Патент на изобретение №2296181

(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к нанесению покрытий в вакууме, и может быть использовано при обработке лопаток газотурбинных двигателей, например, пазов замков компрессорных лопаток. Лопатку предварительно обрабатывают путем обработки электрокорундом и химической очистки ее поверхности. При помещении лопатки в вакуумную камеру изолируют часть ее поверхности, не подлежащую нанесению на нее покрытия, после чего создают разрежение в вакуумной камере в интервале от (5×10^-2) до (10^-1) Па. Нагрев вакуумной камеры осуществляют в интервале температур от 100°С до 600°С. Осуществляют ионную очистку аргоном, а затем кислородом в течение 5-15 мин. Нанесение покрытия на лопатку проводят методом магнетронного распыления материала. Магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/час. В качестве материала распыления используют серебро. Техническим результатом изобретения является повышение прочности и адгезии покрытий и повышение их долговечности при работе в условиях высокой температуры, получение покрытий из чистых материалов при низком содержании примесей, а также упрощение технологии нанесения покрытия. 8 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к нанесению покрытий в вакууме, и может быть использовано при обработке лопаток газотурбинных двигателей, например, пазов замков компрессорных лопаток.

Известен газофазный способ нанесения покрытий патент ФРГ №970456, МПК: С 23 С 11/14, 1962 г.) – аналог.

Основным недостатком известного способа является невысокая твердость получаемых изделий с покрытием. Это связано с тем, что при нанесении покрытий используют высокие температуры и длительные выдержки в среде газа реагента.

Известен способ нанесения гальванических покрытий на поверхность изделий, заключающийся в том, что осуществляют экранирование краевых участков обрабатываемой поверхности, через обрабатываемую поверхность пропускают электролит со стороны экранированного участка, перераспределяют ток по поверхности катода, что приводит к осаждению слоя металла (А.С. СССР №1285067, МКИ 4: С 25 D 7/04, опубл. 23.01.87 г. БИ №3) – аналог.

Недостатком известного способа является низкая плотность покрытия, недостаточная однородность покрытия по толщине, присутствие в покрытии следов гальванических растворов и как следствие снижение коррозионной стойкости и адгезии.

Известен способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов, включающий последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, при этом после проведения ионной имплантации проводят ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 3×10^-1 до 4×10^-1, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме (патент РФ №2234556, МПК С 23 С 14/06, 14/48, опубл. 20.08.04 г., БИ №23) – прототип.

Недостатком известного способа обработки поверхности лопаток является низкая прочность покрытий, невысокая адгезия покрытия к материалу лопатки и необходимость проведения дополнительной термообработки, которая усложняет и удлиняет технологический цикл нанесения покрытий. Кроме того, известный способ предполагает нанесение покрытия на всю лопатку одновременно, что также не всегда является желательным.

Например, в случае нанесения покрытия на рабочие лопатки иногда бывает целесообразно нанести покрытие только на часть их поверхности, например, на пазы замков лопаток, при этом допустимо наличие покрытия на внутренней поверхности полки и наличие интерференционного слоя в виде цветов побежалости на всей поверхности хвостовика.

Такое нанесение покрытия обосновано тем, что, с одной стороны, рабочие лопатки газотурбинного двигателя должны быть установлены в пазы диска рабочего колеса с возможностью их замены в случае неисправности, а, с другой стороны, лопатки должны быть размещены и фиксированы в пазах диска с обеспечением надежной работы двигателя.

При нанесении на лопатки покрытия из серебра оно, являясь довольно легко прирабатываемым металлом, позволяет решить обе эти задачи, так как такое покрытие является тугоплавким и не пригорает при высоких рабочих температурах работы лопаток газотурбинного двигателя, это позволяет легко производить замену лопаток, не повреждая элементов двигателя. Кроме того, такое покрытие хорошо прирабатывается, а из-за обеспечения высокой точности толщины покрытия при его нанесении, осуществляет надежное фиксирование лопаток в пазах диска. Нанесение покрытий из серебра методом магнетронного распыления позволяет обеспечить при нанесении требуемую толщину покрытия с погрешностью не более 5%.

Задача изобретения заключается в повышении прочности и увеличении адгезии покрытий, получении покрытий из чистых материалов при низком содержании примесей, при одновременном повышении их долговечности, например, при работе лопаток с покрытиями в условиях высокой температуры, а также упрощении технологического процесса нанесения покрытий.

