RU2552201C2 - Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys - Google Patents
Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys Download PDFInfo
- Publication number
- RU2552201C2 RU2552201C2 RU2013136651/02A RU2013136651A RU2552201C2 RU 2552201 C2 RU2552201 C2 RU 2552201C2 RU 2013136651/02 A RU2013136651/02 A RU 2013136651/02A RU 2013136651 A RU2013136651 A RU 2013136651A RU 2552201 C2 RU2552201 C2 RU 2552201C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- vanadium
- layers
- compounds
- ion
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.The invention relates to mechanical engineering and can be used in aircraft engine building and power turbine building to protect the pen of the working blades of a GTE compressor made of titanium alloys from erosion damage while increasing endurance and cyclic durability.
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 испаряемого материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и покрытие наносят в несколько этапов до получения требуемой толщины [Патент РФ 2192501, С23С 14/34, 10.11.2002].A known method of vacuum ion-plasma coating on a substrate in an inert gas medium, including creating a difference in electric potentials between the substrate and the cathode and cleaning the surface of the substrate with an ion stream, reducing the potential difference and coating, annealing the coating by increasing the potential difference, the ion flux and the flow of evaporated material going from the cathode to the substrate is shielded, cleaning is carried out with inert gas ions, after cleaning, the screens are removed and the coating is applied in several stages ups to obtain the required thickness [RF Patent 2192501, С23С 14/34, 10.11.2002].
Известен способ нанесения ионно-плазменных покрытий 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 С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, 20.04.2001).A known method of applying ion-plasma coatings to turbine blades, including sequential vacuum deposition of the first layer of titanium with a thickness of 0.5 to 5.0 μm, then applying a second layer of titanium nitride with a thickness of 6 μm (RF Patent 2165475, IPC C23C 14/16 , 30/00, C22C 19/05, 21/04, 04/20/2001).
Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой эрозионной стойкости поверхности лопатки. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение адгезионной и усталостной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их ресурс и надежность.The main disadvantage of this method is the provision of insufficiently high erosion resistance of the surface of the scapula. In addition, with an increase in the thickness of the coating (or of each of the coating layers), the adhesion and fatigue strength of parts with coatings decreases, which impairs their service life and reliability.
Рабочие лопатки компрессора ГТД и ГТУ, 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, ВТ18У, ВТ3-1, ВТ22 и др.).The rotor blades of the compressor GTE and GTU, during operation, are exposed to significant dynamic and static loads, as well as corrosion and erosion destruction. Based on the performance requirements for the manufacture of gas turbine compressor blades, titanium alloys are used, which, compared to technical titanium, have higher strength, including at high temperatures, while maintaining a sufficiently high ductility and corrosion resistance (for example, titanium alloys grades VT6, VT8, VT18U, VT3-1, VT22, etc.).
Однако лопатки турбин из указанных сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.However, the turbine blades of these alloys are highly sensitive to voltage concentrators. Therefore, the defects formed in the manufacturing process of these parts are unacceptable, since they cause the occurrence of intense destruction processes. This causes problems when machining surfaces of turbomachine parts. In this regard, the development of methods for producing high-quality surfaces of turbomachine parts is a very urgent task.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий ионную очистку и ионную имплантацию пера лопатки с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом (Патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, 27.03.2004).The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is a method of protecting the compressor blades of a gas turbine engine made of titanium alloys from dust-abrasive erosion, including ion cleaning and ion implantation of a feather blade with the subsequent application of an ion-plasma multilayer coating in the form of a given number of pairs of layers in the form of a titanium layer with metal and a layer of titanium compounds with metal and nitrogen (RF Patent 2226227, IPC С23С 14/48, 03/27/2004).
Основным недостатком аналога является недостаточная надежность защиты от эрозионного разрушения при одновременном снижении предела выносливости, циклической долговечности. При этом повышение указанных свойств особенно важно для таких деталей из титановых сплавов, как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).The main disadvantage of the analogue is the lack of reliability of protection against erosion damage while reducing the endurance limit and cyclic durability. Moreover, the increase of these properties is especially important for such parts made of titanium alloys as compressor blades of gas turbine engines (GTE).
Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать лопатки из титановых сплавов от эрозионного износа в условиях воздействия газовых потоков, содержащих абразивные частицы, при одновременном повышении предела выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.The present invention is the creation of such a multilayer coating, which would be able to effectively protect the blades of titanium alloys from erosion wear under the influence of gas flows containing abrasive particles, while increasing the endurance limit and cyclic durability of the protected parts.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение стойкости лопаток компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.The technical result of the proposed method is to increase the resistance of the blades of the GTE compressor to erosion destruction while ensuring the specified endurance and cyclic durability of the protected parts.
