RU138282U1 - Лопатка компрессора газотурбинного двигателя с полифункциональным столбчатым наноструктурированным покрытием нитрида титана - Google Patents
Лопатка компрессора газотурбинного двигателя с полифункциональным столбчатым наноструктурированным покрытием нитрида титана Download PDFInfo
- Publication number
- RU138282U1 RU138282U1 RU2012154267/06U RU2012154267U RU138282U1 RU 138282 U1 RU138282 U1 RU 138282U1 RU 2012154267/06 U RU2012154267/06 U RU 2012154267/06U RU 2012154267 U RU2012154267 U RU 2012154267U RU 138282 U1 RU138282 U1 RU 138282U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- tin
- blade
- titanium nitride
- gas
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к турбостроению и может быть использована при изготовлении и восстановлении компрессорных лопаток (из коррозионно-стойких сталей 15Х13, 20Х13, ЭИ 961 и т.п.) для надежной защиты от эрозионного износа и питтинговой коррозии с помощью полифункциональных столбчатых наноструктурированных покрытий нитрида титана. Технический результат заявляемой полезной модели -повышение ресурса компрессорных лопаток путем улучшения микроструктуры рабочего слоя покрытия TiN в результате создания термо- и газодинамических условий формирования столбчатых наноструктурированных кристаллов в процессе ионно-плазменного напыления за счет снижения тока дуги до Iд=120-140 А и парциального давления реакционного газа (азота) в рабочей камере до PN=0,04 Па по сравнению с лопаткой-прототипом (ток дуги I=160 А, давление газа PN=0,06 Па). Для достижения указанного результата на поверхность перовой части лопатки методом ионно-плазменного напыления (на установке ВУ-2МБС) наносится полифункциональное покрытие на основе кубической фазы нитрида титана (δ-TiN) толщиной 3-5 мкм, сформированное на связующем подслое толщиной 0,5 мкм с фазовым составом α-Ti и демпферном слое толщиной 0,8 мкм с фазовым составом (α-Ti+TiN). При этом связующие слои имеют сферическую форму зерен микроструктуры, а рабочий слой имеет столбчатую форму зерен δ-TiN (с поперечным размером ~50-70 нм) и микротвердость в интервале Нµ=1200-1800 кг/мм2. В предлагаемом покрытии связующие слои сформированы на поверхности лопатки после ее предварительной бомбардировки ионами Тi+ (с энергией частиц ~1 кэВ в циклическом режиме: 5 сек - обработка +5 сек - пауза и т.д.), и все слои покрытия нанесены в одном технологическом цикле без разгерметизации вакуумной камеры. Улучшение коррозионной стойкости покрытия и увеличение предела выносливости заявляемой компрессорной лопатки обеспечивают повышение ее эксплуатационного ресурса (в ~1,8-2 раза) и расширяют область применения компрессорных лопаток с увеличенным ресурсом при конвертации авиационных газотурбинных двигателей в газоперекачивающую отрасль. Повышение ресурса лопаток за счет использования полифункционального покрытия обеспечивается при более низких затратах электроэнергии и расходных материалов применяемого метода ионно-плазменного напыления (экономии расхода титанового катода и реакционного газа за счет снижения тока дуги и давления газа).
Description
Повышение надежности и продление срока эксплуатации лопаток авиационных газотурбинных двигателей как новых, так и восстановленных, конвертируемых в газоперекачивающую отрасль - приоритетное направление современного турбостроения. Применение ионно-плазменной технологии нанесения защитных покрытий является одним из кардинальных путей решения данной задачи. Предлагаемые в данной заявке ионно-плазменные полифункциональные покрытия на основе нитрида титана рекомендуется использовать при ремонте лопаточного аппарата компрессоров газотурбинных двигателей газоперекачивающего и энергетического оборудования, а также при упрочнении рабочих поверхностей новых лопаток.
Увеличение сроков службы и ужесточение условий эксплуатации диктуют повышенные требования к служебным свойствам защитных покрытий, определяемым их фазовым составом, толщиной, микроструктурой, твердостью и адгезионной прочностью.
Полезная модель относится к турбостроению и может быть использована при изготовлении и восстановлении компрессорных лопаток (из коррозионно-стойких сталей 15Х13, 20Х13, ЭИ 961 и т.п.), работающих в условиях эрозионного воздействия воздушного потока, запыленности, влажности и повышенных температур (до 400°С), для надежной защиты лопаток от эрозионного износа и питтинговой коррозии с помощью полифункциональных столбчатых наноструктурированных покрытий нитрида титана.
