RU2677041C1 - Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion - Google Patents
Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2677041C1 RU2677041C1 RU2017129502A RU2017129502A RU2677041C1 RU 2677041 C1 RU2677041 C1 RU 2677041C1 RU 2017129502 A RU2017129502 A RU 2017129502A RU 2017129502 A RU2017129502 A RU 2017129502A RU 2677041 C1 RU2677041 C1 RU 2677041C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blisk
- titanium
- vanadium
- blades
- carried out
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 45
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 17
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 title claims abstract description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 42
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 39
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 22
- -1 nitrogen ions Chemical class 0.000 claims abstract description 18
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 14
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 150000003609 titanium compounds Chemical class 0.000 claims description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 13
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 10
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 7
- 238000005422 blasting Methods 0.000 claims description 6
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 claims 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 7
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 abstract description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000428 dust Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 229910017464 nitrogen compound Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 150000002830 nitrogen compounds Chemical class 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 3
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 210000001991 scapula Anatomy 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 239000006200 vaporizer Substances 0.000 description 2
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000011325 microbead Substances 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 1
- 238000005480 shot peening Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 150000003608 titanium Chemical class 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
- F01D5/12—Blades
- F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защиты пера рабочих лопаток моноколеса компрессора ГТД из титановых сплавов от эрозионного разрушения при одновременном повышении выносливости и циклической долговечности.The invention relates to mechanical engineering and can be used in aircraft engine building and power turbine building to protect the pen of the working blades of a monowheel of a gas turbine engine made of titanium alloys from erosion damage while increasing endurance and cyclic durability.
Известен способ вакуумного ионно-плазменного нанесения покрытий на подложку в среде инертного газа, включающий создание разности электрических потенциалов между подложкой и катодом и очистку поверхности подложки потоком ионов, снижение разности потенциалов и нанесение покрытия, проведение отжига покрытия путем повышения разности потенциалов, причем ионный поток и поток испаряемого материала, идущий от катода к подложке, экранируют, очистку проводят ионами инертного газа, после очистки экраны отводят и покрытие наносят в несколько этапов до получения требуемой толщины (Патент РФ 2192501, С23С 14/34, опубл. 10.11.2002).A known method of vacuum ion-plasma coating on a substrate in an inert gas medium, including creating a difference in electric potentials between the substrate and the cathode and cleaning the surface of the substrate with an ion stream, reducing the potential difference and coating, annealing the coating by increasing the potential difference, the ion flux and the flow of evaporated material going from the cathode to the substrate is shielded, cleaning is carried out with inert gas ions, after cleaning, the screens are removed and the coating is applied in several stages ups to obtain the required thickness (RF Patent 2192501, С23С 14/34, publ. 10.11.2002).
Известен способ нанесения ионно-плазменных покрытий на лопатки турбин, включающий последовательное осаждение в вакууме первого слоя из титана толщиной от 0,5 до 5,0 мкм, затем нанесение второго слоя нитрида титана толщиной 6 мкм (Патент РФ 2165475, МПК С23С 14/16, 30/00, С22С 19/05, 21/04, опубл. 20.04.2001).A known method of applying ion-plasma coatings to turbine blades, including sequential vacuum deposition of the first layer of titanium with a thickness of 0.5 to 5.0 μm, then applying a second layer of titanium nitride with a thickness of 6 μm (RF Patent 2165475, IPC C23C 14/16 30/00, C22C 19/05, 21/04, publ. 04/20/2001).
Основным недостатком этого способа является обеспечение недостаточно высокой эрозионной стойкости поверхности лопатки. Кроме того, при увеличении толщины покрытия (или каждого из слоев покрытия) происходит снижение адгезионной и усталостной прочности деталей с покрытиями, что ухудшает их ресурс и надежность.The main disadvantage of this method is the provision of insufficiently high erosion resistance of the surface of the scapula. In addition, with an increase in the thickness of the coating (or of each of the coating layers), the adhesion and fatigue strength of parts with coatings decreases, which impairs their service life and reliability.