Технический результат достигается тем, что в способе повышения эрозионной стойкости лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов, включающем ионную очистку с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом, в отличие от прототипа перед ионной очисткой проводят электролитно-плазменное полирование поверхности, а в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий при соотношении титана к ванадию, вес.%: V от 4 до 12%, остальное - Ti, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм, при этом нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.The technical result is achieved by the fact that in the method of increasing the erosion resistance of the compressor blades of a gas turbine engine made of titanium alloys, including ion cleaning followed by applying an ion-plasma multilayer coating in the form of a given number of pairs of layers in the form of a layer of titanium with metal and a layer of compounds of titanium with metal and nitrogen , unlike the prototype, electrolyte-plasma polishing of the surface is carried out before ion cleaning, and as metal in layers of titanium with metal and in layers of compounds of titanium with thallium and nitrogen use vanadium at a ratio of titanium to vanadium, wt.%: V from 4 to 12%, the rest is Ti, with a layer of titanium with vanadium being applied with a thickness of 0.2 μm to 0.3 μm, and a layer of compounds of titanium with vanadium and nitrogen with a thickness of 1.1 μm to 2.2 μm with a total coating thickness of 5.0 μm to 7.0 μm, while the deposition of layers of titanium compounds with vanadium is carried out in the mode of assisting with argon ions, and layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen is carried out in the mode of assisting with nitrogen ions.
Технический результат достигается также тем, что в способе повышения эрозионной стойкости лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов возможно использование следующих вариантов: ионную очистку проводят ионами аргона при энергии от 5 до 8 кэВ, плотности тока от 120 мкА/см2 до 150 мкА/см2, в течение от 0,2 до 0,6 ч; электролитно-плазменное полирование ведут, прикладывая к обрабатываемой детали электрический потенциал от 310 В до 360 В, используя в качестве электролита 2-7% водный раствор смеси NH4F и KF при содержании NH4F от 16 до 26 вес %, KF - остальное, при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°C до 90°C, в течение от 0,8 до 7 мин; электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°C до 90°C, в течение от 0,8 до 7 мин; в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8 вес.% TiF4; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют по крайней мере из двух, раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполнении из ванадия, а другой - из титана; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют с по крайней мере из двух одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполнении из ванадия, а другой - из титана, причем упомянутые электродуговые испарители расположены в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а лопатки компрессора вращаются одновременно вокруг собственной оси и относительно оси рабочей камеры установки перемещаются относительно электродуговых испарителей, при этом скорость вращения лопаток компрессора относительно собственной оси составляет от 8 до 40 об/мин, а относительно оси камеры установки от 2 до 8 об/мин.The technical result is also achieved by the fact that in the method of increasing the erosion resistance of the compressor blades of a gas turbine engine made of titanium alloys, the following options are possible: ion cleaning is carried out with argon ions at an energy of 5 to 8 keV, a current density of 120 μA / cm 2 to 150 μA / cm 2 , for from 0.2 to 0.6 hours; electrolyte-plasma polishing is carried out by applying an electric potential from 310 V to 360 V to the workpiece, using as an electrolyte a 2-7% aqueous solution of a mixture of NH 4 F and KF with an NH 4 F content of 16 to 26% by weight, KF - the rest , with a current value of 0.2 A / dm 2 to 0.5 A / dm 2 and a temperature of 70 ° C to 90 ° C, for a period of 0.8 to 7 minutes; electrolyte-plasma polishing is carried out at a current value from 0.2 A / dm 2 to 0.5 A / dm 2 and a temperature from 70 ° C to 90 ° C, for a period of 0.8 to 7 minutes; 0.3-0.8 wt.% TiF 4 is additionally introduced into the electrolyte; the application of layers of titanium compounds with vanadium is carried out from at least two separate electric arc evaporators, one of which is made of vanadium, and the other is made of titanium; layers of titanium compounds with vanadium are deposited with at least two simultaneously operating separate electric arc evaporators, one of which is made of vanadium and the other is made of titanium, said electric arc evaporators being located in the peripheral part of the cylindrical working chamber of the ion-plasma installation, and the blades the compressor rotate simultaneously around its own axis and relative to the axis of the working chamber of the installation are moved relative to the electric arc evaporators, while the rotation speed compressor blades relative to its own axis is from 8 to 40 rpm, and relative to the axis of the chamber of the installation from 2 to 8 rpm
