RU179506U1 - Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим хром - Google Patents

Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим хром Download PDF

Info

Publication number
RU179506U1
RU179506U1 RU2017138009U RU2017138009U RU179506U1 RU 179506 U1 RU179506 U1 RU 179506U1 RU 2017138009 U RU2017138009 U RU 2017138009U RU 2017138009 U RU2017138009 U RU 2017138009U RU 179506 U1 RU179506 U1 RU 179506U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum alloy
nanocrystals
layer
surface layer
outer layer
Prior art date
Application number
RU2017138009U
Other languages
English (en)
Inventor
Аскар Джамилевич Мингажев
Николай Константинович Криони
Фаниль Фанусович Мусин
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уфимский государственный авиационный технический университет"
Priority to RU2017138009U priority Critical patent/RU179506U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU179506U1 publication Critical patent/RU179506U1/ru

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/48Ion implantation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

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 Cr 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. 1 н.з. и 1 з.п. ф-лы, 1 прим.

Description

Полезная модель относится к области изделий из нанокристаллических материалов и может быть использовано для лопаток турбомашин для улучшения их физико-механических, коррозионных и других практически важных эксплуатационных свойств.
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.
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.].
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.
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 K., Sedawa K- Application of Scanning Tunneling Microscopy Nanofabrication process to Single Electron Transistor. - Journ. Vac. Sci. Technol. - 1996, В 14. р.р. 1331-1335].
Недостатком данного технического решения является невозможность его применения в таких деталях как, например, лопатка турбомашины.
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.
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].
Задачей и техническим результатом настоящего технического решения является повышение эксплуатационных свойств изделий из алюминиевого сплава за счет использования однородного нанокристаллического поверхностного слоя материала.
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 Cr 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.
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 Cr происходит формирование аморфного слоя, состоящего, в свою очередь, из двух слоев: наружного аморфного слоя толщиной порядка 1…3 мкм содержащего внедренные ионы Cr 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.
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.
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.
В результате проведенных испытаний были получены следующие результаты: условный предел выносливости (σ-1) лопаток из дюралюминия (Д16) в среднем по сравнению с прототипом составляет:
1) прототип: 120-125 МПа;
2) по предлагаемому техническому решению: 140-145 МПа.
Условный предел выносливости (σ-1) алюминиевых сплавов (Д1, Д16, Д16Т) в среднем повышается приблизительно на 13%-16%, что подтверждает заявленный технический результат.

Claims (2)

1. Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочненным поверхностным слоем, отличающаяся тем, что упрочненный поверхностный слой состоит из двух слоев: наружного слоя из нанокристаллов алюминиевого сплава, содержащих Cr , толщиной от 1 до 3 мкм . и расположенного непосредственно под наружным слоем внутреннего слоя толщиной от 5 до 20 мкм, состоящего из нанокристаллов алюминиевого сплава.
2. Лопатка по п. 1, отличающаяся тем, что нанокристаллы алюминиевого сплава наружного слоя имеют размеры от 10 до 600 нм, а нанокристаллы алюминиевого сплава внутреннего слоя имеют размеры от 300 до 900 нм.
RU2017138009U 2017-10-31 2017-10-31 Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим хром RU179506U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017138009U RU179506U1 (ru) 2017-10-31 2017-10-31 Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим хром

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017138009U RU179506U1 (ru) 2017-10-31 2017-10-31 Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим хром

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016133547U Division RU175846U1 (ru) 2016-08-15 2016-08-15 Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочненным поверхностным слоем,содержащим иттрий

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU179506U1 true RU179506U1 (ru) 2018-05-16

Family

ID=62151843

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017138009U RU179506U1 (ru) 2017-10-31 2017-10-31 Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим хром

