RU179057U1

RU179057U1 - TURBO MACHINE BLADE FROM ALUMINUM ALLOY WITH STRENGTHENING LAYER CONTAINING NITROGEN

Info

Publication number: RU179057U1
Application number: RU2017137999U
Authority: RU
Inventors: Аскар Джамилевич Мингажев; Николай Константинович Криони; Фаниль Фанусович Мусин
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2018-04-25

Abstract

Полезная модель относится к области изделий из нанокристаллических материалов и может быть использована для лопаток турбомашин для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных эксплуатационных свойств. Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочненным поверхностным слоем, который состоит из двух слоев: наружного слоя толщиной от 1 до 3 мкм, состоящего из нанокристаллов алюминиевого сплава, содержащих азот и расположенного непосредственно под наружным слоем внутреннего слоя толщиной от 5 до 20 мкм, состоящего из нанокристаллов алюминиевого сплава. При этом нанокристаллы алюминиевого сплава наружного слоя имеют размеры в диапазоне от 10 до 600 нм, а нанокристаллы алюминиевого сплава внутреннего слоя имеют размеры в диапазоне от 300 до 900 нм.The utility model relates to the field of products from nanocrystalline materials and can be used for turbomachine blades to improve their physico-mechanical, corrosion and other practically important operational properties. The blade of an aluminum alloy turbomachine with a hardened surface layer, which consists of two layers: an outer layer with a thickness of 1 to 3 microns, consisting of nanocrystals of an aluminum alloy containing nitrogen and located directly below the outer layer of an inner layer of a thickness of 5 to 20 microns, consisting of nanocrystals of aluminum alloy. In this case, the nanocrystals of the aluminum alloy of the outer layer have sizes in the range from 10 to 600 nm, and the nanocrystals of aluminum alloy of the inner layer have sizes in the range from 300 to 900 nm.

Description

Полезная модель относится к области изделий из нанокристаллических материалов и может быть использована для лопаток турбомашин для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных эксплуатационных свойств.The utility model relates to the field of products from nanocrystalline materials and can be used for turbomachine blades to improve their physico-mechanical, corrosion and other practically important operational properties.

Известно изделие из твердофазных наноструктурированных материалов, состоящей из исходной матрицы с нанесенным на нее слоем наноструктурированных материалов [заявка на патент РФ №2005106650. Способ получения твердофазных наноструктурированных материалов и устройство для его реализации. МПК С01В 31/00, 2006 г.]. Недостатком указанного способа является невозможность получения изделий с нанокристаллическим поверхностным слоем материала матрицы.A product is known from solid-phase nanostructured materials, consisting of an initial matrix with a layer of nanostructured materials deposited on it [RF patent application No. 2005106650. A method of obtaining solid-phase nanostructured materials and a device for its implementation. IPC С01В 31/00, 2006]. The disadvantage of this method is the inability to obtain products with a nanocrystalline surface layer of the matrix material.

Известно изделие из объемных нанокристаллических металлических материалов, полученного методом интенсивно-пластической деформации для формирования [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.].A product is known from bulk nanocrystalline metallic materials obtained by the method of intensive plastic deformation to form [Valiev RZ, Alexandrov IV Nanostructured materials obtained by intense plastic deformation. M .: Logos, 2000.272 s.].

Недостатком известного изделия [Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. М.: Логос, 2000. 272 с.] является невозможность получения непосредственно в поверхностном слое металлических деталей нанокристаллической структуры. В то же время для таких деталей, как лопатки турбомашин необходимо обеспечивать упрочненный поверхностный слой материала [патент РФ 2117073. Способ модификации поверхности титановых сплавов. МПК С23С 14/48, 1998]. Лопатки турбомашин работают в условиях воздействия знакопеременных нагрузок, которые могут приводить к возникновению поверхностных трещин и разрушению лопаток. Поэтому эксплуатационную надежность лопаток можно обеспечить путем повышения физико-механических свойств поверхностного слоя материала детали. Создание в поверхностном слое материала нанокристаллической структуры, имеющей по сравнению с обычными не нанокристаллическими сплавами более высокие прочностные свойства, позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства подобных изделий. Например, по сравнению со сплавами, имеющими размеры зерен величиной более 1 мкм, время до разрушения образцов при испытаниях на прочность повышается в 2-3 раза, а усталостная долговечность на 1-2 порядка. Кроме того, не всегда, в частности, из соображений дороговизны, является целесообразным создание всего изделия из объемного нанокристаллического металла или сплава. Даже при использовании для изготовления деталей объемного нанокристаллического материала с относительно крупными кристаллами повышенные эксплуатационные свойства могут быть получены за счет измельчения структуры в поверхностном слое материала детали.A disadvantage of the known product [Valiev RZ, Alexandrov I.V. Nanostructured materials obtained by intense plastic deformation. M .: Logos, 2000. 272 S.] is the impossibility of obtaining directly in the surface layer of metal parts of a nanocrystalline structure. At the same time, for parts such as turbomachine blades, it is necessary to provide a hardened surface layer of the material [RF patent 2117073. Method for modifying the surface of titanium alloys. IPC С23С 14/48, 1998]. Turbomachine blades operate under conditions of alternating loads, which can lead to surface cracks and destruction of the blades. Therefore, the operational reliability of the blades can be achieved by increasing the physico-mechanical properties of the surface layer of the material of the part. The creation of a nanocrystalline structure in the surface layer of the material, which has higher strength properties compared to conventional non-nanocrystalline alloys, can significantly increase the operational properties of such products. For example, compared with alloys having grain sizes larger than 1 μm, the time to fracture of samples during strength tests is increased by 2-3 times, and the fatigue life by 1-2 orders of magnitude. In addition, it is not always, in particular, for reasons of high cost, it is advisable to create the entire product from bulk nanocrystalline metal or alloy. Even when using bulk nanocrystalline material with relatively large crystals for the manufacture of parts, enhanced performance properties can be obtained by grinding the structure in the surface layer of the material of the part.

