CC BY
89
Уф а : У ГАТУ , 2009
^ё&онмьк,
Т .1 2 , № 1 ( 3 0) . С . 108- 1 12
МАШИНОСТРОЕНИЕ • ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ-ТЕХН. ОБРАБОТКИ
УДК 621.79:621.452
М. К. СМЫСЛОВА, А. Д. МИНГАЖЕВ,
К. С. СЕЛИВАНОВ, А. В. НОВИКОВ
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ РЕАБИЛИТАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЛОПАТОК ТУРБРОМАШИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Возникающий в процессе эксплуатации износ лопаток требует проведения либо их преждевременной замены, либо их восстановительного ремонта. При этом, как правило, ремонт лопаток является более рациональным и экономически оправданным решением. В статье рассматриваются вопросы, связанные с исследованием и разработкой новой технологии ремонта лопаток из легированных сталей, включающей в себя несколько вариантов сварочных процессов. ГТД; лопатка ; износ ; восстановительный ремонт ; упрочнение ; эксплуатационные свойства ; защитные покрытия
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что рабочие лопатки компрессора газотурбинных двигателей (ГТД), установок (ГТУ), паровых турбин в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению.
Исходя из требований, предъявляемых к эксплуатационным свойствам материалов деталей, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются высоколегированные хромистые, хромомолибденовые (СгМо), хромомолибденованадиевые (СгМоУ) и другие средне- и высоколегированные стали (например, стали марок 20Х13, 15Х11МФ). Они относятся к числу нержавеющих сталей с содержанием хрома от 11 до 14%, различающихся между собой содержанием легирующих элементов: углерода, молибдена, ванадия. Эти стали широко применяются, например, для изготовления лопаток паровых и газовых турбин, работающих в условиях влажно-паровой среды, при температурах до 500-600оС.
Общеизвестно, что хром в этих сталях является основным легирующим элементом, благоприятно влияющим на коррозионную стойкость. Электрохимический потенциал, при наличии хрома, становится положительным, происходит образование на поверхности металла плотной и достаточно прочной окисной пленки,
которая защищает материал от химической и электрохимической коррозии. При этом хром относится к ферритообразующим элементам, он стабилизирует а-феррит, уменьшает область у-аустенита. Предельное содержание хрома, при котором еще существуют у-аустенит - 13 %. Введение молибдена и кремния еще больше сужает у-область, в то же время, аустенитостаби-лизирующие элементы: углерод, магний, никель - ее расширяют. Кроме того, углерод образует карбиды хрома, обедняя твердый раствор. Наличие углерода при высоком содержании позволяет получать сочетание коррозионной стойкости и различной степени упрочнения при мар-тенситном превращении. Например, стали 20Х13 и 15Х11МФ в равновесном состоянии доэвтектоидные. После высокотемпературного нагрева и охлаждения на воздухе или в масле -имеют структуру мартенсита, т. е. относятся к мартенситному классу. Возникающий в процессе эксплуатации износ лопаток требует проведения либо их преждевременной замены, либо их восстановительного ремонта. При этом, как правило, ремонт лопаток является более рациональным и экономически оправданным решением. Наиболее распространенным и практически обоснованным методом восстановительного ремонта является ремонт с использованием сварочных процессов.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Контактная информация: (347)273-07-63
При разработке технологии сварочных процессов важным фактором является правильный
выбор сварочных материалов с учетом их адаптации к основному материалу лопатки.
Известно [1], что рассмотренные выше хромистые стали свариваются по двум технологическим вариантам с применением:
• сварочных материалов такого же или сходного с основным металлом химического состава;
• присадочных материалов аустенитного или аустенитно-ферритного класса сталей и сплавов.
В первом случае формируется сварное соединение с высокой структурной однородностью и высокой хрупкостью (при отсутствии термической обработки) и высокой прочностью (при проведении термической обработки); во втором случае формируется соединение с различными структурными составляющими, которые не рекомендуется эксплуатировать при температурах выше 500°С.
При сварке плавлением околошовная зона (зона термического влияния) нагревается до температур близких к температуре плавления. В этих условиях избежать химической неоднородности не удается, что влечет за собой под-плавление границ зерен с образованием характерных дефектов, надрывов. Такие дефекты в дальнейшем могут стать очагами разрушения. В этом случае на практике применяют сварочные материалы, температура плавления которых ниже температуры плавления основного металла. При этом создаются условия для заполнения и ликвидации надрывов жидким металлом и снижается опасность образования сварочных трещин. Кроме того, в процессе эксплуатации лопаток в результате воздействия агрессивной внешней среды, высокой температуры, знакопеременных нагрузок, разности давлений на спинке и корыте лопатки и других факторов, возникают процессы проникновения газов и других загрязнений в поверхностный слой материала лопатки. Наличие такого рода загрязнений способствует ухудшению качества наплавленного слоя материала. При этом, особенно при длительной эксплуатации, газовые загрязнения, такие как кислород, азот, углерод, водород и др., могут проникнуть с поверхности в значительный объем основного металла лопатки.
