Способ защиты алитированием содержащих каналы и полости металлических деталей турбомашин - RU2293790C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу защиты от окисления при высокой температуре металлических деталей, содержащих каналы и полости.

Областью применения изобретения является защита деталей турбомашины, таких как детали турбин, в частности лопаток, которые содержат внутренние полости для циркуляции охлаждающего воздуха, причем воздух подается через отверстия или подводящие каналы, которые обычно проходят через основания лопаток, и отводится через выпускные каналы, которые выходят на наружную поверхность лопаток.

Уровень техники

Несмотря на использование металлических суперсплавов, обычно на основе никеля или кобальта, необходимо снабжать такие детали покрытием для защиты от окисления, которое может защищать их от окисления в условиях рабочих температур, которые повышают все больше и больше в стремлении оптимизировать кпд турбин.

В настоящее время обычно используют способ защиты посредством алитирования осаждением из газовой фазы. Этот процесс хорошо известен. В качестве примера можно сделать ссылку на патентный документ Франции №1433497. Способ заключается в том, что одну или несколько подлежащих защите деталей помещают в камеру, в которой циркулирует газовая смесь, содержащая соединение алюминия, такое как галогенид, и газ-разбавитель или газ-носитель. Галогенид является продуктом реакции между галогеном, например хлором или фтором, и содержащим алюминий металлическим донором, - например, металлическим сплавом алюминия с одним или несколькими металлическими компонентами материала подлежащих защите деталей. Газ-разбавитель обеспечивает разбавление и перенос газовой смеси для приведения галогенида в контакт с деталями с целью формирования желаемого покрытия на их поверхностях. В качестве газа-разбавителя обычно используют аргон. В указанном патентном документе Франции №1433497 упомянут также водород, однако его использование на практике весьма затруднительно по соображениям безопасности.

Классический способ алитирования осаждением из газовой фазы позволяет обеспечить формирование удовлетворительного защитного слоя на наружной поверхности деталей, но никакого покрытия не формируется на внутренних стенках каналов и полостей. Однако, несмотря на циркуляцию охлаждающего воздуха, температура этих внутренних стенок по меньшей мере локально может достигать таких величин, что становится возможным эффект внутреннего окисления. По наблюдениям заявителя, это окисление может вызывать крошение или шелушение материала деталей, и захваченные воздушным потоком отслоившиеся частицы внутренних стенок могут частично забивать отверстия выпускных каналов. Это явление приводит к неравномерности защитной пленки на наружной стенке, которая формируется выходящим из выпускных каналов воздухом, и появлению горячих точек, вызывающих местное повреждение деталей.

Кроме того, осаждение имеет тенденцию к накоплению вокруг наружных выходных отверстий каналов. Это вызывает их сужение, что может существенно повлиять на циркуляцию охлаждающего воздуха, создавая потери напора и способствуя появлению зон застоя воздуха. Возможна доводочная механическая обработка каналов, однако она является дополнительной дорогостоящей и весьма тонкой операцией, так как должна быть высокоточной и не должна повреждать покрытие вблизи каналов.

Далее, по наблюдениям заявителя, излишняя толщина покрытия при осаждении, в особенности вокруг впускных каналов для воздуха у оснований лопаток, представляет немалый риск образования трещин не только в покрытии, но и в металлическом материале лопаток.

Действительно, в отличие от материала лопаток покрытие подвержено образованию трещин вследствие воздействующих на лопатки тепловых циклов. При толстом покрытии образующаяся в покрытии трещина имеет тенденцию распространяться дальше в материал подложки (что не характерно для покрытия малой толщины).

