Пристрій для нанесення покриття на деталі газової турбіни

Реферат: Пристрій для нанесення покриття на деталі газової турбіни, в якій реакційна камера, встановлена всередині вакуумної камери, розділена теплоізоляційною вакуум-щільною перегородкою на попередню зону і зону осадження, що мають різні температурні поля, при цьому засоби для розміщення джерел матеріалу покриття виконані як нагрівані контейнери, встановлені ззовні вакуумної камери і сполучені за допомогою прогріваної транспортної системи і прогріваних клапанів із входом в попередню зону реакційної камери, що має більш низьку температуру, ніж температурне поле зони осадження. UA 71889 U (12) UA 71889 U UA 71889 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до машинобудування, зокрема, належить до пристроїв для нанесення функціональних покриттів хрому та алюмінію шляхом газофазного осадження, і може бути використана в авіабудуванні та енергетичному машинобудуванні для захисту лопаток газових турбін від високотемпературної газової корозії внутрішніх порожнин охолоджуваних робочих лопаток турбін. Сучасний рівень робочих температур та потужностей газотурбінних двигунів (ГТД) значною мірою визначається використанням охолоджуваних лопаток турбін, які мають складну конфігурацію внутрішньої порожнини з охолоджуваними каналами, які з'єднуються з повітря підводними каналами газового тракту двигуна системою перфорованих отворів. При такій дуже складній конструкції лопаток захист внутрішніх та зовнішніх трактових поверхонь від високотемпературної газової корозії є виключно складною задачею. Відомо, що в сучасних перспективних двигунах п'ятого покоління лопатки турбін повинні працювати впродовж заданого ресурсу при температурі газу перед турбіною 1850-1900 K і вище, що, безумовно, неможливо без надійного їх захисту від газової корозії [див. Ю. Елисеев. Перспективные технологии производства лопаток ГТД. Двигатель, 2001, № 5(17), с. 4]. Практика показала, що найбільш ефективним засобом забезпечення високої довговічності лопаток газових турбін для використовуваних конструкційних матеріалів є застосування захисних покриттів. Хоча на даний час газоциркуляційний спосіб нанесення покриттів (ГЦП) системи Ni-AL-Cr є єдиним, що використовується в серійному виробництві на теренах України та Росії, такі покриття не завжди забезпечують необхідну стійкість робочих лопаток турбін при їх експлуатації, особливо для лопаток турбін сучасних перспективних авіадвигунів з суттєво підвищеними характеристиками. Відомий пристрій для нанесення покриття на деталі газової турбіни, що містить реакційну камеру, в якій на деталі наносять покриття, та джерело металу, розміщене також в реакційній камері [див. Опис до патентної заявки США № US 2010/0098971, Покрытие для деталей газовой турбины, способ и устройство для нанесения покрытия, М. кл. В32В 15/01, опубл. 22.04.2010 р.], при цьому деталі, на які наносять покриття, та джерела металу розміщені в камері одне проти одного на паралельних рівнях так, що відстань між деталями, що покриваються, та джерелами металу знаходиться в межах 10-150 мм. Ця відстань може бути і в межах 20-150 мм. Декілька деталей, що покриваються, відповідно розміщені між двома рівнями джерел, розміщених одне над одним, і при цьому десять рівнів джерел можуть бути розміщені в реакційній камері. Реакційна камера має вісесиметричну конфігурацію з діаметром від 200 до 1500 мм та заввишки більше 1500 мм. Об'ємна щільність джерела у відношенні до об'єму реакційної камери становить від 2 % до 5 %. У пристрої щонайменше одна галогенова сполука може бути спрямована до джерела через подавальну лінію. Описаний вище пристрій, на думку заявників, ефективний, а також економічний при нанесенні покриття. Найбільш близьким до заявлюваного технічного рішення по призначенню, технічній суті та досягуваному результату при використанні є пристрій для нанесення покриття, що складається з реакційної камери, виконаної з можливістю вакуумування, в якій встановлено засіб для розміщення деталей, що обробляють, засіб для розміщення джерел матеріалу покриття [див. Богуслаев А.В., Мурашко В.