Существуют общие рекомендации по сварке хромистых сталей с подогревом, однако в отдельных случаях можно отказаться от подогрева, если толщина свариваемых изделий не превышает 8...10 мм, а также при использовании аустенитно-ферритной сварочной проволоки и аустенитных сталей и сплавов. При использова-
нии аустенитных электродов отпуск с целью повышения пластичности сварного соединения можно производить не сразу после сварки.
При длительной эксплуатации (более 10 тыс. часов) на поверхности лопаток образуются различного рода дефекты, происходят структурные изменения, ухудшение физикомеханических свойств поверхности и основы материала из-за насыщения газами (кислородом, азотом, углеродом, водородом и др.). Дальнейшая эксплуатация таких лопаток становится опасной. Однако восстановив физикохимическое состояние стали и устранив повреждения поверхности лопаток сварочными методами и размерной обработкой, эксплуатацию лопаток можно продолжить. Традиционные способы наплавки, например, с использованием упоров-кристаллизаторов [2-3], осуществляют либо принудительным формированием наплавляемого металла путем осаждения в охлаждаемом кристаллизаторе, либо применением ударной нагрузки на сварочную ванночку [4].
При технологии восстановления лопаток наплавкой с использованием медных приспособлений [5] на дефектный участок аргонодуговой сваркой наплавляют слои требуемой высоты сплавом, близким по свойствам к материалу лопаток. При этом перед наплавкой торцы зачищают, затем производят наплавку на постоянном токе. Одним из недостатков приведенных технологий восстановления [2-5] является образование дефектов в виде несплавлений и подрезов при наплавке первого слоя материала. Кроме того, в задачи указанных технологий не входит повышение эксплуатационных свойств восстанавливаемых деталей и их модернизация.
2. ПРИМЕНЕНИЕ РЕАБИЛИТАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН
Решение проблемы повышения эксплуатационных свойств деталей обеспечивается в технологии восстановления рабочих лопаток [6-8], которая в общем случае включает удаление с лопаток защитных накладок, механическое удаление поврежденного участка кромки, многослойную наплавку восстанавливаемого участка кромки, печную термическую обработку, механическую обработку лопатки и приварку стеллитовых защитных пластин.
В последних случаях [6-8] наблюдается снижение механических свойств, околошовной зоны и, следовательно, механических свойств материала лопатки в целом. При этом исполь-
зуемая термообработка на воздухе не позволяет улучшить качество всего комплекса физикомеханических и технологических свойств, а в некоторых случаях приводит к охрупчиванию материала поверхностного слоя.
Поэтому получение при ремонте лопаток из легированных сталей бездефектных границ зон наплавки и наплавленного материала за счет улучшения свариваемости материала детали, а также повышение эксплуатационных свойств лопатки после восстановления, в том числе и по сравнению с исходными свойствами новых деталей, является весьма актуальной задачей.
В этой связи в настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с исследованием и разработкой новой технологии ремонта лопаток из легированных сталей [9]. Предлагаемая технология включает следующие основные стадии: удаление дефектных участков лопатки, дегазация металла лопатки в вакууме в течение не менее 0,5 ч. до восстановления его дислокационной структуры с последующим охлаждением со скоростью от 10 до 50оС/мин при температуре дегазации в пределах диапазона от 200 до 680оС, зависящих от конкретного состояния материала лопатки и ее параметров. Далее производят восстановление геометрии лопатки наплавкой металла и последующую ее размерную механическую обработку. При этом удаление дефектных участков лопатки может осуществляться снятием ее поверхностного дефектного слоя, с последующим проведением механической выборки и разделки лопатки под сварку или наплавку металла.
Разработанная технология предусматривает также проведение после размерной механической обработки лопатки электролитноплазменного полирование [9-12] и упрочняющей обработки. В зависимости от целей обработки могут использоваться методы поверхностного пластического деформирования с применением микрошариков. Для повышения эксплуатационных свойств деталей технология предусматривает также проведение ионной имплантации и постимплантационного отпуска. В качестве ионов для имплантации могут использоваться ионы Сг, У, УЬ, С,В, 2г, К, Ьа, 'Л или их комбинация. Ионная имплантация проводится при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 1010 до 5 • 1020 ион/см2 [9].