При этом образование трещин в материале лопаток на уровне их оснований может приводить даже к разрушению лопаток, то есть иметь особенно драматические последствия.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа, позволяющего осуществлять защиту алитированием как наружных, так и внутренних поверхностей металлической детали турбомашины, снабженной каналами и/или полостями, которые сообщаются с внешней средой, и тем самым устранить указанные проблемы.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет способа, согласно которому по меньшей мере газообразный прекурсор подлежащего получению покрытия, содержащий соединение алюминия, приводят с помощью газа-носителя в контакт с поверхностями помещенной в камеру детали, при этом в соответствии с изобретением газ-носитель выбирают из гелия или аргона, а давление в полости выбирают таким образом, что средняя длина свободного пробега молекул газа-носителя по меньшей мере в два раза превышает эту величину для молекул аргона под атмосферным давлением.

Увеличение средней длины свободного пробега молекул газа-носителя способствует его более легкому проникновению в каналы и/или полости детали и за счет этого позволяет приводить молекулы газообразного прекурсора в контакт с внутренними поверхностями детали на большей глубине. Это позволяет одновременно формировать защитное покрытие на внутренних поверхностях и ограничить излишнюю толщину слоя осаждения на уровне отверстий каналов и/или полостей. Согласно варианту осуществления изобретения в качестве газа-носителя используют гелий, при этом способ может осуществляться под атмосферным давлением или под давлением ниже атмосферного.

Согласно другому варианту осуществления изобретения в качестве газа-носителя используют аргон, и способ в оптимальном случае осуществляют под давлением, максимально равным 50 кПа, предпочтительно, максимально равным 25 кПа.

В оптимальном примере осуществления деталь изготавливают с каналами, которые по меньшей мере в их части вблизи наружного отверстия имеют диаметр, увеличивающийся в направлении наружу. Расширяющаяся форма каналов позволяет компенсировать уменьшение толщины покрытия от наружного отверстия для получения после алитирования канала по существу постоянного желаемого диаметра.

Примеры осуществления настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 схематично изображает на виде сбоку лопатку турбины, имеющую внутренний контур охлаждения,

фиг.2 схематично изображает лопатку турбины в разрезе в плоскости II-II на фиг.1,

фиг.3 в очень схематичном виде изображает установку для осуществления способа в соответствии с изобретением,

фиг.4-6 в очень схематичном виде изображают покрытие, сформированное алитированием вблизи отверстия выпускного канала лопатки по типу показанной на фиг.1 и 2, при этом показаны покрытия, полученные соответственно с помощью известного способа уровня техники, способа по изобретению и варианта способа по изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Примеры осуществления изобретения будут описаны ниже применительно к способу формирования защитного покрытия для лопатки газовой турбины, снабженной каналами и внутренними полостями, в которых может циркулировать охлаждающий воздух. Очевидно, что способ пригоден для использования применительно к любой металлической детали турбомашины, в которой имеются каналы и/или внутренние полости, сообщающиеся с внешней средой.

Лопатка 10 газовой турбины схематично представлена на фиг.1 и 2.

Известным образом лопатка 10, изготовленная из суперсплава на основе никеля или кобальта, содержит внутренние полости 12, 14, 15, 16, которые проходят по высоте лопатки и обеспечивают возможность циркуляции охлаждающего воздуха.

Полость 12 расположена на стороне передней кромки лопатки, и воздух подается в нее через канал, выполненный в хвостовике или основании 11 лопатки. Из полости 12 воздух выходит через каналы 13 на уровне передней кромки лопатки и формирует защитную воздушную пленку на наружной поверхности передней кромки.

Через полости 14, 15, 16 последовательно проходит воздух, который подается в полость 14 через канал, выполненный в основании лопатки. Этот воздух выходит через выпускные каналы 17, которые выходят на внутреннюю арочную поверхность лопатки вблизи задней кромки из полости 16. На внутренней арочной стороне могут быть выполнены также другие выпускные каналы, ведущие из полости 15, а возможно также и из полости 14.

В вершине 19 лопатки выполнены выпускные каналы, показанные схематично на фиг.1 позициями 18 и сообщающиеся с внутренними полостями. Каналы 18 соответствуют местам расположения опор для сердечников, используемых для образования лопастей при отливке лопатки.

Циркуляция охлаждающего воздуха схематично представлена на фиг.1 и 2 штриховыми линиями и стрелками.