В., Газоциркуляционное покрытие лопаток турбины газотурбинных двигателей, - Технология производства и ремонта, Вестник двигателестроения, № 4/2006, С. 73-74]. Пристрій виконаний з можливістю створення необхідного температурного поля, містить внутрішній захисний екран, засіб для вирівнювання температурного поля в реакційній камері та засіб, що забезпечує циркуляцію газових компонентів усередині захисного екрана. Описаний вище пристрій забезпечує можливість отримання покриття на лопатках газової турбіни при температурах от 900 до 1000 °C і є разом з описаним вище способом, як зазначено раніше, єдиним на даний час, що використовується в умовах серійного виробництва в Україні та Росії. Однак розміщення в одній камері деталей, що покриваються, та джерел галогенових газреагентів робить процес нанесення покриття важко керованим, оскільки складно проконтролювати витрати матеріалу, що є джерелом газ-реагенту. Особливо це складно робити внаслідок його агресивності по відношенню до матеріалу пристрою. Використання двокамерного комплексу, що постійно атакується агресивними середовищами, збільшує експлуатаційні витрати і, відповідно, вартість покриттів, що наносяться, а, крім того, і покриття, отримані в цих умовах, не завжди забезпечують необхідну стійкість робочих лопаток турбін при експлуатації, особливо, на лопатках турбін сучасних перспективних авіадвигунів з суттєво підвищеними характеристиками. 1 UA 71889 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Тому задачею технічного рішення, що заявляють, є підвищення якості покриттів шляхом покращення характеристик покриття у відношенні міцності зчеплення з матеріалом турбінної лопатки при підвищених параметрах експлуатації газотурбінного двигуна, а також більшою мірою контролювати процеси, що протікають в реакційній камері, що знижує в цілому витрати на її експлуатацію. В основу технічного рішення, що заявляють, поставлена також задача покращення пристрою для нанесення покриття на деталі газової турбіни, в якому, внаслідок встановлення реакційної камери всередині вакуумної камери, розділення її перегородкою на попередню зону та зону осадження, які мають різні температурні поля, виконання засобів для розміщення джерел матеріалу покриття як контейнери, що нагріваються, встановлення їх ззовні вакуумної камери і сполучення їх із входом в реакційну камеру в зону з більш низькою температурою за допомогою прогріваної транспортної системи та прогріваних клапанів, забезпечується новий технічний результат. Новий технічний результат проявляється в більш високій адгезійній спроможності шару хрому, на який в подальшому осаджують шар алюмінію. Відсутність небажаних абсорбованих атомів і молекул, наприклад, з повітря дозволяє осаджувати шар алюмінію на ідеально очищені поверхні, а такі поверхні спроможні створювати нові сильні міжатомні зв'язки. Це виключає в подальшому відшарування покриття в цілому при подальшій термічній обробці лопатки турбіни в вакуумі. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому пристрої для нанесення покриття на деталі газової турбіни, що має реакційну камеру, в якій встановлено засіб для розміщення оброблюваних деталей, засіб для створення необхідного температурного поля та засіб для розміщення матеріалу покриття, згідно з корисною моделлю, реакційна камера, встановлена всередині вакуумної камери, розділена теплоізоляційною вакуум-щільною перегородкою на попередню зону і зону осадження, що мають різні температурні поля, при цьому засоби для розміщення джерел матеріалу покриття виконані як контейнери, що нагріваються, встановлені ззовні вакуумної камери і сполучені з входом в реакційну камеру в зону з більш низькою температурою за допомогою прогріваної транспортної системи та прогріваних клапанів. Як видно з викладення суті технічного рішення, що заявляють, воно відрізняється від прототипу і, отже, є новими. Завдяки конструкції технологічного пристрою покриття хрому і алюмінію наносяться в одній і тій же вакуумній камері в єдиному технологічному циклі, що значно скорочує тривалість процесу і суттєво підвищує економічні показники отримання якісного кінцевого продукту. Наявність вакуумно та термічно розділених верхньої та нижньої камер в технологічному пристрої дає можливість роздільного нанесення покриттів на внутрішні та зовнішні поверхні робочих лопаток, що важливо для наступного нанесення якісних термозахисних покриттів. Пропонований пристрій принципово відрізняється від