Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановлении рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей.

Известен способ восстановления лопаток наплавкой. На изношенный участок аргонодуговой сваркой наплавляют слои требуемой высоты сплавом, близким по свойствам к материалу лопаток. Перед наплавкой торцы зачищают, затем производят наплавку на постоянном токе в медных приспособлениях (Новые технологические процессы и надежность ГТД. Бюллетень. М.: ЦИАМ, 1976, № 2 (6), с.71-73). Недостатком этого способа является образование дефектов в виде несплавлений и подрезов при наплавке первого слоя.

Известен способ восстановления пера лопатки турбомашины, по которому на поврежденном участке пера лопатки выполняют цилиндрическую выемку, устанавливают в ней вкладыш и приваривают последний электронно-лучевой сваркой, перемещая луч по окружности, вводя его в начальный момент со стороны вкладыша и выводя в конце сварки на вкладыш строго в одной точке (патент Великобритании № 1271662, НКИ B2R, опубл. 1972 г.).

Известен также способ восстановления пера лопатки турбомашины, заключающийся в том, что в пере лопатки, в зоне повреждения, выполняют выемку в виде части цилиндра, центр окружности которого расположен за кромкой пера, на поверхности со стороны корыта и спинки по поверхности контакта укрепляют накладки, устанавливая их заподлицо с вкладышем в месте максимальной толщины выемки, а приваривание вкладыша и накладок осуществляют электронно-лучевой сваркой по стыку вкладыша и накладок односторонне на глубину, превышающую толщину вкладыша. После сварки вкладыш с накладками отрезают вдоль кромки пера, а профиль в месте сварки вкладыша обрабатывают и полируют (АС СССР № 544208, МПК В23Р 6/00, опубл. 14.12.81).

Однако данными способами невозможно восстановить лопатку при локальных повреждениях поверхности пера лопатки в центральной ее части.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является способ восстановления поврежденного участка в центральной части пера лопатки турбомашины, включающий выполнение на поврежденном участке пера лопатки выемки, выполнение вставки по форме выемки, соединение вставки с пером лопатки в зоне выемки до полного его совмещения с пером лопатки, приваривание вставки к перу лопатки и последующую размерную обработку, обеспечивающую заданную форму лопатки [патент РФ № 2185945, МПК 8 В23Р 6/00, опубл. 2002.07.27].

Недостатком прототипа являются значительная трудоемкость процесса восстановления лопатки и низкие эксплуатационные характеристики лопаток турбомашин, в частности из-за значительных остаточных механических сварочных напряжений, приводящих к неблагоприятному напряженно-деформированному состоянию в восстановленной зоне лопатки. Кроме того, дефекты в виде выемок или ямок в центральной части пера лопатки могут быть ликвидированы лишь методами наплавки, что часто приводит к возникновению неблагоприятного напряженно-деформированного состояния лопатки и усадочных впадин на границе «наплавка - основной металл» на поверхности пера.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости процесса восстановления лопатки, повышение эксплуатационных характеристик восстановленных лопаток за счет снижения остаточных механических сварочных напряжений и создания в восстановленной зоне лопатки более благоприятного напряженно-деформированного состояния.

Технический результат достигается тем, что в способе восстановления поврежденного участка в центральной части пера лопатки турбомашины, включающем выполнение на поврежденном участке пера лопатки выемки, выполнение вставки по форме выемки, соединение вставки с пером лопатки в зоне выемки до полного его совмещения с пером лопатки, приваривание вставки к перу лопатки и последующую размерную обработку, обеспечивающую заданную форму лопатки, в отличие от прототипа соединение вставки с пером лопатки в зоне выемки выполняют стыковкой, вставку выполняют в виде пальца с торцом по форме выемки, приваривание вставки к перу лопатки осуществляют сваркой трением путем вращения вставки в виде пальца вокруг его продольной оси со скоростью и силой прижатия, обеспечивающей прочность соединения между вставкой и пером лопатки в зоне выемки в пределах от 0,4 до 1,0 от прочности основного материала лопатки; как варианты могут использоваться формы выемки в виде: конуса с углом при вершине, равным от 1° до 89°50'; усеченного конуса с углом при вершине, равным от 1° до 89°50' и с минимальным диаметром от 0,5 до 12 мм; цилиндра; сферы радиусом от 0,5 мм до 30 мм.

Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления лопаток турбомашин после размерной обработки пера лопатки производят ее термическую обработку до восстановления его дислокационной структуры; производят ее ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск; после термической обработки лопатки производят ее упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием микрошариками; производят ее электролитно-плазменное полирование; производят ее ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск.

Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления лопаток турбомашин после электролитно-плазменного полирования или после упрочняющей обработки ППД лопатки производят ее ионно-имплантационную обработку при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см и постимплантационный отпуск, используя ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации.

Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления лопаток турбомашин используют лопатки из легированных сталей, на перо лопатки газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме наносят многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом - Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом - Ме-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, В - бор, N - азот, С - углерод, причем толщины слоев многослойного покрытия выбирают из диапазонов: δ_Me=0,20…10 мкм, δ_Me-B=δ_Me-N=δ_Me-C=δ_Me-NC=0,10…6 мкм, где δ_Me - толщина слоя металла, δ_Me-B (δ_Me-N, δ_Me-C, δ_Me-NC) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла.

Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления лопаток турбомашин используют лопатки из никелевых или кобальтовых сплавов, на перо лопатки газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме наносят защитное покрытие толщиной от 10 до 60 мкм, а в качестве материала покрытия используют MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, NiPtAl; после нанесения покрытия наносят слой керамического материала толщиной 20…300 мкм, в качестве материала керамического слоя используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 вас.%, ZrO₂ - остальное, а нанесение слоя керамического материала осуществляют газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; после нанесения покрытия производят диффузионный отжиг лопатки.

Достижение технического результата предлагаемого способа объясняется простотой процесса восстановления пера лопатки когда для дефектов типа выемок или ямок в центральной части пера лопатки, вместо наплавки материала используются вставки в виде пломб. При этом достаточно легко одним из известных методов (например, засверловкой в местах указанных дефектов) выполнить выемку в виде лунки. Изготовление вставки в виде пальца с торцом по форме выемки также осуществить достаточно просто (например, на токарном станке). Что касается сварки трением, то она производится вращением пальца вокруг его продольной оси, что также не требует специального сложного оборудования (например, для этой цели может использоваться даже сверлильный станок). После удаления излишней части пальца путем его срезания «под корень» с оставлением припуска на обработку осуществляют требуемую размерную обработку пера лопатки в восстановленной зоне. В связи с тем, что сварка трением осуществляется без излишнего расплавления металла, и следовательно, при более низком нагреве лопатки, поэтому после восстановления дефектного участка в центральной части пера лопатки создается более благоприятное напряженно-деформированное состояние, приводящее к повышению эксплуатационных свойств восстановленной лопатки. Кроме того, использование вставки-пломбы вместо наплавки уменьшает разброс эксплуатационных свойств деталей, поскольку воспроизведение свойств восстановленных лопаток за счет использования регулярных форм дает более стабильные результаты. Например, использование правильного (плавного) сферического контакта на границе «вставка-перо» позволяет избегать возникновения концентраторов напряжения, характерных для других методов восстановления. Кроме того, применение упрочняющих технологий после восстановления формы лопатки вставками-пломбами позволяет значительно улучшить их эксплуатационные характеристики.

Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми рисунками, подтверждающими возможность его осуществления, на которых:

фиг.1 схематично изображает лопатку 1 с точечным дефектом 2;

фиг.2А схематично изображает сечение лопатки 1 в зоне дефекта 2 удаляемым материалом 3 и контуром будущей контактной поверхности 4;

фиг.2Б схематично изображает сечение лопатки 1 в зоне дефекта 2 с удаленным материалом и контуром контактной поверхности (выемкой) 4;

фиг.2В схематично изображает сечение лопатки 1 в зоне выемки 4 с пальцем 5, имеющим сферическую контактную поверхность, взаимодействующую с контуром контактной поверхности 4 лопатки 1 при вращении пальца 5 вокруг собственной продольной оси с угловой скоростью ω при воздействии силы прижатия Р, обеспечивающих процесс сварки трением;

фиг.3А и 3Б изображают сечение лопатки 1 в зоне выемки 4 с пальцем 5, имеющими соответственно коническую контактную поверхность и контактную поверхность в виде усеченного конуса, взаимодействующие с контуром контактной поверхности 4 лопатки 1 при вращении пальца 5 вокруг собственной продольной оси с угловой скоростью ω при воздействии силы прижатия Р, обеспечивающих процесс сварки трением;

фиг.4 схематично изображает процесс восстановления лопатки 1 путем приварки вставки: фиг.4А - процесс приварки сферического пальца 5; фиг.4Б - вставка-пломба 6, приваренная к лопатке 1 и отрезанная от пальца; фиг.4В - восстановленная зона лопатки после размерной обработки с обработанной вставкой-пломбой 7.

Способ осуществляют следующим образом. Поврежденный участок 2 пера лопатки 1 обрабатывается, например, фрезерованием для получения выемки с формой контактной поверхности 4 для стыковки со вставкой 5 (фиг.1 и 2). По форме выемки на лопатке 1 изготавливается заготовка вставки 5 в виде пальца с контактной поверхностью, соответствующей по форме поверхности 4 выемки на пере лопатки 1.

