СПОСОБ РЕМОНТА ЛОПАТОК ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
REPAIR METHOD OF BLADES MADE FROM STEEL ALLOY

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, изготовленных из легированной стали.
Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации, подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению.
Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются высоколегированные хромистые, хромомолибденовые (CrMo), хромомолибденованадиевые (CrMoV) и др. средне - и высоколегированные стали (например, для лопаток паровых турбин - стали марок 20Х13 и 15Х11МФ, газовых турбин - стали 20Х13, ЭИ 961).
Указанные стали относятся к числу нержавеющих сталей с содержанием Cr 11-14%, различающихся между собой содержанием легирующих элементов: С, Мо, V. Данные стали широко применяются,например, для изготовления лопаток паровых турбин, работающих в условиях влажно-паровой среды, при температурах до 500-600°С.
Хром, в этих сталях, является основным легирующим элементом, благоприятно влияющим на коррозионную стойкость (электрохимический потенциал, при наличии хрома, становится положительный, происходит образование на поверхности металла плотной и достаточно прочной окисной пленки, которая защищает от химической и электрохимической коррозии). Хром является ферритообразующим элементом, стабилизирует α-феррит, уменьшает область γ-аустенита. Предельное содержание Cr, при котором еще существуют γ-аустенит 13%. Введение Мо, Si - еще больше сужает γ-область, в то же время аустенитостабилизирующие элементы С, Mn, Ni ее расширяют. Кроме того, С образует карбиды Cr, обедняя твердый раствор. Наличие углерода при высоком содержании позволяет получать сочетание коррозионной стойкости и различной степени упрочнения при мартенситном превращении. Например, стали 20Х13 и 15Х11МФ в равновесном состоянии доэвтектоидные. После высокотемпературного нагрева и охлаждения на воздухе (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. (Как правило, ремонт лопаток является более целесообразным решением). Наиболее распространенным и практически обоснованным методом восстановительного ремонта является ремонт с использованием сварочных процессов.
При разработке технологии ремонта с использованием сварочных процессов важным фактором является правильный выбор сварочных материалов с учетом их адаптации к основному материалу лопатки.
Известно [Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. / под ред. академика Патона Б.Е. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.], что рассмотренные выше хромистые стали свариваются по двум технологическим вариантам:
- с применением сварочных материалов такого же или сходного с основным металлом химического состава;
- с использованием 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 нагревается до температур, близких к температуре плавления. В этих условиях избежать химической неоднородности не удается, и зачастую наблюдается подплавление границ зерен с образованием в отдельных случаев дефектов - надрывов. Такие дефекты в дальнейшем могут стать очагами разрушения. Очевидно, в этом случае целесообразно применять сварочные материалы температура плавления которых ниже температуры плавления основного металла. В этих случаях создаются условия для заполнения и ликвидации надрывов жидким металлом, и снижается опасность образования каких-либо трещин. Кроме того, в процессе эксплуатации лопаток, в результате воздействия среды, температуры, знакопеременных нагрузок, разности давлений на спинке и корыте лопатки и др. 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 (кислород, азот, углерод, водород и др.) загрязнения могут охватывать значительный объем основного металла лопатки.
В основном все хромистые стали желательно сваривать с подогревом, однако в отдельных случаях можно отказаться от подогрева, если толщина свариваемых изделий не превышает 8…10 мм, а также при использовании аустенитных и аустенитно-ферритной сварочной проволоки (сталей и сплавов). При использовании аустенитных электродов отпуск с целью повышения пластичности сварного соединения можно производить не сразу после сварки, но и отказаться от него, особенно в монтажных условиях.
При длительной эксплуатации (более 10 тыс. часов) на поверхности лопаток образуются различного рода дефекты, а в сталях, кроме структурных изменений, происходит ухудшение физико-механических свойств поверхности и основы материала из-за насыщения газами (кислородом, азотом, углеродом, водородом и др.). Поэтому дальнейшая эксплуатация таких лопаток становится невозможной. Однако восстановив физико-химическое состояние стали и устранив повреждения поверхности лопаток сварочными методами и размерной обработкой, эксплуатацию лопаток можно продолжить.