Базовым условием обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик компрессорных лопаток, в частности, эрозионной стойкости и предела выносливости является модернизация их конструкции, заключающаяся в повышении адгезионной прочности связующих (подслоя и демпферного) слоев и улучшении качества рабочего слоя, образующих в целом градиентное покрытие, представляющее собой в настоящей заявке связующий подслой на поверхности пера лопатки с фазовым составом α-Ti, демпферный слой с фазовым составом (α-Ti+TiN) и рабочий слой на основе кубического нитрида титана (δ-TiN), полученные методом ионно-плазменного напыления (на установке ВУ-2МБС), за счет перехода формы кристаллитов от круглозеренной к столбчатой и уменьшения их диаметра до наноразмера в известной лопатке (см. патент РФ №63004, F04D 29/30, C23C 14/06, 14/48, 2006 на полезную модель «Компрессорная лопатка газотурбинного двигателя с защитным покрытием» [1], [2]), выбранной заявителем в качестве прототипа заявляемой лопатки.
Однако, эксплуатационная практика свидетельствует о недостаточно высокой надежности обеспечения коррозионной и эрозионной стойкости компрессорных лопаток при реновации авиационных газотурбинных двигателей (с назначенным ресурсом ~10000 часов) в газоперекачивающие агрегаты в связи с увеличением их срока службы в последующем ~ в 5 раз (назначенный ресурс ~50000 часов).
Технический результат заявляемой полезной модели - повышение надежности обеспечения стойкости к питтинговой коррозии и эрозионного износу компрессорных лопаток путем улучшения микроструктуры рабочего слоя покрытия TiN лопатки в результате создания термо- и газодинамических условий формирования столбчатых наноструктурированных кристаллов (с поперечным размером ~50-70 нм) в процессе ионно-плазменного напыления за счет снижения тока дуги Iд (с 160 А до 120-140 А) и парциального давления реакционного газа (азота) в рабочей камере PN (с 0,06 Па до 0,04 Па).
Для достижения указанного результата на поверхность перовой части лопатки методом ионно-плазменного напыления (на установке ВУ-2МБС) наносится полифункциональное покрытие на основе кубической фазы нитрида титана (δ-TiN) толщиной 3-5 мкм, сформированное на связующем подслое толщиной 0,5 мкм с фазовым составом α-Ti и демпферном слое толщиной 0,8 мкм с фазовым составом (α-Ti+TiN). При этом связующие слои имеют сферическую форму зерен микроструктуры, а рабочий слой имеет столбчатую форму зерен δ-TiN (с поперечным размером ~50-70 нм) и микротвердость в интервале Нµ=1200-1800 кг/мм2.
В предлагаемом покрытии связующие слои сформированы на поверхности лопатки после ее предварительной бомбардировки ионами Ti+ (с энергией частиц ~1 кэВ в циклическом режиме: 5 сек - обработка +5 сек - пауза и т.д.), и все слои покрытия нанесены в одном технологическом цикле без разгерметизации вакуумной камеры. При этом рабочий нитридный слой на заявляемой лопатке сформирован ионно-пламенным напылением (при постоянном опорном напряжении 140 В) при пониженных значениях тока дуги Iд=120 А и 140 А и давлении реакционного газа - азота PN=0,04 Па по сравнению с лопаткой-прототипом (ток дуги I=160 А, давление газа PN=0.06 Па).
На фиг.1 показана схематически поперечная структура градиентного покрытия на модернизированной компрессорной лопатке. На фиг.2 показана круглозеренная микроструктура защитного покрытия на лопатке - прототипе. В примере выполнения заявляемой компрессорной лопатки материал ее пера - сталь ЭП 961, для формирования подслоя и покрытия используется катод из технического титана ВТ-1-0, для формирования покрытия используется газообразный азот.
На рис.3 и 4 показаны микроструктуры покрытия со столбчатой формой зерен TiN наноразмера заявляемой компрессорной лопатки, полученные при снижении тока дуги и парциального давления реакционного газа в камере по сравнению со стандартным режимом для лопатки-прототипа.
В результате четырехэтапного ионно-пламенного напыления (ионная очистка поверхности лопатки методом ионной бомбардировки Ti+, нанесение связующего подслоя α-Ti толщиной ~0,5 мкм, нанесение демпферного слоя (α-Ti+TiN) толщиной ~0,8 мкм, нанесение рабочего слоя TiN) на установке ВУ-2МБС на поверхность заявляемой лопатки нанесено полифунциональное наноструктурированное покрытие нитрида титана со столбчатой формой зерен.
Использованы следующие методы исследования: фазовый состав - рентгеноструктурный анализ на дифрактометре «Дрон-3М» с применением Cu-Kα-излучения; микроструктура - электронный микроскоп VEGA/TESKAN; микротверость - на микротвердомере ПМТ-3 по ГОСТ 9450-76 [3] при нагрузке на индентор 0,5 Н; стойкость к питтинговой коррозии - выдержка образцов в 10%-ом растворе FeCl3 соответствии со стандартом ASTM G-48-76 [4]; предел выносливости - на усталостном стенде ВВ-4 (на базе 2·106 циклов, при частоте f=390 Гц и напряжении 2,1·104 кг/мм2 при комнатной температуре) по ОСТ 100 870-77.
