От механической обработки к нанотехнологиям

А.М.Смыслов, В.С.Мухин

 Аннотация. Приведены  результаты практического применения  разработанных технологий ионной имплантации и вакуумно-плазменных защитных покрытий в производстве  лопаток компрессора ГТД  и лопаток турбин для тепловых и атомных станций, обеспечивая им повышение эксплуатационных свойств.

Ключевые слова: лопатки компрессора ГТД и лопатки турбин тепловых и атомных станций; ионная имплантация; ионно-плазменные покрытия; выносливость и циклическая долговечность.

 

На основании исторических документов можно объективно утверждать, что кафедра технологии машиностроения является ровесницей ВУЗа, и ей в 2022 году также исполняется 90 лет.

В 2002 году УАИ-УГАТУ, следовательно, и кафедре технологии машиностроения, исполнилось 70 лет, в связи с чем, коллектив кафедры, стремясь показать свою деятельность за 70-летнюю историю, написал и издал книгу: «Кафедра технологии машиностроения УГАТУ (история, факты, события, люди)». В настоящее время коллектив кафедры намерен продолжить написание и издание наиболее интересных и важных результатов деятельности кафедры за последующие двадцать лет (с 2002 по 2022 годы).

В данной статье приводятся относительно новые научные результаты, имеющие важное промышленное применение.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Создание и производство машин нового поколения, особенно  таких сложных в техническом отношении объектов, как авиационные реактивные двигатели, газо- и паротурбинные энергетические установки невозможно без создания принципиально новых материалов и технологий. Металлические материалы и сплавы на их основе и традиционные методы формообразования  и упрочнения деталей (механообработка и деформационное модифицирование, химико-термическая  обработка, гальваническое нанесение  покрытий и др.) исчерпали свои возможности.

В настоящее время в промышленно развитых странах все большее внимание уделяется  ионно-плазменным  технологиям. Обусловлено это тем, что с помощью пучковых  ионно-плазменных технологий возможно локальное  легирование (определенной зоны или всей поверхности детали) вместо легирования всей массы детали, что экономически нецелесообразно.  При этом у деталей формируются уникальные по химическому, структурно-фазовому составу и свойствам композиции материалов, которые традиционной металлургией по  термодинамическим ограничениям получить невозможно. Интерес к таким технологиям обусловлен также тем, что их применение в промышленности вместо традиционных методов обработки материалов  и деталей предполагает  существенную экономию финансовых вложений и  энергозатрат, повышение эффективности и  устранение экологически вредных последствий  производства и, что  не менее  важно, кардинальное повышение эксплуатационных свойств изделий – надежности и долговечности.

 

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

Статистический анализ дефектных серийных ГТД (изд. «99», «95», «95Ш», «195», «55», «25»), выпускаемых в ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение», и паровых турбин для тепловых и атомных станций (К-255-165, К-660-277 и др.), производимых в ОАО «Ленинградский металлический завод» и «Завод турбинных лопаток», г.С.-Петербург показал, что разрушение деталей, как правило, начинается с поверхности,  либо в тонком приповерхностном слое. При этом дефектными являются, как правило, рабочие лопатки ротора компрессора или турбины – как наиболее нагруженные детали (рис.1-5). Разрушение именно поверхности обусловлено целым рядом причин: при всех  основных способах нагружения ( растяжение, сжатие, чистый изгиб, поперечный изгиб, кручение, вдавливание и др.)  поверхностный слой оказывается более нагруженным, чем сердцевина; финишная обработка деталей формирует макро-, микро- и субмикрорельеф поверхности, технологические остаточные напряжения, деформационные изменения структуры. Условия эксплуатации, например, по температуре, агрессивной среде и др. также негативно воздействуют именно на поверхность. В этой связи, для того, чтобы повысить эксплуатационные свойства деталей ГТД и энергетических установок, следует, в первую очередь, создать такие технологии, которые позволили бы осуществлять кардинальное модифицирование поверхностного слоя. При этом технологии должны быть достаточно универсальными, способными упрочнять детали из различных материалов и работающих в широком диапазоне эксплуатационных условий – по температуре, напряжениям, ресурсу, агрессивной среде.