Процесс электролитно-плазменного полирования деталей из титана и титановых сплавов осуществляется следующим образом. Обрабатываемую деталь из титана или титанового сплава погружают в ванну с водным раствором электролита, прикладывают к изделию положительный электрический потенциал, а к электролиту - отрицательный, в результате чего достигают возникновения разряда между обрабатываемым изделием и электролитом. Процесс электролитно-плазменного полирования осуществляют при электрическом потенциале от 310 В до 360 В, а в качестве электролита используют 2-7% водный раствор смеси KF и NH4F, при их содержании, вес.%: 80% KF и 20% NH4F. Полирование, в зависимости от параметров детали и заданной микрогеометрии поверхности, ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2, при температуре от 70°C до 90°C, в течение от 0,8 до 7 мин. Полируемой деталью может быть лопатка турбомашины. Для повышения качества обработки в состав электролита могут быть дополнительно введены поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF4. Перед полированием детали в электролите, по режимам обработки детали из титана или титановых сплавов, обрабатывают вспомогательные элементы из титана или титанового сплава со смывом образовавшегося осадка в электролит, причем обработку вспомогательных элементов ведут до стабилизации процесса полирования.The process of electrolyte-plasma polishing of parts made of titanium and titanium alloys is as follows. The workpiece made of titanium or a titanium alloy is immersed in a bath with an aqueous electrolyte solution, a positive electric potential is applied to the product, and a negative potential is applied to the electrolyte, as a result of which a discharge arises between the workpiece and the electrolyte. The process of electrolyte-plasma polishing is carried out at an electric potential from 310 V to 360 V, and a 2-7% aqueous solution of a mixture of KF and NH 4 F is used as the electrolyte, with their content, wt.%: 80% KF and 20% NH 4 F. Polishing, depending on the parameters of the part and the given surface microgeometry, is carried out at a current of 0.2 A / dm 2 to 0.5 A / dm 2 , at a temperature of 70 ° C to 90 ° C, for a period of 0 , 8 to 7 minutes The polished part may be a turbomachine blade. To improve the quality of processing, surfactants in a concentration of 0.4-0.8% or 0.3-0.8% TiF 4 can be added to the electrolyte composition. Before polishing a part in an electrolyte, according to the processing regimes for a part made of titanium or titanium alloys, auxiliary elements from titanium or a titanium alloy are treated with a washout of the precipitate formed in the electrolyte, and processing of auxiliary elements is carried out until the polishing process is stabilized.
Обработку ведут в среде электролита при поддержании вокруг детали парогазовой оболочки. В качестве ванны используют емкость, выполненную из материала, стойкого к воздействию электролита. Величина pH электролита находится в пределах 4-9. Температура электролита - в диапазоне 70-90°C.Processing is carried out in an electrolyte medium while maintaining a vapor-gas shell around a part. As a bath, a container made of a material resistant to electrolyte is used. The pH of the electrolyte is in the range of 4-9. The electrolyte temperature is in the range of 70-90 ° C.
При осуществлении электролитно-плазменного полирования происходят следующие процессы. Под действием протекающих токов происходит нагрев поверхности детали и образование вокруг нее парогазовой оболочки. Излишняя теплота, возникающая при нагреве детали и электролита, отводится через систему охлаждения. При этом поддерживают заданную температуру процесса. Под действием электрического напряжения (электрического потенциала между деталью и электролитом) в парогазовой оболочке возникает разряд, представляющий из себя ионизированную электролитическую плазму, обеспечивающую протекание интенсивных химических и электрохимических реакций между обрабатываемой деталью и средой парогазовой оболочки.When carrying out electrolyte-plasma polishing, the following processes occur. Under the influence of flowing currents, the surface of the part is heated and a vapor-gas shell forms around it. Excessive heat arising from the heating of the part and the electrolyte is removed through the cooling system. At the same time, the set process temperature is maintained. Under the action of electric voltage (electric potential between the part and the electrolyte), a discharge arises in the vapor-gas shell, which is an ionized electrolytic plasma, which ensures the flow of intensive chemical and electrochemical reactions between the treated part and the medium of the gas-vapor shell.
При подаче положительного потенциала на деталь в процессе протекания указанных реакций происходит анодирование поверхности детали с одновременным химическим травлением образующегося окисла. Причем при анодной поляризации парогазовый слой состоит из паров электролита, анионов и газообразного кислорода. Поскольку травление происходит, в основном, на микронеровностях, где образуется тонкий слой окисла, а процессы анодирования продолжаются, то в результате совместного действия этих факторов происходит уменьшение шероховатости обрабатываемой поверхности и, как следствие, полирование последней.When a positive potential is applied to a part during the course of these reactions, the surface of the part is anodized with simultaneous chemical etching of the formed oxide. Moreover, with anodic polarization, the vapor-gas layer consists of electrolyte vapors, anions, and gaseous oxygen. Since etching occurs mainly on microroughnesses, where a thin oxide layer is formed, and the anodizing processes continue, as a result of the combined action of these factors, the roughness of the treated surface decreases and, as a result, polishing of the latter occurs.