Рабочие лопатки компрессора ГТД и ГТУ, в процессе эксплуатации, подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются титановые сплавы, которые по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость (например, титановые сплавы марок ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ3-1, ВТ22 и др.)The rotor blades of the compressor GTE and GTU, during operation, are exposed to significant dynamic and static loads, as well as corrosion and erosion destruction. Based on the requirements for operational properties, titanium alloys are used for the manufacture of gas turbine compressor blades, which, compared to technical titanium, have higher strength, including at high temperatures, while maintaining a sufficiently high ductility and corrosion resistance (for example, titanium alloys of grades VT6, VT8, VT18U, VT3-1, VT22, etc.)
Однако лопатки турбин из указанных сплавов обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения. Поэтому дефекты, образующиеся в процессе изготовления этих деталей, недопустимы, поскольку вызывают возникновение интенсивных процессов разрушения. Это вызывает проблемы при механической обработке поверхностей деталей турбомашин. В этой связи развитие способов получения высококачественных поверхностей деталей турбомашин является весьма актуальной задачей.However, the turbine blades of these alloys are highly sensitive to voltage concentrators. Therefore, the defects formed in the manufacturing process of these parts are unacceptable, since they cause the occurrence of intense destruction processes. This causes problems when machining surfaces of turbomachine parts. In this regard, the development of methods for producing high-quality surfaces of turbomachine parts is a very urgent task.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии, включающий полирование поверхности лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию ионами азота поверхностного слоя лопаток блиска и последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с ванадием и слоя соединений титана с ванадием и азотом (Патент РФ 2552202, МПК С23С 14/06, Способ защиты лопаток компрессора газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии. Опубл. Бюл. №16 10.06.2015).The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a method of protecting the compressor blades of a gas turbine engine made of titanium alloys from dust-abrasive erosion, including polishing the surface of the blades of blisk, ion-plasma modification by nitrogen ions of the surface layer of blades of blisk and subsequent deposition of an ion-plasma multilayer coating with a given the number of pairs of layers in the form of a titanium layer with vanadium and a layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen (RF Patent 2552202, IPC С23С 14/06, Method of protection s gas turbine engine compressor blades of titanium alloys from pyleabrazivnoy erosion. Publ. Bul. №16 10.06.2015).
Основным недостатком аналога является недостаточная надежность защиты от эрозионного разрушения при одновременном снижении предела выносливости, циклической долговечности. При этом повышение указанных свойств особенно важно для таких деталей из титановых сплавов, как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД).Кроме того, все вышеперечисленные способы не могут использоваться для упрочнения поверхности лопаток и нанесения покрытий на блиски, поскольку не могут обеспечить однородной обработки всей рабочей поверхности блиска.The main disadvantage of the analogue is the lack of reliability of protection against erosion damage while reducing the endurance limit and cyclic durability. Moreover, the improvement of these properties is especially important for such parts made of titanium alloys as compressor blades of gas turbine engines (GTE) .Also, all of the above methods cannot be used to harden the surface of the blades and apply coatings to glare, since they cannot ensure uniform processing of the entire working blisk surface.
Задачей настоящего изобретения является создание такого многослойного покрытия, которое было бы способно эффективно защищать блиски ГТД из титановых сплавов от эрозионного износа в условиях воздействия газовых потоков, содержащих абразивные частицы, при одновременном повышении предела выносливости и циклической долговечности защищаемых деталей.The present invention is the creation of such a multilayer coating, which would be able to effectively protect the glare of gas turbine engines from titanium alloys from erosion wear under the influence of gas flows containing abrasive particles, while increasing the endurance limit and cyclic durability of the protected parts.
Техническим результатом заявляемого способа являетсяповышение стойкости лопаток блиска компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых элементов блиска за счет обеспечения равномерного нанесения покрытия и равномерной обработки поверхностного слоя рабочей поверхности блиска.The technical result of the proposed method is to increase the resistance of blades of the blades of a compressor of a gas turbine engine to erosion destruction while ensuring a given endurance and cyclic durability of protected blisk elements by ensuring uniform coating and uniform processing of the surface layer of the blisk working surface.
