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

Формула 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 5·10 ²⁰ 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.

Описание изобретения к патенту

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 5·10 ²⁰ 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-TiN 2-)
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 =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 ( _-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.