Известен способ восстановления пера лопаток методом холодного вальцевания, по которому лопатка восстанавливается путем удлинения пера при вальцевании за счет использования допуска по толщине лопатки [Новые технологические процессы и надежность ГТД. Бюллетень, М. ЦИАМ, 1981, N 1 (25), с.15-16]. Метод холодного вальцевания имеет ограничения по максимальному плюсовому допуску по толщине, а вальцевание с минусовым допуском по толщине лопатки исключено.
Известны способы наплавки с использованием упоров-кристаллизаторов [а.с. СССР N 1680459, В23К 9/04, 1989; N 1776511, В23К 9/04, 1990; патент РФ N 2078655, В23К 9/04, 1994]. В известных способах наплавки осуществляется принудительное формирование наплавляемого металла путем осаждения в охлаждаемом кристаллизаторе [а.с. CCCP N 1680459, В23К 9/04, 1989; N 1776511, В23К 9/04, 1990], либо ударной нагрузкой на сварочную ванночку [патент РФ N 2078655, В23К 9/04, 1994].
Недостатком известных способов является невозможность качественной наплавки присадочного материала на перо лопатки. 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, N 2 (6), с.71-73].
Недостатком этого способа является образование дефектов в виде несплавлений и подрезов при наплавке первого слоя.
Известен способ восстановления рабочих лопаток [Технология ремонта рабочих лопаток паровых турбин / Хромченко Ф.А., Лаппа В.А., Федина И.В. и др. // Тяжелое машиностроение. - 1999. - №8. - С.17. Попов В.А. Восстановление оборудования ТЭС наплавкой и напылением. - Тверь: Центр подготовки персонала ООО Тверьэнерго, 2000. С.241-243], включающий снятие лопаток с ротора, удаление защитных накладок, механическое удаление поврежденного участка кромки, многослойную наплавку восстанавливаемого участка кромки, печную термическую обработку, механическую обработку лопатки и приварку стеллитовых защитных пластин.
Наиболее близким к предлагаемому является способ ремонта лопаток из легированной стали [Гонсеровский Ф.Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных лопаток после эрозионного износа. // Электрические станции. - 1988. - №8. - С.38], включающий механическое удаление изношенной кромки, наплавку восстанавливаемого участка, механическую обработку лопатки.
Основным недостатком аналогов и прототипа является снижение механических свойств, околошовной зоны (границы зоны наплавки) и, следовательно, лопатки в целом. При этом термообработка на воздухе не позволяет повысить весь комплекс физико-механических и технологических свойств (а в некоторых случаях приводит к охрупчиванию материала поверхностного слоя).
Техническим результатом заявляемого способа является 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.
Технический результат достигается тем, что в способе ремонта лопаток из легированной стали, включающем удаление дефектных участков лопатки, восстановление геометрии лопатки наплавкой металла или сваркой и последующую механическую обработку лопатки, в отличие от прототипа, после удаления дефектных участков производят дегазацию металла лопатки в вакууме в течение не менее 0,5 ч до восстановления его дислокационной структуры последующим охлаждением со скоростью 10…50°С/мин, причем температуру дегазации выбирают из диапазона 200°С…680°С.
Технический результат достигается также тем, что в способе ремонта лопаток из легированной стали удаление дефектных участков лопатки осуществляют путем удаления ее поверхностного дефектного слоя, а также производят механическую выборку и разделку лопатки под сварку или наплавку металла, а после сварки производят размерную механическую обработку лопатки.
Технический результат достигается также тем, что в способе ремонта лопаток из легированной стали после размерной механической обработки лопатки производят электролитно-плазменное полирование или упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД), причем обработку ППД могут производить микрошариками.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в способе ремонта лопаток из легированной стали, после механической обработки или электролитно-плазменного полирования или упрочняющей обработки ППД, в частности ППД микрошариками, производят ионную имплантацию и постимплантационный отпуск. При этом в качестве ионов для имплантации могут использоваться ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинация, а ионная имплантация проводится при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
Me
Me-N
Me
Me-N
Технический результат достигается также тем, что в способе ремонта лопаток из легированной стали после размерной механической обработки или после имплантации на лопатку наносят защитное покрытие, а при нанесении защитного покрытия производят дополнительную ионную имплантацию, причем в качестве материала защитного покрытия используют нитриды металлов Me-N, карбиды металлов Ме-С и карбонитриды металлов Me-NC, где металлы Me-Ti, Zr, TiZr, N - азот, С - углерод, причем может использоваться многослойное защитное покрытие из чередующихся слоев металлов Me и нитридов металлов Me-N, карбидов металлов Ме-С и карбонитридов металлов Me-NC, где металлы Me-Ti, Zr, TiZr, а N-азот, С-углерод, а толщины слоев многослойного покрытия выбираются из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ - толщина слоя нитрида металла. При этом нанесение покрытия могут осуществлять ионно-плазменными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.