При обработке в электролите 2-7% водного раствора смеси KF и NH4F при их содержании, вес.%: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное, поверхность детали покрывается слоем легко растворимого налета из фтористых соединений, образованных вытеснением кислорода (TiO2+F-TiF4). При напряжении от 320 В до 340 В температура разряда достаточно высока для ведения стабильного процесса полирования. Поскольку деталь из-за наличия парогазовой оболочки непосредственно не контактирует с электролитом, то соединение TiF4 испаряется, т.е. полирование ведется через испарение фторированного слоя (Тпл.TiF4=238°C).When an electrolyte is treated with a 2-7% aqueous solution of a mixture of KF and NH 4 F with their content, wt.%: NH 4 F from 16% to 26%, KF - the rest, the surface of the part is covered with a layer of easily soluble plaque from fluoride compounds formed displacement of oxygen (TiO 2 + F-TiF 4 ). At voltages from 320 V to 340 V, the discharge temperature is high enough to conduct a stable polishing process. Since the component does not directly contact the electrolyte due to the vapor-gas shell, the TiF 4 compound evaporates, i.e. polishing is carried out through the evaporation of the fluorinated layer (mp. TiF 4 = 238 ° C).
При обработке сложнопрофильных деталей из титана и титановых сплавов (например, лопаток турбомашин) целесообразно введение в состав электролита поверхностно-активных веществ (ПАВ). Введение ПАВ уменьшает коэффициент поверхностного натяжения раствора, что улучшает состояние парогазового слоя на границе «газ-жидкость». Однако не следует создавать значительных концентраций ПАВ, поскольку это может привести к образованию нежелательных несмываемых пленок на поверхности изделия. Кроме того, увеличение концентрации ПАВ может привести к обратному эффекту, т.е. увеличению величины коэффициента поверхностного натяжения раствора. Концентрация основных компонентов электролита является величиной достаточно варьируемой. При этом нижний предел их концентрации определяется необходимостью обеспечения количественного доминирования ионов фтора над ионами кислорода как в образующейся на поверхности изделия пленке, так и в парогазовой оболочке. Верхний предел концентрации раствора электролита лимитируется увеличением количества образующихся, в процессе обработки, токсичных газообразных продуктов (F-, NH3). Для минимизации джоуль-ленцовых потерь электролит должен обладать достаточной электропроводимостью. При подборе концентрации электролита из диапазона от 2 до 7% водного раствора смеси KF и NH4F (при вес.%: NH4F от 16% до 26%, KF - остальное), а также дополнительных добавок (поверхностно-активные вещества в концентрации 0,4-0,8% или 0,3-0,8% TiF4) необходимо также учитывать возможность его продолжительного использования без дополнительной корректировки состава.When processing complex parts made of titanium and titanium alloys (for example, turbomachine blades), it is advisable to introduce surface-active substances (surfactants) into the electrolyte. The introduction of a surfactant reduces the surface tension coefficient of the solution, which improves the state of the gas-vapor layer at the gas-liquid interface. However, significant concentrations of surfactants should not be created, since this can lead to the formation of unwanted indelible films on the surface of the product. In addition, an increase in the concentration of surfactants can lead to the opposite effect, i.e. an increase in the surface tension coefficient of the solution. The concentration of the main components of the electrolyte is quite variable. Moreover, the lower limit of their concentration is determined by the need to ensure the quantitative dominance of fluorine ions over oxygen ions both in the film formed on the surface of the product and in the vapor-gas shell. The upper limit of the concentration of the electrolyte solution is limited by an increase in the number of toxic gaseous products (F-, NH 3 ) formed during processing. To minimize joule-loss, the electrolyte must have sufficient electrical conductivity. When selecting an electrolyte concentration from a range from 2 to 7% aqueous solution of a mixture of KF and NH 4 F (with wt.%: NH 4 F from 16% to 26%, KF - the rest), as well as additional additives (surfactants in concentration of 0.4-0.8% or 0.3-0.8% TiF 4 ) it is also necessary to take into account the possibility of its continued use without additional adjustment of the composition.
Для оценки стойкости лопаток газовых турбин к их сопротивлению эрозионному износу были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были нанесены покрытия как по способу-прототипу (патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, 27.03.2004), согласно приведенных в способе-прототипе условий и режимов нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.To assess the resistance of gas turbine blades to their resistance to erosion wear, the following tests were carried out. Samples of titanium alloys of grades VT6, VT8, VT8m, VT41, VT18u, VT31, VT9, VT22, VT25u were coated as in the prototype method (RF patent 2226227, IPC С23С 14/48, 03/27/2004), according to the prototype method of the conditions and modes of application, and coating according to the proposed method.