Теоретико-экспериментальные исследования показали, что такие технологии могут быть созданы только на основе пучков заряженных частиц на основе достижений в области физики межатомного взаимодействия, интеграции фундаментальных знаний в областях физического материаловедения, химического синтеза и высокотехнологичных способов получения (модифицирования) материалов.

К таким способам можно отнести ионную имплантацию и вакуумную ионно-плазменную конденсацию требуемых веществ. Особый интерес представляет интеграция этих способов.

Сущность ионной имплантации заключается в бомбардировке имплантируемым веществом подложки (поверхности детали); при этом ионизированные атомы или молекулы легирующего вещества, внедряясь в приповерхностный слой, «застревают» в кристаллической решетке мишени, образуют твердые растворы или новые химические соединения. Таким образом, представляется возможным создавать композиционные системы с уникальными структурами и свойствами, существенно отличными от свойств основной массы детали. Имплантационное модифицирование позволяет внедрить в поверхность определенное (заданное) количество практически любого химического элемента на заданную глубину; таким образом можно сплавлять металлы, которые в расплавленном состоянии не смешиваются, или легировать одно вещество другим в пропорциях, которых невозможно достичь даже при использовании высоких температур.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

 

Основным оборудованием для ионного легирования является ускоритель. Энергия ионов может изменяться (в зависимости от свойств материалов комбинации ион - мишень) от нескольких килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт. Толщина слоя с внедренными ионами зависит от энергии и массы ионов, от массы атомов мишени; при этом внедрение имплантанта в основную решетку поверхности изделия возможно без «соблюдения» законов термодинамики, определяющих равновесные процессы, например, диффузию и растворимость. Ионная бомбардировка изменяет практически все свойства поверхности твердого тела и приповерхностного слоя.

По сущности протекающих процессов метод ионного легирования не зависит от пределов химической растворимости, от температуры в процессе имплантации и от концентрации химических элементов (в том числе имплантируемого вещества) на поверхности мишени.

Сталкиваясь  с электронами и ядрами мишени, ионы легирующего вещества на некоторой глубине теряют энергию и останавливаются. Если известны тип и энергия ионов и свойства обрабатываемого материала, то концентрация и глубина проникновения могут быть определены по формулам (соответственно)             ,         (1)

                                                                                                               (2)

где D – доза облучения (ион/см²); R_p – средний проецированный пробег (нм); R_p  – стандартное отклонение проецированного пробега;  R  – глубина проникновения ион; ρ и М₂ – плотность материала (г/см³) и массовое число атомов мишени; М₁ и Z₁ –  массовое число и атомный номер иона, Е₁ – начальная энергия иона (кэВ).

Максимальная концентрация внедренных атомов выражается соотношением

 

                                                                                                                 (3)

и располагается на глубине R_ρ.

Из структурной теории прочности известно, что простое введение в сплав (сталь) того или иного легирующего вещества позволяет повысить прочность лишь за счет твердорастворного упрочнения; бóльший эффект дает фазовое упрочнение, когда в материале при легировании формируется  новое структурно-фазовое состояние.

В этой связи при ионной имплантации следует вводить реакционно-активные вещества, такие, например, как бор, углерод, азот.  В результате синтеза при ионной имплантации и при  постимплантационной термической обработке возможен синтез боридов, карбидов, нитридов; как известно, они обладают высокой твердостью и прочностью, температуростойкостью, коррозионно- и износостойкостью.

Условия эксплуатации деталей ГТД и энергетических установок (одновременное воздействие абразивных частиц,  эрозионной и коррозионной среды, высоких статических  и динамических напряжений, высоких температур,  сверхзвуковых потоков рабочего тела и др.)  предопределяют необходимость упрочнения не только собственно поверхности детали (например, ионной  имплантацией), но и нанесение на поверхность специальных защитных покрытий.

