Технологии получения защитных покрытий на деталях ГТД на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов обработки

Актуальность темы

.

Газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства: авиационной промышленности, энергетическом машиностроении, судостроении и т. д. Детали компрессоров и турбин ГТД эксплуатируются в агрессивных средах при высоких температурных и динамических нагрузках. К ним предъявляются жесткие требования по ресурсу и надежности.

Служебные свойства поверхностей деталей газотурбинных двигателей (ГТД) формируются в ходе всего технологического процесса (ТП) изготовления. Финишные операции, определяющие физико-химическое состояние поверхности, играют при этом особую роль [5, 6, 10, 13, 16, 78, 79,.

97,85, 107,110].

За последние годы были созданы новые методы литья лопаток, разработаны новые покрытия и способы их нанесения, совершенствуются методы механической, химической обработки и т. д. Однако требования, предъявляемые к деталям ГТД, технологиям их изготовления и ремонта, постоянно ужесточаются, учитывая технические, экономические, экологические факторы. В этой связи чрезвычайно важным вопросом является создание принципиально новых технологий, в том числе технологий поверхностной обработки деталей ГТД [8, 9,15, 28, 35,44, 51, 53, 79, 89,112, 123,125,127].

В последние годы резко возрос интерес к ионно-лучевой и электроннолучевой обработке. Это объясняется, прежде всего, их широкими технологическими возможностями, позволяющими:

1) удалить материал поверхностного слоя, в частности, очистить его от загрязнений;

2) проводить легирование поверхностного слоя детали практически любыми химическими элементами;

3) формировать в поверхностном слое метастабильное состояние, в том числе, аморфизировать его;

4) активировать поверхность и формировать на ней требуемый рельеф;

5) проводить поверхностную термообработку, в том числе, с оплавлением материала;

6) наносить защитные покрытия.

Анализ разработанных технологий и оборудования в области вакуумной ионно-плазменной обработки показал, что наиболее высокие результаты (повышение ресурса и надежности деталей, снижение трудоемкости изготовления изделий и т. д.) достигаются на основе комбинированного воздействия на поверхность различными вакуумными ионно-плазменными методами. В настоящее время каждый из методов обработки ионными или электронными потоками реализуется на конкретном, предназначенном для этого оборудовании. В связи с этим, на производстве для реализации комбинированного воздействия на поверхность детали используется несколько видов установок [1, 25, 38, 52, 58, 60, 63, 74, 83, 90,103,104,105, 114].

В настоящее время делаются попытки объединения на базе одного оборудования различных ионных или электронных источников, что позволит проводить на одной установке обработку различными методами, т. е. проводить комбинированную обработку. Такая концентрация источников ионов и электронов на одном оборудовании позволит расширить технологические возможности установки, увеличить спектр получаемых эксплуатационных свойств обрабатываемой поверхности и снизить экономические затраты на производство изделия.

Последовательная или одновременная обработка поверхностей деталей различными ионно-плазменными методами в едином вакуумном цикле получила название интегрированной технологии (ИТ) [120, 123, 128]. В настоящее время интегрированная технология, сочетающая в себе обработку различными пучками заряженных частиц, применяется в производстве интегральных микросхем. Это связано с высокими требованиями к чистоте обрабатываемой поверхности. Чистота обрабатываемой поверхности достигается за счет того, что обработка детали проходит в едином вакуумном пространстве и ее поверхность не контактирует с атмосферой при переходе от одного вида обработки к другому. Интегрированная технология в производстве деталей газотурбинных двигателей в настоящее время не используется, ввиду малой изученности области комплексного воздействия на обрабатываемую поверхность различными вакуумными ионно-плазменными методами и отсутствия промышленно выпускаемого оборудования для реализации таких технологических процессов.

Анализ работ в области комбинированного воздействия электронными и ионными пучками показал, что существуют попытки реализации интегрированной технологии [74, 106, 112]. Для реализации таких технологических процессов модернизируются промышленно выпускаемые установки в единичном экземпляре в исследовательских лабораториях. Во всех известных случаях при модернизации установок набор методов обработки регламентировался источниками, выпускаемыми на том же предприятии или для конкретно определенного технологического процесса.

Актуальной задачей является разработка технологий получения защитных покрытий на лопатках ГТД на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов обработки. Как известно, после ионной имплантации и нанесения покрытий проводится термообработка, что предполагает использование нескольких установок и приводит к увеличению затрат на производство. Решить данную проблему можно путем применения использования способов обработки позволяющих совместить одновременно несколько процессов. Как показывает анализ литературы, то они практически отсутствуют. Так же отсутствуют и промышленные установки для интегрированных технологий. Модернизация существующих или проектирование новых установок сталкивается с проблемой выбора методов воздействия на поверхность, источников частиц и базовой установки. При этом необходимо учесть какая компоновка установки позволит обеспечить обработку при наименьших затратах. Предварительные расчеты показывают, что только при определенных условиях реализация интегрированных технологий экономически целесообразна.