Сравнение достигнутых характеристик материала полученного полифункционального покрытия заявляемой компрессорной лопатки с аналогичными характеристиками покрытия лопатки - прототипа, полученного ионно-плазменным методом на этой же установке ВУ-2МБС, но при более высоких значениях тока дуги (Iд=160 А) и парциального давления реакционного газа в камере (PN=0,06 Па) (см. описание полезной модели к патенту РФ №63004), подтверждает улучшение микроструктуры материала покрытия заявляемой лопатки, повышающее ее коррозионную и эрозионную стойкость, надежность обеспечения которых в значительной мере определяется столбчатой наноструктурой зерен материала рабочего покрытия. Полученный материал рабочего слоя градиентного покрытия состоит из столбчатых зерен с поперечным размером 50-70 нм кубической фазы δ-TiN и имеет микротвердость в интервале Нµ=1200-1800 кг/мм2 (фиг.5).
Снижение тока дуги приводит к уменьшению параметра шероховатости Ra (фиг.6), повышению класса шероховатости и улучшению рельефа покрытия за счет снижения количества капельной фазы.
Ускоренные коррозионные испытания показали, что на лопатке без покрытия в коррозионной среде происходит растворение металла, приводящее к утонению лопатки (фиг.7). Нанесение покрытия приводит к избирательному травлению с образованием точечных питтингов (фиг.8). На заявляемой лопатке суммарная площадь очагов питтинговой коррозии меньше по сравнению с лопаткой - прототипом (фиг.9).
Так покрытие TiN компрессорной лопатки - прототипа с микроструктурой рабочего покрытия без стобчатости зерен, несмотря на улучшенные эксплуатационные характеристики (предел выносливости σ=44,8 кг/мм2 по сравнению σ=44 кг/мм2 для серийной лопатки без покрытия TiN - см. таблица 1), характеризуется состоянием, допускающим возможность резервного повышения эрозионной стойкости рабочей поверхности лопатки за счет увеличения микротвердости (фиг.5), снижения шероховатости поверхности (фиг.6) и дополнительного повышения предела выносливости заявляемой лопатки в целом (σ=46,2 кг/мм2 - см. таблица 1) при более низких затратах электроэнергии и расходных материалов используемого метода ионно-плазменного напыления (экономии расхода титанового катода и реакционного газа за счет снижения тока дуги и давления газа).
Таблица 1. | ||
Предел выносливости восстановленных рабочих лопаток 5 ступени компрессора НК-12 до и после нанесения покрытия TiN | ||
Вид лопатки | Ток дуги Iд, А | Предел выносливости σВ, кг/мм2 |
Лопатка серийная без покрытия TiN | - | 44 |
Лопатка - прототип с защитным покрытием TiN | 160 | 44,8 |
Заявляемая лопатка со столбчатым покрытием TiN | 140 | 46,2 |
Повышение коррозионной стойкости полифунционального покрытия и увеличение предела выносливости (табл.1) заявляемой модернизированной компрессорной лопатки создают запас надежности обеспечения этих характеристик, наиболее значимых для ее эксплуатационного ресурса, и расширяют область применения компрессорных лопаток с увеличенным (~1,8-2 раза) сроком службы при конвертации авиационных газотурбинных двигателей в газоперекачивающую отрасль.
Данное полифункциональное столбчатое наноструктурированное покрытие нитрида титана внедрено для продления срока службы новых лопаток компрессора авиационного газотурбинного двигателя НК-12 (фиг.10, 11), предназначенного в рамках программы конвертации для эксплуатации в составе газоперекачивающего агрегата.
ЛИТЕРАТУРА
1 - Тарасенко Ю.П., Царева И.Н., Мышляев Д.А, Фель Я.А., Тарасенко П.Ю. Патент РФ №63004 на полезную модель «Компрессорная лопатка газотурбинного двигателя с защитным покрытием», приоритет 26.04.2012.
2 - Тарасенко Ю.П., Царева И.Н. Антикоррозионная защита компрессорных лопаток газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов ионно-плазменными покрытиями нитрида титана / Компрессорная техника, №7, 2008, с.25-30.
3 - ГОСТ 9450-76 Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.
4 - Структура и коррозия металлов и сплавов / Справочник под ред. Е.А.Ульянова, М.: Металлургия, 1989, 399 с.
