RU2556178C1 - Method to protect surface of turbine blade casts at thermal treatment - Google Patents
Method to protect surface of turbine blade casts at thermal treatment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556178C1 RU2556178C1 RU2014112004/02A RU2014112004A RU2556178C1 RU 2556178 C1 RU2556178 C1 RU 2556178C1 RU 2014112004/02 A RU2014112004/02 A RU 2014112004/02A RU 2014112004 A RU2014112004 A RU 2014112004A RU 2556178 C1 RU2556178 C1 RU 2556178C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blades
- blade
- castings
- layer
- casts
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке турбинных лопаток, преимущественно имеющих однонаправленную или монокристаллическую структуру и выполненных из жаростойких сплавов на основе никеля, совмещенной с горячим изостатическим прессованием (ГИП). Изобретение может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the heat treatment of turbine blades, mainly having a unidirectional or single crystal structure and made of heat-resistant nickel-based alloys combined with hot isostatic pressing (GUI). The invention can be used in the aviation and energy industries.
При литье лопаток турбины высокого давления в них образуется внутренняя микропористость, которая отрицательно влияет на механические свойства, в частности на выносливость и ресурсные характеристики лопаток. ГИП турбинных лопаток проводят в газостатах при высоких температурах и всестороннем давлении инертного газа. Однако при этом возникают такие проблемы, как изменения в приповерхностном слое сплава лопаток, трудность закрытия поверхностных пор. В частности, наличие в рабочем инертном газе, например аргоне, следов кислорода приводит к образованию в приповерхностном слое сплава лопатки выделений оксидов, в основном на основе титана и хрома. Наличие таких выделений размером до 20-25 мкм ведет к резкому снижению циклических свойств (циклической усталости) материала.When molding the blades of a high-pressure turbine, internal microporosity is formed in them, which negatively affects the mechanical properties, in particular the endurance and resource characteristics of the blades. The ISU of turbine blades is carried out in gas baths at high temperatures and the inert gas comprehensive pressure. However, this causes problems such as changes in the surface layer of the alloy of the blades, the difficulty of closing the surface pores. In particular, the presence of traces of oxygen in a working inert gas, such as argon, leads to the formation of oxide deposits in the surface layer of the alloy of the blade, mainly based on titanium and chromium. The presence of such precipitates up to 20-25 microns in size leads to a sharp decrease in the cyclic properties (cyclic fatigue) of the material.
Известен способ защиты поверхности лопатки в процессе ГИП, включающий размещение в рабочей камере газостата контейнера с керамическим порошком на основе огнеупорных окислов с определенной температурой плавления и дисперсностью, в который погружают лопатки. В газостате также размещают емкость с порошками железа, никеля, титана, поглощающими кислород (Патент РФ №2252110, опубл. 20.05.2005).A known method of protecting the surface of the blade during the GUI process, comprising placing a container with ceramic powder based on refractory oxides with a certain melting point and dispersion in which the blades are immersed in the working chamber of the gas bath. In the gas bath also place a container with powders of iron, nickel, titanium, absorbing oxygen (RF Patent No. 2252110, publ. 05.20.2005).
Недостаток этого способа заключается в том, что керамический порошок и порошки, поглощающие кислород, не полностью защищают поверхность лопаток, как наружную, так и внутреннюю, от окисления. После ГИП на поверхности лопаток в отдельных местах наблюдается окисленный слой. Кроме того, размещение в рабочей камере газостата дополнительных емкостей с керамическим и металлическими порошками затрудняет проведение процесса ГИП.The disadvantage of this method is that ceramic powder and oxygen scavenging powders do not completely protect the surface of the blades, both external and internal, from oxidation. After the HIP, an oxidized layer is observed in some places on the surface of the blades. In addition, the placement in the working chamber of the gasstat of additional containers with ceramic and metal powders makes it difficult to conduct the GUI process.