відомих створенням і використанням високо чистих, активованих поверхонь, на які проходить осадження комплексу покриваючих шарів, забезпечуючих адгезійні та дифузійні процеси в умовах максимально ефективного проявлення цих властивостей. Окрім того, у разі використання сполук, які є нетоксичними і менш корозійноактивними, що суттєво полегшує технологічну роботу з ними, корозійне навантаження на обладнання суттєво зменшується, завдяки чому різко знижуються вимоги до конструкційних матеріалів обладнання. Рішення промислово застосовано, оскільки реалізується в технологічному процесі формування двокомпонентних хром-алюмінієвих покриттів на поверхнях внутрішніх каналів охолоджуваних робочих турбінних лопаток. На кресленні показана схема пристрою для формування металевого покриття на поверхнях внутрішніх каналів турбінних лопаток. Пристрій для нанесення металевих покриттів має реакційну камеру 1, встановлену в вакуумній камері 2. Реакційна камера 1 розділена на дві зони 3 і 4 теплоізоляційною герметичною перегородкою 5, виконаною з можливістю установки на ній лопаток газової турбіни. Замкова частина лопатки 6, що містить вхідні отвори 7, знаходиться в нижній зоні реакційної камери 3, а робоча частина 8 лопатки, на внутрішні перфоровані порожнини якої наносять покриття, встановлена у верхній зоні 4 реакційної камери. Нижня зона 3 реакційної камери через прогрівані транспортні системи 9, 10 та клапани 11, 12 сполучена з прогріваними контейнерами 13 і 14, в яких розміщені металоорганічні реагенти. З вакуумною камерою 2 зона 3 сполучена байпасною лінією 15 з клапаном 16. У верхній зоні реакційної камери 4 встановлена нагрівальна система 17 та формуючі температурне поле екрани 18. Пристрій працює у такий спосіб. При встановленні відповідних значень тиску та температурних полів в зонах 3, 4 реакційної камери 1 і відповідному нагріві транспортних систем 9, 10 та контейнерів 13, 14 в останніх проходить випаровування або гексакарбонілу 2 UA 71889 U 5 хрому Сr(СО)6, або триметилалюмінію Аl(СН3)3, та їх транспорт з зон з менш високою температурою 3, 9, 10, 13, 14, в зону 4 реакційної камери 1 з більш високою температурою. При температурах 400-450 °C, 300-350 °C проходить розпад відповідно гексакарбонілу хрому Сr(СО)6 та триметилалюмінію Аl(СН3)3, з утворенням шарів хрому та алюмінію. В таблиці, наведеній нижче, показані результати використання пристрою. Таблиця Сполука Т1 - т-ра Т1 - т-ра  - час, нагріву, °C розпаду, °C годин товщина, мкм , мкм 25 10 5 100 300 5 20 Сr(СО)6 100 450 2 5 100 350 5 20 Сr(СО)6 110 400 3 7 110 300 6 25 Сr(СО)6 110 450 3 7 Аl(СН3)3 Приклад 4 2 Аl(СН3)3 Приклад 3 400 Аl(СН3)3 Приклад 2 100 Аl(СН3)3 Приклад 1 Сr(СО)6 110 350 6 25 25 32 32 Якість Зчеплення шару Сr з основою добре Зчеплення шару Аl з шаром Сr добре Зчеплення шару Сr з основою добре Зчеплення шару Аl з шаром Сr добре Зчеплення шару Сr з основою добре Зчеплення шару Аl з шаром Сr добре Зчеплення шару Сr з основою добре Зчеплення шару Аl з шаром Сr добре Як видно з опису пристрою, пропоноване технічне рішення дозволяє підвищити якість покриттів шляхом поліпшення їх характеристик у відношенні міцності зчеплення з матеріалом турбінної лопатки при підвищених параметрах експлуатації газотурбінного двигуна. Окрім того, пропонований пристрій дозволяє більшою мірою контролювати процеси, що протікають в реакційній камері, що знижує в цілому витрати на її експлуатацію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Пристрій для нанесення покриття на деталі газової турбіни, який має реакційну камеру, в якій встановлений засіб для розміщення оброблюваних деталей, та засоби для створення необхідного температурного поля, який відрізняється тим, що реакційна камера, встановлена всередині вакуумної камери, розділена теплоізоляційною вакуум-щільною перегородкою на попередню зону і зону осадження, що мають різні температурні поля, при цьому засоби для розміщення джерел матеріалу покриття виконані як нагрівані контейнери, встановлені ззовні вакуумної камери і сполучені за допомогою прогріваної транспортної системи і прогріваних клапанів із входом в попередню зону реакційної камери, що має більш низьку температуру, ніж температурне поле зони осадження. 3 UA 71889 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4