Применение защитных покрытий в последние годы стало одним из основных методов защиты лопаток ГТД от воздействия различных разрушающих факторов. Однако наиболее эффективно, с точки зрения обеспечения эксплуа-
тационных свойств деталей, формирование защитного покрытия технологиями комплексной защитно-упрочняющей обработки [9, 13, 14]. В этой связи новая технология восстановления лопаток предусматривает нанесение защитных покрытий, комбинируемое с ионной имплантацией. Причем в качестве материала защитного покрытия могут использоваться нитриды металлов Ме-К карбиды металлов Ме-С, и карбо-нитриды металлов Ме-СК, а также многослойное защитное покрытие из чередующихся слоев металлов Ме и нитридов металлов Ме-К карбидов металлов Ме-С карбо-нитридов металлов Ме-КС (где Ме - металлы: Т1, 2г, Т^г, N - азот, С - углерод). Толщины слоев многослойного покрытия выбираются из диапазонов: §Ме = = 0,20.10 мкм, 5Ме.К= 0,10.6 мкм (где §Ме -толщина слоя металла, 5Ме.К - толщина слоя нитрида металла). Нанесение покрытия осуществляют ионно-плазменными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме [9].
Применение температурной выдержки в вакууме позволяет произвести дегазацию дефектной зоны, подвергаемой наплавке, что приводит не только к улучшению свариваемости материала лопатки, но и к восстановлению физикохимических и структурных свойств материала поверхностного слоя лопатки. Кроме того, применение дополнительных методов упрочняющей обработки, модифицирования поверхностного слоя материала лопатки и нанесения защитных покрытий, в сочетании с улучшенной, за счет более качественной наплавки материала на изношенные участки лопатки, зоной, позволяют достичь эффекта повышения эксплуатационных свойств лопатки после восстановления. Причем, как показали исследования, применение перечисленных методов упрочнения, модифицирования и нанесения покрытий для деталей, восстановленных традиционными методами [2-5], из-за менее качественной наплавки, осуществляемой без дегазации зон наплавки, не позволяют достичь высоких характеристик деталей. Для оценки характеристик лопаток, восстановленных по разработанной [9] и известным [2-5] технологиям, были проведены исследования их эффективности применительно к ремонтным лопаткам из легированных сталей 20Х13 и 15Х11МФ. Для повышения достоверности результатов сравнительных испытаний при восстановлении лопаток использовались аналогичные (за исключением отличительных признаков) виды обработки, а также на всех деталях производилось удаление дефектного слоя
металла механической обработкой. Режимы и условия восстановления лопаток из легированных сталей 20Х13 и 15Х11МФ приведены в табл. 1.
Таблица 1 Режимы восстановления лопаток
Номер варианта обработки Температура нагрева Т, °С Среда Время вы- держки ^вь^ час Ско- рость охлаж- дения Vохл, °С/мин
Известная технология [5] 680 воздух 3 30
Вариант 1 680 вакуум 3 30
Вариант 2 680 вакуум 0,5 20
Вариант 3 200 вакуум 7 10
Вариант 4 500 вакуум 1,5 20
Вариант 5 300 вакуум 5 15
Вариант 6 680 вакуум 1,5 20
Вариант 7 680 вакуум 5 25
Примечание: данные, полученные совместно с ООО «НПП УАСТ»
Для оценки результатов сравнительных испытаний проводился визуальный осмотр, а также исследования с использованием металлографических микроскопов зон наплавки лопаток на предмет обнаружения трещин, пор и других дефектов. Результаты приведены в табл. 2, 3.
Таблица 2
Результаты дефектации образцов из сплава 20Х13
Режимы восстановления лопаток Кол-во трещин на мм2 Максим. длина трещины, мкм
Известная технология [5] 11 5,2
Вариант 1 нет нет
Вариант 2 нет нет
Вариант 3 нет нет
Вариант 4 1 0,2
Вариант 5 1 0,2
Вариант 6 1 0,1
Вариант 7 нет нет
Анализ результатов сравнительных испытаний показал, что наилучшие свойства восстановленных лопаток были обеспечены при использовании разработанной технологии восстановления деталей. Образцы, обработанные по предлагаемому способу, характеризуются лучшими эксплуатационными свойствами и наи-
меньшим количеством дефектов в наплавленной и приграничной с ней зонах (табл.2, 3).
