CC BY
109
МАШИНОСТРОЕНИЕ • ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХ. И ФИЗ-ТЕХН. ОБРАБОТКИ
УДК 621.793.324:621.452
Р. Р. НЕВЬЯНЦЕВА, А. А. БЫБИН,
Е. В. ПАРФЕНОВ, Н. Ф. ИЗМАЙЛОВА
ВЫБОР СПОСОБА УДАЛЕНИЯ ПОКРЫТИЯ ТЖ С ПОВЕРХНОСТИ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ РЕМОНТА ЛОПАТОК ЭНЕРГОУСТАНОВОК
Проведено комплексное исследование физико-химического состояния поверхности и некоторых эксплуатационных характеристик мартенситной стали после удаления с ее поверхности дефектного покрытия нитрида титана химическим и электролитноплазменным способами. Показано влияние способов съема покрытия на характеристики стальной поверхности и установлена возможность применения указанных способов обработки для создания ремонтной технологии в серийных условиях. Рабочая лопатка ; мар-тенситная сталь ; покрытие нитрида титана ; удаление покрытия ; химический способ ; электролитно-плазменный способ; рекомендации для технологии ремонта
ВВЕДЕНИЕ
Ионно-плазменные нитридные покрытия, в частности ТШ, позволяют защитить рабочие лопатки газотурбинного двигателя и паровых турбин от коррозионного и газоабразивного износа в течение заданного срока эксплуатации [1, 2]. При нарушении технологического процесса напыления на пере лопаток могут появляться различные дефекты, недопустимые по условиям эксплуатации изделия. Для повышения выхода годной продукции в серийном производстве необходимо наличие технологии ремонта, позволяющей проводить удаление покрытия нитрида титана с созданием поверхности деталей, пригодной для повторного его нанесения.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Удаление покрытия Т1К с ремонтных лопаток может проводиться с использованием химического и электролитно-плазменного способов [3-5]. Для повторного нанесения качественного защитного покрытия поверхность стали не должна содержать оксидных пленок или других продуктов взаимодействия с травильным раствором. Кроме того, согласно требованиям, предъявляемым к рабочим лопаткам, шероховатость поверхности перед нанесением покрытия не должна превышать значения Иа 0,2 мкм. В
процессе эксплуатации под действием различных факторов в поверхностном слое лопаток возникают максимальные напряжения, что может привести к зарождению очагов и развитию трещин усталости. На сопротивление усталости большое влияние оказывает состояние поверхности детали: шероховатость, структурный и фазовый состав, твердость, характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое. В процессе эксплуатации рабочие лопатки авиационных двигателей и паровых турбин взаимодействуют с компонентами воздуха и перегретого пара, в том числе и конденсированной влагой, содержащей агрессивные компоненты. Поэтому одной из наиболее важных характеристик, определяющих работоспособность деталей, является их коррозионная стойкость.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Цель работы - проведение исследований по влиянию удаления покрытия Т1К химическим и электролитно-плазменным способом на физикохимические и механические характеристики мартенситной стали и разработка технологических рекомендаций по ремонту рабочих лопаток энергоустановок.
3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на образцах из мартенситной высоколегированной хромистой стали марки 13Х11Н2В2МФш (ЭИ961ш). Об-
Контактная информация: (347)273-07-63
разцы подвергали термической обработке, шлифованию и полированию до получения шероховатости поверхности не более Яа 0,2 мкм. На подготовленные образцы наносили ионноплазменное покрытие ТІК толщиной 5...7 мкм. При использовании химического способа удаления покрытия ТІК применяли травильные растворы, содержащие плавиковую и соляную кислоты (базовая часть), а также азотную кислоту с добавлением уротропина (раствор состава № 7) или фосфорную кислоту (раствор состава № 2). Съем покрытия проводили при комнатной температуре. Электролитноплазменную обработку (ЭПО) осуществляли в 5% растворе сульфата аммония при напряжении на ячейке 200 В и температуре раствора 70 оС [5]. Измеряли шероховатость и твердость поверхности, величину электродного потенциала и токов коррозии относительно хлорсеребряного электрода, определяли распределение остаточных напряжений в поверхностном слое, изучали микроструктуру поверхности подложки, выполняли испытание на усталость при комнатной температуре с последующим фрактографиче-ским анализом изломов.
4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В таблице представлены физико-
механические характеристики мартенситной стали марки ЭИ961ш в исходном состоянии, а также после удаления покрытия ТІК различными способами.