Технический результат достигается тем, что в способе обработки поверхности лопатки ее предварительно подвергают обработке, включающей химическую очистку, после чего устанавливают ее в вакуумную камеру, где создают разрежение и проводят ионную очистку поверхности лопатки аргоном, после чего наносят на нее покрытие, причем в процессе предварительной обработки лопатки ее дополнительно обрабатывают электрокорундом, а нанесение покрытия на лопатку осуществляют методом магнетронного распыления материала, при котором лопатки размещают в вакуумной камере с изолированием части их поверхности, не подлежащей нанесению на нее покрытия, после чего создают разрежение в вакуумной камере в интервале от (5×10^-2) до (10^-1) Па, осуществляют нагрев вакуумной камеры в интервале температур от 100°С до 600°С, перед ионной очисткой аргоном осуществляют ионную очистку кислородом, причем общее время ионной очистки кислородом и аргоном составляет 5-15 мин, магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/час, а в качестве материала распыления используют серебро.

Для получения оптимальных характеристик покрытия в заявляемом способе:

– химическую очистку могут проводить с использованием ацетона и/или раствора тринатрийфосфата;

– в способе время ионной очистки кислородом может составлять не менее 2 минут, а аргоном – остальное;

– в способе скорость магнетронного напыления может быть обеспечена блоком питания, включающим импульсную систему питания с переменной частотой 6-10 кГц и скважностью 2-10 мс;

– в способе скорость магнетронного напыления могут регулировать величиной силы тока разряда или его мощностью;

– в способе могут использовать источник питания с силой тока разряда не менее 400 мА или мощностью не менее 2 кВт;

– в способе перед размещением изделий в вакуумной камере возможна их обработка электрокорундом с зерном 0,1-0,3 мм;

– в способе предварительную обработку ацетоном могут осуществлять после обработки электрокорундом;

– в соответствии со способом могут обрабатывать поверхность компрессорных лопаток газотурбинных двигателей.

– В соответствии со способом могут обрабатывать пазы замка лопатки компрессора.

В заявляемом способе указанный технический результат достигается только при совместном использовании указанных существенных признаков в приведенных интервалах, а именно:

– ионная очистка состоит из двух последовательных этапов очистки сначала кислородом, а потом аргоном, причем общее время ионной очистки должно быть не менее 5 минут и не более 15 минут. Очистку кислородом осуществляют для удаления органических загрязнений на лопатках, а очистку аргоном – как подготовительный этап для удаления с изделий пленки и неорганических загрязнений, оставшихся после ионной очистки кислородом.

Если ионную очистку проводить менее 5 минут, то это отрицательно скажется на адгезии покрытия из-за недостаточной очистки поверхности изделий перед его нанесением, а при продолжительной ионной очистке (более 15 минут) возникает аморфизация поверхности, что также уменьшает адгезию покрытий, а следовательно, их прочность и долговечность;

– при нагреве вакуумной камеры до температуры ниже 100°С не происходит ее обезгаживания, что также снижает адгезию покрытия, а кроме того не позволяет получить чистое покрытие из-за возможного наличия в его составе различных примесей. Нагрев вакуумной камеры до температуры более 600°С недопустим, так как при нанесении на лопатки газотурбинных двигателей покрытий из серебра методом магнетронного распыления необходимо учитывать, что лопатки газотурбинных двигателей являются ответственными элементами и работают в условиях высоких нагрузок и температур, а в случае нагрева вакуумной камеры до температуры более 600°С, т.е. до температуры, превышающей температуру растворения пленки на изделии, резко понизится прочность покрытия и его адгезия, а следовательно, и долговечность покрытия и лопатки;

– при создании в вакуумной камере более глубокого разрежения, чем 5×10^-2 Па или менее 10^-1 Па, ухудшается качество покрытия, например его чистота, а следовательно, и адгезионные показатели покрытия, что происходит из-за влияния атмосферы, которое проявляется в воздействии на процесс нанесения покрытий оксидов, попадании в вакуумную камеру газов или воды и т.д.;

– магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/час. При скорости менее 6 мкм/час ухудшаются прочностные характеристики покрытия, а именно вязкость, увеличивается его жесткость и т.д., а увеличение скорости связано только с характеристиками блока питания и ограничивается ими, при этом оптимальная скорость напыления серебра с указанными в формуле параметрами составляет 6-9 мкм/час;

– в качестве материала покрытия используют серебро, так как, в соответствии с директивной технологией изготовления лопаток газотурбинных двигателей на определенные части их поверхности предписано наносить покрытия из серебра. Нанесение покрытий из серебра методом магнетронного распыления позволяет обеспечить при нанесении требуемую толщину покрытия с погрешностью не более 5%. И, кроме того, именно этот металл позволяет в сочетании с другими существенными признаками заявляемого изобретения получить технический результат, направленный на повышение прочности покрытий, что особенно важно при их эксплуатации в условиях трения и износа, увеличивает адгезию покрытий, при одновременном повышении долговечности покрытий, например, при работе изделий в условиях высокой температуры;

– заявляемый способ перед размещением лопаток в магнетроне предполагает их предварительную обработку, которая состоит из химической очистки, например, ацетоном и в обработке электрокорундом.