Известен способ защиты поверхности отливки при термической обработке путем нанесения на нее слоя керамики и проведения предварительной термической обработки с последующим удалением данного слоя (Патент РФ №2230821, опубл. 20.06.2004). Недостатком способа является то, что такой керамический слой имеет малую технологическую прочность и легко откалывается от поверхности отливки при загрузке ее в рабочую камеру газостата. Кроме того, использование только одного керамического слоя не полностью защищает поверхность отливки в процессе термообработки.A known method of protecting the surface of the casting during heat treatment by applying a ceramic layer to it and conducting preliminary heat treatment with the subsequent removal of this layer (RF Patent No. 2230821, publ. 20.06.2004). The disadvantage of this method is that such a ceramic layer has a low technological strength and easily breaks off the surface of the casting when loading it into the working chamber of the gas thermostat. In addition, the use of only one ceramic layer does not fully protect the casting surface during the heat treatment.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ повышения качества и эксплуатационной надежности лопаток турбины газотурбинных двигателей (способ защиты поверхности отливок турбинных лопаток при термической обработке), включающий механическую обработку профиля пера лопаток, нанесение защитного покрытия определенных толщин на наружную и внутреннюю поверхности лопаток и последующее горячее изостатическое прессование (Патент РФ №2184178, опубл. 27.06.2002). Существенным недостатком данного способа является то, что защитное диффузионное покрытие находится в контакте с поверхностью лопатки и при высоких температурах 1280-1300°С, при которых проводится ГИП современных жаропрочных сплавов, происходит интенсивное взаимодействие материала защитного покрытия и сплава лопатки. При этом материал покрытия диффундирует в приповерхностный слой лопатки образуя в нем частицы топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз (рис.2). Эти фазы, в свою очередь, резко снижают прочностные характеристики лопатки, особенно ее выносливость.The closest analogue of the claimed invention is a method for improving the quality and operational reliability of turbine blades of gas turbine engines (a method of protecting the surface of turbine blade castings during heat treatment), including machining the profile of the blade feather, applying a protective coating of certain thicknesses on the outer and inner surfaces of the blades and subsequent hot isostatic pressing (RF Patent No. 2184178, publ. June 27, 2002). A significant disadvantage of this method is that the protective diffusion coating is in contact with the surface of the blade and at high temperatures of 1280-1300 ° C, at which the GUI of modern heat-resistant alloys is carried out, there is an intense interaction of the material of the protective coating and the blade alloy. In this case, the coating material diffuses into the surface layer of the blade and forms particles of topologically close packed (TPU) phases in it (Fig. 2). These phases, in turn, sharply reduce the strength characteristics of the blade, especially its endurance.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы лопаток турбин. Техническим результатом изобретения является исключение возможности образования измененного слоя у внешней поверхности турбинных лопаток, содержащего выделения ТПУ фаз при термической обработке, совмещенной с ГИП.The technical task of the invention is to increase the reliability of the turbine blades. The technical result of the invention is the exclusion of the possibility of the formation of an altered layer at the outer surface of the turbine blades containing the allocation of TPU phases during heat treatment combined with the ISU.
Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является возможность защиты от окисления поверхности внутренней полости отливок турбинных лопаток при термической обработке, совмещенной с ГИП.An additional advantage of the invention is the ability to protect against oxidation of the surface of the inner cavity of the castings of turbine blades during heat treatment, combined with the ISU.
Для достижения технического результата предложен способ защиты поверхности отливок турбинных лопаток при термической обработке, включающий нанесение защитного покрытия на поверхность отливок лопаток и последующее горячее изостатическое прессование отливок лопаток, в котором перед нанесением защитного покрытия на поверхность отливок лопаток наносят по меньшей мере один слой керамики на основе тугоплавких окислов толщиной 0,1-2,0 мм с температурой плавления по меньшей мере на 50°С выше температуры ликвидуса сплава отливок лопаток, при этом в качестве защитного покрытия используют жаростойкое металлическое покрытие с толщиной слоя 15-200 мкм. В предлагаемом способе защитное покрытие могут выполнять из материала, выбранного из группы, включающей жаростойкий никелевый сплав, титан, хром. В способе горячее изостатическое прессование могут выполнять до удаления керамического стержня, формирующего внутреннюю полость отливок лопаток. В способе, кроме того, внутреннюю полость отливок лопаток перед проведением горячего изостатического прессования могут заполнять керамическим порошком с температурой плавления по меньшей мере на 50°С выше температуры ликвидуса сплава отливок лопаток.To achieve a technical result, a method is proposed for protecting the surface of turbine blade castings during heat treatment, including applying a protective coating to the surface of the blade castings and subsequent hot isostatic pressing of the castings of the blades, in which at least one layer of ceramic is applied on the surface of the castings of the blades based on refractory oxides with a thickness of 0.1-2.0 mm with a melting point of at least 50 ° C higher than the liquidus temperature of the alloy of the castings of the blades, at Volume as a protective coating use a heat-resistant metal coating with a layer thickness of 15-200 microns. In the proposed method, the protective coating can be performed from a material selected from the group including heat-resistant nickel alloy, titanium, chromium. In the method, hot isostatic pressing can be performed before removing the ceramic rod forming the internal cavity of the castings of the blades. In the method, in addition, the internal cavity of the castings of the blades before hot isostatic pressing can be filled with ceramic powder with a melting point at least 50 ° C above the liquidus temperature of the alloy of the castings of the blades.
