля показали, что при измерении гравиметрическим методом толщина покрытий составила на изделиях от 3,1-3,7 мкм, микроскопом металлографическим - от 3 до 4 мкм, на границе материала лопатки и покрытия нет следов загрязнения, а по внешнему виду и прочности сцепления с основным металлом покрытия соответствуют требованиям действующей нормативно-технической документации.