RU2649928C1 - Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой - Google Patents

Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой Download PDF

Info

Publication number
RU2649928C1
RU2649928C1 RU2017119132A RU2017119132A RU2649928C1 RU 2649928 C1 RU2649928 C1 RU 2649928C1 RU 2017119132 A RU2017119132 A RU 2017119132A RU 2017119132 A RU2017119132 A RU 2017119132A RU 2649928 C1 RU2649928 C1 RU 2649928C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
treatment
parts
titanium alloys
ion
dose
Prior art date
Application number
RU2017119132A
Other languages
English (en)
Inventor
Ирина Петровна Семенова
Марина Константиновна Смыслова
Аскар Джамилевич Мингажев
Дамир Рамилевич Таминдаров
Станислав Сагитович Даутов
Айнур Наилевич Юнусов
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 RU2017119132A priority Critical patent/RU2649928C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2649928C1 publication Critical patent/RU2649928C1/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
    • C23C14/02Pretreatment of the material to be coated
    • 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

Landscapes

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

Abstract

Изобретение относится к способу упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов. Осуществляют предварительную обработку поверхности детали электролитно-плазменным полированием. Электролитно-плазменное полирование проводят при напряжении 260-280 В в 5-7% водном растворе фторида аммония при температуре 65-75°C. Затем осуществляют ионно-имплантационную обработку ионами азота при энергии от 15 до 18 кэВ, дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1. В результате достигают повышение выносливости и циклической долговечности деталей. 2 з.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов для повышения выносливости и циклической долговечности деталей.
В настоящее время большое внимание привлекают материалы с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой. Эти материалы обладают рядом уникальных свойств, имеющих практический интерес. Металлы с УМЗ структурой обладают повышенной прочностью, пластичностью, что делает их перспективными для промышленного использования. Однако детали, изготовленные из материалов с УМЗ структурой, в частности из титановых сплавов, для повышения их эксплуатационных характеристик также требуют поверхностной защитно-упрочняющей обработки.
Известен способ газового азотирования титановых сплавов, приводящий к получению на поверхности нитридов титана высокой твердости и износостойкости. Процесс проводят в основном при 700-900°C в аммиачной среде. Повышенные температуры процесса приводят к росту зерна в изделии, диффузии водорода и уменьшению характеристик пластичности и вязкости. Тонкие изделия, например лопасти центробежных насосов, получают значительные коробления (Химико-термическая обработка металлов и сплавов. Справочник под редакцией Ляховича Л.С. - М.: Металлургия, 1981, 424 с.).
Известен способ упрочнения деталей из титановых сплавов (патент US №5443663. МПК C23C 8/36. «Plasma nitrided titanium and titanium alloy products». Опубл. 1995), включающий ионное азотирование в плазме тлеющего разряда при температуре 480°C. Однако данный способ не может быть использован для упрочнения титановых сплавов с ульрамелкозернистой структурой, поскольку приводит к искажению структуры материала поверхностного слоя и ухудшению его эксплуатационных свойств.
Известен способ упрочнения поверхности титановых сплавов (патент RU №2117073. МПК C23C 14/48. Способ модификации поверхности титановых сплавов. Опубл. 1997), включающий имплантацию ионов азота и последующий стабилизирующий отжиг.
Известен также способ упрочнения поверхностей деталей из титановых сплавов включающий азотирование с последующим отжигом (патент RU №2558320. МПК C23C 8/36. Способ упрочнения поверхности титановых сплавов в вакууме. Бюл. №21. Опубл. 2015). Азотирование деталей проводят в вакуумной камере в газовой смеси азота и аргона при температуре 650-700°C путем вакуумного нагрева в плазме.
Недостатками известных способов является необходимость нагрева поверхностного слоя детали, при которой происходит нарушение структуры материала детали и потеря ее эксплуатационных свойств.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов, включающий предварительную подготовку поверхности детали и последующую ее ионно-имплантационную обработку ионами азота (патент РФ №2116378. МПК C23C 14/48. Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом предварительную обработку осуществляют методом ионной очистки ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионную имплантацию азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°C и давлении остаточных газов 10-3-5⋅10-3 Па в течение 2-2,5 ч.
Недостатком прототипа является невозможность его применения для упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с УМЗ структурой из-за снижения эксплуатационных свойств материала.
Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала детали, который позволил бы обеспечить повышенные эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов с УМЗ структурой.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик (предела выносливости, циклической долговечности) деталей из титановых сплавов с УМЗ структурой за счет упрочняющей ионно-имплантационной обработки поверхности деталей. Технический результат достигается тем, что в способе упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, включающем предварительную подготовку поверхности детали и последующую ее ионно-имплантационную обработку ионами азота, в отличие от прототипа предварительную подготовку поверхности детали осуществляют электролитно-плазменным полированием в 5-7% водном растворе фторида аммония при температуре 65-75°C при напряжении 260-280 В, а ионно-имплантационную обработку проводят при энергии от 15 до 18 кэВ, дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1.
