RU2682741C1 - Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов - Google Patents

Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов Download PDF

Info

Publication number
RU2682741C1
RU2682741C1 RU2017145423A RU2017145423A RU2682741C1 RU 2682741 C1 RU2682741 C1 RU 2682741C1 RU 2017145423 A RU2017145423 A RU 2017145423A RU 2017145423 A RU2017145423 A RU 2017145423A RU 2682741 C1 RU2682741 C1 RU 2682741C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ion
blades
monowheel
mono
blade
Prior art date
Application number
RU2017145423A
Other languages
English (en)
Inventor
Вадим Файзерахманович Насыров
Аскар Джамилевич Мингажев
Наиля Фёдоровна Измайлова
Азамат Зиннурович Тимербаев
Рушан Наилевич Хуснимарданов
Ирина Рифхатовна Галимова
Original Assignee
Научно-производственная Ассоциация "Технопарк авиационных технологий" (НПА "Технопарк АТ")
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 Научно-производственная Ассоциация "Технопарк авиационных технологий" (НПА "Технопарк АТ") filed Critical Научно-производственная Ассоциация "Технопарк авиационных технологий" (НПА "Технопарк АТ")
Priority to RU2017145423A priority Critical patent/RU2682741C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2682741C1 publication Critical patent/RU2682741C1/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
    • 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

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)

Abstract

Изобретение относится к способу ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов. Моноколесо устанавливают на валу держателя. Помещают внутри вакуумной установки, располагая одну из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора, и производят ионно-имплантационную обработку лопаток до получения заданной дозы имплантируемых ионов. При этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и его центр и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, при этом производят качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки, на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки. Ионно-имплантационную обработку проводят ионами азота при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅10до 2,2⋅10ион/см. Затем моноколесо поворачивают вокруг своей продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до полной обработки всех лопаток моноколеса. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для упрочнения лопаток рабочего моноколеса (блиска) компрессора ГТД из титановых сплавов.
Известен способ модификации поверхности деталей, включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №20007501, МПК С23С 14/48, 1994).
Основным недостатком этого способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей из титановых сплавов.
Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №21 16378, МПК С23С 14/48, Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана. Опубл. 1998 г.). При этом ионную очистку осуществляют ионами инертных газов аргона или ксенона с энергией 250-350 кВ, плотностью ионного тока 3-10 мА/см2, в течение времени более 3000 с, ионное легирование азотом проводят с энергией 30-50 мкА/см2, в течение 500-2500 с, а отжиг проводят при температуре 450-550°С и давлении остаточных газов 10-3-5-10-3 Па в течение 2-2,5 ч.
Основным недостатком аналога способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).
Известен также способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота. (Патент РФ №2479667. МПК С23С 14/48. Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов. Опубл.: 20.04.2013 г.) При этом ионную очистку проводят при энергии от 8 до 10 кэВ, плотности тока от 130 мкА/см2 до 160 мкА/см2 в течение от 0,3 до 1,0 ч, а ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ.
Основным недостатком аналогов способа являются невысокие эксплуатационные характеристики деталей (предела выносливости, циклической долговечности). Это связано с недостаточно рациональными вариантами обработки поверхности деталей из титановых сплавов при использовании методов ионно-имплантационного воздействия. При этом повышение указанных характеристик особенно важно для таких деталей как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота (патент РФ №21 16378, МПК С23С 14/48, 1998 г.; а также А.С. СССР №1642786, МПК С23С 14/48, Способ ионной имплантации. Опубл. 30.09.1994.). При этом, обработка поверхности осуществляется путем имплантации ионного пучка с плотностью мощности 1⋅103 Вт/см2 с предварительным облучением поверхности импульсным ионным пучком с плотностью мощности 5⋅106-108 Вт/см2 и удельной энергией в импульсе 0,5-10 Дж/см2.
Основным недостатком этого способа (А.С. СССР №1642786; патент РФ №2116378) и вышеперечисленных аналогов (патенты РФ №№2007501, 2479667 и 2116378) является невозможность равномерной обработки рабочих поверхностей лопаток моноколес компрессора ГТД из титановых сплавов, в связи с наличием теневых участков, препятствующих проникновению ионов к обрабатываемой поверхности лопаток. Поэтому все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток моноколеса, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей их рабочей поверхности.
Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала лопаток моноколеса из титановых сплавов, который позволил бы обеспечить их повышенные эксплуатационные характеристики (предела выносливости, циклической долговечности).
Техническим результатом заявляемого способа является повышение выносливости и циклической долговечности лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов за счет обеспечения их равномерной ионно-имплантационной обработки.
Технический результат достигается тем, что в способе ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов, в отличие от прототипа, осуществляют установку моноколеса на валу держателя с расположением одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора вакуумной установки, выполненной в виде протяженного генератора газовой плазмы, и производят ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов, при этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, затем поворачивают моноколесо вокруг
его продольной оси с обеспечением ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до обработки всех лопаток моноколеса, причем при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса, осуществляют качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось обрабатываемой лопатки, на угол качания от 60 до 90 градусов с обеспечением обработки всей рабочей поверхности лопатки, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота осуществляют с энергией от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅1017 ион/см2 до 2,2⋅10 ион/см2. Кроме того, в способе ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов возможно использование следующего дополнительного приема: обработку лопаток осуществляют при угловой скорости вращения моноколеса относительно оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки и центр моноколеса, от 4 об/мин до 20 об/мин и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один его оборот моноколеса.
Для оценки эксплуатационных свойств лопаток моноколес газовых турбин были проведены следующие испытания. Образцы из высоколегированных сталей, были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г), так и по режимам предлагаемого способа.
Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.
Ионная имплантация ионами азота: энергия - 16 кэВ (Н.Р.); 20 кэВ (У.Р.); 35 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,6⋅1017ион/см2 (Н.Р.); 1,8⋅1017ион/см2 (У.Р.); 2,0⋅1017ион/см2 (У.Р.); 2,2⋅1017ион/см2 (У.Р.); 2,4⋅1017ион/см2 (Н.Р.).
Ионную имплантацию проводили в непрерывном режиме. В качестве деталей из титановых сплавов использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя. Для ионно-имплантационной обработки использовали протяженный генератор газовой плазмы, выполненный с возможностью обеспечения работы с азотом и имеющим размеры выходной апертуры 600×100 мм.
Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титановых сплавов (ВТ6, ВТ 18-У и ВТ8) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ-1) образцов в исходном состоянии составляет 370 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 380-390 МПа, а по предлагаемому способу 400-440 МПа.
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов следующих приемов: установка моноколеса на валу держателя, внутри вакуумной установки, при расположении одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора; проведение ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов, вращая моноколесо вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающую направление движения потока имплантируемых ионов; поворот моноколеса вокруг своей продольной оси на один шаг для ввода следующей лопатки в зону имплантации; повторение указанного цикла до полной обработки всех лопаток моноколеса; проведение, при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса качающих движений моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки на угол, обеспечивающий обработку всей рабочей поверхности текущей лопатки; проведение ионно-имплантационной обработки поверхности лопатки ионами азота при энергии от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅1017 ион/см2 до 2,2⋅1017 ион/см2; проведение обработки лопаток при скоростях вращения относительно оси, проходящей через радиальную ось текущей обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса с угловой скоростью от 4 об/мин до 20 об/мин при угле качания от 60 до 90 градусов и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один его оборот относительно радиальной оси текущей обрабатываемой лопатки, позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, выносливость и циклическую прочность, что подтверждает заявленный технический результат предлагаемого изобретения повышение предела выносливости и циклической долговечности обработанных деталей.