Таким образом, осуществление температурной выдержки в вакууме позволяет произвести дегазацию дефектной зоны, подвергаемой наплавке, что приводит не только к улучшению свариваемости материала лопатки, но и к восстановлению физико-химических 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, применение этих методов упрочнения, модифицирования и нанесения покрытий для способа-прототипа, из-за менее качественной наплавки (без дегазации зон наплавки), не позволяют достичь такого же высокого технического результата, как в заявляемом техническом решении.
Для оценки стойкости лопаток, восстановленных по прототипу и предлагаемому способу, были проведены следующие исследования.
Режимы и условия восстановления лопаток из легированных сталей 20Х13 и 15Х11МФ приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ варианта
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А)
Предлагаемый способ (Вариант В)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, ч
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, ч
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
680
воздух
3
30
680
Вакуум
3
30
2
15Х11МФ
680
3
30
680
3
30
3
ЭИ961
680
3
30
680
3
30
В таблицах 2-4 приведены дополнительные режимы восстановления лопаток по предлагаемому способу, охватывающие предлагаемый диапазон режимов обработки термовакуумной дегазации.
Таблица 2
№ варианта
Сплав
Режимы восстановления лопаток
Предлагаемый способ (Вариант С)
Предлагаемый способ (Вариант D)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>. ч
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, ч
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
680
Вакуум
0,5
20
200
Вакуум
7
10
2
15Х11МФ
680
0,5
20
200
7
10
3
ЭИ961
680
0,5
20
200
7
10
Таблица 3
№ варианта
Сплав
Режимы восстановления лопаток
Предлагаемый способ (Вариант Е)
Предлагаемый способ (Вариант F)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, ч
V<sub>охл</sub>
Т, °C
Среда
τ<sub>выд</sub>, ч
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
500
Вакуум
1,5
20
300
Вакуум
5
15
2
15Х11МФ
500
1,5
20
300
5
15
3
ЭИ961
500
1,5
20
300
5
15
Таблица 4
№ варианта
Сплав
Режимы восстановления лопаток
Предлагаемый способ (Вариант G)
Предлагаемый способ (Вариант Н)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, ч
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, ч
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
680
Вакуум
1,5
20
680
Вакуум
5
25
2
15Х11МФ
680
1,5
20
680
5
25
3
ЭИ961
680
1,5
20
680
5
25
Во всех случаях восстановления лопаток производилось удаление дефектного слоя металла механической обработкой.
Для оценки результатов сравнительных испытаний проводился визуальный осмотр, а также приготавливались микрошлифы различных зон (участков) наплавки лопаток на предмет обнаружения трещин, пор и других дефектов. (Результаты приведены в табл.5).
Таблица 5
№ варианта
Сплав
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А)
Предлагаемый способ (Вариант В)
Предлагаемый способ (Вариант С)
Предлагаемый способ (Вариант D)
Кол-во трещин на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
Кол-во трещин на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
Кол-во трещ. на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
Кол-во трещин на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
1
20Х13
11
5,2
-
-
-
-
-
-
2
15Х11 МФ
13
7,7
1
0,2
2
0,3
2
1,1
3
ЭИ961
9
7,2
-
-
-
-
-
-
Продолжение табл.5
№ варианта
Сплав
Режимы восстановления лопаток
Предлагаемый способ (Вариант Е)
Предлагаемый способ (Вариант F)
Предлагаемый способ (Вариант G)
Предлагаемый способ (Вариант Н)
Кол-во трещин на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
Кол-во трещин на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
Кол-во трещ. на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
Кол-во трещин на мм<sup>2</sup>
Мак-сим. длина трещ., мкм
1
20Х13
1
0,2
1
0,2
1
0,1
-
-
2
15Х11 МФ
1
0,4
2
0,2
1
0,2
3
ЭИ961
1
0,2
-
-
1
0,2
-
-
Таким образом, анализ результатов сравнительных испытаний показал, что наилучшие свойства восстановленных лопаток обеспечивает предлагаемый способ восстановления деталей. Образцы, обработанные по предлагаемому способу, характеризуются лучшими эксплуатационными свойствами и наименьшим количеством дефектов в наплавленной и приграничной с ней зонах (табл.5).
