RU2234556C2 - Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов - Google Patents
Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2234556C2 RU2234556C2 RU2002111321/02A RU2002111321A RU2234556C2 RU 2234556 C2 RU2234556 C2 RU 2234556C2 RU 2002111321/02 A RU2002111321/02 A RU 2002111321/02A RU 2002111321 A RU2002111321 A RU 2002111321A RU 2234556 C2 RU2234556 C2 RU 2234556C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion implantation
- ion
- nitrogen
- coating
- steam turbine
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при обработке лопаток паровых турбин. Техническим результатом является упрочнение поверхности лопатки паровой турбины с целью повышения ее сопротивления влажно-паровой эрозии, коррозии, увеличения усталостной и адгезионной прочности. Способ включает последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, при этом после ионной имплантации проводят ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 3·10-1 до 4·10-1 Па, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.
Description
Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано при обработке лопаток паровых турбин.
Хорошо известно, что самыми важными требованиями, предъявляемыми к рабочим лопаткам, работающим в паровых турбинах в условиях влажного пара и высоких знакопеременных нагрузок, являются их стойкость к влажно-паровой эрозии и коррозии, усталостная прочность.
Известно, что хорошей коррозионной стойкостью в среде, в которой присутствуют хотя бы следы влаги или воды, является титан и его сплавы (патент РФ №2138718, 6 F 16 K 3/00, 27.09.1999 г.), поэтому они нашли свое применение для изготовления лопаток паровых турбин наряду с хромистыми сталями. Вместе с тем, несмотря на высокие коррозионные свойства титановых сплавов и изготовленных из них лопаток паровых турбин, требуются защита их поверхности от влажно-паровой эрозии и обеспечение усталостной прочности.
Известны способы поверхностного пластического деформирования титана для повышения усталостной прочности (Кузнецов Н.Д., Цейтлин В.И., Волков В.И. Технологические методы повышения надежности деталей машин. - М.: Машиностроение, 1993. – 304 с.). Однако твердость, достигаемая при таких методах упрочнения, не обеспечивает стойкости к влажно-паровой эрозии. Напротив, повышение степени наклепа и, соответственно, твердости поверхности приводит к снижению ее коррозионной стойкости (Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. / A.M.Сулима, В.А.Шулов, Ю.Д.Ягодкин. - М.: Машиностроение, 1988. – 239 с.).
Традиционные способы повышения стойкости к влажно-паровой эрозии лопаток из хромистых сталей - припайка и приварка стеллитовых пластин, электроискровое и кластерное упрочнение, плазменное, детонационное напыление, ТВЧ-закалка (а.с. СССР №1278469 F 01 D 25/28. Гонсеровский Ф.Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных рабочих лопаток после эрозионного износа // Электрические станции №8, 1998, с.37-41) - неприемлемы для титановых сплавов из-за большой их склонности к окислению при нагреве и последующему растрескиванию, в результате чего появляются недопустимые дефекты покрытия и поверхности (Жаропрочные титановые сплавы. / О.П.Солонина, С.Г.Глазунов. - М.: Металлургия, 1976. – 447 с.).
Известны способы повышения усталостной прочности металлов методом ионной имплантации (Повышение циклической прочности металлов и сплавов методом ионной имплантации. Владимиров Б.Г., Гусева М.И., Иванов С.М. и др. // Поверхность. Физика, химия, механика, №7, 1982, с.139-147). Сущность метода ионной имплантации заключается в облучении поверхности металлов ионами различных химических элементов с энергий от 300 эВ до 300 кЭв и дозой от 1016 до 2·1019 ион/см2. При этом основным фактором, ответственным за повышение усталостной прочности, является упрочнение поверхностного слоя.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ модификации поверхности титановых сплавов (патент РФ RU 2117073 Cl, 6 C 23 C 14/48, 10.08.98, Бюл. №22), который включает в себя предварительную обработку ионами аргона с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см2 и дозой (1-2)·1019 ион/см2, имплантацию ионов азота с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см2 и дозой (1-2)·1019 ион/см2 и последующий стабилизирующий отжиг.