Claims (2)

1. Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов, включающий ионно-имплантационную обработку лопаток ионами азота, отличающийся тем, что осуществляют установку моноколеса на валу держателя с расположением одной из обрабатываемых лопаток моноколеса в рабочей зоне имплантора вакуумной установки, выполненной в виде протяженного генератора газовой плазмы, и производят ионно-имплантационную обработку лопаток моноколеса до получения заданной дозы имплантируемых ионов, при этом моноколесо вращают вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса и пересекающей направление движения потока имплантируемых ионов, затем поворачивают моноколесо вокруг его продольной оси с обеспечением ввода следующей лопатки в зону имплантации и повторяют указанный цикл до обработки всех лопаток моноколеса, причем при вращении моноколеса вокруг оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки моноколеса и центр моноколеса, осуществляют качающие движения моноколеса в плоскости, проходящей через его продольную ось и упомянутую радиальную ось обрабатываемой лопатки, на угол качания от 60 до 90° с обеспечением обработки всей рабочей поверхности лопатки, а ионно-имплантационную обработку поверхности лопатки ионами азота осуществляют с энергией от 20 до 35 кэВ, дозой от 1,8⋅10 до 2,2⋅1017ион/см2.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку лопаток осуществляют при угловой скорости вращения моноколеса относительно оси, проходящей через радиальную ось обрабатываемой лопатки и центр моноколеса, от 4 до 20 об/мин и частоте качаний от 2 до 6 качаний за один оборот моноколеса.
RU2017145423A 2017-12-22 2017-12-22 Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов RU2682741C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017145423A RU2682741C1 (ru) 2017-12-22 2017-12-22 Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017145423A RU2682741C1 (ru) 2017-12-22 2017-12-22 Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2682741C1 true RU2682741C1 (ru) 2019-03-21