Технический результат достигается тем, что в способе нанесения защитного многослойного покрытия на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титанового сплава от пылеабразивной эрозии, включающем полирование поверхности лопаток блиска, ионно-плазменную модификацию ионами азота поверхностного слоя лопаток блиска и последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с ванадием и слоя соединений титана с ванадием и азотом, в отличие от прототипа, перед полированием производят упрочняющую обработку микрошариками поверхностей лопаток блиска, а ионно-плазменную модификацию поверхностного слоя ионами азота проводят при энергии от 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅1019 см-2 до 2,5⋅1019 см-2, при силе тока от 0,1 мА/см2 до 3 мА/см2, и частоте тока от 70 до 100 кГц, причем при ионно-плазменной модификации блиска и нанесении многослойного покрытия обеспечивают обработку всех рабочих поверхностей лопаток блиска путем его вращения относительно продольной оси с обеспечением колебательных движений, при этом ионно-плазменную модификацию и нанесение многослойного покрытия проводят одновременно с обеих сторон блиска, причем при нанесении слоев каждой пары многослойного покрытия используют четыре одновременно работающих раздельных электродуговых испарителя, при этом два электродуговых испарителя из титана устанавливают по разные стороны от блиска и два электродуговых испарителя из ванадия располагают с обеих сторон блиска, причем указанные электродуговые испарители устанавливают с чередованием электродугового испарителя из ванадия с электродуговым испарителем из титана.The technical result is achieved by the fact that in the method of applying a protective multilayer coating to the blades of the blades of a gas turbine engine made of titanium alloy from dust-abrasive erosion, including polishing the surface of the blades of blisk, ion-plasma modification by nitrogen ions of the surface layer of the blades of blisk and subsequent deposition of an ion-plasma multilayer coating with a predetermined the number of pairs of layers in the form of a layer of titanium with vanadium and a layer of compounds of titanium with vanadium and nitrogen, in contrast to the prototype, before polishing odyat reinforcing microbeads processing surfaces blisks blades, and ion-plasma surface modification layer by nitrogen ions is performed at an energy from about 0.2 keV to 2.5 keV, a dose of from 1,5⋅10 19 cm -2 to 19 cm 2,5⋅10 -2 , with a current strength of 0.1 mA / cm 2 to 3 mA / cm 2 , and a current frequency of 70 to 100 kHz, moreover, with ion-plasma modification of the blisk and the application of a multilayer coating, they provide processing of all the working surfaces of the blades by it rotation relative to the longitudinal axis with the provision of oscillatory movements, while the ion-plasma mode Mating and applying a multilayer coating is carried out simultaneously on both sides of the blisk, and when applying layers of each pair of multilayer coatings, four simultaneously working separate electric arc evaporators are used, while two electric arc evaporators of titanium are installed on opposite sides of the blisk and two electric arc evaporators of vanadium are placed on both parties blisk, and these electric arc evaporators set with alternating electric arc evaporator from vanadium with electric arc evaporates Lemma of titanium.
Технический результат достигается также тем, что в способе нанесения защитного многослойного покрытия на лопатки блиска газотурбинного двигателя из титанового сплава от пылеабразивной эрозиивозможно использование следующих вариантов:при нанесении покрытия используют соотношение титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12, остальное - Ti, причем слой титана с ванадием наносят толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм, а слой соединений титана с ванадием и азотом наносят толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине многослойного покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм;The technical result is also achieved by the fact that in the method of applying a protective multilayer coating on the blades of a blaze of a gas turbine engine made of titanium alloy from dust-abrasive erosion, the following options are possible: when applying the coating, the ratio of titanium to vanadium is used, weight. %: V from 4 to 12, the rest is Ti, and a layer of titanium with vanadium is applied with a thickness of 0.2 μm to 0.3 μm, and a layer of compounds of titanium with vanadium and nitrogen is applied with a thickness of 1.1 μm to 2.2 μm with a total thickness of the multilayer coating from 5.0 microns to 7.0 microns;
нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляют при ассистировании ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом - при ассистировании ионами азота; упомянутую дробеструйную обработку проводят при воздействии на блиск ультразвуковыми колебаниями, причем блиск приводят во вращательное движение относительно его продольной оси, а лопатки блиска проводят через неподвижную камеру, внутри которой создают облако микрошариков за счет в воздействия на них по меньшей мере одной вибрирующей поверхности лопаток блиска, расположенной в упомянутой камере; после нанесения требуемого количества пар слоев покрытия проводят отжиг, причем отжиг и нанесение покрытия проводят в одном вакуумном объеме за один технологический цикл.the deposition of layers of titanium compounds with vanadium is carried out when assisted by argon ions, and the layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen when assisted by nitrogen ions; said bead-blasting is carried out when the blisk is exposed to ultrasonic vibrations, and the blisk is rotated relative to its longitudinal axis, and the blades of blisk are conducted through a stationary chamber, inside of which a cloud of microspheres is created due to the action of at least one vibrating surface of the blades of blisk, located in said chamber; after applying the required number of pairs of coating layers, annealing is carried out, and annealing and coating are carried out in one vacuum volume in one technological cycle.