При осуществлении способа материал керамического защитного слоя должен подбираться с таким расчетом, чтобы температура его плавления была не менее чем на 50°С выше температуры ликвидуса сплава лопаток для того, чтобы полностью исключить взаимодействие керамики и сплава лопаток. Толщина керамического покрытия была выбрана экспериментально. Покрытие толщиной менее 0,1 мм не обеспечивало надежной защиты поверхности, кроме того, при толщине менее 0,1 мм его было трудно наносить. Толщина более 2,0 мм была излишней, так как уже при толщине слоя в пределах 0,1-2,0 мм обеспечивалась надежная защита поверхности лопатки, к тому же покрытие толще 2,0 мм хуже удерживалось на поверхности лопаток. Керамический слой, хотя может иметь пористость, препятствует диффузии кислорода к поверхности лопатки, а также препятствует контакту металлического защитного слоя с материалом лопаток, тем самым исключая их взаимодействие в процессе термической обработки.When implementing the method, the material of the ceramic protective layer should be selected so that its melting point is not less than 50 ° C higher than the liquidus temperature of the blade alloy in order to completely exclude the interaction of ceramics and the blade alloy. The thickness of the ceramic coating was chosen experimentally. A coating with a thickness of less than 0.1 mm did not provide reliable surface protection; moreover, with a thickness of less than 0.1 mm, it was difficult to apply. A thickness of more than 2.0 mm was unnecessary, since even with a layer thickness of 0.1-2.0 mm, reliable protection of the surface of the blade was provided, moreover, a coating thicker than 2.0 mm was worse held on the surface of the blades. The ceramic layer, although it may have porosity, prevents the diffusion of oxygen to the surface of the blade, and also prevents the contact of the metal protective layer with the material of the blades, thereby eliminating their interaction during the heat treatment.
Слой защитного жаростойкого металлического покрытия, например, из жаростойкого никелевого сплава, защищает поверхность лопаток от окисления за счет связывания поступающего кислорода легирующими элементами, имеющими большое сродство к кислороду. В частности, к таким элементам относятся алюминий и хром. Использование в качестве материала защитного металлического покрытия также титана или хрома связано с тем, что указанные элементы активно связывают кислород и поэтому широко применяются как геттеры при очистке газов. Кроме активного связывания кислорода, металлическое защитное покрытие после его нанесения придает технологическую прочность керамическому слою, препятствуя его скалыванию в процессе транспортировки и укладки лопаток в газостат. Экспериментально установлено, что покрытие толщиной менее 15 мкм может не сформировать сплошной защитный слой, кроме того, слой меньшей толщины не обеспечивает надежной изоляции от атмосферы газостата. Слой толщиной более 200 мкм избыточен и отличается меньшей механической прочностью.A layer of protective heat-resistant metal coating, for example, of heat-resistant nickel alloy, protects the surface of the blades from oxidation by binding incoming oxygen with alloying elements having a high affinity for oxygen. In particular, such elements include aluminum and chromium. The use of titanium or chromium as a protective metal coating material is also due to the fact that these elements actively bind oxygen and are therefore widely used as getters in gas purification. In addition to the active binding of oxygen, the metal protective coating after its application gives technological strength to the ceramic layer, preventing it from chipping during transportation and laying of the blades in the gas thermostat. It was experimentally established that a coating with a thickness of less than 15 μm may not form a continuous protective layer, in addition, a layer of a smaller thickness does not provide reliable isolation from the atmosphere of the gas bath. A layer with a thickness of more than 200 μm is redundant and has a lower mechanical strength.
Для цели защиты поверхности внутренней полости лопаток турбины от окисления в процессе ГИП используется керамический порошок, которым полость заполняется через знаковые отверстия. Если позволяет конструкция лопаток и схема технологического процесса их получения, то термическую обработку, совмещенную с ГИП, можно проводить до удаления керамического стержня, оформляющего внутреннюю полость лопаток, который в этом случае будет защищать поверхность внутренней полости от окисления.For the purpose of protecting the surface of the inner cavity of the turbine blades from oxidation, a ceramic powder is used in the GUI process, with which the cavity is filled through the symbolic holes. If the design of the blades and the scheme of the technological process for their preparation allow, the heat treatment combined with the GUI can be carried out before removing the ceramic rod forming the inner cavity of the blades, which in this case will protect the surface of the inner cavity from oxidation.
Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention
Предлагаемый способ осуществлялся с применением четырех групп монокристаллических турбинных лопаток двигателя АЛ31Ф, отлитых из безуглеродистого жаропрочного сплава марки ВЖМ5. В каждую группу входило по три лопатки, при этом лопатки двух групп содержали керамический стержень, а из лопаток третьей группы керамический стержень был удален. В лопатки с удаленным стержнем через знаковые отверстия был засыпан микропорошок электрокорунда. Затем на все лопатки был нанесен слой суспензии на основе микропорошков электрокорунда со связующим - гидролизованным раствором этилсиликата - 40 (ГОСТ 26371). Суспензия готовилась по известной технологии, применяемой для изготовления форм при литье по выплавляемым моделям методом направленной кристаллизации. Всего был нанесен один слой суспензии с присыпкой и один закрывающий слой суспензии без присыпки. После просушки нанесенного на лопатки керамического покрытия толщина керамического слоя на лопатках первой группы составила около 0,1 мм, на лопатках второй группы - около 1,0 мм, на лопатках третьей группы - около 2,0 мм.The proposed method was carried out using four groups of single-crystal turbine blades of the AL31F engine, cast from a carbon-free heat-resistant alloy brand VZHM5. Each group included three blades, while the blades of the two groups contained a ceramic rod, and the ceramic rod was removed from the blades of the third group. Electrocorundum micropowder was poured into blades with a removed core through iconic holes. Then, a suspension layer based on micropowders of electrocorundum with a binder - hydrolyzed solution of ethyl silicate - 40 (GOST 26371) was applied to all the blades. The suspension was prepared according to the known technology used for the manufacture of molds by investment casting by the method of directional crystallization. In total, one suspension layer with powder and one closing layer of suspension without powder was applied. After drying the ceramic coating applied to the blades, the thickness of the ceramic layer on the blades of the first group was about 0.1 mm, on the blades of the second group - about 1.0 mm, on the blades of the third group - about 2.0 mm.
Далее на первую группу лопаток был нанесен методом плазменного напыления слой жаростойкого интерметаллидного сплава ВКНА-1 В толщиной около 200 мкм. На лопатки второй группы вакуумным напылением был нанесен слой титана толщиной 15 мкм. На лопатки третьей группы вакуумным напылением был нанесен слой хрома толщиной 80 мкм.Next, a layer of heat-resistant intermetallic alloy VKNA-1 B with a thickness of about 200 μm was deposited by plasma spraying on the first group of blades. A layer of titanium with a thickness of 15 μm was deposited on the blades of the second group by vacuum deposition. A layer of chromium 80 μm thick was deposited on the blades of the third group by vacuum deposition.
Четвертая группа лопаток была контрольной. На нее было нанесено диффузионное покрытие в соответствии с технологией прототипа.The fourth group of blades was a control. A diffusion coating was applied to it in accordance with the technology of the prototype.
Для всех четырех партий лопаток была проведена термообработка, совмещенная с ГИП, которая проводилась по режиму: давление 1800 атм, нагрев, выдержка в течение 1 часа при температуре 1280°С, в течение 1 часа при температуре 1290°С, в течение 1 часа при температуре 1300°С, в течение 1 часа при температуре 1310°С.For all four batches of blades, heat treatment combined with GUI was carried out, which was carried out according to the regime: pressure 1800 atm, heating, holding for 1 hour at a temperature of 1280 ° C, for 1 hour at a temperature of 1290 ° C, for 1 hour at a temperature of 1300 ° C, for 1 hour at a temperature of 1310 ° C.
Исследование внутреннего и внешнего приповерхностных слоев отливок первых трех групп лопаток показало отсутствие каких либо выделений ТПУ фаз или изменений в них (Рис.1 а-е). В лопатках из четвертой группы в приповерхностных слоях, под слоем диффузионного покрытия, наблюдалось множественное выделение посторонних ТПУ фаз. (Рис.2 а-г).The study of the inner and outer surface layers of castings of the first three groups of blades showed the absence of any precipitation of TPU phases or changes in them (Fig. 1 a-e). In the blades of the fourth group in the surface layers, under the diffusion coating layer, multiple precipitation of extraneous TPU phases was observed. (Fig. 2 a-d).