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.Modes of sample processing and coating according to the proposed method.
Электролитно-плазменное полирование: электрический потенциал от 310 В до 360 В, 290 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 310 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 330 В - (У.Р.); 360 В - (У.Р.); 370 В (Н.Р.); электролиты: от 2% до 7% (1% - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2%; 3%; 5%; 7%; 8% - (Н.Р.) водный раствор смеси KF и NH4F, при их содержании, вес.%: NH4F от 16% до 26% (14% - (Н.Р.); 16%; 20%; 24%; 26%; 28% - (Н.Р.)), KF - остальное.Electrolyte-plasma polishing: electric potential from 310 V to 360 V, 290 V - unsatisfactory result (N.R.); 310 V - satisfactory result (U.R.); 330 V - (U.R.); 360 V - (U.R.); 370 V (N.P.); electrolytes: from 2% to 7% (1% - unsatisfactory result (N.R.); 2%; 3%; 5%; 7%; 8% - (N.R.) aqueous solution of a mixture of KF and NH 4 F , with their content, wt.%: NH 4 F from 16% to 26% (14% - (NR); 16%; 20%; 24%; 26%; 28% - (NR) ), KF - the rest.
Ионная очистка (от 5 до 8 кэВ): ионы аргона при энергии 4 кэВ - (Н.Р.); 5 кэВ (У.Р.); 8 кэВ (У.Р.); 10 кэВ (Н.Р.); плотность тока: 110 МкА/см2 (Н.Р.); 130 МкА/см2 (У.Р.); 150 МкА/см2 (У.Р.); 160 МкА/см2 (Н.Р.); время ионной очистки: 0,1 часа (Н.Р.); 0,2 часа (У.Р.); 0,6 часа (У.Р.); 0,8 часа (Н.Р.).Ion purification (from 5 to 8 keV): argon ions at an energy of 4 keV - (N.R.); 5 keV (U.R.); 8 keV (U.R.); 10 keV (N.R.); current density: 110 MkA / cm 2 (N.R.); 130 MkA / cm 2 (U.R.); 150 MkA / cm 2 (U.R.); 160 MkA / cm 2 (N.R.); ion cleaning time: 0.1 hours (N.R.); 0.2 hours (U.R.); 0.6 hours (U.R.); 0.8 hours (N.R.).
Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с из двух и из четырех, поочередно или одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей. Расположение испарителей - периферийное, с чередованием электродугового испарителя из ванадия с испарителем из титана. Электродуговые испарители располагались в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а лопатки компрессора вращались одновременно вокруг собственной оси и относительно оси рабочей камеры установки, обеспечивая перемещение вращающихся относительно своей оси лопаток относительно электродуговых испарителей. Скорость вращения лопаток компрессора относительно собственной оси составляла (от 8 до 40 об/ мин): 6 об/мин (Н.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 20 об/мин (У.Р.); 40 об/мин (У.Р.); 50 об/ мин (Н.Р.). Вращение лопаток относительно оси камеры установки составляла (от 2 до 8 об/мин): 1 об/мин (Н.Р.); 2 об/мин (У.Р.); 4 об/мин (У.Р.); 8 об/мин (У.Р.); 12 об/мин (Н.Р.). Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.The deposition of layers of titanium compounds with vanadium was carried out: with two and four, alternately or simultaneously operating separate electric arc evaporators. The location of the evaporators is peripheral, with alternation of an electric arc vanadium vaporizer with a titanium vaporizer. Electric arc evaporators were located in the peripheral part of the cylindrical working chamber of the ion-plasma installation, and the compressor blades rotated simultaneously around their own axis and relative to the axis of the working chamber of the installation, providing movement of the blades rotating relative to their axis relative to the electric arc evaporators. The rotation speed of the compressor blades relative to its own axis was (from 8 to 40 rpm): 6 rpm (N.R.); 8 rpm (U.R.); 20 rpm (U.R.); 40 rpm (U.R.); 50 rpm (N.R.). The rotation of the blades relative to the axis of the installation chamber was (from 2 to 8 rpm): 1 rpm (N.R.); 2 rpm (U.R.); 4 rpm (U.R.); 8 rpm (U.R.); 12 rpm (N.R.). Layers of titanium compounds with vanadium were applied in the mode of assisting with argon ions, and layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen were carried out in the mode of assisting with nitrogen ions.