Для оценки стойкости лопаток блиска к их сопротивлению эрозионному износу были проведены следующие испытания. На образцы из титановых сплавов марок ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у были нанесены покрытия как по способу-прототипу (патент РФ 2226227, МПК С23С 14/48, опубл. 27.03.2004), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам нанесения, так и покрытия по предлагаемому способу.To assess the resistance of blades to their resistance to erosion wear, the following tests were carried out. Samples of titanium alloys of grades VT6, VT8, VT8 m, VT41, VT18u, VT31, VT9, VT22, VT25u were coated as in the prototype method (RF patent 2226227, IPC С23С 14/48, publ. March 27, 2004), according to the conditions and modes of application described in the prototype method, and coating according to the proposed method.
Традиционно обработка микрошариками лопаток с досточно толстыми стенками осуществляется потоком микрошариков, создаваемым при помощи сопел. При этом осуществляют одновременно двухстороннюю обработку лопатки. Этот способ дробеструйной обработки имеет нестабильные условия обработки поверхностей лопаток. В том случае, когда поверхности, подлежащие дробеструйной обработке, представляют собой лопасти моноблочного лопаточного колеса, отстоящие друг от друга на относительно небольшое расстояние, способ дробеструйной обработки с использованием сопел оказывается еще более сложным в реализации.Traditionally, the processing of blades with sufficiently thick walls by microspheres is carried out by a flow of microspheres created by nozzles. In this case, two-sided processing of the scapula is carried out simultaneously. This bead-blasting method has unstable processing conditions for the surfaces of the blades. In the case where the surfaces to be shot blasting are blades of a monoblock blade wheel spaced apart by a relatively small distance, the method of shot blasting using nozzles is even more difficult to implement.
В то же время, использование облака микрошариков, формируемых при помощи вибрирующей поверхности в неподвижной камере, через которую проходят лопатки блиска при его вращении, обеспечивает равномерную обработку поверхностей.At the same time, the use of a cloud of microspheres formed with a vibrating surface in a fixed chamber through which blisk blades pass during its rotation provides uniform surface treatment.
При дробеструйной обработкеблиск с лопатками совершает несколько полных оборотов вокруг своей оси, что позволяет повысить однородность обработки поверхностного слоя детали.When shot blasting, the blaze with blades makes several full revolutions around its axis, which improves the uniformity of processing of the surface layer of the part.
В процессе дробеструйной обработки использование ультразвуковых колебаний позволяет повысить однородность обработки поверхности детали.In the process of shot peening, the use of ultrasonic vibrations improves the uniformity of the surface treatment of the part.
Режимы обработки образцов и нанесения покрытия по предлагаемому способу.Modes of sample processing and coating according to the proposed method.
