Восстановление работоспособности ГТД с применением новых технологий и материалов

УДК 629.7.036 В. А. Леонтьев, С. Д. Зиличихис, Э. В. Кондратюк, В. Е. Замковой

ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГТД С ПРИМЕНЕНИЕМ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ

В статье рассмотрены вопросы ремонта деталей газотурбинных двигателей, позволяющие восстанавливать не только геометрию детали, но и обеспечивающие необходимые эксплуатационные качества с применением современных материалов и технологических процессов.

В процессе эксплуатации двигатели подвергаются воздействию двух противоположных по характеру влияния процессов - изнашиванию и восстановлению, которые, в конечном счете, определяют техническое состояние и работо-способность двигателя. Вследствие изнашивания сопряженных деталей, старения материалов, нарушения процесса регулировок и различных эксплуатационных повреждений происходит постепенное или скачкообразное ухудшение технического состояния двигателя в целом и его отдельных конструктивных элементов. С другой стороны, проведение в процессе эксплуатации различных видов технического обслуживания и ремонта поддерживает работоспособность изделия, предотвращает возникновение отказов. Характер и режимы этих двух процессов определяют длительность неработоспособного состояния двигателя, затраты труда и средств на проведение технического обслуживания и ремонтов.

При многолетнем опыте эксплуатации и ремонта ГТД проведенными статистическими исследованиями было установлено, что большинство дефектов связано с прочностью деталей,причем 42 % из них вызваны переменными нагрузками. Возникновение остальных дефектов в элементах конструкции в основном обусловлены естественными процессами механического износа, коррозии, эрозии, коксообразования и т.д., происходящими в процессе работы двигателя, а также попаданием в двигатель посторонних предметов и нарушением технических условий эксплуатации.

Наряду с эксплуатационными дефектами узлов и деталей двигателей при их ремонте выявляются еще и дефекты металлургического и технологического характера.

Поэтому существующие технологические процессы ремонта предусматривают надежное выявление повреждений существующими методами и восстановление деталей или их замену с минимальными затратами времени и материальных средств. Типовый технологический процесс ремонта двигателя в обязательном порядке предусматривает следующие основные операции:

- очистка деталей и сборочных единиц от эксп-

луатационных отложений после разборки для де-фектации и проверки;

- дефектация - комплекс работ, состоящий в выявлении и характеристике дефектов, имеющихся в деталях;

- восстановление деталей - на основании конструкторской документации разрабатывается рациональный способ восстановления, обусловленный технологическими и экономическими факторами, восстановление жаростойких покрытий, а также определение необходимого запаса прочности;

- контроль отремонтированных деталей;

- комплектовка двигателей и сборочных единиц по наработке, циклам и техническому состоянию, не допуская переработки назначенного ресурса, как в часах, так и в циклах.

Из всех приведенных этапов ремонта этап восстановления наиболее трудоемкий и технически сложный.

Существуют два основных метода восстановления изношенных деталей:

- Метод ремонтных размеров, предусматривающий восстановление геометрической формы и шероховатости поверхности деталей без сохранения их первоначальных размеров.

- Метод номинальных размеров, предусматривающий восстановление изношенных деталей с восстановлением их первоначальных размеров.

Применение этих методов обусловливается наличием хорошей конструкторской или технологической базы. Зачастую технологические базы отсутствуют, а конструкторские базы под воздействием внешних сил претерпевают изменения. На восстановление конструкторских баз направлена часть первых операций ремонтного технологического процесса.

Применяемые способы и методы восстановления различны - от восстановления поверхности с применением пластических деформаций до слесарных доводочных работ.

Дальнейшая последовательность выполнения операций должна учитывать точность обработки, влияние способа ремонта на остаточную деформацию детали и совмещать воедино ряд операций по восстановлению, например, нескольких повер-

© В. А. Леонтьев, С. Д. Зиличихис, Э. В. Кондратюк, В. Е. Замковой 2006 г.

- 0219яшВестникя)вигателестроенияя1 4/т006 # 99 #

хностей одним и тем же способом.