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU179506U1 (ru)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55110773A (en) * 1979-02-15 1980-08-26 Sumitomo Electric Ind Ltd Preparation of aluminum alloy product
US20090202815A1 (en) * 2006-04-13 2009-08-13 Euro. Aeronautic Defence And Space Co. Eads France Use of a nanostructured material, as protective coating of metal surfaces
RU2378412C1 (ru) * 2008-11-25 2010-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет пищевых производств" Министерства образования Российской Федерации Способ формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия на поверхности металлического изделия
RU2434076C2 (ru) * 2009-11-05 2011-11-20 Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) Жаростойкое покрытие с градиентом хрома по профилю пера лопатки для защиты лопаток газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания
RU2464350C2 (ru) * 2010-11-02 2012-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") Способ обработки изделий из жаропрочных сплавов
RU2497976C1 (ru) * 2012-10-19 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Al-TiB2 НА АЛЮМИНИЕВЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
EP2743377A1 (en) * 2011-08-11 2014-06-18 Universidade de Aveiro Conversion films based on lamellar double-hydroxides for active protection against corrosion
GB2509335A (en) * 2012-12-31 2014-07-02 Univ Tartu Double-structured corrosion resistant coatings and methods of application
US20160010170A1 (en) * 2013-03-05 2016-01-14 Arcanum Alloy Design Inc. Ultrathin Alloys

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS55110773A (en) * 1979-02-15 1980-08-26 Sumitomo Electric Ind Ltd Preparation of aluminum alloy product
US20090202815A1 (en) * 2006-04-13 2009-08-13 Euro. Aeronautic Defence And Space Co. Eads France Use of a nanostructured material, as protective coating of metal surfaces
RU2378412C1 (ru) * 2008-11-25 2010-01-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет пищевых производств" Министерства образования Российской Федерации Способ формирования диффузионного коррозионно-стойкого наноструктурированного защитного покрытия на поверхности металлического изделия
RU2434076C2 (ru) * 2009-11-05 2011-11-20 Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг РФ) Жаростойкое покрытие с градиентом хрома по профилю пера лопатки для защиты лопаток газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания
RU2464350C2 (ru) * 2010-11-02 2012-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") Способ обработки изделий из жаропрочных сплавов
EP2743377A1 (en) * 2011-08-11 2014-06-18 Universidade de Aveiro Conversion films based on lamellar double-hydroxides for active protection against corrosion
RU2497976C1 (ru) * 2012-10-19 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Al-TiB2 НА АЛЮМИНИЕВЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
GB2509335A (en) * 2012-12-31 2014-07-02 Univ Tartu Double-structured corrosion resistant coatings and methods of application
US20160010170A1 (en) * 2013-03-05 2016-01-14 Arcanum Alloy Design Inc. Ultrathin Alloys

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Semenova et al. Enhanced strength and ductility of ultrafine‐grained Ti processed by severe plastic deformation
Unal et al. Microstructure evolution and mechanical behavior of severe shot peened commercially pure titanium
Rai et al. Effect of ultrasonic shot peening on microstructure and mechanical properties of high-nitrogen austenitic stainless steel
Zhan et al. Investigation on surface layer characteristics of shot peened graphene reinforced Al composite by X-ray diffraction method
Grishunin et al. Evolution of the phase composition and defect substructure of rail steel subjected to high-intensity electron-beam treatment
Kulyasova et al. Enhancement of the Mechanical Properties of an Mg–Zn–Ca Alloy Using High‐Pressure Torsion
Li et al. The effect of thermal fatigue on the mechanical properties of the novel fiber metal laminates based on aluminum–lithium alloy
Abd El Aal Influence of the pre-homogenization treatment on the microstructure evolution and the mechanical properties of Al–Cu alloys processed by ECAP
Baek et al. Superior pre-osteoblast cell response of etched ultrafine-grained titanium with a controlled crystallographic orientation
Mahmoodian et al. Severe plastic deformation of commercial pure titanium (CP-Ti) for biomedical applications: a brief review
RU179506U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим хром
Mallick et al. Grain growth and crack formation in NiO thin films by swift heavy ion irradiation
RU179505U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим титан
RU179057U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим азот
RU178968U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим бор
RU178967U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим углерод
RU178873U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим цирконий
RU179504U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим лантан
RU179497U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочняющим слоем, содержащим иттербий
Ivanov et al. On the fatigue strength of grade 20Cr13 hardened steel modified by an electron beam
RU175846U1 (ru) Лопатка турбомашины из алюминиевого сплава с упрочненным поверхностным слоем,содержащим иттрий
Ivanov et al. Improvement of functional properties of alloys by electron beam treatment
Menéndez et al. Influence of the irradiation temperature on the surface structure and physical/chemical properties of Ar ion-irradiated bulk metallic glasses
Feng et al. Microstructure and nanoindentation hardness of shot-peened ultrafine-grained low-alloy steel
RU2640687C1 (ru) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НА ДЕТАЛЯХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ (варианты)

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20180816