Актуальной задачей является создание методики и автоматизированной системы проектирования интегрированной технологии, обеспечивающих определение методов обработки и выбор оборудования с учетом минимизации затрат на производство.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Разработка технологий получения защитных покрытий на деталях ГТД на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов обработки, обеспечивающих эксплуатационные свойства и снижающих технологическую себестоимость.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику структурного синтеза интегрированной технологии.

2. Разработать автоматизированную систему проектирования технологии на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов обработки деталей ГТД, обеспечивающую минимизацию технологической себестоимости.

3. Разработать новые способы ионно-плазменной обработки деталей из конструкционных материалов.

4. Разработать интегрированные технологические процессы нанесения покрытий на лопатки компрессора и турбины ГТД.

5. Модернизировать установки ННВ-6,6-И1 и МАП-1 для обработки лопаток компрессора и турбины ГТД на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов.

6. Провести исследования свойств конструкционных сталей и сплавов с покрытиями, полученными на основе интегрированной технологии.

Научная новизна.

1. Разработана методика структурного синтеза технологий на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов обработки, позволяющая на основании банка данных (эксплуатационные свойства — метод обработки, метод обработки — источник частиц, источник частиц — установка) проектировать технологический процесс, обеспечивающий заданные эксплуатационные свойства деталей при минимальной технологической себестоимости.

2. Установлено, что фазовый состав поверхности и как следствие, механические свойства конструкционных сталей при статических испытаниях (ст, ав, 8), обработанных по интегрированной технологии (имплантация ионов азота, нанесение покрытия нитрида титана и электронный отжиг) соответствуют фазовому составу и механическим свойствам, полученным по комбинированной технологии.

3. Впервые установлено, что интеграция вакуумных ионно-плазменных методов обработки позволяет получить экономический эффект по сравнению с комбинированной обработкой при выполнении следующих условий:

— методы обработки совместимы и допускают одновременное их воздействие на поверхность детали;

— источники плазменных, ионных и электронных частиц обладают возможностью оперативного перехода от одного метода обработки к другому;

— источник питания обеспечивает работоспособность различных плазменных, ионных и электронных источников частиц.

4. Впервые установлено, что при ионной имплантации детали, находящейся под положительным потенциалом, облучение ее потоком электронов, формируемым за счет ионизации атомов остаточного газа ускоренными ионами, приводит к повышению температуры обрабатываемой поверхности, зависящей от величины энергии ускоренных ионов и давления газа, что позволяет совместить процесс ионной имплантации и постимплантационного отжига.

Практическая ценность.

1. Разработана автоматизированная система проектирования технологии на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов обработки, отличающаяся от существующих последовательным отсечением объектов, несоответствующих установленным критериям, на каждом этапе проектирования, а так же автоматическим формированием структуры экономических расчетов, позволяющая определять методы обработки и формировать компоновку оборудования.

2. Разработаны способы (ионная имплантация при подаче на деталь положительного потенциалаазотирование плазмой повышенной плотностинагрев детали электронным потоком), позволяющие в комбинации с другими методами проводить интегрированную обработку деталей.

3. Разработаны интегрированные технологические процессы получения защитных покрытий, обеспечивающие, в зависимости от объема выпуска, требуемые эксплуатационные свойства и снижающие технологическую себестоимость обработки компрессорных лопаток на 25 — 30%, турбинных лопаток на 30 -35%.

4. Модернизированы промышленные установки МАП-1 и ННВ-6,6-И1 для реализации интегрированных технологий.

5. Внедрен в производство технологический процесс нанесения диффузионного жаростойкого покрытия ВСДП-11, включающий обработку в тлеющем разряде, ионную очистку и осаждение покрытий на лопатки турбины ГТД, увеличивающий долговечность защищаемого сплава на 20% и $ жаростойкость на 30%. выполнено совместно с Шехтманом С.Р.

Результаты работы могут быть рекомендованы для:

1. авиационной промышленности;

2. нефти — и газоперекачивающей отрасли;

3. машиностроения;

4. медицины;

5. отраслей производящих товары народного потребления.

Реализация результатов работы:

— Разработан и внедрен на ОАО «УМПО» технологический процесс нанесения жаростойкого покрытия на лопатки турбины ГТД.

— Модернизированы установки ННВ-6,6-И1 и МАП-1 для проведения интегрированной обработки.