Необходимость такой предварительной обработки вызвана тем, что лопатки газотурбинных двигателей являются ответственными деталями, которые работают в условиях высоких нагрузок и температур, что предъявляет жесткие требования к их производству и, в том числе и к наносимым на них покрытиям, которые должны обладать высокими адгезионными свойствами, прочностными свойствами и долговечностью. Указанные качества покрытия напрямую зависят от степени очистки поверхности лопаток перед нанесением на них покрытий, лопатки должны быть хорошо обезжирены и подвергнуты механической очистке, например, электрокорундом.

– При нанесении покрытий из серебра на лопатки газотурбинных двигателей, как правило, стоит задача нанесения покрытий на определенные участки поверхности лопаток, что, как указывалось выше, обосновано условиями их крепления и работы, а также их технологичностью.

Заявляемый способ базируется на следующих теоретических предпосылках. Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени-катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующимися в плазме аномально тлеющего разряда. Возникающая при этом вторичная эмиссия поддерживает разряд и обуславливает распыление материала мишени-катода. Магнетронная распылительная система является одной из разновидностей схем диодного распыления. Основные элементы магнетронной распылительной системы: мишень-катод, анод и магнитная система, предназначены для локализации плазмы у поверхности мишени-катода, который, как правило, охлаждается проточной водой, поступающей по трубопроводу. На катод подается постоянное напряжение (как правило – 300-800 В) через клемму от источника питания, под мишенью-катодом расположена магнитная система, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов, расположенных на основании из магнитомягкого материала. Все элементы смонтированы в корпусе, присоединенном к вакуумной камере через изолирующие вакуумно-плотные уплотнения.

Основными преимуществами магнетронного способа напыления являются, как известно, высокая скорость нанесения пленки, точность состава распыляемого материала в покрытии и обеспечение заданной толщины покрытия с минимальной погрешностью, а также то, что конструкции магнетронов позволяют осуществить нанесение покрытий на определенные участки поверхности изделий, например, лопаток газотурбинных двигателей, что ускоряет процесс нанесения покрытий и повышает его технологичность. Причем скорость конденсации при магнетронном распылении зависит от силы тока разряда или мощности и от давления рабочего тела, что определяет довольно жесткие требования к источникам питания. Для обеспечения оптимальной воспроизводимости и стабильности процесса силу тока разряда поддерживают с точностью 2%, если же стабилизация процесса осуществляется по мощности разряда, то подводимую мощность поддерживают с точностью 20 Вт в диапазоне регулирования до 10 кВт.

Пример конкретного выполнения способа.

Задание: нанести покрытие из серебра на пазы замков лопаток компрессора из сплава ЭП-718ИД, при этом исходя из технологических условий толщина покрытия должна составлять 3-4 мкм, покрытие должно соответствовать требованиям ГОСТ 9.301-86, а на границе материала лопатки и покрытия не должны наблюдаться следы загрязнения, так как это ухудшает прочностные характеристики покрытия и его адгезию. Допускается наличие покрытия на внутренней поверхности полки и наличие интерференционного слоя в виде цветов побежалости на всей поверхности хвостовика.

Операцию нанесения покрытия выполняли методом вакуумного напыления с магнетроном на установке «Каролина Д-12». Поверхности, подлежащие покрытию, были подвергнуты обработке электрокорундом 25А № F70 на установке ST-700. После чего лопатки были обезжирены в растворе тринатрийфосфата и просушены, а затем промыты в ацетоне. После проведения предварительной обработки лопатки были установлены и закреплены в приспособлениях, представляющих собой, например, металлические листы с прорезями, которые позволяют нанести покрытия только на пазы замков лопаток, и помещены в вакуумную камеру магнетрона.

Для формирования покрытия из серебра использовался метод магнетронного распыления на постоянном токе, который основан на использовании скрещенного магнитного и электрического полей для повышения эффективности ионизации рабочего газа и создания над поверхностью мишени-катода области плотной плазмы. На катод магнетрона по отношению к заземленному аноду подавали напряжение от 400 до 500 В. Распыление материала мишени-катода происходит за счет ее бомбардировки ионами рабочего газа, в данном случае аргона, а в качестве материала мишени-катода использовали пластины серебра с чистотой соответствующей ГОСТ (99,99%). Напуск газа в вакуумную камеру осуществляли при помощи регулятора расхода газа, входящего в состав системы напуска.

