RU63004U1

RU63004U1 - COMPRESSOR BLADE OF GAS-TURBINE ENGINE WITH PROTECTIVE COATING

Info

Publication number: RU63004U1
Application number: RU2006114363/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Тарасенко; Ирина Николаевна Царева; Яков Абрамович Фель; Павел Юрьевич Тарасенко; Денис Александрович Мышляев
Original assignee: Закрытое акционерное общество научно-производственный центр "Трибоника"
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-05-10

Abstract

Полезная модель относится к энергетическому турбиностроению и может быть использована при конструировании и восстановлении газотурбинных компрессоров. Технический результат заявляемой полезной модели - улучшение технологичности и снижение трудоемкости изготовления лопатки при обеспечении надежного ресурса работы лопатки в условиях воздействия знакопеременных нагрузок и развития питтинговой коррозии. Указанный технический результат достигается тем, что в компрессорной лопатке газотурбинного двигателя с защитным покрытием, содержащей перо с нанесенным на его поверхности ионно-плазменным износо- и коррозионностойким покрытием на основе адгезионного подслоя титана и полифункционального слоя нитрида титана, под адгезионным подслоем титана расположен обладающий повышенной микротвердостью поверхностный слой материала пера, предварительно сформированный для сопротивления пластической деформации при эксплуатации в результате низкоэнергетической бомбардировки поверхности пера в вакууме ионами титана, с образованием этим поверхностным слоем материала пера и указанным ионно-плазменным покрытием слоисто-структурной рабочей поверхностной оболочки лопатки, обеспечивающей ее надежную эксплуатацию в условиях воздействия на лопатку вибрационных нагрузок и развития питтинговой коррозии поверхности лопатки.The utility model relates to power turbine engineering and can be used in the design and restoration of gas turbine compressors. The technical result of the claimed utility model is to improve manufacturability and reduce the complexity of the manufacture of the blades while ensuring a reliable resource for the operation of the blades under the influence of alternating loads and the development of pitting corrosion. The specified technical result is achieved by the fact that in the compressor blade of a gas turbine engine with a protective coating containing a pen coated with an ion-plasma wear and corrosion resistant coating based on an adhesive titanium sublayer and a polyfunctional titanium nitride layer, under the adhesive titanium sublayer there is an increased microhardness surface layer of pen material preformed to resist plastic deformation during operation as a result of low energy bombardment of the surface of the pen in vacuum with titanium ions, with the formation of the surface of the material of the pen and the specified ion-plasma coating of the layered structural working surface shell of the blade, which ensures its reliable operation under the influence of vibrations on the blade and the development of pitting corrosion on the surface of the blade.

Description

Полезная модель относится к энергетическому турбиностроению и авиационному двигателестроению и может быть использована при конструировании и восстановлении газотурбинных компрессоров.The utility model relates to power turbine engineering and aircraft engine manufacturing and can be used in the design and restoration of gas turbine compressors.

Компрессорные лопатки газотурбинного двигателя при эксплуатации находятся в сложных условиях нагружения. На компрессорные лопатки действуют значительные вибрационные нагрузки (см. книгу Гецова Л.Б. «Материалы и прочность деталей газовых турбин». М., «Недра», 1996, с.40). Кроме того, компрессорные лопатки подвержены воздействию пылевых и капельных примесей в цикловом воздухе (см. обзор Шуровского В.А. и Левыкина А.П. «Загрязнение и очистка проточных частей осевых компрессоров газотурбинных установок». М., ВНИИЭгазпром, 1986, в.11, с.10).Compressor blades of a gas turbine engine during operation are in difficult loading conditions. Significant vibration loads act on compressor blades (see the book by L. Getsov, “Materials and Strength of Gas Turbine Parts”, Moscow, Nedra, 1996, p.40). In addition, compressor blades are exposed to dust and droplet impurities in cyclic air (see the review by V. Shurovsky and A. P. Levykin, “Pollution and cleaning of flow parts of axial compressors of gas turbine units.” M., VNIIEgazprom, 1986, c. 11, p. 10).

Указанные эксплуатационные условия приводят к усталостным разрушениям компрессорных лопаток, обусловленным воздействием на них циклических нагрузок и коррозионной усталостью поверхности лопаток (см. статью Тарасенко Ю.П. и др. «Оценка эксплуатационного состояния материала компрессорных лопаток». - Материаловедение и высокотемпературные технологии. 1999, вып.1).The specified operating conditions lead to fatigue failure of compressor blades due to the effect of cyclic loads on them and corrosion fatigue of the surface of the blades (see the article Tarasenko Yu.P. et al. "Evaluation of the operational state of the material of compressor blades." - Materials science and high-temperature technology. 1999, issue 1).