Основным недостатком прототипа является малая глубина упрочняемого модифицируемого слоя поверхности (до 4 мкм, согласно Фиг.1 прототипа), которая не может обеспечить необходимую долговечность изделия при его эксплуатации в условиях влажно-паровой эрозии. Кроме того, к недостаткам относится невозможность обработки в единицу времени всего изделия (например, всей поверхности пера лопатки) из-за ограниченной площади генерируемого пучка плазмы (не более 5·103 мм2 на указанном в прототипе ионно-плазменном ускорителе “Вита”), что значительно меньше площади поверхности турбинной лопатки (≈4,5·105 мм2), а также необходимость проведения дополнительной термообработки, увеличивающей технологический цикл.
Техническим результатом заявляемого способа является упрочнение поверхности лопатки паровой турбины с целью повышения ее сопротивления влажно-паровой эрозии, коррозии, увеличения усталостной и адгезионной прочности.
Технический результат достигается тем, что в способе обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов, включающем в себя последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига в отличие от прототипа, после ионной имплантации проводят ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 3-10-1 до 4-10-1 Па, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме.
Технический результат достигается также тем, что обработка проводится одновременно на всей поверхности лопатки.
В результате проведения предлагаемой упрочняющей обработки в поверхности изделия возникает композиционная структура материала глубиной 80-120 мкм, плавно переходящая по своему структурно-фазовому состоянию и физико-химическим свойствам от покрытия TiN до основного материала. Сформированное покрытие TiN толщиной более 8 мкм обладает высокой в сравнении с прототипом поверхностной микротвердостью Hv (25 г) не менее 1500 МПа, что значительно повышает сопротивление влажно-паровой эрозии и коррозии.
Упрочнение ионной имплантацией азота, стабилизирующий отжиг и нанесение защитного покрытия TiN реализовано по всей поверхности пера лопатки в одном вакуумном объеме за одну загрузку. Такой способ формирования поверхности обеспечивает повышение стойкости к влажно-паровой эрозии, коррозии, увеличение усталостной и адгезионной прочности.
Результаты исследования эксплуатационных свойств лопаток паровых турбин из титанового сплава ТС5, обработанных по предлагаемому способу, приведены в таблице.
Достижение технического результата объясняется следующим.
Ионная имплантация азота увеличивает усталостную прочность лопатки за счет изменения дислокационной структуры ее поверхности и образования в ней упрочняющих нитридных фаз: TiN и Ti2N. В результате этого повышается надежность и увеличивается ресурс эксплуатации изделия.
Ионная имплантация азота формирует поверхность с развитой дислокационной структурой и нитридными упрочняющими фазами, создает благоприятное структурно-фазовое состояние основного материала, обеспечивая его плавный переход в покрытие TiN, что позволяет избежать возникновения недопустимых растягивающих напряжений на границе “покрытие - основной материал”.
Таким образом, применение способа обработки лопатки паровой турбины из титанового сплава, включающего упрочнение поверхности изделия ионной имплантацией азота, стабилизирующий отжиг, нанесение защитного вакуумного ионно-плазменного покрытия нитрида титана (TiN), при этом ионную имплантацию азота совмещают со стабилизирующим отжигом и нанесением покрытия в одном вакуумном объеме и осуществляют одновременно на всю поверхность изделия в одну загрузку.
ПРИМЕР КОНКРЕТНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
Обработку поверхности титановых лопаток паровых турбин по описываемому способу проводят после всех формообразующих механических обработок, включая полирование. Лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60 до 65°С. После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2·104 Па и проводят очистку поверхности ионами аргона. Далее, проводят ионную имплантацию азотом по режиму:
- имплантируемый ион азот
- энергия ионов 200-1500 эВ;
- плотность ионного тока 5-10 мА/см2;
- доза имплантации ионов 1018-2·1019 ион/см2;
После ионной имплантации наносят защитное вакуумное ионно-плазменное покрытие нитрида титана (TiN) по режиму:
- ток разряда 90-110 А;
- напряжение разряда 50-60 В;
- давление азота 3·10-1-4·10-1 Па;
- достигаемая толщина покрытия не менее 8 мкм.
Далее, проводят стабилизирующий отжиг. Для этого лопатку выдерживают в вакуумной камере не менее 30 минут. После отжига проводят контроль и упаковку.