Характеристики стальной поверхности после удаления ионно-плазменного покрытия химическим способом зависят от состава электро-
лита травления. После обработки образцов в растворе состава № 7 происходит незначительное возрастание шероховатости поверхности, что связано с растравливанием областей сплава вокруг мартенситных игл, обусловленным окислительным действием азотной кислоты. В то же время входящая в состав травильного раствора плавиковая кислота обеспечивает создание на поверхности вязкой пленки из плохо растворимых фторидов, что в свою очередь приводит к небольшому снижению твердости стальной поверхности по сравнению с ее исходным состоянием.
Использование травильного раствора состава № 2, в котором активный компонент - азотная кислота - заменен на менее активный -фосфорную кислоту, обеспечивает уменьшение шероховатости поверхности до двух раз по сравнению с раствором состава № 7. В данном случае поверхность стали, освобожденная от покрытия ТІК, пассивируется пленкой фосфатов железа и не подвергается дальнейшему травлению. Формирование в процессе травления такой пленки обусловливает снижение твердости поверхности в 1,3. 1,5 раза по сравнению с исходным состоянием.
Наличие пассивирующей пленки на поверхности образцов после удаления покрытия нитрида титана химическим способом подтверждается и результатами измерения электрохимических характеристик. Показано, что поверхность мартенситной стали в исходном состоянии характеризуется электродным потенциалом минус
0,54 В и значением тока коррозии 1,46-10-3 А/м2.
Т аблица
Эксплуатационные свойства стали ЭИ961ш при различном состоянии поверхности
Состояние поверхности Шероховатость поверхности Ка, мкм Т вердость поверхности, НВ Электродный потенциал поверхности, В Ток коррозии, х10-3, А/м2 Предел выносливости, МПа (20х106 циклов)
Исходное состояние до нанесения покрытия Т ІК 0,15.0,20 332.351 - 0,54 1,46 420
После ремонта электролитноплазменным способом 0,06.0,09 364.402 - 0,50 1,37 440
После ремонта химическим способом в растворе: - состава № 7 - состава № 2 0,19.0,21 0,10.0,11 286.302 207.248 - 0,43 - 0,36 1,24 1,11 400 430
Создание пассивной пленки приводит к сдвигу потенциала поверхности в область менее отрицательных значений и уменьшению величины токов коррозии, что свидетельствует о снижении активности стальной поверхности. Так, формирование пленки, состоящей из комплексных соединений фторидов металла, обеспечивает снижение активности поверхности в 1,2...1,3 раза, а пленки из фосфатов железа -в 1,3__1,5 раза. Полученные данные свидетель-
ствуют о положительной роли пассивирующего слоя на стальной поверхности и о большем снижении ее активности в случае создания пленки из фосфатов железа.
Обработка образцов с использованием электролитной плазмы обеспечивает уменьшение шероховатости поверхности в среднем в 2,7 и 1,5 раза по сравнению с химическим травлением в растворах № 1 и № 2 соответственно. Получение более высокого класса чистоты поверхности обусловлено не только особенностями электрохимического растворения поверхностного слоя, но и гидродинамическим воздействием парогазовой оболочки на обрабатываемую поверхность [6]. Одновременно поверхность испытывает воздействие электрических разрядов, что приводит к ее упрочнению и, как следствие, повышению твердости в 1,3 и 1,7 раза по сравнению с обработкой в растворах № 1 и № 2 соответственно.
Установлено также, что использование электролитно-плазменного метода для удаления покрытия Т1К приводит к созданию поверхности, обладающей электродным потенциалом минус
0,5 В и значением тока коррозии 1,37-10-3 А/м2, что практически не отличается от исходного состояния.
Различное воздействие рассматриваемых способов обработки на поверхность мартенсит-ной стали сказывается и на формировании в поверхностном слое остаточных напряжений. Следует иметь в виду, что в серийном производстве поверхность образцов в исходном состоянии с целью нанесения на нее качественного ионноплазменного покрытия подвергается механическому полированию. Данный вид обработки приводит к наведению в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия [7]. Экспериментально установлено, что непосредственно на поверхности напряжения достигают значений 360 МПа (рис. 1).