На защиту выносятся.

1. Методика проектирования интегрированной технологии, предусматривающая определение методов обработки, источников заряженных частиц, базового оборудования и снижающая технологическую себестоимость. Интегрированные технологические процессы.

2. Способы (ионная имплантация при подаче на деталь положительного потенциалаазотирование плазмой повышенной плотностинагрев детали электронным потоком) и режимы, позволяющие в комбинации с другими методами проводить интегрированную обработку деталей.

3. Физическая и математическая модели расчета плотности электронного и ионного токов, расчета температуры поверхности детали при ионной имплантации, совмещенной с нагревом электронным потоком.

4. Результаты исследований механических свойств конструкционных сталей при статических испытаниях (стт, сгв, V}/, 8) и фазового состава поверхности обработанной по интегрированной технологии, включающей имплантацию ионов азота, нанесение покрытия нитрида титана и электронный отжиг.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на 6 международных, 5 российских и региональных конференциях: «Региональная конференция молодых ученых Урала и Поволжья, посвященная 250-летию Оренбургской губернии и 60-летию образования Оренбургской области» (Оренбург, 1994.) — Международная научно-техническая конференция «Вакуумная наука и техника» (Москва, 1994) — III конференция «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 1994) — Международная научно-техническая конференция «Отделочно-упрочняющая технология в машиностроении» (Минск, 1994) — Всероссийская молодежная научно-техническая конференция «Технологии и оборудование современного машиностроения» (Уфа, 1994) — Международная научно-техническая конференция «Напыление и покрытия — 95» (Санкт-Петербург. 1995) — 4 Международная конференция (Харьков, Рыбачье, 1995) — IV Всероссийская конференция «Модификация свойств конструкционных материалов пучками заряженных частиц» (Томск, 1996) — Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в поволжском регионе» (Самара, 1997) — Межнациональное совещание «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 1998) — Сборник научных трудов «Техника на пороге XXI века» (Уфа, 1999г) — Вестник СГАУ «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 1999г).

Публикации. Результаты исследований отражены в 24 публикациях.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. Разработаны интегрированные технологические процессы получения защитных покрытий, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства и снижающие технологическую себестоимость обработки компрессорных лопаток на 25 — 30%, турбинных лопаток на 30 -35%, в зависимости от объема выпуска.

2. Разработана методика структурного синтеза и автоматизированная система проектирования технологий на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов обработки, позволяющие на основании банков данных (эксплуатационные свойства — метод обработки, метод обработкиисточник частиц, источник частиц — установка) проектировать технологический процесс, обеспечивающий заданные эксплуатационные свойства деталей при минимальной технологической себестоимости.

3. Установлено, что фазовый состав поверхности и как следствие, механические свойства конструкционных сталей при статических испытаниях (сгт, <тв, 8), обработанных по интегрированной технологии (имплантация ионов азота, нанесение покрытия нитрида титана и электронный отжиг) соответствуют фазовому составу и механическим свойствам, полученным по комбинированной технологии.

4. Впервые установлены условия, при выполнении которых интеграция вакуумных ионно-плазменных методов обработки позволяет получить экономический эффект по сравнению с комбинированной обработкой:

— методы обработки совместимы и допускают одновременное их воздействие на поверхность детали;

— источники плазменных, ионных и электронных частиц обладают возможностью оперативного перехода от одного метода обработки к другому;

— источник питания обеспечивает работоспособность различных плазменных, ионных и электронных источников частиц.

5. Впервые установлено, что при ионной имплантации детали, находящейся под положительным потенциалом, облучение ее потоком электронов, формируемым за счет ионизации атомов остаточного газа ускоренными ионами, приводит к повышению температуры обрабатываемой поверхности, зависящей от величины энергии ускоренных ионов и давления газа, что позволяет совместить процесс ионной имплантации и постимплантационного отжига.

6. Разработаны способы (ионная имплантация при подаче на деталь положительного потенциалаазотирование плазмой повышенной плотностинагрев детали электронным потоком), позволяющие в комбинации с другими методами проводить интегрированную обработку деталей.

7. Проведена модернизация промышленных установок МАП-1 и ННВ-6,6-И1 обеспечивающих реализацию интегрированных технологий: ионную имплантацию и ионное азотирование, нанесение покрытий, термическую обработку.

8. Внедрен в производство технологический процесс нанесения диффузионного жаростойкого покрытия ВСДП-11, включающий обработку в тлеющем разряде, ионную очистку и осаждение покрытия на лопатки турбины ГТД, обеспечивающий увеличение долговечности защищаемого сплава на 20% и жаростойкости на 30%.