Толщина слоя титана с ванадием (0,2 мкм до 0,3 мкм): 0,1 мкм (Н.Р.); 0,2 мкм (У.Р.); 0,3 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом (1,1 мкм до 2,2 мкм): 0,9 мкм (Н.Р.); 1,1 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,2 мкм (У.Р.); 2,5 мкм (Н.Р.). Общая толщина покрытия (от 5 мкм до 7 мкм): 4,0 мкм (Н.Р.); 5,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 8,0 мкм мкм (Н.Р.).The thickness of the titanium layer with vanadium (0.2 μm to 0.3 μm): 0.1 μm (N.R.); 0.2 μm (U.R.); 0.3 μm (U.R.); 0.5 μm (N.R.). The thickness of the layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen (1.1 μm to 2.2 μm): 0.9 μm (N.R.); 1.1 μm (U.R.); 1.5 μm (U.R.); 2.2 μm (U.R.); 2.5 μm (N.R.). Total coating thickness (from 5 μm to 7 μm): 4.0 μm (N.R.); 5.0 μm (U.R.); 7.0 μm (U.R.); 8.0 μm μm (N.R.).
Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 5 мкм до 7 мкм.The total thickness of the coating of the prototype and the coating applied by the proposed method ranged from 5 μm to 7 μm.
Эрозионная стойкость поверхности 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 р=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. Результаты испытания показали, что эрозионная стойкость покрытий, полученных по предлагаемому способу, увеличилась по сравнению с покрытием-прототипом приблизительно в 10…12 раз.Erosion resistance of the surface of the samples was studied according to the TsIAM method (TsIAM Technical Report. Experimental study of the wear resistance of vacuum ion-plasma coatings in a dusty air stream 10790, 1987. - 37 sec.) On a 12G-53 sandblasting jet-ejector type. For blowing, ground quartz sand with a density of p = 2650 kg / m 3 and a hardness of HV = 12000 MPa were used. Blowing was carried out at an air-abrasive flow velocity of 195-210 m / s, a flow temperature of 265-311 K, a pressure in the receiving chamber of 0.115-0.122 MPa, an exposure time of 120 s, an abrasive concentration in the flow of up to 2-3 g / m 3 . The test results showed that the erosion resistance of the coatings obtained by the proposed method increased in comparison with the prototype coating by about 10 ... 12 times.
Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов из вышеприведенных марок титановых сплавов (ВТ6, ВТ8, ВТ8м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 470-490 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу, - 460-470 МПа, а по предлагаемому способу 470-490 МПа.In addition, endurance and cyclic durability tests were performed on samples of the above grades of titanium alloys (VT6, VT8, VT8m, VT41, VT18u, VT31, VT9, VT22, VT25u) in air. As a result of the experiment, the following was established: the conditional endurance limit (-1) of samples in the initial state (without coating) is 470-490 MPa, for samples hardened by the prototype method, 460-470 MPa, and by the proposed method 470-490 MPa .
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе повышения эрозионной стойкости лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов следующих приемов: ионную очистку с последующим нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия в виде заданного количества пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; проведение перед ионной очисткой электролитно-плазменного полирования поверхности; в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом используют ванадий при соотношении титана к ванадию, вес.%: V от 4 до 12%, остальное - Ti; слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм; слой соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота; ионную очистку проводят ионами аргона при энергии от 5 до 8 кэВ, плотности тока от 120 мкА/см2 до 150 мкА/см2, в течение от 0,2 до 0,6 ч; электролитно-плазменное полирование ведут, прикладывая к обрабатываемой детали электрический потенциал от 310 В до 360 В, используя в качестве электролита 2-7% водный раствор смеси NH4F и KF при содержании NH4F от 16 до 26 вес. %, KF - остальное, при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°C до 90°C, в течение от 0,8 до 7 мин; электролитно-плазменное полирование ведут при величине тока от 0,2 А/дм2 до 0,5 А/дм2 и температуре от 70°C до 90°V, в течение от 0,8 до 7 мин; в состав электролита дополнительно вводят 0,3-0,8 вес.% TiF4; нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют по крайней мере из двух раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполнении из ванадия, а другой - из титана, нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют с по крайней мере из двух, одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей, один из которых выполнении из ванадия, а другой - из титана, причем упомянутые электродуговые испарители расположены в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а лопатки компрессора вращаются одновременно вокруг собственной оси и относительно оси рабочей камеры установки перемещаются относительно электродуговых испарителей, при этом скорость вращения лопаток компрессора относительно собственной оси составляет от 8 до 40 об/мин, а относительно оси камеры установки от 2 до 8 об/мин - позволяет повысить по сравнению с прототипом, эрозионную стойкость лопаток из титановых сплавов, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения - повышение стойкости лопаток компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.Thus, the comparative tests showed that the use of the following methods in the method of increasing the erosion resistance of compressor blades of a gas turbine engine made of titanium alloys: ion cleaning followed by applying an ion-plasma multilayer coating in the form of a given number of layer pairs in the form of a titanium-metal layer and a compound layer titanium with metal and nitrogen; conducting electrolyte-plasma polishing of the surface before ion cleaning; as metal in the layers of titanium with metal and in the layers of compounds of titanium with metal and nitrogen, vanadium is used at a ratio of titanium to vanadium, wt.