АМОРФНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА
AMORPHOUS ALLOY ON COBALT BASIS

Изобретение относится к энергетике, конкретнее к материалам для защиты лопаток паровых турбин от парокапельной эрозии.
Специфические разрушения деталей паровых турбин, возникающие под действием многократных ударов капель конденсата, принято называть эрозией.
Наиболее интенсивной эрозии подвергаются входные кромки периферийных зон лопаток. При длительной работе турбины она может привести к износу периферийных зон на половину хорды лопатки и более. Эрозия входных кромок характерна для рабочих лопаток всех ступеней, работающих влажным паром, однако наиболее значительно изнашиваются рабочие лопатки последних ступеней.
Кроме того, в процессе эксплуатации лопатки подвергаются коррозии, которая приводит к ускоренным процессам наводороживания, что в свою очередь может привести к снижению усталостной прочности и, как следствие, разрушению.
Для увеличения срока эксплуатации лопаток паровых турбин при их производстве и ремонте наносят на поверхность лопаток эрозионностойкие и коррозионностойкие покрытия, а также восстанавливается геометрия лопатки и свойства материала покрытия.
Покрытия из никеля и его сплавов отличаются высокими прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Коррозионные свойства никеля высоки благодаря образованию на его поверхности тонкой и плотной защитной пленки. Никель весьма стоек в атмосфере, пресной и морской воде, растворах многих солей, щелочах. Сухие газы - галогены, оксиды азота, сернистый газ и аммиак - при комнатной температуре не вызывают коррозию никеля.
Стеллит - сверхтвердый сплав на основе кобальта и хрома с добавками вольфрама и/или молибдена для напыления и наплавки деталей машин, станков и инструмента с целью повышения износостойкости, для изготовления режущего инструмента, - применяется также как элемент сварной конструкции для защиты наиболее изнашиваемых частей готовой детали (входные кромки рабочих лопаток паровых и газовых энергетических турбин). Обладает высокой коррозионной, кавитационной стойкостью и твердостью. Недостатком подобных покрытий является их дороговизна.
Покрытия, включающие карбиды, нитриды, обладают высокой твердостью и износостойкостью.
Покрытия, содержащие бориды, характеризуются повышенной твердостью, износоустойчивостью и коррозионной стойкостью.
Керамические оксидные покрытия, обладая высокой твердостью, позволяют обеспечивать дополнительные свойства. Основными из них являются теплозащита, термостойкость, электроизоляция.
Покрытие пленкой аморфного углерода поверхностей лапоток паровых турбин способствует повышению смачиваемости в результате реакции углерода с металлом поверхности, что приводит к значительному увеличению сил связи, еще одно свойство аморфного углерода - отталкивать жидкость. Это обеспечивает получение прочного эрозионно и коррозионностойкого покрытия.
Ближайшим аналогом к предлагаемому изобретению модели является состав для защиты лопатки паровой турбины от парокапельной эрозии, описанный в патенте РФ RU 2392349 C2, МПК C23C 14/08, опубликовано 20.06.2010.
Недостатком ближайшего аналога является ограниченная способность противостоять кумулятивному характеру эрозионного износа. Процесс мартенситного старения кобальтовых сплавов протекает достаточно интенсивно и имеет двухступенчатую линейную кривую. После структурного накопления мартенситной фазы, процесс «выноса» материала из кобальтового сплава стабилизируется вплоть до полного разрушения покрытия.
Задачей, на которую направлено предлагаемое изобретение, заключается в том, что материал протектора должен обладать оптимальной комбинацией твердости и коррозионной стойкости.
Желаемым техническим результатом является увеличение стойкости к ударно-капельной эрозии.
Желаемый технический результат достигается тем, что аморфный сплав на основе кобальта для наплавки на лопатки паровой турбины содержит B 1.5-5, C 0.5-1, Cr 15-18, Fe 10-12, Ni 5-10, Mo 2-4, Si 2-4, Mn 5-8, Cu 2-5, W 10-12, Co - остальное. Основным условием образования аморфной фазы в наносимом покрытии является процентный состав аморфообразующих элементов.
Известно влияние размера зерна кристаллической решетки поверхностной структуры материала на эрозионную стойкость по отношению к парокапельной эрозии. Уменьшение зерна кристаллической решетки оказывает положительное влияние на эрозионную стойкость материала. Образование аморфной фазы в поверхностном слое материала является прямым следствием введения в состав присадочного материала аморфообразующих элементов. Последующий синтез аморфной структуры зависит в том числе и от процентного состава этих элементов в ванне расплава. С другой стороны известно, что аморфные структуры обладают тенденцией к охрупчиванию при определенных температурах. Таким образом оптимальным соотношением аморфной и кристаллической фаз в структуре поверхностного слоя материала можно достичь его максимальной эрозионной стойкости.
Пример
Проводилось нанесение покрытия на основе высоколегированного сплава типа B3K на лопатку паровой турбины методом лазерной наплавки. Предварительно удалялись защитные пластины, припаянные к передней кромке. Нанесение покрытия осуществлялось лазерной технологической головкой, закрепленной на фланце промышленного робота. Дальнейшая опытно промышленная эксплуатация ротора с нанесенным покрытием показала значительное увеличение ресурса лопаток турбины.
Так, ротор турбины с наплавленным слоем, нанесенным в 2005 году, до сих пор находится в эксплуатации без замены лопаток. Кроме того испытания на парокапельную эрозию, проведенные в течение 6 месяцев, показали 10-кратное увеличение эрозионной стойкости образцов с покрытием из кобальтового сплава.