Введение к работе
Актуальность темы.
Служебные свойства поверхностей деталей газотурбинных двигателей (ГТД) формируются в ходе всего технологического процесса изготовления. Финишные операции, определяющие физико-химическое состояние поверхности, играют при этом особую роль. В связи с этим резко возрос интерес к вакуумным ионно-плазменным методам обработки, что объясняется их широкими технологическими возможностями.
Как показывает анализ работ в области вакуумной технологии, повышение ресурса и надежности деталей достигается на основе комбинированного воздействия на поверхность различными вакуумными ионно-плазменными методами. В настоящее время делаются попытки объединения ионных, плазменных и электронных методов обработки в одном вакуумном объеме. Последовательная или одновременная обработка поверхностей деталей различными ионно-плазменными методами в едином вакуумном цикле получила название интегрированной технологии.
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 задачу можно применением способов обработки позволяющих совместить одновременно несколько процессов. При модернизации существующих или проектировании новых установок возникает проблема выбора методов воздействия на поверхность, источников частиц и вакуумного объема. 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 заданные 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.
-
Разработать новые способы ионно-плазменной обработки деталей из конструкционных материалов.
-
Разработать интегрированные технологические процессы нанесения покрытий на лопатки компрессора и турбины ГТД.
-
Модернизировать установки ННВ-б,6-И1 и МАП-1 для обработки лопаток компрессора и турбины ГТД на основе интеграции вакуумных ионно-плазменных методов.
-
Провести исследования свойств конструкционных сталей и сплавов с покрытиями, полученными на основе интегрированной технологии.
Общая методика исследования. Структурно-фазовый состав поверхности образцов с покрытием исследовался методом рентгеновского анализа на дифрак-тометре общего назначения ДРОН-4-07. Испытания на долговечность проводились на установке КМ26, на жаростойкость - на установке ЧНС-247, испытания механических свойств - на разрывной машине Р-5.
Исследования проводились на материалах 13X11Н2В2МФ-Ш, 12Х18Н9Т, ЖС6У, широко применяемых в авиадвигателестроении. Наносились покрытия ВСДП-11 и TiN. Ионная имплантация проводилась ионами азота. Обработка осуществлялась на модернизированных установках МАП-1 и ННВ-6,6-И1. Научная новизна.
-
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.
-
Установлено, что фазовый состав поверхности и как следствие, механические свойства конструкционных сталей при статических испытаниях (а^ а„, у, 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.
-
Впервые установлено, что интеграция вакуумных ионно-плазменных Методов обработки позволяет получить экономический эффект по сравнению с комбинированной обработкой при выполнении следующих условкЕ:
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,
-
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.
-
Разработаны способы (ионная имплантация при подаче на деталь положительного потенциала; азотирование плазмой повышенной плотности; нагрев детали электронным потоком), позволяющие в комбинации с другими методами проводить интегрированную обработку деталей.
-
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%.
-
Модернизированы промышленные установки МАП-1 и ННВ-6.6-ИІ для реализации интегрированных технологий.
-
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 жаростой-кость на 30%.
* выполнено совместно с Шехтманом СР.
4 Реализация результатов работы:
Разработан и внедрен на ОАО «УМІЮ» технологический процесс нанесения жаростойкого покрытия на лопатки турбины ГТД.
Модернизированы установки ННВ-б.б-Ши МАП-1 для проведения интегрированной обработки.
На зашиту выносятся.
1.Методика проектирования интегрированной технологии, предусматривающая определение методов обработки, источников заряженных частиц, базового оборудования и снижающая технологическую себестоимость. Интегрированные технологические процессы.
-
Способы (ионная имплантация при подаче на деталь положительного потенциала; азотирование плазмой повышенной плотности; нагрев детали электронным потоком) и режимы, позволяющие в комбинации с другими методами проводить интегрированную обработку деталей.
-
Физическая и математическая модели расчета плотности электронного и ионного токов, расчета температуры поверхности детали при ионной имплантации, совмещенной с нагревом электронным потоком.
-
Результаты исследований механических свойств конструкционных сталей при статических испытаниях (о^, 0В, ці, 5) и фазового состава поверхности обработанной по интегрированной технологии, включающей имплантацию ионов азота, нанесение покрытия нитрида титана и электронный отжиг. Апробация работы.