Анализ литературы, последние достижения в машиностроении, а также предварительные лабораторные исследования показали, что наибольшую перспективность имеют вакуумные  ионно-плазменные покрытия, состоящие из нитридов тугоплавких металлов, в т.ч. и в комбинации с ионно-имплантационным модифицированием поверхности.

Высокая эффективность ионно-плазменного процесса особенно наглядно проявляется в возможности синтеза покрытий, содержащих нитриды и карбиды металлов на поверхности деталей, имеющих температуру существенно более низкую (Т = 100 … 300^оС), чем температура образования этих соединений (Т = 800 … 1000^оС), предсказываемая равновесной термодинамикой.

Величина энергии частиц в ускоренных плазменных потоках (W = 80 эВ для Ti и W =     30 эВ для C-Si) многократно превышают характерные значения энергии межатомного взаимодействия (W = 1 эВ), вследствие чего создаются условия для протекания плазмо – химических реакций с образованием новых фаз, которые в обычных условиях не существуют или нестабильны.

При всей положительной роли защитных покрытий (повышение коррозионно- и износостойкости, жаропрочности и др.),  последние, как правило, снижают усталостную прочность детали в целом. Обусловлено это тем, что в покрытиях формируются  значительные остаточные  напряжения, покрытия высокопрочные, но они достаточно хрупкие, имеет место проблема адгезии и др.

Эффективным способом коррозионно-эрозионной защиты поверхности, при одновременном  «не снижении» усталостной прочности или даже ее повышения, является создание слоевых композиций. Механические свойства многослойных  конденсатов можно варьировать в широких пределах, изменяя толщину, химический и фазовый состав, прочностные и пластические свойства каждого слоя. Создание гетерогенных структур является наиболее перспективным способом получения материалов с уникальными физико-механическими свойствами.

В самом общем виде задача модифицирования металла поверхностного слоя состоит из двух  этапов: первый этап – изменение химического и структурно-фазового состава металла ионно-имплантационным легированием; второй – нанесение  на эту поверхность с помощью вакуумной  ионно-плазменной конденсации защитного (упрочняющего) покрытия. В зависимости от материала  детали и условий ее эксплуатации (температура,  напряжения, ресурс, среда и др.) оба этапа  выполняются последовательно и индивидуально;  в ряде случаев возможно использование одного из  указанных этапов.

В настоящее время наиболее актуальной задачей  для ГТД и энергетических установок является повышение  усталостной прочности рабочих лопаток ротора  компрессора и турбины. В этой связи исследования выполнялись применительно к промышленным  титановым сплавам ВТ18У, ВТ9, ВТ3-1, ВТ6, ВТ25У, ВТ8, ВТ8М-1, ТС5; жаропрочным сталям ЭИ961Ш, 20Х13, 15Х11МФ. Указанные материалы используются при изготовлении лопаток компрессора ГТД и лопаток паровых турбин для тепловых и атомных станций. На основании диаграмм фазового равновесия, теории упрочнения академика А.А.Бочвара, в основе которой лежит необходимость создания скелетообразного каркаса из высокопрочных фаз, для исследования были выбраны реакционно-активные вещества – азот, углерод, бор.

Имплантация осуществлялась на установке ИЛУ-4, в которой в состав канала транспортировки пучка входит магнит – анализатор, обеспечивающий получение однозарядного потока ионов. Обоснована целесообразность исследования наряду с сепарационной, также и бессепарационной имплантации.

Исследование состояния поверхностного слоя проводилось при варьировании режимов   ИИ (доза Д = 10¹⁶-10¹⁹ ион/см², энергия Е = 300 эВ-40КэВ,   плотность ионного тока   j = 10-100 мкА/см²) и отжига (температура Т = 500-600^оС, время τ = 0-2 час, среда – вакуум, воздух).

Установлено, что ионный поток, взаимодействуя с поверхностью, приводит, с одной стороны, к частичному  распылению микронеровностей и, как   следствие, улучшению шероховатости до Ra=0,24-0,18 мкм, в сравнении с исходным состоянием Ra = 0,32-0,28 мкм (полированием). С другой стороны, протекание  радиационно-ускоренных диффузионных  процессов обуславливает формирование со стороны поверхности оксидных слоев толщиной 100-200Å, оксидных дискретных выделений типа Ме_х, О_у, С_z, N_h, карбидных, боридных, нитридных фаз, пересыщенных твердых растворов внедрения до глубины 750 Å, что вызывает увеличение микротвердости до 5000-6000 МПа, прочностных свойств на 7-23 МПа и снижение пластичности на 0,6-3,2% (Т=20^оС).