Claims (2)
1. Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов, включающий в себя последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, отличающийся тем, что после ионной имплантации проводят ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 3·10-1 до 4·10-1 Па, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме.
2. Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин по п.1, отличающийся тем, что обработка проводится одновременно на всей поверхности лопатки.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002111321/02A RU2234556C2 (ru) | 2002-04-25 | 2002-04-25 | Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002111321/02A RU2234556C2 (ru) | 2002-04-25 | 2002-04-25 | Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002111321A RU2002111321A (ru) | 2003-11-20 |
RU2234556C2 true RU2234556C2 (ru) | 2004-08-20 |
Family
ID=33412436
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002111321/02A RU2234556C2 (ru) | 2002-04-25 | 2002-04-25 | Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2234556C2 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA016704B1 (ru) * | 2008-02-19 | 2012-06-29 | Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" | Способ упрочнения лезвийного инструмента |
RU2545878C2 (ru) * | 2013-05-16 | 2015-04-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Способ защиты лопаток паровых турбин от парокапельной эрозии |
RU2744005C1 (ru) * | 2020-05-09 | 2021-03-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования. "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Способ электроискрового легирования лопаток из титановых сплавов паровых турбин ТЭЦ и АЭС |
-
2002
- 2002-04-25 RU RU2002111321/02A patent/RU2234556C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA016704B1 (ru) * | 2008-02-19 | 2012-06-29 | Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси" | Способ упрочнения лезвийного инструмента |
RU2545878C2 (ru) * | 2013-05-16 | 2015-04-10 | Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") | Способ защиты лопаток паровых турбин от парокапельной эрозии |
RU2744005C1 (ru) * | 2020-05-09 | 2021-03-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования. "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Способ электроискрового легирования лопаток из титановых сплавов паровых турбин ТЭЦ и АЭС |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2161661C1 (ru) | Способ нанесения износостойких покрытий и повышения долговечности деталей | |
US20100028711A1 (en) | Thermal barrier coatings and methods of producing same | |
JP2008506532A (ja) | チタン合金の形の耐摩耗性でかつ疲労抵抗性の縁層を製造するための方法および該方法により製造された構成部分 | |
KR20160111410A (ko) | 구성품의 선택 영역 상에 크로뮴 확산 코팅을 형성하는 방법 | |
RU2585599C1 (ru) | Способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии | |
RU2479667C2 (ru) | Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов | |
RU2234556C2 (ru) | Способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов | |
US9267218B2 (en) | Protective coating for titanium last stage buckets | |
RU2554828C2 (ru) | Способ нанесения защитного покрытия на поверхность стального изделия | |
RU2599073C1 (ru) | Способ ионно-плазменного нанесения многослойного покрытия на изделия из алюминиевых сплавов | |
RU2308537C1 (ru) | Способ обработки поверхности металлического изделия | |
RU2116378C1 (ru) | Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана | |
RU2533223C1 (ru) | Способ обработки лопатки газотурбинного двигателя | |
Shulov et al. | Application of high-current pulsed electron beams for the restoration of operational properties of the blades of gas-turbine engines | |
RU2744005C1 (ru) | Способ электроискрового легирования лопаток из титановых сплавов паровых турбин ТЭЦ и АЭС | |
US20020014208A1 (en) | Method of finish treating a steel blade for use in turbomachinery | |
RU2445199C2 (ru) | Способ упрочнения блока сопловых лопаток турбомашин из никелевых и кобальтовых сплавов | |
RU2682265C1 (ru) | Способ упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава | |
RU2693235C1 (ru) | Устройство для электролитно-плазменного полирования лопаток блиска | |
RU2566232C1 (ru) | Способ комбинированной ионно-плазменной обработки изделий из алюминиевых сплавов | |
RU2426631C1 (ru) | Способ восстановления лопаток паровых турбин из легированных сталей | |
RU2570274C1 (ru) | Способ получения износостойкого высокотемпературного покрытия | |
RU2440877C2 (ru) | Способ восстановления пера лопатки турбомашины | |
RU2634400C1 (ru) | Способ ионного азотирования режущего инструмента из легированной стали | |
RU2690385C1 (ru) | Способ нанесения коррозионностойкого покрытия на поверхность стальной лопатки паровой турбины |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140426 |