Ионно-плазменная обработка азотом:Ion-plasma treatment with nitrogen:
энергия - 0,1 кэВ (Н.Р.); 0,2 кэВ (У.Р.); 0,7 кэВ (У.Р.); 1,4 кэВ (У.Р.); 2,1 кэВ (У.Р.); 2,5 кэВ (У.Р.); 2, 7 кэВ (Н.Р.);energy - 0.1 keV (N.R.); 0.2 keV (U.R.); 0.7 keV (U.R.); 1.4 keV (U.R.); 2.1 keV (U.R.); 2.5 keV (U.R.); 2, 7 keV (N.R.);
доза - 1,3⋅1019 см-2 (Н.Р.); 1,5⋅1019 см-2 (У.Р.); 2,5⋅1019 см-2 (У.Р.); 3⋅1019 см-2 (Н.Р.);dose - 1.3⋅10 19 cm -2 (N.R.); 1.5⋅10 19 cm -2 (U.R.); 2.5⋅10 19 cm -2 (U.R.); 3⋅10 19 cm -2 (N.R.);
сила тока - 0,07 мА/см2 (Н.Р.); 0,1 мА/см2 (У.Р.); 0,8 мА/см2 (У.Р.); 1,6 мА/см2 (У.Р.); 2,4 мА/см2 (У.Р.); 3,0 мА/см2 (У.Р.); 3,4 мА/см2 (Н.Р.);current strength - 0.07 mA / cm 2 (N.R.); 0.1 mA / cm 2 (U.R.); 0.8 mA / cm 2 (U.R.); 1.6 mA / cm 2 (U.R.); 2.4 mA / cm 2 (U.R.); 3.0 mA / cm 2 (U.R.); 3.4 mA / cm 2 (N.P.);
частота тока - (от 70 до 100 кГц), 60 кГц (Н.Р.); 70 кГц (У.Р.); 80 кГц (У.Р.); 100 кГц (У.Р.); 110 кГц (Н.Р.).current frequency - (from 70 to 100 kHz), 60 kHz (N.R.); 70 kHz (U.R.); 80 kHz (U.R.); 100 kHz (U.R.); 110 kHz (N.R.).
Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли: с четырех, одновременно работающих раздельных электродуговых испарителей. Расположение испарителей - периферийное, с обеих сторон блиска, с чередованием электродугового испарителя из ванадия с испарителем из титана. Электродуговые испарители располагались в периферийной части цилиндрической рабочей камеры ионно-плазменной установки, а блиск вращался вокруг собственной продольной оси с совершением колебательных движений. Продольная ось совпадала по ориентации с осьюцилиндрической рабочей камеры установки и потоком наносимого материала. Скорость вращения блиска относительно собственной оси составляла от 8 до 10 об/мин. Колебательные движения составляли по 30° по обе стороны от вертикали. Нанесение слоев соединений титана с ванадием осуществляли в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом осуществляют в режиме ассистирования ионами азота.Deposition of layers of titanium compounds with vanadium was carried out: from four simultaneously operating separate electric arc evaporators. The location of the evaporators is peripheral, on both sides of the glare, with alternating electric arc vanadium vaporizer with a titanium vaporizer. Electric arc evaporators were located in the peripheral part of the cylindrical working chamber of the ion-plasma installation, and the blisk rotated around its own longitudinal axis with oscillatory movements. The longitudinal axis coincided in orientation with the axis of the cylindrical working chamber of the installation and the flow of the applied material. The blisk’s rotation speed relative to its own axis was from 8 to 10 rpm. Oscillatory movements were 30 ° on either side of the vertical. Layers of titanium compounds with vanadium were applied in the mode of assisting with argon ions, and layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen were carried out in the mode of assisting with nitrogen ions.
Толщина слоя титана с ванадием (0,2 мкм до 0,3 мкм): 0,1 мкм (Н.Р.); 0,2 мкм (У.Р.); 0,3 мкм (У.Р.); 0,5 мкм (Н.Р.). Толщина слоя соединений титана с ванадия и азотом (1,1 мкм до 2,2 мкм): 0,9 мкм (Н.Р.); 1,1 мкм (У.Р.); 1,5 мкм (У.Р.); 2,2 мкм (У.Р.); 2,5 мкм (Н.Р.). Общая толщина покрытия (от 5 мкм до 7 мкм): 4,0 мкм (Н.Р.); 5,0 мкм (У.Р.); 7,0 мкм (У.Р.); 8,0 мкм (Н.Р.).The thickness of the titanium layer with vanadium (0.2 μm to 0.3 μm): 0.1 μm (N.R.); 0.2 μm (U.R.); 0.3 μm (U.R.); 0.5 μm (N.R.). The thickness of the layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen (1.1 μm to 2.2 μm): 0.9 μm (N.R.); 1.1 μm (U.R.); 1.5 μm (U.R.); 2.2 μm (U.R.); 2.5 μm (N.R.). Total coating thickness (from 5 μm to 7 μm): 4.0 μm (N.R.); 5.0 μm (U.R.); 7.0 μm (U.R.); 8.0 μm (N.R.).
Общая толщина покрытия-прототипа и покрытия, нанесенного по предлагаемому способу, составляла от 5 мкм до 7 мкм.The total thickness of the coating of the prototype and the coating applied by the proposed method ranged from 5 μm to 7 μm.