Отжиг, термически активируя диффузионные процессы, способствует дополнительному увеличению оксидных слоев до 150-300Å, образованию мелкодисперсных преципитатов высокопрочных фаз (TiN, TiC, TiB₂) в виде сетчатого каркаса на межфазных и субзеренных границах, дислокационных скоплениях, частично или полностью когерентных с матрицей. Глубина слоя  с измененным элементным составом и пониженным, по сравнению с матрицей, на 40% количеством β-фазы достигает 1250Å, а модифицированной дислокационной структурой –  80 мкм. При этом дислокационная структура по глубине поверхностного слоя значительно меняется: на глубине 0-0,5 мкм наблюдается  повышение плотности дислокаций до ρ = 10⁹ см^-2 (плотность дислокаций матрицы ρ = 10⁸ см^-2), что связано с взаимодействием ионов с дефектами структуры и образованием твердых растворов, первичных и вторичных преципитатов, обуславливающих торможение дислокаций при их движении. Вокруг преципитатов обнаружены поля напряжений, о чем свидетельствует дифракционный контраст. Огибание скользящими дислокациями преципитатов приводит к возрастанию напряжения течения и, как следствие, увеличение предела текучести сплава. Имеющиеся в плоскости скольжения изогнутые дислокации образуют замкнутые дислокационные поля, обуславливающие появление напряжений, что дополнительно повышает сопротивление движению новых дислокаций. Взаимодействие дислокаций в пересекающихся плоскостях изменяет форму дислокационных линий, создавая новые конфигурации в виде скоплений, клубков, сеток и порогов. На отдельных участках образуется ячеистая структура. На глубине 0,5-10 мкм, за зоной торможения и диффузии ионов, выявляется зона с максимальной плотностью дислокаций: ρ = 10¹⁰ - 10¹¹ см^-2. Дислокационная структура неоднородно-ячеистого и ячеистого типа, с участками до 0,1 мкм свободными от дислокаций, что свидетельствует о высокой степени упрочнения, подтверждающегося также размытием дифракционных рефлексов на электронограммах; на глубине 10-80 мкм субмикроструктура характеризуется сложными дислокационными переплетениями (ρ = 10⁹ см^-2) и в дальнейшем постепенно приближается к матричной.

Была разработана феноменологическая модель поверхности, обосновывающая применение комбинированной обработки, включающей  ионно-имплантационную модификацию поверхностного слоя с последующим нанесением многослойных наноструктурированных вакуумно-плазменных покрытий. При этом толщина наносимого покрытия  может быть увеличена до  10-50 мкм, а количество микрослоев может составляет 160÷800.

На рис.1 показано модельное представление комбинированной поверхности (в сечении)

Рис. 1. Принципиальная схема комплекса «покрытие-подложка» для лопаток турбин компрессора

 

Такая композиция поверхности обеспечивает на этапе ионно-имплантационного модифицирования глубину упрочнения до 100-110 мкм и увеличение микротвердости на 40%. Последующее нанесение многослойного наноструктурированного покрытия Ti-TiN приводит к повышению твердости  (Н_v(0,5)= 38000-40000 МПа) и формированию сжимающих остаточных напряжений. Кроме этого, отсутствуют отслоения и сколы покрытия, что связано с повышением его пластичности из-за резкого уменьшения столбчатости структуры и пористости в отдельных микрослоях.