Офсу ,МПа
II 1 —-0 1
ш
/
/
1
0 20 40 60 80 100 Ь, МШ
Рис. 1. Эпюра остаточных макронапряжений в поверхностном слое стали ЭИ961ш после различных вариантов обработки: 1 - после ремонта химическим способом в растворе состава № 1; 2 - после ремонта химическим способом в растворе состава № 2; 3 - после электролитно-плазменной обработки; 4 -исходное состояние до нанесения покрытия
При воздействии на поверхность электролитной плазмы наблюдается упрочнение поверхностного слоя и наведение остаточных сжимающих напряжений. При этом уровень напряжений и характер их распределения по глубине образцов после проведения процесса ЭПО идентичен эпюре напряжений для исходного состояния поверхности, подвергнутой механическому полированию. Удаление покрытия Т1К химическим способом в растворах обеих составов приводит к уменьшению значений напряжений сжатия до 50 и 250 МПа для растворов состава № 1 и № 2 соответственно. В данном случае имеет место процесс химического стравливания напряженного слоя металла, возникшего при механической обработке образцов. При использовании травильного раствора состава № 1 в силу его большей активности наблюдается более значительный съем поверхностного слоя мартенситной стали и, соответственно, максимальное снижение уровня сжимающих напряжений. Формирование на поверхности более пассивной пленки фосфатов железа при использовании травильного раствора состава № 2 практически предотвращает растрав подложки, в связи с чем уровень сжимающих напряжений остается достаточно высоким.
Одной из основных эксплуатационных характеристик роторных лопаток изделий является сопротивление усталости. Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что предел выносливости также зависит от способа удаления дефектного покрытия при ремонте. В исходном состоянии после операции механического полирования предел выносливости составляет 420
МПа. Удаление покрытия Т1К с использованием электролитно-плазменного способа и химического в растворе состава № 2 приводит к незначительному возрастанию предела выносливости. Фрактографическим анализом установлено, что очаги зарождения усталостной трещины во всех случаях располагаются непосредственно на поверхности и имеет место как межкристаллит-ный, так и квазивязкий механизм разрушения. Применение при ремонте операции химического травления в растворе состава № 1 приводит к снижению сопротивления усталости на 20 МПа по сравнению с исходным состоянием поверхности. В данном случае очагом разрушения служат области растравливания материала вокруг мартенситных игл, а механизм разрушения носит преимущественно межкристаллитный характер.
Авторы работ [8, 9] отмечают, что предел выносливости зависит от ряда параметров состояния поверхности: шероховатости, остаточных напряжений и др. Наибольший удельный вклад в снижение сопротивления усталости вносит повышенная шероховатость поверхности. Из данных, приведенных в таблице, следует, что минимальные значения шероховатости поверхности имеют место после электролитноплазменной обработки. Анализ профилограмм микронеровностей поверхности в исходном состоянии и после электролитно-плазменной обработки показал, что после ЭПО не только снижается высота микронеровностей, но также изменяется их профиль. Для них характерно более плавное очертание и отсутствие единичных острых впадин. Формирование при электролитноплазменной обработке такого благоприятного профиля в совокупности с уровнем и характером распределения остаточных напряжений способствует возрастанию сопротивления усталости и, как следствие, увеличению долговечности лопаток.
В отличие от электролитно-плазменной обработки при химическом удалении покрытия Т1К в растворе состава № 1 происходит не только растравливание областей вокруг мартен-ситных игл, но и снятие слоя металла, наклепанного при механическом полировании. В результате происходит разупрочнение поверхностного слоя. Кроме того, шероховатость поверхности характеризуется неравномерностью шага и наличием острых впадин. Такие изменения в состоянии поверхности приводят к закономерному снижению сопротивления усталости. В тоже время после химической обработки с использованием раствора состава № 2 замет-
ного растравливания поверхности мартенситной стали не отмечается, что обусловливает сохранение предела выносливости на уровне исходного состояния.
5. ПРИЛОЖЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты проведенного комплексного исследования позволили разработать технологические рекомендации для удаления дефектного ионно-плазменного покрытия Т1К с рабочих лопаток из мартенситных сталей. В связи с тем, что способ электролитно-плазменной обработки и химическое удаление покрытия с использованием раствора состава № 2 обеспечивают необходимый уровень физико-механических и эксплуатационных характеристик материала основы, то указанные способы могут быть успешно применены при ремонте стальных лопаток. Вместе с тем, следует иметь в виду, что при ремонте крупногабаритных и сложнопрофильных деталей с использованием способа ЭПО вследствие неравномерного распределения электрических полей и соответственно парогазовой оболочки по поверхности на деталях могут возникать участки со следами микроразрядов и остатками неудаленного покрытия. В связи с этим данный способ целесообразно применять для обработки только тех деталей, для которых характерно образование равномерной парогазовой оболочки с устойчивым типом ее кипения.