Кроме того, в предлагаемом способе электролит дополнительно может содержать регуляторы кислотности для достижения pH раствора в диапазоне 4,5…6,5 pH, а в качестве регуляторов кислотности могут использоваться либо гидроксиламин солянокислый, либо гидроксиламин сернокислый, а в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатку паровой турбины.
Для оценки эксплуатационных свойств деталей, обработанных по предлагаемому способу, были проведены следующие испытания. Образцы из титанового сплава ВТ-6 с УМЗ структурой были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (патент РФ №2116378. МПК C23C 14/48. 1998 г.) согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по предлагаемому способу.
Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.
Электролитно-плазменное полирование (ЭПП). Напряжение: 250 В - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 260 В - удовлетворительный результат (У.Р.); 280 В - (У.Р.); 290 В - (Н.Р.). Электролит - водный раствор фторида аммония, концентрацией: 4% - (Н.Р.); 5% - (У.Р.); 6% - (У.Р.); 7% - (У.Р.); 8% - (Н.Р.). Электролит с дополнительным содержанием регуляторов кислотности для достижения pH раствора в диапазоне 4,5…6,5 pH: гидроксиламин солянокислый - (У.Р.); гидроксиламин сернокислый - (У.Р.);
Температура процесса ЭПП: 58°C - (Н.Р.); 65°C - (У.Р.); 70°C - (У.Р.); 75°C - (У.Р.); 82°C - (Н.Р.).
Ионно-имплантационная обработка (ИИО) ионами азота. Величина энергии: 13 кэВ - (Н.Р.); 15 кэВ - (У.Р.); 16 кэВ - (У.Р.); 17 кэВ - (У.Р.); 18 кэВ - (У.Р.); 20 кэВ - (Н.Р.). Доза: 1,4⋅1017 см-2 - (Н.Р.); 1,6⋅1017 см-2 - (У.Р.); 1,8⋅1017 см-2 - (У.Р.); 2,0⋅1017 см-2 - (У.Р.); 2,2⋅1017 см-2 - (Н.Р.). Скорость набора дозы: 0,5⋅1015 с-1 - (Н.Р.); 0,7⋅1015 с-1 - (У.Р.); 0,9⋅1015 с-1 - (У.Р.); 1,0⋅1015 с-1 - (У.Р.); 1,16⋅1015 с-1 - (Н.Р.).
В качестве деталей из титанового сплава ВТ-6 с УМЗ структурой использовались экспериментальные образцы лопаток компрессора газотурбинного двигателя, лопатки газотурбинной установки и лопатки паровой турбины.
Неудовлетворительным результатом считался режим обработки, приводящий к снижению выносливости и циклической прочности образцов титанового сплава с УМЗ структурой в результате ионно-имплантационного воздействия на поверхность образца. удовлетворительным результатом принимался результат, обеспечивающий повышение выносливости и циклической прочности образцов из титанового сплава с УМЗ структурой не менее чем на 3-8%.
Обработка по способу-прототипу (патент РФ №2116378) - (Н.Р.).
Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титанового сплава ВТ-6 с УМЗ структурой на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии составляет 520-550 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 500-530 МПа, а по предлагаемому способу - 560-590 МПа.
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой следующих приемов: предварительная подготовка поверхности детали и последующая ее ионно-имплантационная обработка ионами азота; использование в качестве предварительной обработки поверхности детали электролитно-плазменное полирования; использование в качестве упрочняющей обработки поверхности детали ионно-имплантационной обработки ионами азота; проведение электролитно-плазменного полирования при напряжении 260-280 В в 5-7% водном растворе фторида аммония при температуре 65-75°C, а также использование следующих дополнительных приемов: проведение ионно-имплантационной обработки деталей при энергии от 15 до 18 кэВ, дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2⋅1017 см-2, со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 с-1 до 1⋅1015 с-1; использование в качестве деталей из титановых сплавов либо лопаток компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки, либо лопаток паровой турбины позволяет повысить эксплуатационные характеристики (предел выносливости, циклическую долговечность) деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения.

Claims (3)

1. Способ упрочняющей обработки детали из титанового сплава с ультрамелкозернистой структурой, включающий предварительную подготовку поверхности детали и последующую ее ионно-имплантационную обработку ионами азота, отличающийся тем, что предварительную подготовку поверхности детали осуществляют электролитно-плазменным полированием в 5-7% водном растворе фторида аммония при температуре 65-75°С при напряжении 260-280 В, при этом ионно-имплантационную обработку выполняют при энергии от 15 до 18 кэВ, дозой от 1,6⋅1017 см-2 до 2⋅1017 см-2 и со скоростью набора дозы от 0,7⋅1015 c-1 до 1⋅1015 с-1.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют электролит, дополнительно содержащий регуляторы кислотности для достижения рН раствора в диапазоне 4,5…6,5 рН, а в качестве регуляторов кислотности используют гидроксиламин солянокислый или гидроксиламин сернокислый.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют обработку лопатки компрессора газотурбинного двигателя, или газотурбинной установки, или паровой турбины.
RU2017119132A 2017-05-31 2017-05-31 Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой RU2649928C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119132A RU2649928C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017119132A RU2649928C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2649928C1 true RU2649928C1 (ru) 2018-04-05