Claims (3)
1. Компрессорная лопатка газотурбинного двигателя с полифункциональным столбчатым наноструктурированным покрытием нитрида титана, содержащая перо с нанесенным на его поверхности ионно-плазменным полифункциональным покрытием, состоящим из подслоя α-Ti толщиной 0,5 мкм, демпферного слоя с фазовым составом (α-Ti+TiN) толщиной 0,8 и рабочего слоя нитрида титана толщиной 3-5 мкм.
2. Компрессорная лопатка по п.1, отличающаяся тем, что на ее поверхности сформировано столбчатое наноструктурированное с размером зерен TiN ~50-70 нм покрытие нитрида титана с микротвердостью рабочего слоя в интервале Нµ=1200-1800 кг/мм2.
3. Лопатка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что ее перо выполнено из коррозионно-стойких сталей 15Х13, 20Х13, ЭИ 961.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012154267/06U RU138282U1 (ru) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Лопатка компрессора газотурбинного двигателя с полифункциональным столбчатым наноструктурированным покрытием нитрида титана |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012154267/06U RU138282U1 (ru) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Лопатка компрессора газотурбинного двигателя с полифункциональным столбчатым наноструктурированным покрытием нитрида титана |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU138282U1 true RU138282U1 (ru) | 2014-03-10 |
Family
ID=50192350
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012154267/06U RU138282U1 (ru) | 2012-12-14 | 2012-12-14 | Лопатка компрессора газотурбинного двигателя с полифункциональным столбчатым наноструктурированным покрытием нитрида титана |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU138282U1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU193363U1 (ru) * | 2018-10-30 | 2019-10-28 | Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК") | Лопатка газотурбинного двигателя из мартенситно-ферритной стали |
-
2012
- 2012-12-14 RU RU2012154267/06U patent/RU138282U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU193363U1 (ru) * | 2018-10-30 | 2019-10-28 | Акционерное общество "Объединенная двигателестроительная корпорация" (АО "ОДК") | Лопатка газотурбинного двигателя из мартенситно-ферритной стали |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11859499B2 (en) | Turbine clearance control coatings and method | |
Zavareh et al. | The tribological and electrochemical behavior of HVOF-sprayed Cr3C2–NiCr ceramic coating on carbon steel | |
EP2088225A1 (en) | Erosion and corrosion-resistant coating system and process therefor | |
Zhao et al. | Galvanic corrosion of the anodized 7050 aluminum alloy coupled with the low hydrogen embrittlement CdTi plated 300M steel in an industrial-marine atmospheric environment | |
US9021696B2 (en) | Method for producing a plating of a vane tip and correspondingly produced vanes and gas turbines | |
US20150132605A1 (en) | Composite composition for turbine blade tips, related articles, and methods | |
KR20080063449A (ko) | 액체에 의해 부식되는 기관의 처리방법 및 부식방지 피복합금 | |
JP2004169176A (ja) | 液体による浸食を受ける機器を被覆するためのコバルト系合金 | |
US10392717B2 (en) | Protective coating for titanium last stage buckets | |
EP1897966A2 (en) | Method for applying a high temperature anti-fretting wear coating | |
CN110306181A (zh) | 镁合金表面复合涂层及其制备方法 | |
CN107937857B (zh) | 一种7075铝合金表面防腐蚀耐磨复合涂层及其制备方法 | |
CN104593720A (zh) | 航空发动机压气机叶片抗沙尘冲蚀复合涂层及其制备方法 | |
RU138282U1 (ru) | Лопатка компрессора газотурбинного двигателя с полифункциональным столбчатым наноструктурированным покрытием нитрида титана | |
Hlushkova et al. | The choice of material for strengthening of leading edges of working blades of steam turbines | |
CN106929793B (zh) | 一种复合材料、在金属基体上喷涂涂层的方法和防腐涂层 | |
CN107385379B (zh) | 一种高炉能量回收透平叶片表面耐蚀耐磨涂层的制备方法 | |
Han et al. | Elastic modulus of 304 stainless steel coating by cold gas dynamic spraying | |
CN111876727A (zh) | 一种碳钢表面无渗剂的渗铝方法 | |
CN108611590B (zh) | 一种Ti合金工件防咬死的方法 | |
Wang et al. | Current state and development of the research on solid particle erosion and repair of turbomachine blades | |
CN114196918A (zh) | 一种电站高温螺栓防护涂层及其制备方法 | |
CN114686794A (zh) | 一种TiAl合金表面的纳米YSZ/NiCoCrAlYTa复合涂层的制备方法 | |
Xin et al. | Fatigue behavior of (graded)(Ti, Al) N-coated 1Cr11Ni2W2MoV stainless steel at high temperature | |
Zhou et al. | Effects of shot peening process on thermal cycling lifetime of TBCs prepared by EB-PVD |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20141215 |