После нанесения покрытия проводили отжиг в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.After coating, annealing was carried out in one vacuum volume of the installation in one technological cycle.
Эрозионная стойкость поверхности образцов исследовалась по методике ЦИАМ (Технический отчет ЦИАМ Экспериментальное исследование износостойкости вакуумных ионно-плазменных покрытий в запыленном потоке воздуха 10790, 1987. - 37 с.) на пескоструйной установке 12Г-53 струйно-эжекторного типа. Для обдува использовался молотый кварцевый песок с плотностью ρ=2650 кг/м3, твердость HV=12000 МПа. Обдув производился при скорости воздушно-абразивного потока 195-210 м/с, температура потока 265-311 К, давление в приемной камере 0,115-0,122 МПа, время воздействия - 120 с, концентрация абразива в потоке до 2-3 г/м3. Результаты испытания показали, что эрозионная стойкость покрытий, полученных по предлагаемому способу, увеличилась по сравнению с покрытием-прототипом приблизительно в 7…8 раз.Erosion resistance of the surface of the samples was studied according to the TsIAM method (TsIAM Technical Report Experimental study of the wear resistance of vacuum ion-plasma coatings in a dusty air stream 10790, 1987. - 37 sec.) On a 12G-53 sandblasting machine of jet-ejector type. For blowing, ground quartz sand with a density ρ = 2650 kg / m 3 and hardness HV = 12000 MPa were used. Blowing was carried out at an air-abrasive flow velocity of 195-210 m / s, a flow temperature of 265-311 K, a pressure in the receiving chamber of 0.115-0.122 MPa, an exposure time of 120 s, an abrasive concentration in the flow of up to 2-3 g / m 3 . The test results showed that the erosion resistance of the coatings obtained by the proposed method increased by about 7 ... 8 times compared with the prototype coating.
Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую долговечность образцов - лопаток, вырезанных из блиска после его ионно-плазменной обработки и нанесения покрытий.In addition, endurance and cyclic durability tests were carried out on samples - blades cut from blisk after its ion-plasma treatment and coating.
Испытывались образцы из следующих марок титановых сплавов (ВТ6, ВТ8, ВТ8 м, ВТ41, ВТ18у, ВТ31, ВТ9, ВТ22, ВТ25у) на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (-1) образцов в исходном состоянии (без покрытия) составляет 465-480 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 455-470 МПа, а по предлагаемому способу - 490-510 МПа.Samples from the following grades of titanium alloys (VT6, VT8, VT8 m, VT41, VT18u, VT31, VT9, VT22, VT25u) were tested in air. As a result of the experiment, the following was established: the conditional endurance limit (-1) of samples in the initial state (without coating) is 465-480 MPa, for samples hardened by the prototype method - 455-470 MPa, and by the proposed method - 490-510 MPa .
Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе защиты лопатокблиска газотурбинного двигателя из титановых сплавов от пылеабразивной эрозии следующих приемов: упрочняющую обработку микрошариками, полирование и ионно-плазменную модификацию материала поверхностного слоя лопаток блиска; последующее нанесение ионно-плазменного многослойного покрытия с заданным количеством пар слоев в виде слоя титана с металлом и слоя соединений титана с металлом и азотом; проведение ионно-плазменной модификации поверхностного слоя ионами азота при энергии 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, дозой от 1,5⋅1019 см-2 до 2,5⋅1019 см-2, силой тока от 0,1 мА/см2 до 3 мА/см2, при частоте тока от 70 до 100 кГц,; использование в качестве металла в слоях титана с металлом и в слоях соединений титана с металлом и азотом ванадия, в частности, при соотношении титана к ванадию, вес. %: V от 4 до 12%, остальное - Ti; при ионно-плазменной обработке блиска и нанесении покрытия, блиск вращают относительно его продольной оси с приданием ему колебательных движений, обеспечивающих обработку всей рабочей поверхности блиска; произведение ионно-плазменной обработки и нанесение покрытия одновременно с обеих сторон блиска; проведение нанесения титана одновременно с двух электродуговых испарителей, расположенных по разные стороны от блиска и нанесение ванадия с двух электродуговых испарителей, также расположенных с обеих сторон блиска, осуществление нанесения покрытия одновременно со всех четырех упомянутых испарителей; при нанесении слоя титана с ванадием толщиной от 0,2 мкм до 0,3 мкм; при нанесении слоя соединений титана с ванадием и азотом толщиной от 1,1 мкм до 2,2 мкм при общей толщине покрытия от 5,0 мкм до 7,0 мкм; осуществление нанесения