Известно изделие с нанокристаллическим поверхностным слоем, полученным на поверхности изделия с помощью туннельного микроскопа. На поверхность изделия наносят тонкий слой металла, на котором сорбируется тонкая пленка воды. В результате электрохимических процессов на обрабатываемом участке образуется слой в несколько десятков нм [Matsumoto К., Sedawa К- Application of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Journ. Vac. Sci. Technol. - 1996, В 14. р.р. 1331-1335].A product is known with a nanocrystalline surface layer obtained on the surface of the product using a tunneling microscope. A thin layer of metal is applied to the surface of the product, on which a thin film of water is adsorbed. As a result of electrochemical processes, a layer of several tens of nm is formed on the treated area [Matsumoto K., Sedawa K. Application of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Journ. Vac. Sci. Technol. - 1996, B 14.R. 1331-1335].

Недостатком данного технического решения является невозможность его применения в таких деталях как, например, лопатка турбомашины.The disadvantage of this technical solution is the impossibility of its application in such details as, for example, a turbomachine blade.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является изделие с наноструктурированным поверхностным слоем, полученным бомбардировкой поверхности материала тяжелыми ионами. (Fleischer R.L., Price Р.В. Walker R.M. - Nuclear Tracks in Solids. - Univ. of California, Berkeley, 1979). В области трека происходит аморфизация кристаллической структуры с образованием наноразмерных структур, ориентированных вдоль трека.The closest technical solution, selected as a prototype, is a product with a nanostructured surface layer obtained by bombarding the surface of the material with heavy ions. (Fleischer R.L., Price R.V. Walker R.M. - Nuclear Tracks in Solids. - Univ. Of California, Berkeley, 1979). Amorphization of the crystal structure occurs in the region of the track with the formation of nanoscale structures oriented along the track.

Недостатком прототипа является неоднородность полученного поверхностного слоя материала изделия, поскольку облучение поверхностного слоя ускоренными тяжелыми ионами приводит к формированию в материале вдоль трека иона сильно разупорядоченной области диаметром от единиц до десятков нм. ["Микроэлектроника". - 1998, т. 27, 1, с. 46-48].The disadvantage of the prototype is the heterogeneity of the obtained surface layer of the material of the product, since irradiation of the surface layer with accelerated heavy ions leads to the formation in the material along the ion track of a highly disordered region with a diameter from units to tens of nm. ["Microelectronics". - 1998, v. 27, 1, p. 46-48].

Задачей и техническим результатом настоящего технического решения является повышение эксплуатационных свойств изделий из алюминиевого сплава за счет использования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.The objective and technical result of this technical solution is to increase the operational properties of aluminum alloy products through the use of a homogeneous nanocrystalline surface layer of the material.

Технический результат достигается тем, что в лопатке турбомашины из алюминиевого сплава с упрочненным поверхностным слоем, в отличие от прототипа упрочненный поверхностный слой состоит из двух слоев: наружного слоя толщиной от 1 до 3 мкм, состоящего из нанокристаллов алюминиевого сплава, содержащих N и, расположенного непосредственно под наружным слоем внутреннего слоя толщиной от 5 до 20 мкм, состоящего из нанокристаллов алюминиевого сплава. Кроме того возможны следующие варианты воплощения полезной модели: нанокристаллы алюминиевого сплава наружного слоя имеют размеры в диапазоне от 10 до 600 нм, а нанокристаллы алюминиевого сплава внутреннего слоя имеют размеры в диапазоне от 300 до 900 нм.The technical result is achieved by the fact that in the blade of an aluminum alloy turbomachine with a hardened surface layer, in contrast to the prototype, the hardened surface layer consists of two layers: an outer layer with a thickness of 1 to 3 μm, consisting of nanocrystals of an aluminum alloy containing N and located directly under the outer layer of the inner layer with a thickness of 5 to 20 μm, consisting of nanocrystals of aluminum alloy. In addition, the following embodiments of the utility model are possible: nanocrystals of the aluminum alloy of the outer layer have sizes in the range from 10 to 600 nm, and nanocrystals of aluminum alloy of the inner layer have sizes in the range from 300 to 900 nm.