Таблица 3
Результаты дефектации из сплава 15Х11МФ
Режимы восстановления лопаток Кол-во трещин на мм2 Максим. длина трещины, мкм
Известная технология [5] 13 7,7
Вариант 1 1 0,2
Вариант 2 2 0,3
Вариант 3 2 1,1
Вариант 4 1 0,4
Вариант 5 2 0,2
Вариант 6 1 0,2
Вариант 7 нет нет
Таблица 4
Условный предел выносливости о_ь МПа лопаток после восстановительного ремонта по традиционной и разработанной технологии
Вариант обработки Традици- онная техноло- гия Предла- гаемая техноло- гия
После восстановления и механической ообработки лопаток 90-105 220-240
После обработки микрошариками 100-110 230-250
После имплантации ионов Сг, У, УЬ, С,В, Zr 130-140 260-280
После обработки микрошариками и имплантации ионов Сг, У, УЬ, С,В, Zr 92-104 270-290
После обработки микрошариками и имплантации ионов Сг, У, УЬ, С,В, Zr и нанесения защитного покрытия 84-92 250-270
После обработки микрошариками и имплантации ионов Сг, У, УЬ, С,В, Zr и нанесения защитного многослойного покрытия 86-104 260-280
Дополнительно были проведены испытания на выносливость лопаток в условиях эксплуатационных температур (при 300-450оС) на воздухе. Результаты исследования условного предела выносливости лопаток после восстановительного ремонта приведены в табл. 4.
ВЫВОДЫ
Проведенные исследования показали, что традиционное использование упрочняющих видов обработки без соответствующего качества наплавки [2-5] не позволяет достичь достаточно высоких эксплуатационных свойств деталей, а в ряде случаев дает обратный (негативный) эффект (например, снижение предела выносливости (g-i) до 85-100 МПа. Применение предлагаемой технологии восстановления лопаток из легированных сталей [9-14] позволяет увеличить по сравнению с традиционными технологиями условный предел выносливости (g_1) с 90-105 МПа до 220-240 МПа, а при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и нанесения покрытий до 250270 МПа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патон, Б. Е. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / под ред. академика Патона Б. Е. М. : Машиностроение, 1974. - 768 с.
2. А.С. СССР № 1680459, B 23 K 9/04, 1989.
3. А.С. СССР №1776511, B 23 K 9/04, 1990.
4. Патент РФ N 2078655, B 23 K 9/04, 1994.
5. Новые технологические процессы и надежность ГТД. Бюллетень. М. ЦИАМ, 1976, № 2 (6), с. 71-73.
6. Хромченко, Ф. А. Технология ремонта рабочих лопаток паровых турбин / Ф. А. Хромченко, В. А. Лаппа, И. В. Федина и др. // Тяжелое машиностроение. 1999. № 8. С. 17.
7. Попов, В. А. Восстановление оборудования ТЭС наплавкой и напылением. Тверь : Центр подготовки персонала OOO Тверьэнерго, 2000. С. 241-243.
8. Гонсеровский, Ф. Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных лопаток после эрозионного износа / Ф. Г. Гонсеровский // Электрические станции. 1988. № 8. С. 38.
9. Смыслов, А.М. Способ ремонта лопаток из легированной стали / А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и др. // Положительное решение по заявке на патент на изобретение РФ № 2006137914, B23P6/00, B23K9/04 от 13.10.2008 г.
10. Смыслов, А.М. Способ электролитноплазменной обработки детали / А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и др. // Положительное решение по заявке на патент на изобретение РФ № 2007112558, от 26.11.2008 г.
11. Смыслов, А. М. Способ электролитноплазменной обработки детали / А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и др. // Положительное решение по заявке на патент на изобретение РФ №2007115768. От 20.11.2008 г.
12. Смыслов, А. М. Способ электролитноплазменного полирования металлических изделий / А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и
др. // Положительное решение по заявке на патент на изобретение РФ №2007115755 от 11.11.2008 г.
13. Смыслов, А. М. Способ защиты лопаток паровых и газовых турбин от солевой и газовой коррозии, газоабразивной и капельно-ударной эрозии / А. М. Смыслов, М. К. Смыслова, А. Д. Мингажев и др. // Положительное решение по заявке на патент на изобретение РФ №2005134034. От 15.10.2008 г.
ОБ АВТОРАХ
Смыслова Марина Константиновна доц. каф. ОиТСП. Дипл. инж. техн. машиностр. (УГАТУ, 1997). Канд. техн. наук по техн. машиностр. (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. высокотвердых вакуумных ионно-плазмен. покрытий.
Мингажев Аскар Джамильевич, доц. каф. ТМ. Дипл. инж. по машинам и аппаратам хим. пр-в (УНИ, 1976). Канд. техн. наук по техн. летательн. аппаратов и двигателей (УГАТУ, 1987). Иссл. в обл. жаростойких и термобарьерных покрытий применит. к деталям авиац. техн.
Селиванов Константин Сергеевич, доц. каф. ТМ. Дипл. инж. по техн. машиностр. (УГАТУ, 1997). Канд. техн. наук по техн. машиностр. (УГАТУ, 2000). Иссл. в обл. физ.-хим., структурно-фазового состава и экспл. свойств поверхности деталей.
Новиков Антон Владимирович
аспирант каф. ОиТСП. Дипл. инж. по техн. машиностр. (УГАТУ, 1997). Иссл. в обл. восстановления свойств жаропрочн. материалов применением сварочных и термических процессов обработки.