слоев соединений титана с ванадием в режиме ассистирования ионами аргона, а слоев соединений титана с ванадием и азотом в режиме ассистирования ионами азота; проведение лопаток блиска через неподвижную камеру, внутри которой создают облако микрошариков воздействием на них, расположенной в упомянутой камере, по крайней мере одной вибрирующей поверхностью; после нанесения требуемого количества слоев покрытия проведение отжига; проведение отжига и нанесения покрытия в одном вакуумном объеме за один технологический цикл, позволяетповысить стойкость лопаток блиска компрессора ГТД к эрозионному разрушению при обеспечении заданной выносливости и циклической долговечности защищаемых элементов блиска за счет обеспечения равномерного нанесения покрытия и равномерной обработки поверхностного слоя рабочей поверхности блиска.Thus, the comparative tests showed that the use of the following methods in the method of protecting the blade blades of a gas turbine engine made of titanium alloys from dust-abrasive erosion: hardening treatment with microspheres, polishing and ion-plasma modification of the surface layer material of blades; subsequent deposition of an ion-plasma multilayer coating with a given number of pairs of layers in the form of a layer of titanium with metal and a layer of compounds of titanium with metal and nitrogen; ion-plasma modification of the surface layer with nitrogen ions at energies of 0.2 keV to 2.5 keV, dose from 1.5 от10 19 cm -2 to 2.5⋅10 19 cm -2 , current from 0.1 mA / cm 2 to 3 mA / cm 2 , at a current frequency of 70 to 100 kHz; use as a metal in layers of titanium with metal and in layers of compounds of titanium with metal and nitrogen, vanadium, in particular, with a ratio of titanium to vanadium, weight. %: V from 4 to 12%, the rest is Ti; during ion-plasma processing of the blisk and coating, the blisk is rotated relative to its longitudinal axis to give it oscillatory movements, providing processing of the entire working surface of the blisk; product of ion-plasma treatment and coating simultaneously on both sides of the blisk; applying titanium simultaneously from two electric arc evaporators located on opposite sides of the blisk and applying vanadium from two electric arc evaporators also located on both sides of the blisk, applying coating simultaneously from all four mentioned evaporators; when applying a layer of titanium with vanadium with a thickness of 0.2 μm to 0.3 μm; when applying a layer of titanium compounds with vanadium and nitrogen with a thickness of 1.1 microns to 2.2 microns with a total coating thickness of 5.0 microns to 7.0 microns; the application of layers of titanium compounds with vanadium in the mode of assisting with argon ions, and layers of titanium compounds with vanadium and nitrogen in the mode of assisting with nitrogen ions; passing blisk blades through a fixed chamber, inside of which a cloud of microspheres is created by exposing them to, located in said chamber, at least one vibrating surface; after applying the required number of coating layers, annealing; Carrying out annealing and coating in one vacuum volume in one technological cycle, allows to increase the resistance of blades of the blades of the GTE compressor to erosion failure while ensuring the specified endurance and cyclic durability of the protected blisk elements by ensuring uniform coating and uniform processing of the surface layer of the blisk working surface.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129502A RU2677041C1 (en) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129502A RU2677041C1 (en) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2677041C1 true RU2677041C1 (en) | 2019-01-15 |
Family
ID=65025009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017129502A RU2677041C1 (en) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2677041C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2769799C1 (en) * | 2021-08-16 | 2022-04-06 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting blades of a gas turbine engine from titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust abrasive erosion |
| RU2806569C1 (en) * | 2023-06-29 | 2023-11-01 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method for protecting gas turbine engine compressor blade feather made from titanium alloys from gas abrasive wear |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090004364A1 (en) * | 2004-01-21 | 2009-01-01 | Terry Hollis | Method For Protecting New/Used Engine Parts |
| WO2010044936A1 (en) * | 2008-08-29 | 2010-04-22 | General Electric Company | Erosion-and impact-resistant coatings |