Впервые установлено, что высокая термическая стабильность (Т = 450 - 600^оС, τ = 0 - 1000 час, воздушная атмосфера) и, как следствие, релаксационная стойкость ионно-модифицированного металла поверхностного слоя обусловлена: блокированием окислительных процессов с поверхности оксикарбонитридным слоем, твердым раствором внедрения азота и мелкодисперсными преципитатами; благоприятным влиянием развитой дислокационной структуры, не имеющей прямого контакта  с окислительной атмосферой;  более стабильным структурно-фазовым составом; протеканием, наряду с процессами разупрочнения, процессов упрочнения, вызванных диффузией и синтезом имплантируемых ионов с металлом  матрицы и образованием дополнительно упрочняющей фазы нанометрических размеров.

Анализ данных выносливости (рис.2) и длительной прочности показал, что они находятся в корреляционной зависимости от физико-химического состояния поверхностного слоя.

Рис.2. Изменение предела выносливости  сплава ВТ9 в зависимости от методов окончательной обработки поверхности. Вероятность неразрушения  = 0,95, генеральная совокупность 1 – полирование; 2 – виброгалтование; 3 – ИИ N+ + вак.отжиг; 4 – ИИ Xe+; 5 – ИИ N+ + покр.TiN+ вак. отжиг

 

При этом в области малых баз испытания (высокие рабочие напряжения, малая долговечность), когда процессы релаксации заторможены, деформационное упрочнение и сжимающие остаточные напряжения оказывают благоприятное влияние на работоспособность сплавов.

Впервые установлено, что в области больших баз испытания (средние и малые рабочие напряжения, большая долговечность) методы деформационного упрочнения, формирующие поверхностный слой по дислокационному механизму, вследствие интенсивных окислительных и релаксационных процессов по параметрам усталостной прочности уступают упрочненному ионной имплантацией азота титановому сплаву. Модификация поверхности ионами азота приводит в условиях высокотемпературной эксплуатации к протеканию диффузионных процессов и образованию дополнительно мелкодисперсных нитридных, оксинитридных и оксикарбонитридных преципитатов на глубине 250-480Å и более, являющихся, с одной стороны, эффективными стопорами на пути движения дислокаций, а с другой – создающих сжимающие  напряжения на межфазных границах. Наряду с этим необходимо отметить на внутризеренное упорядочение  дислокационной структуры поверхностного слоя, что выражается в образовании правильных полиэдрических стенок. Вертикальные стенки дислокаций в виде шестигранников, созданные двумя или тремя системами скольжения, придают структуре  большую устойчивость. Такая система дислокаций, а также имеющиеся в поверхностном слое когерентные и частично когерентные преципитаты нитридов титана повышают прочность матрицы, приводят к смягчению опасных пиковых напряжений, путем эстафетной передачи деформации. Образующиеся же мелкие субзерна уменьшают количество дислокаций,  приходящих к препятствию и их локальное скопление, что снижает опасность хрупкого разрушения.

На рис. 3 показано влияние ионной имплантации (Е = 40 кэВ, доза – 10¹⁷ ион/см²) на усталостную прочность натурных лопаток четвертой ступени компрессора высокого давления ГТД из титанового сплава ВТ18У.

 

Рис.3. Изменение усталостной прочности лопаток IV ступени компрессора высокого давления из сплава ВТ18У изд. «99» после ионной имплантации в поверхность: Θисп.=20°С, ƒ=100 гц; 1 – серийная технология (виброшифование); 2 – импланированные ионы N⁺ ; 3 – С⁺; 4 – В⁺; 5 – ИИ + отжиг в контролируемой среде

 

Видно, что ИИ кардинально повышает предел усталости при  базе испытания 210⁷ циклов. Например, по сравнению с серийной технологией (виброшлифование), имплантация азота приводит к повышению предела усталости с 440 МПа до 520 МПа. Еще большее повышение  прочности наблюдается после имплантации углерода и бора (кривая 3 и 4, рис.3). Феноменальное повышение предела усталости натурных лопаток компрессора имеет место после ИИ и специального отжига в контролируемой атмосфере (кривая 5, рис. 3). Важным обстоятельством является то, что с увеличением базы (длительности) испытания эффект от ионного модифицирования возрастает. Так, если при базе испытания  410⁶ циклов по сравнению с виброшлифованием имплантация бора повышает предел усталости на 60 МПа (с 520 МПа  до 580 МПа), то при числе 210⁷ это повышение составляет 120 МПа (с  440 МПа до560 МПа).