Защитное покрытие для защиты от окисления при высокой температуре формируют на наружной и внутренних поверхностях лопатки 10 с помощью способа в соответствии с изобретением с использованием, например, установки для алитирования осаждением из газовой фазы, показанной на фиг.3.

Эта установка содержит камеру 20, не герметично закрытую крышкой 22 и установленную внутри сосуда 24. Этот сосуд герметично закрыт крышкой 26 и расположен в печи 28.

Трубопровод 30 подает газ-носитель (или газ-разбавитель) в образованную 15 камерой полость 21. Такой же газ вдувается в сосуд 24 снаружи камеры 20 по трубопроводу 32. Этот продувочный газ отводится по трубопроводу 36, проходящему через крышку 26.

Внутри камеры 20 расположен донор 34 в виде, например, гранул или порошка. В общем случае донор образован сплавом алюминия с одним или несколькими металлами, которые являются компонентами материала лопаток, подлежащих алитированию. Активатор, позволяющий совместно с донором формировать галогенид, также вводится в камеру в виде порошка. Обычно используются такие активаторы, как фторид аммония NH₄F или фторид алюминия AlF₃.

Подлежащие алитированию лопатки помещают в полость 21 с опорой или подвеской с помощью соответствующих средств технологической оснастки (не представлены).

Температуру печи регулируют таким образом, чтобы внутри печи поддерживалась температура от 950 до 1200°С, при которой в результате реакции между донором и активатором образуется газообразный галогенид. Алитирование осуществляется путем осаждения посредством разложения галогенида при контакте с поверхностями лопаток. Газ-носитель служит для облегчения переноса молекул галогенида.

Согласно первому примеру осуществления изобретения используемым газом-носителем является гелий.

По сравнению с аргоном, который используется обычно, молекулы гелия имеют значительно большую среднюю длину свободного пробега при равных величинах давления. Обычно среднюю длину L свободного пробега определяют как величину, пропорциональную 1/P·D², где Р - давление и D - молекулярный диаметр. Отношение L_He/L_Ar между величинами средней длины свободного пробега молекул гелия и аргона равно примерно 3 при атмосферном давлении. Увеличение средней длины свободного пробега молекул газа-носителя способствует более легкой диффузии галогенида внутрь каналов и полостей лопатки, так что алитирование может осуществляться на внутренних поверхностях лопатки, по крайней мере на определенное расстояние в глубину за наружные отверстия каналов и полостей. Таким образом, осуществляют внутреннюю защиту от окисления при высокой температуре.

Это в весьма схематичном виде представлено на фиг.4 и 5.

Фиг.4 изображает результат классического алитирования под аргоном вблизи отверстия выпускного канала 40 лопатки. При этом покрытие, сформированное алитированием 42, распространяется только на наружную поверхность и не проникает на внутреннюю стенку канала 40, не говоря уже о внутренних стенках внутренней полости лопатки. Вдобавок к этому покрытие 42 частично закрывает выходное отверстие 40а канала 40 и мешает проходу воздуха.

Благодаря использованию газа-носителя, молекулы которого имеют большую среднюю длину свободного пробега, показанное на фиг.5 полученное алитированием покрытие 52 распространяется не только на наружную поверхность лопатки, но также и на внутреннюю поверхность выпускного канала 40, а оттуда может продолжиться на поверхность внутренней полости лопатки.

Как показано в преувеличенном виде на фиг.5, толщина внутреннего покрытия 52 уменьшается от наружного отверстия 40а канала 40. Таким образом, проходное сечение канала сужено, но не образует такого ограничения, как в случае по фиг.4.

В другом варианте выполнения для устранения этого уменьшения проходного сечения канала после алитирования лопатка может быть изготовлена с выпускными каналами, сечение которых последовательно увеличивается наружу, как это показано на примере канала 40' на фиг.6. Переменную величину сечения определяют для компенсации уменьшения толщины внутреннего покрытия 52'а от наружного отверстия 40'а. Таким образом, после алитирования получают выпускные каналы по существу постоянного сечения желаемой величины. При этом не требуется никакой дополнительной механической обработки каналов.