После загрузки изделий в установку и размещения их в вакуумной камере, например, по направляющим вакуумной камеры, проводилась откачка камеры до давления 5×10^-2 Па. Перед нанесением серебра для повышения адгезионных свойств покрытия поверхность обрабатываемых компрессорных лопаток в течение 5 минут подвергалась обработке ионами кислорода и 10 минут ионами аргона при следующих параметрах ионного источника I=550 мА, U=2,6 кВт. После окончания очистки включался напуск рабочего газа, а именно аргона со скоростью, определяемой давлением в вакуумной камере, которое составляло (5×10^-2) Па до (10^-1) Па, а после стабилизации давления включались магнетронные распылители при значениях тока и рабочего напряжения магнетронов в интервалах от 0,5-3,0 А и 300-650 В соответственно. Давление в вакуумной камере автоматически поддерживалось в интервале от (5×10^-2) Па до (10^-1) Па, при котором наблюдается скорость напыления серебра около 8 мкм/час. Процесс нанесения покрытия осуществляли в вакуумной камере без вынимания из нее изделий до окончания процесса обработки. После окончания заданного количества циклов перемещения обрабатываемых изделий в вакуумной камере, которое составило около 30 минут и зависит от необходимой толщины покрытия, установка автоматически отключается и в нее производится напуск атмосферы.

Для изменения толщины покрытий возможно использование других режимов или параметров напыления (время, количество циклов и т.д.), однако основные параметры режима, указанные в независимом пункте формулы изобретения, должны использоваться в интервалах, приведенных в независимом пункте формулы изобретения.

Толщина получаемой пленки в соответствии с техническим заданием должна составить от 3 до 4 мкм, на границе материала лопатки и покрытия не должны наблюдаться следы загрязнения, а прочность сцепления покрытия с основным металлом должна соответствовать требованиям действующей нормативной документации.

В соответствии с требованиями ГОСТ 9.301-86 качество покрытия проверялось:

– по внешнему виду;

– по толщине покрытия;

– на прочность сцепления с основным металлом.

Контроль прочности сцепления производился двумя методами:

– методом нагрева, в соответствии с ГОСТ 9.302-88, п.5.9,

– методом измерения температур с ГОСТ 9.302-88, п.5.10,

а контроль толщины покрытия:

– гравиметрическим методом;

– микроскопом металлографическим.

Результаты контроля показали, что при измерении гравиметрическим методом толщина покрытий составила на изделиях от 3,1-3,7 мкм, микроскопом металлографическим – от 3 до 4 мкм, на границе материала лопатки и покрытия нет следов загрязнения, а по внешнему виду и прочности сцепления с основным металлом покрытия соответствуют требованиям действующей нормативно-технической документации.

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности лопатки, при котором лопатку предварительно подвергают обработке, включающей химическую очистку, после чего устанавливают ее в вакуумную камеру, в которой создают разрежение и проводят ионную очистку поверхности лопатки аргоном, после чего наносят на нее покрытие, отличающийся тем, что в процессе предварительной обработки лопатки ее дополнительно обрабатывают электрокорундом, а нанесение покрытия на лопатку осуществляют методом магнетронного распыления материала, при котором лопатки размещают в вакуумной камере с изолированием части их поверхности, не подлежащей нанесению на нее покрытия, после чего создают разрежение в вакуумной камере в интервале от (5·10^-2) до (10^-1) Па, осуществляют нагрев вакуумной камеры в интервале температур от 100 до 600°С, перед ионной очисткой аргоном осуществляют ионную очистку кислородом, причем общее время ионной очистки кислородом и аргоном составляет 5-15 мин, магнетронное распыление осуществляют со скоростью не менее 6 мкм/ч, а в качестве материала распыления используют серебро.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время ионной очистки кислородом составляет не менее 2 мин, а аргоном – остальное.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость магнетронного напыления обеспечивают блоком питания, включающим импульсную систему питания с переменной частотой 6-10 кГц и скважностью 2-10.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость магнетронного напыления регулируют величиной силы тока разряда или его мощностью.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют источник питания с силой тока разряда не менее 400 мА или мощностью не менее 2 кВт.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед размещением изделий в вакуумной камере их обрабатывают электрокорундом с зерном 0,1-0,3 мм.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для химической очистки используют ацетон и осуществляют ее после обработки электрокорундом.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатывают поверхность компрессорных лопаток газотурбинных двигателей.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что обрабатывают пазы замка лопатки.

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 05.05.2009

Извещение опубликовано: 10.05.2010 БИ: 13/2010