| DE102009013129A1 (en) * | 2009-03-13 | 2010-09-16 | Mtu Aero Engines Gmbh | Plastic component with erosion protection layer for applications with erosive stress |
| RU2552201C2 (en) * | 2013-08-05 | 2015-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys |
| RU2552202C2 (en) * | 2013-08-05 | 2015-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloy from abrasive dust erosion |
-
2017
- 2017-08-18 RU RU2017129502A patent/RU2677041C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090004364A1 (en) * | 2004-01-21 | 2009-01-01 | Terry Hollis | Method For Protecting New/Used Engine Parts |
| WO2010044936A1 (en) * | 2008-08-29 | 2010-04-22 | General Electric Company | Erosion-and impact-resistant coatings |
| DE102009013129A1 (en) * | 2009-03-13 | 2010-09-16 | Mtu Aero Engines Gmbh | Plastic component with erosion protection layer for applications with erosive stress |
| RU2552201C2 (en) * | 2013-08-05 | 2015-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys |
| RU2552202C2 (en) * | 2013-08-05 | 2015-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloy from abrasive dust erosion |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2769799C1 (en) * | 2021-08-16 | 2022-04-06 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method of protecting blades of a gas turbine engine from titanium alloys with an ultrafine-grained structure from dust abrasive erosion |
| RU2806569C1 (en) * | 2023-06-29 | 2023-11-01 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология" | Method for protecting gas turbine engine compressor blade feather made from titanium alloys from gas abrasive wear |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2161661C1 (en) | Method of applying wear-resistant coatings and improvement of durability of parts | |
| RU2390578C2 (en) | Procedure for production of erosion-resistant coating containing nano-layers for blades of turbo-machines out of titanium alloys | |
| RU2552202C2 (en) | Method of protecting compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloy from abrasive dust erosion | |
| Petráčková et al. | Mechanical performance of cold-sprayed A357 aluminum alloy coatings for repair and additive manufacturing | |
| JP2006176881A (en) | Component repair method using cold sprayed aluminum materials | |
| US20130034661A1 (en) | Method for processing a surface of a component | |
| RU2552201C2 (en) | Method of improving erosion resistance of compressor blades of gas-turbine engine made of titanium alloys | |
| RU2677041C1 (en) | Protective multilayer coating application method on the gas turbine engine blisk blades from the titanium alloy against dust-abrasive erosion | |
| US7455881B2 (en) | Methods for coating a magnesium component | |
| Chakravarty et al. | The effect of surface modification on fretting fatigue in Ti alloy turbine components | |
| RU2226227C1 (en) | Method of protection of steel parts of machines against salt corrosion and dust and drop impingement erosion | |
| Mann et al. | Cavitation erosion behavior of HPDL-treated TWAS-coated Ti6Al4V alloy and its similarity with water droplet erosion | |
| RU2655563C1 (en) | Method of the gas turbine engine blisk from titanium alloys protecting against dust abrasion erosion | |
| RU2478140C2 (en) | Method for obtaining ion-plasma coating on blades of compressor from titanium alloys | |
| Immarigeon et al. | Erosion testing of coatings for aero engine compressor components | |
| Wang et al. | Study on the impact erosion wear resistance and damage evolution of TiN films under different impact cycles | |
| JP2012504191A (en) | Processing to deposit coating on blisk | |
| RU2693414C1 (en) | Method of protecting blisk of gas turbine engine from titanium alloys against dust abrasive erosion | |
| RU2308537C1 (en) | Method of working surface of metallic article | |
| RU2682265C1 (en) | Method for hardening blades of monowheel made of titanium alloy | |
| RU2685919C1 (en) | Method of obtaining a multi-layer protective coating on the blades of a monowheel from a titanium alloy against dust erosion | |
| RU2693227C1 (en) | Method of applying erosion-resistant coatings on blisk blizzards of gas turbine engine of titanium alloys | |
| RU2685896C1 (en) | Method for application of protective multi-layer coating on turbo engine working blades from titanium alloy | |
| Mann | Water droplet and cavitation erosion behavior of laser-treated stainless steel and titanium alloy: their similarities | |
| RU2768945C1 (en) | Method for protecting titanium alloy compressor blades of a gas turbine engine from dust-abrasive erosion |