Сущность данного технического решения заключается в том, что в поверхностном слое материала изделия одним из известных способов формируют равномерный аморфный поверхностный слой. Формирование аморфного слоя позволяет, с одной стороны уменьшить влияние исходной структуры материала изделия на вновь формируемую нанокристаллическую структуру поверхностного слоя, а с другой стороны - создает предпосылки к образованию нанокристаллов в процессе последующей кристаллизации. В качестве способа получения аморфного слоя может использоваться способ ионной имплантации. При внедрении в поверхностный слой алюминиевого сплава ионов N происходит формирование аморфного слоя, состоящего, в свою очередь, из двух слоев: наружного аморфного слоя толщиной порядка 1…3 мкм содержащего внедренные ионы N и внутреннего слоя толщиной от 5 до 20 мкм, образованного в результате воздействия внедренных ионов (эффект дальнодействия, образование радиационных дефектов структуры). В процессе кристаллизации аморфного поверхностного слоя, размеры нанокристаллов будут зависеть от частоты приложенной нагрузки и времени температурной выдержки. При этом для быстрой фиксации процессов перехода материала от аморфного состояния к нанокристаллическому необходимо также управлять скоростью охлаждения материала изделия.The essence of this technical solution lies in the fact that in the surface layer of the material of the product using one of the known methods form a uniform amorphous surface layer. The formation of an amorphous layer allows, on the one hand, to reduce the influence of the initial structure of the product material on the newly formed nanocrystalline structure of the surface layer, and on the other hand, creates the prerequisites for the formation of nanocrystals in the process of subsequent crystallization. As a method for producing an amorphous layer, an ion implantation method can be used. When N ions are introduced into the surface layer of an aluminum alloy, an amorphous layer is formed, which, in turn, consists of two layers: an external amorphous layer with a thickness of the order of 1 ... 3 μm containing embedded N ions and an inner layer with a thickness of 5 to 20 μm formed as a result the effects of embedded ions (long-range effect, the formation of radiation-induced structural defects). During crystallization of the amorphous surface layer, the size of the nanocrystals will depend on the frequency of the applied load and the time of thermal exposure. Moreover, to quickly fix the processes of the transition of the material from the amorphous to the nanocrystalline state, it is also necessary to control the cooling rate of the product material.

Таким образом, получение аморфного поверхностного слоя материала лопатки турбомашины с последующим преобразованием его путем деформации и кристаллизации в нанокристаллический поверхностный слой материала изделия позволяют достичь эффекта предлагаемого технического решения - повышения эксплуатационных свойств изделий из металлов и сплавов.Thus, obtaining an amorphous surface layer of the material of a turbomachine blade with its subsequent transformation by deformation and crystallization into a nanocrystalline surface layer of the product material allows achieving the effect of the proposed technical solution - improving the operational properties of metal and alloy products.

Пример. Для оценки эксплуатационных свойств лопаток изготовленных из дюралюминия (Д16), изготовленных согласно прототипа и предлагаемого технического решения, были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность в условиях эксплуатационных температур на воздухе.Example. To assess the operational properties of the blades made of duralumin (D16) made according to the prototype and the proposed technical solution, endurance and cyclic strength tests were carried out at operating temperatures in air.

В результате проведенных испытаний были получены следующие результаты: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток из дюралюминия (Д16) в среднем по сравнению с прототипом составляет:As a result of the tests, the following results were obtained: the conditional endurance limit (σ _-1 ) of duralumin blades (D16) on average compared to the prototype is:

1) прототип: 120-125 МПа;1) prototype: 120-125 MPa;

2) по предлагаемому техническому решению: 138-145 МПа.2) according to the proposed technical solution: 138-145 MPa.

Условный предел выносливости (σ_-1) алюминиевых сплавов (Д1, Д16, Д16Т) в среднем повышается приблизительно на 14%-16%, что подтверждает заявленный технический результат.The conditional endurance limit (σ _-1 ) of aluminum alloys (D1, D16, D16T) on average increases by approximately 14% -16%, which confirms the claimed technical result.

Claims

1. The blade of a turbomachine made of aluminum alloy with a hardened surface layer, characterized in that the hardened surface layer consists of two layers, the outer layer consisting of nanocrystals of an aluminum alloy containing nitrogen, and made with a thickness of 1 to 3 μm, and located directly under the outer the inner layer is made from 5 to 20 microns thick and consists of nanocrystals of aluminum alloy.

2. The blade according to claim 1, characterized in that the nanocrystals of the aluminum alloy of the outer layer have sizes in the range from 10 to 600 nm, and the nanocrystals of aluminum alloy of the inner layer have sizes in the range from 300 to 900 nm.