%: V from 4 to 12%, the rest is Ti; a titanium layer with vanadium is applied with a thickness of from 0.2 μm to 0.3 μm; a layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen with a thickness of 1.1 μm to 2.2 μm with a total coating thickness of 5.0 μm to 7.0 μm; applying layers of titanium compounds with vanadium is carried out in the mode of assisting with argon ions, and layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen is carried out in the mode of assisting with nitrogen ions; ion cleaning is carried out with argon ions at an energy of 5 to 8 keV, a current density of 120 μA / cm 2 to 150 μA / cm 2 for 0.2 to 0.6 hours; electrolyte-plasma polishing is carried out by applying an electric potential from 310 V to 360 V to the workpiece using a 2-7% aqueous solution of a mixture of NH 4 F and KF as an electrolyte with an NH4F content of 16 to 26 weight. %, KF - the rest, with a current value of 0.2 A / dm 2 to 0.5 A / dm 2 and a temperature of 70 ° C to 90 ° C, for a period of 0.8 to 7 minutes; electrolyte-plasma polishing is carried out at a current of 0.2 A / dm 2 to 0.5 A / dm 2 and a temperature of 70 ° C to 90 ° V, for a period of 0.8 to 7 minutes; 0.3-0.8 wt.% TiF 4 is additionally introduced into the electrolyte; application of layers of titanium and vanadium compounds is carried out from at least two separate electric arc evaporators, one of which is made of vanadium and the other from titanium, application of layers of titanium and vanadium compounds is carried out from at least two simultaneously operating separate electric arc evaporators, one of which are made of vanadium, and the other is made of titanium, the above-mentioned electric arc evaporators are located in the peripheral part of the cylindrical working chamber of the ion-plasma installation, and the blades are comp essors rotate simultaneously around their own axis and relative to the axis of the working chamber of the installation they move relative to electric arc evaporators, while the speed of rotation of the compressor blades relative to their own axis is from 8 to 40 rpm, and relative to the axis of the chamber of the installation from 2 to 8 rpm - allows you to increase in comparison with the prototype, the erosion resistance of the blades of titanium alloys, which confirms the claimed technical result of the invention is to increase the resistance of the blades of the compressor GTE to erosion destruction while ensuring specified endurance and cyclic durability of the protected parts.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013136651/02A RU2552201C2 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013136651/02A RU2552201C2 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013136651A RU2013136651A (en) | 2015-02-10 |
| RU2552201C2 true RU2552201C2 (en) | 2015-06-10 |
Family
ID=53281774
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013136651/02A RU2552201C2 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2552201C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2677041C1 (en) * | 2017-08-18 | 2019-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion |
| RU2682265C1 (en) * | 2018-05-28 | 2019-03-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for hardening blades of monowheel made of titanium alloy |
| RU2685919C1 (en) * | 2018-05-28 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of obtaining a multi-layer protective coating on the blades of a monowheel from a titanium alloy against dust erosion |
| RU2685896C1 (en) * | 2018-05-11 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for application of protective multi-layer coating on turbo engine working blades from titanium alloy |
| RU2693414C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-07-02 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting blisk of gas turbine engine from titanium alloys against dust abrasive erosion |
| RU2769799C1 (en) * | 2021-08-16 | 2022-04-06 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting blades of a gas turbine engine from titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust abrasive erosion |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5952085A (en) * | 1994-03-23 | 1999-09-14 | Rolls-Royce Plc | Multiple layer erosion resistant coating and a method for its production |
| RU2226227C1 (en) * | 2002-08-05 | 2004-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protection of steel parts of machines against salt corrosion and dust and drop impingement erosion |
| US20090004364A1 (en) * | 2004-01-21 | 2009-01-01 | Terry Hollis | Method For Protecting New/Used Engine Parts |
| RU2390578C2 (en) * | 2007-11-12 | 2010-05-27 | ООО "НПП Уралавиаспецтехнология" | Procedure for production of erosion-resistant coating containing nano-layers for blades of turbo-machines out of titanium alloys |
| RU2430992C2 (en) * | 2009-10-29 | 2011-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") | Procedure for application of wear resistant coating on blades of compressor of gas turbine engine (gte) |