Вставку 5 вставляют в выемку на лопатке 1 по контактной поверхности 4, прикладывают усилие прижатия Р и приводят палец 5 во вращательное движение. Усилие Р и скорость вращения должны обеспечивать процесс сварки трением. Производят приварку вставки 5 к лопатке 1 (фиг.2, 3 и 4). Затем излишний объем материала вставки удаляют, вначале отрезая вставку 6 от пальца 5 (фиг.4Б), а затем производят размерную обработку, обеспечивающую восстановление заданной геометрии пера лопатки (фиг.4В) (например, проводится предварительная механическая обработка методом фрезерования и окончательная механическая обработка шлифованием).

Для оценки стойкости лопаток из легированной стали 20Х13, восстановленных по прототипу и предлагаемому способам, были проведены следующие испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток в условиях эксплуатационных температур (при 300-450°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено, что условный предел выносливости (σ_-1) лопаток (после ремонта) составляет:

А. После восстановления и механообработки лопаток:

1) по способу-прототипу - в среднем 85-105 МПа;

2) по предлагаемому способу - в среднем 220-240 МПа;

Б. После обработки микрошариками:

1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 100-110 МПа;

2) по предлагаемому способу - в среднем 230-250 МПа;

В. После имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr:

1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 130-140 МПа;

2) по предлагаемому способу - в среднем 260-280 МПа;

Г. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr:

1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу - в среднем 92-104 МПа;

2) по предлагаемому способу - в среднем 270-290 МПа;

Д. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr и нанесения защитного покрытия

1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 84-92 МПа;

2) по предлагаемому способу - в среднем 250-270 МПа;

Е. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr и нанесения защитного многослойного покрытия:

1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 86-104 МПа;

2) по предлагаемому способу - в среднем 260-280 МПа.

Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной упрочняющей обработки восстановленной лопатки и нанесения покрытия: упрочняющая обработка микрошариками; ионная имплантация ионами одного из следующей группы химических элементов: Cr, Y, Yb, C, B, Zr или их комбинации; постимплантационный отпуск; нанесение покрытия (нитридные покрытия Me-N, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот; многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Ме-N, где Me - Ti, Zr, TiZr, а N - азот), полученного либо ионно-плазменным методом, либо электронно-лучевым испарением в вакууме, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - получение при ремонте деталей наплавленного материала и границы зоны наплавки с минимальными дефектами за счет улучшения свариваемости материала детали, а также повышение эксплуатационных свойств лопатки после восстановления.

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа восстановления лопаток из легированных сталей позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ_-1) с 90-105 МПа до 220-240 МПа, а при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и нанесения покрытий до 250-270 МПа, что подтверждает заявленный технический результат.

Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, FSX-414, ЖС-6 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток (после ремонта) составляет:

1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 210-220 МПа, кобальтовые - 210-215 МПа;

2) по предлагаемому способу:

- (после механической обработки) - никелевые сплавы в среднем 225 МПа, кобальтовые - 215 МПа;

- (после обработки микрошариками) - никелевые сплавы в среднем 235 МПа, кобальтовые - 225 МПа;

- (после имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr) - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 230-240 МПа;

- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr) - никелевые сплавы в среднем 240-250 МПа, кобальтовые - 230-240 МПа;

- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а также покрытия NiPtAl) - никелевые сплавы в среднем 260 МПа, кобальтовые - 245 МПа;

- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а также покрытия NiPtAl, и нанесения слоя ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 мас.%, ZrO₂ - остальное при охлаждении лопаток) - никелевые сплавы в среднем 270 МПа, кобальтовые - 254 МПа.

Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток как из никелевых, так и кобальтовых сплавов во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной упрочняющей обработки восстановленной лопатки и нанесения покрытия: упрочняющая обработка микрошариками; ионная имплантация ионами одного из следующей группы химических элементов: Cr, Y, Yb, C, B, Zr или их комбинации; постимплантационный отпуск; нанесение покрытия MeCrAlY (где Me - Ni, Co, NiCo), полученного либо ионно-плазменным методом, либо электронно-лучевым испарением в вакууме; покрытие NiPtAl; нанесенный слой керамического материала толщиной 20…300 мкм, в качестве материала которого используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 мас.%, ZrO₂ - остальное, также способствуют достижению указанного технического результата заявляемого способа.

Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток указывает на то, что при использовании предложенного способа восстановления поврежденного участка в центральной части пера лопатки турбомашины, включающего выполнение на поврежденном участке пера лопатки выемки, выполнение вставки по форме выемки, соединение вставки с пером лопатки в зоне выемки до полного его совмещения с пером лопатки, приваривание вставки к перу лопатки и последующую размерную обработку, обеспечивающую заданную форму лопатки, соединение стыковкой вставки с пером лопатки в зоне выемки, выполнение вставки в виде пальца с торцом по форме выемки, приваривание вставки к перу лопатки осуществляют сваркой трением путем вращения вставки в виде пальца вокруг его продольной оси со скоростью и силой прижатия, обеспечивающей прочность соединения между вставкой и пером лопатки в зоне выемки в пределах от 0,4 до 1,0 от прочности основного материала лопатки; использование, как вариантов выемок по форме в виде: конуса с углом при вершине, равным от 1° до 89°50'; усеченного конуса с углом при вершине, равным от 1° до 89°50' и с минимальным диаметром от 0,5 до 12 мм; цилиндра; сферы радиусом от 0,5 мм до 30 мм; проведение после размерной обработки пера лопатки ее термической обработки до восстановления дислокационной структуры ее материала; проведение ее ионно-имплантационной обработки и постимплантационного отпуска; проведение после термической обработки лопатки: ее упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием микрошариками; проведение ее электролитно-плазменного полирования; проведение ее ионно-имплантационной обработки и постимплантационного отпуска; проведение после электролитно-плазменного полирования или после упрочняющей обработки ППД лопатки, ее ионно-имплантационной обработки при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10¹⁰ до 5·10²⁰ ион/см, а также постимплантационного отпуска, используя ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинации; использование лопаток из легированных сталей, нанесение на перо лопатки из указанных сталей газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме многослойного покрытия из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом - Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, В - бор, N - азот, С - углерод, при выборе толщины слоев многослойного покрытия из диапазонов: δ_Me =0,20…10 мкм, δ_Ме-В =δ_Me-N =δ_Me-С =δ_Me-NC =0,10…6 мкм, где δ_Me - толщина слоя металла, δ_Me-В (δ_Me-N, δ_Ме-С , δ_Me-NC) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла; а также использование лопаток из никелевых или кобальтовых сплавов, нанесение на перо лопатки из указанных сплавов газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме защитного покрытия толщиной от 10 до 60 мкм, использование в качестве материала покрытия MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, NiPtAl; нанесение после нанесения покрытия слоя керамического материала толщиной 20…300 мкм, использование в качестве материала керамического слоя ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5…9 мас.%, ZrO₂ - остальное, при нанесении керамического материала газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; проведение после нанесения покрытия диффузионного отжига лопатки позволяют достичь технического результата предлагаемого изобретения, которым является снижение трудоемкости процесса восстановления лопатки, повышение эксплуатационных характеристик восстановленных лопаток за счет снижения остаточных механических сварочных напряжений и создания в восстановленной зоне лопатки более благоприятного напряженно-деформированного состояния.

Пример конкретной реализации способа. После дефектации ремонтной лопатки, изготовленной из хромистой стали 20Х13, производилось фрезерование дефектного места на пере лопатки (удаление дефектного материала, выполнение на поврежденном участке пера лопатки выемки со сферической поверхностью для стыковки со вставкой-пальцем с аналогичной сферической торцовой поверхностью). Затем из той же хромистой стали 20Х13 по форме выемки изготавливалась вставка-палец. Далее осуществлялась приварка вставки к перу лопатки при помощи сварки трением. Приварка проводилась при усилии прижатия 15 Н и скорости вращения 1000 об/мин. Для исключения перегрева лопатки и улучшения газовой защиты при сварке (в качестве подкладки) была использована медная пластина размером 350×50×4 мм, имеющая профиль пера лопатки со стороны входной кромки. Для сохранения тепловложений от сварки и уменьшения остаточных напряжений использовали нагретые керамические накладки. Доведение профиля пера лопатки до чертежных размеров осуществляли механической обработкой (фрезерованием, шлифованием, полированием). Затем выполняли обезжиривание и контроль цветной дефектоскопией. После чего осуществлялась защитно-упрочняющая обработка. Обработку поверхности лопаток по предлагаемому способу проводят в следующей последовательности. После всех формообразующих механических обработок, включая электролитно-плазменное полирование, лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60 до 65°С. После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2-10⁴ Па и проводят очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантацией хрома по режиму: имплантируемый ион Cr; энергия ионов 300-1000 эВ; плотность ионного тока 5-10 мА/см²; доза имплантации ионов 3·10¹⁹ ион/см².

После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400°С в течение 1 ч. Постимплантационный отпуск можно совмещать с нанесением ионно-плазменных покрытий (режимы при нанесении покрытия: ток I=140 А, напряжение U=140 В).