Согласно второму примеру осуществления изобретения используемым газом-носителем является аргон, но процесс алитирования осуществляют под сниженным давлением, с тем чтобы также увеличить длину свободного пробега молекул газа-носителя.

Таким образом, после загрузки лопаток в полость 21 установки по фиг.3 и герметичного закрытия сосуда 24 внутреннюю атмосферу сосуда 24 и камеры удаляют продувкой аргоном, и давление снижают путем отвода через трубопровод 36 таким образом, чтобы привести давление в сосуде 24 и в камере 20 к относительно низкой величине, например, ниже 5 кПа.

Затем осуществляют непрерывную подачу аргона через трубопровод 30 с поддержанием в сосуде 24 и в камере 20 давления ниже атмосферного. Величину этого давления выбирают максимально равной 50 кПа, предпочтительно максимально равной 25 кПа. При этом отношение L_{Ar red}/L_{Ar atm} между величинами средней длины свободного пробега молекул аргона при пониженном давлении и при атмосферном давлении по меньшей мере равно 2, предпочтительно по меньшей мере равно 4.

Контрольные опыты

Лопатку турбины, подобную лопатке по фиг.1 и 2, подвергали алитированию с использованием установки типа показанной на фиг.3. В качестве донора использовали сплав хром-алюминий с 30-35%-ным содержанием алюминия, в качестве активатора использовали AlF₃.

Процесс проводили при температуре в полости 21, примерно равной 1150°С, в течение примерно 3 часов.

Были проведены три контрольных опыта А, В, С соответственно с аргоном под атмосферным давлением (известный способ уровня техники - алитирование осаждением из газовой фазы), с гелием и с аргоном под пониженным давлением величиной примерно 13 кПа.

В приведенной ниже таблице представлены величины толщины покрытия (в мкм), измеренные на наружной поверхности лопатки и на внутренней поверхности полостей соответственно вблизи основания, в середине и вблизи вершины.

Таким образом, если сравнительно однородное наружное покрытие было получено во всех случаях, только способы по изобретению позволили обеспечить покрытие внутренних поверхностей.

Способ с использованием при пониженном давлении позволил получить полное алитирование внутренних поверхностей каналов и полостей. Тщательный их осмотр показал, что внутренние поверхности имели сплошное покрытие минимальной толщиной 30 мкм.

В противоположность этому способ с использованием гелия не позволил получить внутреннее покрытие до самой середины внутри лопатки. Следует заметить, что в контрольном опыте С (Ar при пониженном давлении) отношение L_{Ar red} /L_{Ar atm} было равно примерно 7,8, в то время как в опыте В (Не при атмосферном давлении) отношение L_He/L_{Ar atm} было равно примерно 3.

Процесс алитирования с гелием в качестве газа-носителя может также осуществляться при пониженном давлении для получения отношения L_{He red}/L_{Ar atm} выше 3 и приводит к полному алитированию внутренних поверхностей лопатки.

Реферат

Изобретение относится к способу защиты от окисления при высокой температуре металлических деталей, содержащих каналы и полости. Способ включает приведение, по меньшей мере, газообразного вещества, содержащего соединение алюминия, с помощью аргона или гелия в качестве газа-носителя в контакт с поверхностями помещенной в камеру детали. Давление газа-носителя выбирают таким образом, что средняя длина свободного пробега его молекул по меньшей мере в два раза превышает эту величину для молекул аргона при атмосферном давлении. В частных воплощениях изобретения металлическую деталь изготавливают с каналами, которые, по меньшей мере, в их части вблизи наружного отверстия имеют диаметр, увеличивающийся в направлении наружу. Техническим результатом изобретения является создание способа, позволяющего осуществить защиту алитированием как наружных, так и внутренних поверхностей металлической детали турбомашины и ограничить излишнюю толщину слоя осаждения на уровне отверстий и/или полостей. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

Формула