Для повышения сопротивления компрессорных лопаток эрозионному и коррозионному износу их рабочей поверхности применяют специальные защитные покрытия.To increase the resistance of compressor blades to erosion and corrosion wear of their working surface, special protective coatings are used.

В промышленности известна компрессорная лопатка газотурбинного двигателя с нанесенным гальваническим способом никель-кадмиевым The compressor blade of a gas turbine engine electroplated with nickel-cadmium is known in the industry.

покрытием (см. статью Петухова А.Н. «Усталость замковых соединений лопаток компрессоров». - Труды ЦИАМ. 1987, №1213, с.36).coating (see the article AN Petukhov "Fatigue of the lock joints of compressor blades." - Proceedings of TsIAM. 1987, No. 1213, p. 36).

Недостатками такой компрессорной лопатки являются ухудшенная технологичность низкоэкологичного гальванического нанесения защитного покрытия и слабая эффективность защиты от усталостных разрушений лопатки, в связи с невысоким сопротивлением покрытия коррозионной усталости и возможностью наводороживания поверхности, обусловливающего снижение выносливости и циклической долговечности.The disadvantages of such a compressor blade are the degraded manufacturability of the low-environmental galvanic coating of the coating and the poor effectiveness of protection against fatigue damage of the blade, due to the low resistance of the coating to corrosion fatigue and the possibility of hydrogenation of the surface, which leads to a decrease in endurance and cyclic durability.

Известна компрессорная лопатка газотурбинных двигателей с двухслойным защитным покрытием, состоящим из осажденных в вакууме первого слоя из сплава на основе никеля и второго слоя на основе алюминия и подвергнутым совместной с деталью термообработке (см. патент РФ №2165475, С 23 С 14/16, С 23 С 30/00, С 22 С 19/05, С 22 С 21/04, 2001).Known compressor blade of gas turbine engines with a two-layer protective coating, consisting of a vacuum-deposited first layer of nickel-based alloy and a second layer of aluminum-based and subjected to heat treatment together with the part (see RF patent No. 21545475, C 23 C 14/16, C 23 C 30/00, C 22 C 19/05, C 22 C 21/04, 2001).

Основными недостатками этой компрессорной лопатки являются усложнение технологии нанесения защитного покрытия в результате увеличения числа операций и недостаточно надежная защита лопатки от пылевой и капельно-ударной эрозии при одновременном повышении выносливости и циклической прочности, достигаемом при уменьшении общей толщины покрытия с 35-37 до 6-10 мкм.The main disadvantages of this compressor blade are the complication of the technology of applying a protective coating as a result of an increase in the number of operations and the insufficiently reliable protection of the blade from dust and droplet-impact erosion while increasing the endurance and cyclic strength achieved by reducing the total coating thickness from 35-37 to 6-10 microns.

Наиболее близкой по технической сущности (прототипом) заявляемой полезной модели является компрессорная лопатка с нанесенным в вакууме многослойным защитным покрытием, состоящим из многократно чередующихся слоев титана, ε-нитрида титана и α-нитрида титана, под которым расположен поверхностный слой лопатки, предварительно подвергнутый ионной имплантации ионами азота и последующему совмещенному с нанесением многослойного покрытия постимплантационному отпуску при 400°С в течение 1-го часа (см. патент РФ №2226227, С 23 С 14/06, С 23 С 14/48, 2004).The claimed utility model closest in technical essence (prototype) is a compressor blade with a multilayer protective coating applied in vacuum, consisting of repeatedly alternating layers of titanium, titanium ε-nitride and titanium α-nitride, under which there is a surface layer of the blade, previously subjected to ion implantation nitrogen ions and the subsequent combined with the application of a multilayer coating post-implantation leave at 400 ° C for 1 hour (see RF patent No. 2226227, C 23 C 14/06, C 23 C 14/48, 2004).

Прототип также характеризуется усложненной технологией нанесения защитного покрытия и недостаточно надежной защитой лопатки от The prototype is also characterized by sophisticated technology for applying a protective coating and insufficiently reliable protection of the blade from

питтинговой коррозии ее поверхности в связи с увеличением общей толщины защитного покрытия до 20±1 мкм, повышающей вероятность эксплуатационного расслоения покрытия и развития коррозионной усталости в условиях воздействия значительных импульсных нагрузок.pitting corrosion of its surface due to an increase in the total thickness of the protective coating to 20 ± 1 μm, which increases the likelihood of operational stratification of the coating and the development of corrosion fatigue under conditions of significant pulsed loads.

Технический результат заявляемой полезной модели - улучшение технологичности и снижение трудоемкости изготовления лопатки при обеспечении надежного ресурса работы лопатки в условиях воздействия знакопеременных нагрузок и развития питтинговой коррозии.The technical result of the claimed utility model is to improve manufacturability and reduce the complexity of the manufacture of the blades while ensuring a reliable resource for the operation of the blades under the influence of alternating loads and the development of pitting corrosion.

