Результат интеллектуальной деятельности: Способ восстановления бандажных полок лопаток турбомашин из жаропрочных никелевых сплавов

Изобретение относится к области сварки и наплавки и может быть использовано при работе изношенных или поврежденных бандажных полок лопаток турбомашин, выполненных из жаропрочных никелевых сплавов.

В процессе эксплуатации газотурбинных двигателей в турбинах, укомплектованных роторными лопатками с верхними бандажными полками, характерными повреждениями являются износ и разгары контактных и трактовых поверхностей, трещины, сколы покрытия, сопровождающиеся высокотемпературным окислением и постепенным разрушением износостойкого покрытия, а также прилегающему к нему основному материалу лопаток и потерей работоспособности лопаток турбины. Высокие контактные напряжения в антивибрационных бандажных полках связаны с необходимостью гашения колебаний лопаток, возникающих при работе двигателя. Таким образом, для увеличения ресурса лопаток турбины необходимо восстановить геометрические размеры лопаток наплавкой жаропрочного материала с последующим восстановлением износостойкого покрытия. Восстановить геометрические размеры лопаток увеличением толщины износостойкого материала не представляется возможным из-за его низких механических свойств.

Известен способ наплавки при восстановлении изношенных лопаток турбомашин, включающий наплавление на лопатки полос из легированных металлов, механическую обработку с обеспечением заданных геометрических размеров лопаток, последующую термическую обработку и нанесение защитного покрытия (RU 2434973, 2011, С23С 26/00).

Недостатком известного способа является невозможность его применения для восстановления бандажных полок лопаток.

Известен способ восстановления геометрических размеров бандажной полки непосредственно наплавкой износостойкого материала - сплавом ВЖЛ-2 (RU 2179915, 2002, В23Р 6/00). Недостатком данного способа является низкая жаропрочность наплавляемого материала, работоспособность которого ограничена температурой 900°С, что приводит к преждевременному разрушению восстановленных бандажных полок лопаток, работающих в двигателях с температурой до 1000°С.

Известен взятый за прототип способ восстановления бандажных полок лопаток турбомашин из жаропрочных никелевых сплавов, включающий удаление с бандажной полки покрытия с поврежденным слоем, наплавку на бандажную полку до заданных размеров жаропрочного никелевого сплава и механическую обработку наплавленного участка, затем отжиг лопатки и нанесение износостойкого покрытия на наплавленный участок бандажной полки, (US 20080028605, 2008, В23Р 6/00). Недостатком данного способа является невысокая надежность и низкий ресурс работы лопаток из-за высоких напряжений в материале лопатки, полученных при наплавке бандажной полки.

Технической проблемой предлагаемого изобретения является отслоение наплавленного участка и износостойкого покрытия от основы бандажной полки в процессе длительной эксплуатации из-за высоких напряжений, полученных при их наплавке.

Техническая проблема устраняется достижением технического результата, заключающегося в снижении остаточных напряжений в восстанавливаемой бандажной полке при наплавке материала. Вследствие этого повышается надежность и ресурс лопаток турбин, работоспособность бандажной полки лопатки при высокой температуре нагрева 1000-1060°С и качество наплавленных участков.

Техническая проблема устраняется тем, что способ восстановления бандажных полок лопаток турбомашин из жаропрочных никелевых сплавов, включает удаление с бандажной полки покрытия с поврежденным слоем, наплавку на бандажную полку до заданных размеров жаропрочного никелевого сплава и механическую обработку наплавленного участка, последующее проведение отжига лопатки и нанесение износостойкого покрытия на наплавленный участок бандажной полки. Наплавку бандажной полки осуществляют жаропрочным никелевым сплавом с более высоким температурным коэффициентом линейного расширения (далее - ТКЛР), чем у жаропрочного никелевого сплава бандажных полок лопаток, а в качестве износостойкого покрытия используют износостойкий материал на карбидной основе с кобальтовым связующим с более низким температурным коэффициентом линейного расширения, чем у жаропрочного никелевого сплава бандажных полок лопаток.

Техническая проблема устраняется также тем, что наплавку бандажной полки осуществляют жаропрочным никелевым сплавом ЖС32 с температурным коэффициентом линейного расширения 17,6⋅10^-6 K^-1 в интервале температур от 800 до 900°С с характеристиками жаропрочности не ниже, чем у жаропрочного никелевого сплава бандажных полок лопаток турбомашин, представляющего собой жаропрочный никелевый сплав ЖС26 с температурным коэффициентом линейного расширения - 15,2⋅10^-6 K^-1 в упомянутом интервале температур. При этом в качестве износостойкого материала на карбидной основе с кобальтовым связующим используют СМ-64, ХТН-61, ХТН-62 с коэффициентом линейного расширения α_t=(7,2-7,8)⋅10^-6 К^-1.

Техническая проблема устраняется также тем, что удаление с бандажной полки лопатки покрытия с поврежденным слоем осуществляют алмазным шлифованием, а отжиг лопатки осуществляют в среде нейтрального газа или в вакууме 10^-3-10^-4 мм рт.ст. при температуре не выше 1050°С.