ВЫВОДЫ
1. Установлено, что способы удаления де-
фектного покрытия нитрида титана оказывают различное влияние на эксплуатационные свойства материала деталей. Электролитно-
плазменная обработка по сравнению с химической обработкой обеспечивает наилучшие физико-механические показатели качества поверхности и не приводит к повышению коррозионной стойкости стальной подложки.
2. При использовании химического способа значительное влияние на эксплуатационные свойства поверхности оказывает состав травильного раствора. Наиболее оптимальным следует считать состав электролита, содержащий кроме соляной и плавиковой кислот дополнительно фосфорную кислоту, которая обеспечивает пассивацию поверхности стали за счет образования труднорастворимых слоев фосфатов железа.
3. Разработаны технологические рекомендации по ремонту лопаток с наличием дефект-
ного покрытия TiN с учетом конструктивных особенностей обрабатываемых деталей. Для простых в конструктивном отношении деталей рекомендуется процесс электролитноплазменной обработки, а при наличии труднообрабатываемых участков целесообразно использование химического способа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стяжкин, В. А. Вакуумно-плазменные покрытия системы Ti-N для компрессорных лопаток турбины / А. В. Стяжкин, А. А. Копылов, С. Я. Палеева // Защита металлов, 2000. Т. 36. № 3. С. 328-329.
2. Смыслов, А. М. Упрочнение лопаток газотурбинных приводов газоперекачивающих агрегатов и установок / А. М. Смыслов, В. В. Седов, С. П. Пав-линич и др. // Газотурбинные технологии, 2006. № 6. С. 12-15.
3. Амирханова, Н. А. Влияние природы и состава электролита на удаление покрытия нитрида титана / Н. А. Амирханова, Р. Р. Невьянцева, Т. М. Тимерга-зина и др. // Оптимизация процессов обработки конструкционных материалов: межвуз. тематич. науч. сб. Уфа : УГАТУ, 1996. С. 121-127.
4. Пат. РФ № 2081207 C23F1/44, 1/26. Раствор для удаления покрытий из нитрида и карбонитрида титана / Н. А. Амирханова, Р. Р. Невьянцева, Т. М. Тимергазина. Опубл. 1997. Бюл. № 16.
5. Пат. РФ № 2094546 C25F5/00. Способ удаления покрытия с металлической подложки / Н. А. Амирханова, Р. Р. Невьянцева, В. А. Белоногов, Т. М. Тимергазина. Опубл. 1997. Бюл. № 30.
6. Nevyantseva, R. R. The influence of vapor-gaseous envelope behavior on plasma electrolytic coating removal / R. R. Nevyantseva, S. A. Gorbatkov, E. V. Parfenov at all // Surface and Coatings Technology, 2001. № 148. Р. 30-37.
7. Мухин, В. С. Поверхность: технологические аспекты прочности деталей ГТД / В. С. Мухин. М. : Наука, 2005. 296 с.
8. Аскинази, Б. М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой / Б. М. Аскинази. М. : Машиностроение, 1977. 184 с.
9. Сулима, А. М. Качество поверхностного слоя и усталостная прочность деталей из жаропрочных и титановых сплавов / А. М. Сулима, М. И. Евстигнеев. М. : Машиностроение, 1974. 256 с.
ОБ АВТОРАХ
Невьянцева Римма Рахимзя-новна, доц. каф. общ. химии. Дипл. инж.-металлург и физ.-химик (Челябинск. политехн. ин-т, 1965). Канд. хим. наук по неорг. химии (защ. в ИПФ СО АН СССР, 1972). Иссл. в обл. ремонта лопаток авиац. двиг.
Быбин Андрей Александрович, доц. каф. технологии машиностроения. Дипл. инж. по автоматиз. технол. процессов и производств (УГАТУ, 2000). Канд. техн. наук по тепл., элек-троракетн. двиг. и энергоустановкам ЛА (УГАТУ, 2005).
Иссл. в обл. технологий восстановительного ремонта деталей газовых турбин.
Парфенов Евгений Владимирович, доц. каф. теор. основ электротехн. Дипл. инж. по пром. электронике (УГАТУ, 1997). Канд. техн. наук по авто-матиз. и упр. технол. процессами и производствами (УГАТУ,
2002). Иссл. в обл. упр. технол. процессами, цифровой обработки сигналов.
Измайлова Наиля Федоровна,
нач. бюро отдела гл. металлурга ОАО УМПО. Дипл. инж. по технологии машиностроения (УАИ, 1979). Иссл. в обл. упрочнения поверхности деталей газовых турбин концентрированными потоками энергии