Указанный технический результат достигается тем, что в компрессорной лопатке газотурбинного двигателя с защитным покрытием, содержащей перо с нанесенным на его поверхности ионно-плазменным износо- и коррозионностойким покрытием на основе адгезионного подслоя титана и полифункционального слоя нитрида титана, под адгезионным подслоем титана расположен обладающий повышенной микротвердостью поверхностный слой материала пера, предварительно сформированный для сопротивления пластической деформации при эксплуатации в результате низкоэнергетической бомбардировки поверхности пера в вакууме ионами титана, с образованием этим поверхностным слоем материала пера и указанным ионно-плазменным покрытием слоисто-структурной рабочей поверхностной оболочки лопатки, обеспечивающей ее надежную эксплуатацию в условиях воздействия на лопатку вибрационных нагрузок и развития питтинговой коррозии поверхности лопатки.The specified technical result is achieved by the fact that in the compressor blade of a gas turbine engine with a protective coating containing a pen with an ion-plasma wear- and corrosion-resistant coating on its surface based on an adhesive titanium sublayer and a polyfunctional titanium nitride layer, under the adhesive titanium sublayer there is an increased microhardness surface layer of pen material preformed to resist plastic deformation during operation as a result of low energy bombardment of the surface of the pen in vacuum with titanium ions, with the formation of the surface of the material of the pen and the specified ion-plasma coating of the layered structural working surface shell of the blade, which ensures its reliable operation under the influence of vibrations on the blade and the development of pitting corrosion on the surface of the blade.

В частном случае изготовления компрессорной лопатки слоисто-структурная рабочая поверхностная оболочка лопатки состоит из чередующихся поверхностного слоя материала пера из хромистой стали, например, 15Х13Л или 12Х13, подвергнутой приповерхностному микронаклепу в вакууме низкоэнергетическими ионами титана (при энергии ионов Е=1000 кэВ) до достижения микротвердости поверхности Н_μ=320-350 кгс/мм² (при исходной микротвердости Н_μ=250-280 кгс/мм²), адгезионного In the particular case of the manufacture of a compressor blade, the layered structural working surface of the blade consists of an alternating surface layer of the material of the pen made of chrome steel, for example, 15X13L or 12X13, subjected to near-surface micro-hardening in vacuum with low-energy titanium ions (at an ion energy of E = 1000 keV) until microhardness is reached surface N _μ = 320-350 kgf / mm ² (at initial microhardness N _μ = 250-280 kgf / mm ² ), adhesive

подслоя титана толщиной 0,5-1,0 мкм и наружного слоя нитрида титана толщиной 3,0-6,0 мкм.a titanium sublayer with a thickness of 0.5-1.0 microns and an outer layer of titanium nitride with a thickness of 3.0-6.0 microns.

На чертеже изображена рабочая часть заявляемой компрессорной лопатки в разрезе, включающая перо с его обработанным низкоэнергетическими ионами титана поверхностным слоем и защитное покрытие.The drawing shows the working part of the inventive compressor blades in the context, including a pen with its surface layer treated with low-energy titanium ions and a protective coating.

Предлагаемая компрессорная лопатка содержит перо 1 с обладающим повышенной микротвердостью поверхностным слоем 2 материала пера 1 из хромистой нержавеющей стали или титанового сплава, предварительно сформированным для сопротивления пластической деформации при эксплуатации в результате низкоэнергетической бомбардировки поверхности пера 1 в вакууме ионами титана, и нанесенными на поверхности пера 1 поочередно адгезионным подслоем 3 титана и полифункциональным слоем 4 нитрида титана.The proposed compressor blade contains a pen 1 with an increased microhardness of the surface layer 2 of the material of the pen 1 of chromium stainless steel or titanium alloy, pre-formed to resist plastic deformation during operation as a result of low-energy bombardment of the surface of pen 1 in vacuum by titanium ions, and deposited on the surface of pen 1 alternately with an adhesive sublayer 3 of titanium and a multifunctional layer 4 of titanium nitride.

При этом указанные слой 2, подслой 3 и слой 4 образуют технологически органичную и экономичную в изготовлении слоисто-структурную рабочую поверхностную оболочку лопатки, обеспечивающую ее надежную эксплуатацию в условиях воздействия на лопатку вибрационных нагрузок и развития питтинговой коррозии поверхности лопатки.Moreover, these layer 2, sublayer 3 and layer 4 form a technologically organic and economical in the manufacture of a layered structural working surface shell of the blade, which ensures its reliable operation under conditions of exposure to the blade vibration loads and the development of pitting corrosion of the surface of the blade.