-1
Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток в условиях эксплуатационных температур (при 300-450°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток (после ремонта) составляет:
А. После восстановления и механообработки лопаток:
1) по способу-прототипу - в среднем 90-105МПа;
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, С,В, 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, С,В, 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, N, La, Ti или их комбинации; постимплантационный отпуск; нанесение защитного покрытия (при использовании в качестве материала защитного покрытия нитридов металлов Me-N, карбиды металлов Ме-С и карбонитридов металлов Me- NC, где металлы Me - Ti, Zr, TiZr, N-азот, С-углерод.), полученного, либо ионно-плазменным методом, либо электроннолучевым испарением в вакууме, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - получения при ремонте деталей наплавленного материала и границы зоны наплавки с минимальными дефектами за счет улучшения свариваемости материала детали, а также повышения эксплуатационных свойств лопатки после восстановления.
-1
-1
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа восстановления лопаток из легированных сталей позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ) 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 (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.). При этом простое использование упрочняющих видов обработки без соответствующего качества наплавки не позволяет достичь поставленного технического результата, а в ряде случаев дает обратный (негативный) эффект (например, снижение предела выносливости (σ) до 85-100 МПа.
Пример конкретной реализации способа.
-2
После дефектации ремонтной лопатки, изготовленной из хромистой стали 20Х13, производилось фрезерование дефектных мест на пере лопатки (удаление дефектного материала и разделка кромок под сварку). Затем осуществлялся нагрев до температуры термической выдержки в вакууме (500°С, время выдержки 1 час, вакуум 6·10 Па), и охлаждение в вакууме в камере до температуры окружающей среды (28°С). В результате термической выдержки в вакууме произошла дегазация дефектных участков металла лопатки и восстановление дислокационной структуры металла, что сказалось на повышении качества наплавки на этих участках. (Удаление эродированного слоя со стороны корыта производилось борфрезой с помощью прямой шлифмашинки, со стороны спинки - с помощью угловой шлифмашинки, после чего обработанные кромки и поверхности лопаток подвергались полировке лепестковым кругом из водостойкой шкурки, затем контролю цветной дефектоскопией. При механической обработке особое внимание уделялось разогреву обрабатываемой зоны и недопустимости образования цветов побежалости. Затем производился контроль методом цветной дефектоскопии.)
Далее осуществлялась наплавка подготовленных дефектных участков аргонодуговой сваркой. Наплавка лопаток проводилась в нижнем положении на постоянном токе прямой полярности с минимальным тепловложением с применением сварочной проволоки ЭП-367 (Св-06Х15Н60М15) диаметром 1,6 мм. Для исключения перегрева лопатки и улучшения газовой защиты сварочной ванны при наплавке (в качестве подкладки) была использована медная пластина размером 350х50х4 мм, имеющая профиль пера лопатки со стороны входной кромки. Наплавку выполняли в направлении от оси ротора в 2-6 слоев (в зависимости от вида лопатки: ГТД 2-4 слоя; паровой турбины 2-6 слоев), причем первый слой («оплавляющий») - без использования присадочной проволоки; последним накладывался «подварочный» валик со стороны корыта. Одновременно наплавлялись две лопатки (через одну) поочередно. Подачу аргона производили за 3-4 с до возбуждения дуги и прекращали через 6-8 с после ее обрыва с задержкой горелки над зоной сварки. Для сохранения тепловложений от сварки и уменьшения остаточных напряжений использовали нагретые керамические накладки.
Наплавку производят с помощью источника постоянного тока ДС200. Процесс наплавки можно производить как в стационарном, так и в импульсном режиме: сварочный ток 40…120 А; время импульса 0,2…0,3 с; время паузы 0,1 с; диаметр электрода 2…3 мм; расход аргона на горелку 5…8 л/мин;
Доведение профиля пера лопатки до чертежных размеров осуществляли механической обработкой (фрезерованием, шлифованием, полированием). Затем выполняли обезжиривание и контроль цветной дефектоскопией.
4
2
19
2
Ионная имплантация. 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 65С. После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2-10 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/см; доза имплантации ионов 3·10 ион/см.
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).
Далее проводят контроль и упаковку готового изделия.