Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов

Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов

Реферат

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в авиационном двигателестроении и энергетическом турбостроении для защитно-упрочняющей обработки пера рабочих лопаток компрессора ГТД или паровой турбины из титановых сплавов для повышения выносливости и циклической долговечности деталей.

Известен способ восстановления рабочей поверхности лопатки турбины теплового двигателя, включающий удаление отработанного слоя потоком ионов плазмы тугоплавких материалов и нанесение жаростойкого покрытия с последующей термообработкой (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993).

Однако известный способ очистки поверхности (А.С. СССР №1832132, МПК С23С 14/02, 1993) потоком ионов плазмы инертного газа не предусмотривает последующее ионно-имплантационное модифицирование, что не позволяет обеспечить комплекс необходимых повышенных эксплуатационных характеристик (выносливости, длительной прочности) деталей из сплавов на основе титана

Известен также способ модификации поверхности жаропрочных сплавов, включающий ионную очистку поверхности пучком ионов азота, ионную имплантацию и стабилизирующий отжиг (Патент РФ №2007501, МПК С23С 14/48,1994).

Основным недостатком этого способа являются недостаточно высокие эксплуатационные характеристики деталей из сплавов на основе титана.

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 №2116378, МПК С23С 14/48, СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА. 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 из сплавов на основе титана (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 из титановых сплавов, как компрессорные лопатки газотурбинных двигателей (ГТД) и лопатки паровых турбин.

Задачей настоящего изобретения является создание такого поверхностного слоя материала детали, который позволил бы обеспечить повышенные эксплуатационные характеристики деталей из сплавов на основе титана (предела выносливости, циклической долговечности).

Техническим результатом заявляемого способа является повышение эксплуатационных характеристик (предела выносливости, циклической долговечности) деталей из сплавов на основе титана за счет обеспечения интенсификации ионно-имплантационной обработки поверхности деталей.

Технический результат достигается тем, что в способе ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающем ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота, в отличие от прототипа, 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 часа, а ионно-имплантационную обработку поверхности детали проводят при энергии от 25 до 30 кэВ; при этом возможны следующие варианты способа: создание требуемого вакуума производится турбомолекулярным насосом; создают вакуум от 10^-5 до 10^-7 мм рт.ст.

Технический результат достигается также тем, что в способе ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов ионную имплантацию проводят либо в импульсном режиме, либо в непрерывном режиме, а после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг.

Технический результат достигается также тем, что в способе ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов в качестве деталей из титановых сплавов используются лопатки компрессора газотурбинного двигателя, или газотурбинной установки, или лопатка паровой турбины.

Для оценки эксплуатационных свойств лопаток паровых и газовых турбин были проведены следующие испытания. Образцы из титановых сплавов ВТ6, ВТ 18-У и ВТ9 были подвергнуты ионно-имплантационной обработке как по способу-прототипу (патент РФ №2116378, МПК С23С 14/48, 1998 г.), согласно приведенным в способе-прототипе условиям и режимам обработки, так и по предлагаемому способу.

Режимы обработки образцов по предлагаемому способу.

Ионная очистка: ионы аргона при энергии 6 кэВ - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 8 кэВ - удовлетворительный результат (У.Р.); 10 кэВ (У.Р.); 12 кэВ (Н.Р.); плотность тока: 110 мкА/см² (Н.Р.); 130 мкА/см² (У.Р.); 160 мкА/см² (У.Р.); 180 мкА/см² (Н.Р.); время ионной очистки: 0,1 часа (Н.Р.); 0,3 часа (У.Р.); 1,0 часа (У.Р.); 1,5 часа (Н.Р.).

Ионная имплантация ионами N: энергия - 20 кэВ (Н.Р.); 25 кэВ (У.Р.); 30 кэВ (У.Р.); 40 кэВ (Н.Р.); доза - 1,2·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); 1,6·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 2·10¹⁷ см^-2 (У.Р.); 3·10¹⁷ см^-2 (Н.Р.); скоростью набора дозы - 0,4·10¹⁵ с^-1 (Н.Р.); 0,7·10¹⁵ с^-1 (У.Р.); 1·10¹⁵ c^-1(У.P.); 3·10¹⁵ с^-1(Н.Р.).

Создание требуемого вакуума производилось турбомолекулярным насосом; создавали вакуум от 10^-5 до 10^-7 мм рт.ст.

После обработки деталей проводили постимплантационный отжиг в одном вакуумном объеме установки за один технологический цикл.

Ионную имплантацию проводили как в импульсном, так и непрерывном режимах. В качестве деталей из титановых сплавов использовались лопатки компрессора газотурбинного двигателя, лопатки газотурбинной установки и лопатки паровой турбины.

Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность образцов из титановых сплавов ВТ6, ВТ 18-У и ВТ9 на воздухе. В результате эксперимента установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) образцов в исходном состоянии составляет 400 МПа, у образцов, упрочненных по способу-прототипу - 420 МПа, а по предлагаемому способу - 440-480 МПа.

Таким образом, проведенные сравнительные испытания показали, что применение в способе ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов следующих приемов: ионную очистку ионами аргона 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 часа; ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота при энергии от 25 до 30 кэВ; создание требуемого вакуума турбомолекулярным насосом; создание вакуума от 10^-5 до 10^-7 мм рт.ст.; проведение ионной имплантации либо в импульсном режиме, либо в непрерывном режиме; проведение после ионно-имплантационной обработки постимплантационного отпуска; использование в качестве деталей из титановых сплавов лопаток компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопаток паровой турбины 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.

1. Способ ионно-имплантационной обработки деталей из титановых сплавов, включающий ионную очистку ионами аргона и ионно-имплантационную обработку поверхности детали ионами азота, отличающийся тем, что 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что создание требуемого вакуума производят турбомолекулярным насосом.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что создают вакуум от 10^-5 до 10^-7 мм рт.ст.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят в импульсном режиме.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что ионную имплантацию проводят в непрерывном режиме.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг.

8. Способ по п,5, отличающийся тем, что после ионно-имплантационной обработки проводят постимплантационный отжиг.

9. Способ по любому из пп.1-3, 7-8, отличающийся тем, что в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатку паровой турбины.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатку паровой турбины.

11. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатку паровой турбины.

12. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве деталей из титановых сплавов используют лопатки компрессора газотурбинного двигателя или газотурбинной установки или лопатку паровой турбины.