Повышение технологичности и снижение трудоемкости изготовления компрессионной лопатки достигается за счет производственно-оптимального последовательного повышения порядка величины давления с 10^-3 до 10^-1 Па в вакуумной камере доступного оборудования (установки ННВ-6-1, ВУ-2МБС или «Булат») при смене операций в сокращенном количестве (нет поступрочняющей термообработки) в одном вакуумном объеме: упрочняющая обработка поверхности пера низкоэнергетическими ионами титана, нанесение на обработанную указанным образом поверхность пера адгезионного подслоя титана и формирование в условиях напуска азота наружного слоя нитрида титана.An increase in manufacturability and a decrease in the complexity of manufacturing a compression blade is achieved due to the production-optimal sequential increase in the order of magnitude of the pressure from 10 ^-3 to 10 ^-1 Pa in the vacuum chamber of available equipment (NNV-6-1, VU-2MBS or Bulat units) at change operations in a reduced amount (there is no progressive heat treatment) in one vacuum volume: hardening the surface of the pen with low-energy titanium ions, applying adhesive to the surface treated in this way onnogo titanium sublayer and forming under a nitrogen inlet outer layer of titanium nitride.

В примере изготовленной компрессорной лопатки из стали 12Х13 с микротвердостью поверхности пера Н_μ=320 кгс/мм² после низкоэнергетической обработки ионами титана, толщиной адгезионного подслоя титана 1,0 мкм и наружного слоя нитрида титана 5,0 мкм заявляемая лопатка обеспечивает эксплуатационные характеристики на уровне: рабочего ресурса ~50 тыс. часов в составе лопаточного аппарата осевого компрессора газоперекачивающего агрегата ГТК-25И при результате усталостных испытаний - пределе выносливости (на базе 10⁷ циклов) 38 кгс/мм² и отсутствии повреждений питтинговой коррозии, имеющих глубину от 50 до 150 мкм в случае никель-кадмиевого покрытия. Испытания аналогичной лопатки с микротвердостью поверхности пера Н_μ=280 кгс/мм²без низкоэнергетической обработки ионами титана (с последующим нанесением нитридного покрытия) показали более низкий ресурс работы (~40-45 тыс. часов).In the example of a manufactured compressor blade made of 12X13 steel with a microhardness of the feather surface N _μ = 320 kgf / mm ² after a low-energy treatment with titanium ions, a thickness of 1.0 μm titanium adhesive sublayer and a 5.0 μm outer titanium nitride layer, the inventive blade provides operational characteristics at the level of : working life ~ 50 thousand hours as a part of the scapular apparatus of the axial compressor of the gas-compressor unit GTK-25I as a result of fatigue tests - the endurance limit (based on 10 ⁷ cycles) of 38 kgf / mm ² and the absence of pitting corrosion damage having a depth of 50 to 150 microns in the case of nickel-cadmium coating. Tests of a similar blade with a microhardness of the surface of the pen N _μ = 280 kgf / mm ² without low-energy treatment with titanium ions (followed by nitride coating) showed a lower service life (~ 40-45 thousand hours).

Коррозионные испытания авиационной компрессорной лопатки из стали 15Х16К5Н2МВФАБ (ЭП 866) с защитным покрытием (толщиной адгезионного подслоя титана 1,0 мкм и толщиной наружного слоя нитрида титана 4,0 мкм) в камере соляного тумана (в соответствии с ISO 9227: концентрация раствора NaCl=46 г/л и температура в камере 35+/-2°С) показали, что в течение 2061 часов повреждения коррозией по месту покрытия отсутствуют.Corrosion tests of an aircraft compressor blade made of steel 15Kh16K5N2MVFAB (EP 866) with a protective coating (titanium adhesive sublayer thickness 1.0 μm and titanium nitride outer layer thickness 4.0 μm) in a salt spray chamber (in accordance with ISO 9227: NaCl solution concentration = 46 g / l and a chamber temperature of 35 +/- 2 ° C) showed that within 2061 hours there were no corrosion damage at the coating site.

Claims

1. The compressor blade of a gas turbine engine with a protective coating, containing a pen with an ion-plasma wear and corrosion-resistant coating on its surface based on an adhesive titanium sublayer and a polyfunctional titanium nitride layer, characterized in that a surface layer having an increased microhardness is located with an increased microhardness pen material, pre-formed for resistance to plastic deformation during operation as a result of low-energy bombardment surface pen in vacuo titanium ions, to form a surface layer of material that pen and said ion plasma coating layered structural working surface of the blade shell, ensuring its reliable operation under the action of vibratory loads on the blade and blade surface pitting.

2. The compressor blade according to claim 1, characterized in that the layered structural working surface of the blade consists of an alternating surface layer of the material of the pen made of chromium steel, subjected to surface micro-hardening in vacuum by low-energy titanium ions to achieve surface microhardness Н _μ = 320-350 kgf / mm ² , an adhesive sublayer of titanium with a thickness of 0.5-1 microns and an outer layer of titanium nitride with a thickness of 3.0-6.0 microns.