-
2013
- 2013-08-05 RU RU2013136651/02A patent/RU2552201C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5952085A (en) * | 1994-03-23 | 1999-09-14 | Rolls-Royce Plc | Multiple layer erosion resistant coating and a method for its production |
| RU2226227C1 (en) * | 2002-08-05 | 2004-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protection of steel parts of machines against salt corrosion and dust and drop impingement erosion |
| US20090004364A1 (en) * | 2004-01-21 | 2009-01-01 | Terry Hollis | Method For Protecting New/Used Engine Parts |
| RU2390578C2 (en) * | 2007-11-12 | 2010-05-27 | ООО "НПП Уралавиаспецтехнология" | Procedure for production of erosion-resistant coating containing nano-layers for blades of turbo-machines out of titanium alloys |
| RU2430992C2 (en) * | 2009-10-29 | 2011-10-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") | Procedure for application of wear resistant coating on blades of compressor of gas turbine engine (gte) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2677041C1 (en) * | 2017-08-18 | 2019-01-15 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion |
| RU2693414C1 (en) * | 2018-04-25 | 2019-07-02 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting blisk of gas turbine engine from titanium alloys against dust abrasive erosion |
| RU2685896C1 (en) * | 2018-05-11 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for application of protective multi-layer coating on turbo engine working blades from titanium alloy |
| RU2682265C1 (en) * | 2018-05-28 | 2019-03-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method for hardening blades of monowheel made of titanium alloy |
| RU2685919C1 (en) * | 2018-05-28 | 2019-04-23 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Method of obtaining a multi-layer protective coating on the blades of a monowheel from a titanium alloy against dust erosion |
| RU2685919C9 (en) * | 2018-05-28 | 2019-07-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | METHOD OF OBTAINING A MULTILAYERED PROTECTIVE COATING ON THE SHOVELS OF MONOCOLES FROM TITANIUM ALLOY FROM PYDOUS EROSION |
| RU2769799C1 (en) * | 2021-08-16 | 2022-04-06 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting blades of a gas turbine engine from titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust abrasive erosion |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013136651A (en) | 2015-02-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2552202C2 (en) | Method of protecting compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloy from abrasive dust erosion | |
| RU2552201C2 (en) | Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys | |
| RU2373306C2 (en) | Method of multistage electrolyte-plasma polishing of products made of titanium and titanium alloys | |
| Muraleedharan et al. | Surface modification of pure titanium and Ti 6A1 4V by intensified plasma ion nitriding | |
| Molaei et al. | Sodium aluminate concentration effects on microstructure and corrosion behavior of the plasma electrolytic oxidation coatings on pure titanium | |
| RU2655563C1 (en) | Method of the gas turbine engine blisk from titanium alloys protecting against dust abrasion erosion | |
| TW200408010A (en) | Halogen-resistant, anodized aluminum for use in semiconductor processing apparatus | |
| Mashtalyar et al. | Polymer-containing layers formed by PEO and spray-coating method | |
| TWI831818B (en) | Anodized titanium material and manufacturing method thereof | |
| Shekhtman et al. | Producing multilayer composites based on metal-carbon by vacuum ion-plasma method | |
| Mo et al. | Improvement of the high temperature oxidation resistance of Ti–50Al at 1000° C by anodizing in ethylene glycol/BmimPF6 solution | |
| US20200152426A1 (en) | Semiconductor reactor and method for forming coating layer on metal base material for semiconductor reactor | |
| RU2461667C1 (en) | Method of electrolytic-plasma grinding of parts from titanium and its alloys | |
| JP4512603B2 (en) | Halogen gas resistant semiconductor processing equipment components | |
| RU2467098C1 (en) | Method of plasma-electrolytic removal of coatings from titanium nitrides or those of compounds of titanium with metals | |
| RU2495966C1 (en) | Method of grinding parts made from titanium alloys | |
| RU2706263C1 (en) | Method of electrolytic-plasma polishing of articles from titanium and iron-chromium-nickel alloys | |
| RU2478140C2 (en) | Method for obtaining ion-plasma coating on blades of compressor from titanium alloys | |
| Kiryukhantsev-Korneev et al. | Healing effect in coatings deposited by hybrid technology of vacuum electro-spark alloying, pulsed cathodic arc evaporation, and magnetron sputtering using Cr3C2-NiAl electrodes | |
| Amiri et al. | Corrosion behavior of aluminum oxide coatings created by electrolytic plasma method under different potential regimes | |
| RU2768945C1 (en) | Method for protecting titanium alloy compressor blades of a gas turbine engine from dust-abrasive erosion | |
| RU2533223C1 (en) | Method for gas turbine blade processing | |
| RU2806569C1 (en) | Method for protecting gas turbine engine compressor blade feather made from titanium alloys from gas abrasive wear | |
| RU2693414C1 (en) | Method of protecting blisk of gas turbine engine from titanium alloys against dust abrasive erosion | |
| Liu et al. | Electrochemical polishing of 7075 Al alloy in phosphoric acid |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150806 |