Family

ID=61867458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017119132A RU2649928C1 (ru) 2017-05-31 2017-05-31 Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2649928C1 (ru)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5032421A (en) * 1990-08-21 1991-07-16 Amp Incorporated Metal coating method
RU2116378C1 (ru) * 1996-08-20 1998-07-27 Уфимский государственный авиационный технический университет Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана
US5900126A (en) * 1993-08-02 1999-05-04 Tulip Memory Systems, Inc. Method for manufacturing austenitic stainless steel substrate for magnetic-recording media
RU2375493C1 (ru) * 2008-05-04 2009-12-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ нанесения ионно-плазменного покрытия
RU2390578C2 (ru) * 2007-11-12 2010-05-27 ООО "НПП Уралавиаспецтехнология" Способ получения эрозионно стойкого покрытия, содержащего нанослои, для лопаток турбомашин из титановых сплавов
RU2403316C2 (ru) * 2008-05-13 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ нанесения ионно-плазменного покрытия
RU2496910C2 (ru) * 2011-06-23 2013-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе
RU2585599C1 (ru) * 2015-03-02 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии
RU2585580C1 (ru) * 2015-03-03 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ защиты от эрозии и солевой коррозии лопаток турбомашин из легированных сталей

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5032421A (en) * 1990-08-21 1991-07-16 Amp Incorporated Metal coating method
US5900126A (en) * 1993-08-02 1999-05-04 Tulip Memory Systems, Inc. Method for manufacturing austenitic stainless steel substrate for magnetic-recording media
RU2116378C1 (ru) * 1996-08-20 1998-07-27 Уфимский государственный авиационный технический университет Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана
RU2390578C2 (ru) * 2007-11-12 2010-05-27 ООО "НПП Уралавиаспецтехнология" Способ получения эрозионно стойкого покрытия, содержащего нанослои, для лопаток турбомашин из титановых сплавов
RU2375493C1 (ru) * 2008-05-04 2009-12-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ нанесения ионно-плазменного покрытия
RU2403316C2 (ru) * 2008-05-13 2010-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ нанесения ионно-плазменного покрытия
RU2496910C2 (ru) * 2011-06-23 2013-10-27 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе
RU2585599C1 (ru) * 2015-03-02 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии
RU2585580C1 (ru) * 2015-03-03 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" Способ защиты от эрозии и солевой коррозии лопаток турбомашин из легированных сталей

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2390578C2 (ru) Способ получения эрозионно стойкого покрытия, содержащего нанослои, для лопаток турбомашин из титановых сплавов
US10156008B2 (en) Method for altering surface of metal, and metallic product
RU2479667C2 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов
WO2010047874A2 (en) Solution heat treatment and overage heat treatment for titanium components
RU2585599C1 (ru) Способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии
RU2496910C2 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе
RU2649928C1 (ru) Способ упрочняющей обработки деталей из титановых сплавов с ультрамелкозернистой структурой
RU2226227C1 (ru) Способ защиты стальных деталей машин от солевой коррозии, пылевой и капельно-ударной эрозии
RU2655563C1 (ru) Способ защиты блиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии
RU2478140C2 (ru) Способ получения ионно-плазменного покрытия на лопатках компрессора из титановых сплавов
RU2388685C1 (ru) Способ получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из титановых сплавов
EP2749666A2 (en) Thermo-mechanical process for martensitic bearing steels and steel bearing component
RU2413035C2 (ru) Способ получения ионно-плазменного нанослойного покрытия на лопатках турбомашин из легированных сталей
RU2403316C2 (ru) Способ нанесения ионно-плазменного покрытия
CN110656301B (zh) 一种高速钢刀具可控渗氮-pvd复合涂层制备方法
RU2533223C1 (ru) Способ обработки лопатки газотурбинного двигателя
RU2373302C2 (ru) Способ обработки лопаток турбомашин
US20020014208A1 (en) Method of finish treating a steel blade for use in turbomachinery
RU2585580C1 (ru) Способ защиты от эрозии и солевой коррозии лопаток турбомашин из легированных сталей
US7985307B2 (en) Triple phase titanium fan and compressor blade and methods therefor
KR20170052485A (ko) 저온 진공침탄방법
JPH01212748A (ja) 鋼の迅速浸炭処理方法
RU2664994C1 (ru) Электролит для электролитно-плазменного полирования деталей из тугоплавких сплавов
JP2006097115A (ja) β型チタン合金の強化方法およびそれによって得られたβ型チタン合金製品
CN110760788A (zh) 铸造钛合金表面硬度的改性处理方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200601