Family

ID=65858549

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017145423A RU2682741C1 (ru) 2017-12-22 2017-12-22 Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2682741C1 (ru)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4108107A (en) * 1976-04-01 1978-08-22 Airco, Inc. Rotatable substrate holder for use in vacuum
SU1644551A1 (ru) * 1988-07-29 1996-05-20 И.М. Питиримов Устройство для ионно-плазменного нанесения покрытий
RU2116378C1 (ru) * 1996-08-20 1998-07-27 Уфимский государственный авиационный технический университет Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана
US5952085A (en) * 1994-03-23 1999-09-14 Rolls-Royce Plc Multiple layer erosion resistant coating and a method for its production
US20080236481A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-02 Intevac Corporation Method of and apparatus for monitoring mass flow rate of lubricant vapor forming lubricant coatings of magnetic disks
RU91070U1 (ru) * 2009-05-25 2010-01-27 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Лопатка турбомашины
US20120196051A1 (en) * 2011-01-28 2012-08-02 United Technologies Corporation Deposition Apparatus and Methods
EP3170914A1 (en) * 2015-11-23 2017-05-24 United Technologies Corporation Tooling for vapor deposition
RU2625698C1 (ru) * 2016-08-29 2017-07-18 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Способ нанесения защитных покрытий и устройство для его осуществления

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4108107A (en) * 1976-04-01 1978-08-22 Airco, Inc. Rotatable substrate holder for use in vacuum
SU1644551A1 (ru) * 1988-07-29 1996-05-20 И.М. Питиримов Устройство для ионно-плазменного нанесения покрытий
US5952085A (en) * 1994-03-23 1999-09-14 Rolls-Royce Plc Multiple layer erosion resistant coating and a method for its production
RU2116378C1 (ru) * 1996-08-20 1998-07-27 Уфимский государственный авиационный технический университет Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана
US20080236481A1 (en) * 2007-03-29 2008-10-02 Intevac Corporation Method of and apparatus for monitoring mass flow rate of lubricant vapor forming lubricant coatings of magnetic disks
RU91070U1 (ru) * 2009-05-25 2010-01-27 Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" Лопатка турбомашины
US20120196051A1 (en) * 2011-01-28 2012-08-02 United Technologies Corporation Deposition Apparatus and Methods
EP3170914A1 (en) * 2015-11-23 2017-05-24 United Technologies Corporation Tooling for vapor deposition
RU2625698C1 (ru) * 2016-08-29 2017-07-18 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Способ нанесения защитных покрытий и устройство для его осуществления

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2479667C2 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов
RU2161661C1 (ru) Способ нанесения износостойких покрытий и повышения долговечности деталей
RU2407620C2 (ru) Металлическая деталь, обрабатываемая методом компрессии ее подповерхностных слоев, и способ ее изготовления
US20070268089A1 (en) Plasma Immersion Ion Implantation Using Conductive Mesh
RU2682741C1 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки лопаток рабочего моноколеса компрессора из титановых сплавов
RU2496910C2 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе
RU2680630C1 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки моноколеса компрессора с лопатками из титановых сплавов
RU2669136C1 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе
RU2700228C1 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки лопаток моноколеса компрессора
RU2685890C1 (ru) Способ упрочняющей обработки лопаток блиска из легированных сталей
RU2685893C1 (ru) Способ упрочнения лопаток блиска из легированных сталей
RU2685892C1 (ru) Способ упрочняющей обработки лопаток моноколеса из титановых сплавов
RU2682743C1 (ru) Способ ионно-имплантационной обработки лопаток компрессора из титановых сплавов
RU2116378C1 (ru) Способ модификации поверхностных слоев деталей из сплавов на основе титана
RU2458182C1 (ru) Способ имплантации конструкционной стали ионами меди и свинца
Shulov et al. Application of high-current pulsed electron beams for the restoration of operational properties of the blades of gas-turbine engines
RU2682265C1 (ru) Способ упрочнения лопаток моноколеса из титанового сплава
RU2462516C2 (ru) Способ поверхностной обработки изделий из жаропрочных сплавов
RU2685919C1 (ru) Способ получения многослойного защитного покрытия на лопатках моноколеса из титанового сплава от пылеобразной эрозиии
RU2117073C1 (ru) Способ модификации поверхности титановых сплавов
RU2509174C1 (ru) Способ имплантации ионами газов металлов и сплавов
RU2554252C2 (ru) Способ нанесения покрытия и электродуговой испаритель для осуществления способа
RU2702515C1 (ru) Способ упрочняющей обработки детали из сплава на никелевой основе (варианты)
RU2581536C1 (ru) Способ ионной имплантации поверхностей деталей из конструкционной стали
RU2510735C2 (ru) Устройство для ионного распыления мишени и/или обработки поверхности объекта и способ его применения

Legal Events

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

Effective date: 20201223