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112004/02A RU2556178C1 (en) | 2014-03-31 | 2014-03-31 | Method to protect surface of turbine blade casts at thermal treatment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014112004/02A RU2556178C1 (en) | 2014-03-31 | 2014-03-31 | Method to protect surface of turbine blade casts at thermal treatment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2556178C1 true RU2556178C1 (en) | 2015-07-10 |
Family
ID=53538707
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014112004/02A RU2556178C1 (en) | 2014-03-31 | 2014-03-31 | Method to protect surface of turbine blade casts at thermal treatment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2556178C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698163C1 (en) * | 2018-07-31 | 2019-08-22 | Акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" | Method of producing protective coating on surface of part from nickel alloy |
| RU2716570C1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-03-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for sputtering of protective coatings for an intermetallic alloy based on titanium gamma-aluminide |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4145481A (en) * | 1977-08-03 | 1979-03-20 | Howmet Turbine Components Corporation | Process for producing elevated temperature corrosion resistant metal articles |
| EP0574290A1 (en) * | 1992-06-05 | 1993-12-15 | Gec Alsthom Electromecanique Sa | Method for the application of protective coating inserts on martensitic steel or titanium alloy workpieces |
| RU2184178C2 (en) * | 2000-02-07 | 2002-06-27 | ООО "Турбомет" | Method of raising quality and operational reliability of gas turbine engine blades made of refractory nickel alloys |
| RU2230821C1 (en) * | 2003-03-21 | 2004-06-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method of high-heat treatment of a casting made out of heat-resistant monocrystalline nickel alloy |
| RU2252110C1 (en) * | 2003-10-09 | 2005-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Blade surface protection method |
-
2014
- 2014-03-31 RU RU2014112004/02A patent/RU2556178C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4145481A (en) * | 1977-08-03 | 1979-03-20 | Howmet Turbine Components Corporation | Process for producing elevated temperature corrosion resistant metal articles |
| EP0574290A1 (en) * | 1992-06-05 | 1993-12-15 | Gec Alsthom Electromecanique Sa | Method for the application of protective coating inserts on martensitic steel or titanium alloy workpieces |
| RU2184178C2 (en) * | 2000-02-07 | 2002-06-27 | ООО "Турбомет" | Method of raising quality and operational reliability of gas turbine engine blades made of refractory nickel alloys |
| RU2230821C1 (en) * | 2003-03-21 | 2004-06-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" | Method of high-heat treatment of a casting made out of heat-resistant monocrystalline nickel alloy |
| RU2252110C1 (en) * | 2003-10-09 | 2005-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Blade surface protection method |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698163C1 (en) * | 2018-07-31 | 2019-08-22 | Акционерное общество "НПО Энергомаш имени академика В.П. Глушко" | Method of producing protective coating on surface of part from nickel alloy |
| RU2716570C1 (en) * | 2019-10-28 | 2020-03-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for sputtering of protective coatings for an intermetallic alloy based on titanium gamma-aluminide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11014143B2 (en) | Casting mold, method of manufacturing same, TiAl alloy cast product, and method of casting same | |
| RU2529134C2 (en) | Alloy casts with protective plies and method of their production | |
| US8062581B2 (en) | Refractory crucibles capable of managing thermal stress and suitable for melting highly reactive alloys | |
| US7761969B2 (en) | Methods for making refractory crucibles | |
| KR20080097138A (en) | Crucibles for melting titanium alloys | |
| US8992824B2 (en) | Crucible and extrinsic facecoat compositions | |
| KR20080097137A (en) | Reinforced refractory crucibles for melting titanium alloys | |
| CN106987755A (en) | A kind of MCrAlY alloy and preparation method thereof | |
| RU2556178C1 (en) | Method to protect surface of turbine blade casts at thermal treatment | |
| JP2014104512A (en) | Casting device of cylinder head and heat treatment method of cylinder head | |
| CN105899309B (en) | Mold forms the manufacture method with slurry, mold and mold | |
| Li et al. | Modification of ceramic shell facecoat for inhibition of sand burning defect on DZ22B directionally solidified blades | |
| KR20180065152A (en) | Mold coating agents for titanium alloy castings, mold for titanium alloy casings using the same and manufacturing method thereof | |
| JP6344034B2 (en) | Casting method of TiAl alloy | |
| RU2402639C1 (en) | Procedure for application of combined heat insulated coating on parts out of heat resistant alloys | |
| CN111136258B (en) | Heat treatment method of high-temperature Ti-based alloy casting | |
| US11542586B2 (en) | Coating for refractory alloy part | |
| RU2510429C1 (en) | Method of making higher thermal strength heat-resistant cermet coat | |
| WO2016157119A1 (en) | Ceramic shell for lost-wax micro-casting | |
| JP4951756B2 (en) | Oxidation-resistant material and method for producing oxidation-resistant material | |
| RU2365466C1 (en) | Method for protection of blade surface | |
| KR101328099B1 (en) | Method for manufacturing cast product | |
| US20150183026A1 (en) | Investment mold having metallic donor element | |
| RU2572925C1 (en) | Method of heat treatment of castings from refractory nickel alloys | |
| RU2640117C1 (en) | Method for increasing density of complex-profile articles from intermetallide alloys based on nickel produced by additive technologies |