Например, при выполнении материала основы лопатки из жаропрочного никелевого сплава ЖС26 с ТКЛР - 15,2⋅10^-6 K^-1 в интервале температур от 800 до 900°С, наплавку бандажной полки осуществляют материалом ЖС32 с ТКЛР 17,6⋅10^-6 K^-1 в интервале температур от 800 до 900°С, с характеристиками жаропрочности - не ниже, чем у материала основы лопатки. В температурном интервале 800-900°С величина температурного коэффициента линейного расширения α_t⋅10^-6, K^-1 составляет для сплавов, соответственно: ЖС26 - 15,2; ЖС32 - 17,6; ЭИ435 - 20,5. Таким образом, предъявляемым требованиям к материалам для наплавки удовлетворяют сплавы ЖС32 и ЭИ435.

При этом в качестве покрытия используют износостойкий материал на карбидной основе с кобальтовым связующим, например, СМ - 64, ХТН - 61, ХТН - 62 и др. с α_t=(7,2-7,8)⋅10^-6 K^-1.

Способ осуществляется следующим образом.

С основы бандажной полки лопатки, выполненной из жаропрочного никелевого сплава, удаляют покрытие с поврежденным слоем, в который могут переходить трещины из износостойкого покрытия. Эта операция выполняется, например, алмазным шлифованием. После этого ремонтируемый участок бандажной полки очищают от пыли и обезжиривают. Осуществляют контроль величины наплавляемого материала до заданного размера бандажной полки. Для снятия остаточных напряжений после наплавки производят отжиг лопатки в вакууме (10^-3…10^-4 мм рт.ст.) при температуре не выше 1050°С. Указанная температура обусловлена необходимостью избежать нежелательных изменений тонкой структуры упрочняющей γ'-фазы материала лопатки и ухудшения его механических свойств. Степень разрежения в вакуумной камере, где производится отжиг, определяют такой, чтобы не допустить образования оксидной пленки на поверхности замков лопаток, которые не содержат защитных покрытий.

После термообработки лопатки с наплавкой сплава до восстановления геометрических размеров бандажной полки осуществляют механическую обработку наплавленного участка, при котором удаляют избыток наплавленного материала для восстановления заданных геометрических размеров и формы бандажной полки. Указанная обработка может производиться, например, алмазным шлифованием. Выбор наплавляемого материала на поврежденный участок осуществляют следующим образом. Если материал основы бандажной полки лопатки, например, выполнен в виде жаропрочного никелевого сплава ЖС26 с α_t=15,2⋅10^-6 К^-1 в температурном интервале 800-900°С, то используют наплавляемый сплав, например, ЖС32 с высокими характеристиками жаропрочности - не ниже, чем у материала основы лопатки, с температурным коэффициентом линейного расширения (α_t=17,6⋅10^-6 K^-1 в интервале температур 800-900°С) - большим, чем у материала основы. Это обусловлено упрочнением и уменьшением напряженного состояния бандажной полки при последующем нанесении на нее износостойкого покрытия, что обеспечивает почти двукратное уменьшение остаточных напряжений в системе «износостойкий твердосплавный материал - (Со + карбиды) - наплавка, восстанавливающая размеры лопатки - основа». После проведения механической обработки бандажной полки на нее наплавляют износостойкое покрытие.

Наплавляемый износостойкий материал на карбидной основе с кобальтовым связующим имеет более низкий температурный коэффициент линейного расширения (для температурного интервала 800-900°С у твердосплавных материалов ХТН61, ХТН62, СМ64 системы [Со + карбиды] величина α_t=(7,2-7,8)⋅10^-6 K^-1), чем сплав лопатки, например, ЖС26 или ЖС6У, и наплавки, восстанавливающей размеры, например, сплавы ЖС32 или ЭИ435. При таком сочетании в системе после ремонта в износостойкой наплавке почти в два раза снижаются остаточные сжимающие напряжения и происходит разгрузка материала основы, что благоприятствует повышению долговечности лопатки. Так, например, при восстановлении размеров наплавкой сплава ЖС26 максимальные значения остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое отремонтированной бандажной полки составляют 111,92 кг/мм², а при восстановлении размеров полки сплавами ЖС32 или ЭИ435, напряжения уменьшаются, соответственно, до 53,83 кг/мм² и 51,04 кг/мм².

В заключение при необходимости может повториться контроль качества отремонтированных участков, например, капиллярный ЛЮМ-контроль и восстановление поврежденного жаростойкого защитного покрытия на участках, прилегающих к бандажной полке, например, шликерным методом путем алюмосилицирования.

Применение жаропрочного никелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у основного материала для восстановления размеров полки, обеспечивает почти двукратное уменьшение остаточных напряжений в системе «износостойкий твердосплавный материал - (Со + карбиды) - наплавка, восстанавливающая размеры лопатки - основа».

Способ восстановления бандажных полок лопаток турбомашин обеспечивает повышение надежности и ресурса работы лопаток, при этом достигается высокая точность восстановления геометрических размеров и формы бандажных полок, а также обеспечивается и высокое качество ремонта.