Проведена оценка шероховатости, остаточных напряжений, наклепа, микроструктуры, элементного состава поверхности, выносливости, коррозионных и эрозионных свойств сравниваемых вариантов технологий (табл.1). Установлено, что покрытие NiCd снижает на         20 МПа предел усталости стали  по сравнению с исходным состоянием (σ_-1=400 МПа, Т=300^оС). Это связано с отрицательным действием растягивающих остаточных напряжений, наличием в поверхности водорода, а также уменьшением микротвердости.  ИИ N⁺ увеличивает σ_-1 до 420 МПа вследствие действия дислокационного, твердорастворного и дисперсного механизмов упрочнения. Последующее нанесение покрытия TiN не изменяют предела выносливости, однако резко повышают коррозионные (табл.1) и эрозионные свойства стали (2,2-3,7 раза).

Т а б л и ц а 1

 

Коррозионные и эрозионные свойства стали

 

Исследуемый параметр	Вариант обработки поверхности
	Серийная технология NiCd	Разработанная технология ИИ N+ + покр.TiN + вак.отжиг
Шероховатость Ra, мкм	1,0-1,1	0,4-0,5
Стандартный электродный потенциал, мВ	-2352	-200
Ток коррозии мА/см2	0,017	0,002
Скорость коррозии («солевой туман», τ = 30 суток мг/см2·сут	7,5·10-6	3,5·10-7
Внешний вид поверхности	поверхность повреждена следами коррозии	поверхность без повреждений и следов коррозии

 

Проверка выводов об эффективности ионно-имплантационного модифицирования поверхностного слоя, а также в комбинации с последующим вакуумно-плазменным многослойным наноструктурированным покрытием Ti-TiN, применительно к усталостной прочности и циклической долговечности, осуществлялась применительно к натурным лопаткам  компрессора ГТД изд. «99», «95Ш», «195», «20»,  Д-436Т-1 и имитаторам лопаток паровых турбин (табл.2).

Установлено, что разработанные технологии обеспечивают, в сравнении с серийной обработкой поверхности лопаток, увеличение:  σ_-1 по основному тону   на 7,6-22,7% в атмосфере воздуха и на 44% в коррозионной среде; циклической долговечности – более чем в 20 раз; эрозионных свойств (пылевая и капельная эрозия) – в 2,2-3,7 раза;  коррозионной – в 2-3 раза и фреттинг-стойкости – до 4 раз.

 

Т а б л и ц а 2

 

Усталостная прочность натурных и модельных лопаток

 

№ ступени, марка сплава	Изделие	Предел выносливости σ-1, МПа, (N=2·107 цикл.)		Δ σ-1 %
		Серийная  технология	Разработанная  технология
ΙΙΙ ст. РКВД, ВТ3-1	99	440	ИИ, 500	11
ΙV ст. РКВД, ВТ18У	99	440	ИИ, 540	23
ΙΙΙ ст. РКВД, ВТ9	95, 195	450	ИИ, 500	11
VΙ-VΙΙΙ ст. РКВД, ВТ9	95,195	440	ИИ, 480	9
ΙΙ ст. РКНД, ВТ25У	20	380	ИИ, 420	10
ΙΙ ст. РКНД, ЭИ961Ш	95, 195	520	ИИ+Ti-TiN, 560	8
ΙV ст. РКВД, ВТ9	95, 195	450	ИИ+Ti-TiN, 500	11
Ι ст. РКВД, ВТ8М	Д436Т-1	495*	ИИ, 533*	8
ΙV ст. РКВД, ВТ8М	Д436Т-1	465*	ИИ, 508*	9
Имитаторы лопаток 20Х13	Паровые турбины	180, коррозионная среда	ИИ+Ti-TiN, 260, коррозионная среда	44
ВТ6		400	ИИ+Ti-TiN, 480	20

* база N=10⁸ цикл.

 

Для реализации положительных результатов по влиянию ИИ в сочетании с последующим нанесением защитных наноструктурированных вакуумно-плазменных покрытий на усталостную прочность, жаропрочность, термическую стабильность, коррозионную, эрозионную и фреттинг-стойкость материалов лопаток ГТД и паровых турбин  совместно специалистами УГАТУ, РНЦ «Курчатовский институт» (г.Москва), ОАО «УМПО» были разработаны технические задания на проектирование и изготовление  специального оборудования.

Впервые в отечественной и зарубежной практике созданы технологические ускорители – имплантеры «ВИТА» и «ВИКТОРИЯ-2» для ионной имплантации лопаток ГТД. Они позволяют  обеспечить предварительную  очистку поверхности ионами аргона и ксенона, последующую  имплантацию ионов азота, аргона, метана, углекислого газа, хрома, меди, иттербия и др.,  при ускоряющем  напряжении до 40 КэВ. Приемное устройство позволяет проводить одновременную обработку  от 60 до 240 лопаток  в зависимости от их габаритов. Время, необходимое для набора дозы имплантанта, составляет 135 мин., что ориентировочно на 50% меньше длительности базовых технологий упрочнения (виброгалтования, упрочнения микрошариками или ультразвуком). Достигается   более высокая  культура производства – исключен брак в связи с перенаклепом, забоинами входных и выходных кромок лопаток, присущих базовым технологиям обработки.

В условиях ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» создан производственный участок ионной имплантации лопаток ГТД, включающий пять  установок «Вита» и двух установок «ВИКТОРИЯ-2».

Для лопаток ГТД (морского базирования, приводы для газоперекачивающих агрегатов и энергетические установки), а также лопаток паровых турбин (цилиндр среднего и низкого давления), работающих в условиях абразивного и влажно-парового изнашивания, коррозионной среды  и знакопеременных напряжений, в сочетании с ионно- имплантационным упрочнением поверхностного слоя, разработана и внедрена технология нанесения вакуумных ионно-плазменных многослойных наноструктурированных покрытий системы Ti-Ti_xN_y-TiN. Для  этих целей были спроектированы и изготовлены специальные установки «Мария» и «Виктория-2», внедренные, соответственно, на ФГУП «НПП «Мотор» (рис.4), НПП « Урал-авиаспецтехнология» и Технопарк «Авиационных технологий».

 

                                                                                                                                                                                                                                                       а                                                             б

 

Рис. 4. Производственный участок  на ФГУП «НПП Мотор»  (установка «Мария») по нанесению защитных

 покрытий на лопатки паровых турбин (а), (б) – контроль обработанных деталей - лопаток

 

В вакуумной камере (Ø1300 мм, L=2500-3500 мм) установок находится манипулятор планетарного типа, протяженные (L=1200 мм) электродуговые испарители, позволяющие реализовать работу в режиме  двухступенчатого вакуумно-дугового разряда, обеспечивающего ионную имплантацию поверхности с плотностью тока j=5-15 мА/см²;   нанесение многослойных (Ti-Ti_xN_y-TiN) вакуумно-плазменных наноструктурированных покрытий со скоростью осаждения V=0,8-1 мкм/мин.

По разработанной технологии были изготовлены лопатки роторов турбины К-255-165 и К-660-277 из титановых сплавов ТС5 и ВТ6, сталей 20Х13 и 15Х11МФ и осуществлена их поставка на ОАО «Ленинградский металлический завод» и «Завод турбинных лопаток» (г.С.Петербург) для тепловых и атомных электростанций  «Алхольма» (Финляндия),  Костромская ГРЭС (Россия), «Бушер» (Иран), «Тянь-Вань» (Китай), «Кудам-Кулам» и «Сипат» (Индия), «Ровенская АС» (Украина) и др.(рис.5).

После наработки более 40000 час на 01.08.2006 г. лопатки ТЭС «Алхольма» (Финляндия) не имели следов эрозионного и коррозионного повреждения входных и выходных кромок и фреттинг-разрушений бандажных полок, в отличие от аналогичных лопаток, обработанных по базовой технологии и проработавших 7380 час на Ровенской АС.