Для успешной реализации ремонтных технологических процессов на ГП "Ивченко-Прогресс" активно внедряются новые технологии и оборудование, постоянно ведется работа по расширению ремонтопригодности деталей и узлов двигателей.

Одним из наиболее повреждаемых элементов рабочих лопаток турбины являются контактирующие поверхности верхних бандажных полок, т.к. при эксплуатации происходит износ контактных торцов, сопровождающийся высокотемпературным окислением.

Для обеспечения износостойкости контактных торцов рабочих лопаток ТВД, в первую очередь двигателя Д18-Т, совместно с Институтом металлофизики Национальной академии наук Украины (НАНУ) разработан высокотемпературный износостойкий сплав на кобальтовой основе - ХТН61.

Сплав ХТН-61 хорошо наплавляется на никелевые сплавы и образует паяные соединения, поэтому защита контактных торцов может производиться как напайкой пластин, так и непосредственной наплавкой сплава ХТН-61 с последующей механической обработкой.

Технология наплавки сплава ХТН-61 освоена на Московском машиностроительном производственном предприятии "Салют" для защиты контактных торцов рабочих лопаток ТВД двигателя Д-436 Т1.

В настоящее время для получения покрытий во внутренних полостях и в перфорационных отверстиях рабочих лопаток турбины является самым перспективным газоциркуляционный метод. Он отличается простотой исполнения, а также возможностью получения многокомпонентных покрытий на наружной и внутренней поверхностях лопаток одновременно.

В условиях ГП "Ивченко-Прогресс" в содружестве со специалистами ООО "Турбомет" г. Екатеринбург запущена в эксплуатацию установка для нанесения газоциркуляционного покрытия на основе СгА1 - ГЦП (СгА1).

ГЦП (СгА!) обеспечивает защиту поверхности охлаждающих каналов и перфорационных отверстий лопаток.

На наружную поверхность дополнительно наносится конденсационно-диффузионное покрытие СДП2 + ВСДП16.

Применение комплексного жаростойкого покрытия ГЦП (СгА!) + СДП-2 + ВСДП16 и высокотемпературного износостойкого сплава ХТН-61 для контактных торцов лопаток позволило увеличить ресурс рабочих лопаток ТВД двигателя Д18 Т до 12000 часов.

Совместно с Международным объединением Института электросварки им. О.Е. Патона НАНУ нами проводятся работы по исследованию и внедрению градиентных теплозащитных покрытий (ГТЗП) на основе диоксида циркония (2гО2).

Рабочие лопатки ТВД и ТНД (двигатель Д-27) с ГТЗП, нанесенным электроннолучевым методом, успешно прошли испытания.

На предприятии большое внимание уделяется технологиям очистки и подготовки поверхностей деталей под нанесение тех или иных покрытий.

В этой связи совместно с Киевским международным университетом гражданской авиации (КМУ-ГА) разработан эффективный метод очистки поверхности деталей авиационной техники - аэрозоль-но-гидродинамическая очистка (АГД очистка). Установка, на которой производится этот вид очистки, показана на рис. 1. Внешний вид рабочей лопатки турбины до и после АГД очистки показан на рис. 2.

АГД очистка является альтернативой существующим способам очистки, отличается высокой степенью универсальности, простотой применяемого оборудования, точностью регулирования и поддержания процесса.

АГД очистка применяется для очистки деталей авиадвигателей от высокотемпературных нагаров, коррозии, оксидных пленок, различных загрязнений с сохранением геометрических параметров; подготовки поверхности деталей под контроль методом цветной дефектоскопии ЛЮМ 1-ОВ; подготовки поверхностей под нанесение защитных покрытий.

Использование суспензий на основе природных материалов (глина) делает этот способ экологически чистым, в большинстве случаев исключает обдувку электрокорундом, что является важным для монокристаллических лопаток, т.к. резко снижается вероятность появления рекристаллизованного слоя.

В последние годы, исходя из общей ситуации на рынке авиационной техники, на нашем предприятии разработан ряд ремонтных и ремонтно-восста-новительных технологий, представляющих, с нашей точки зрения, интерес для других предприятий отрасли.

В качестве примера можно привести технологию ремонта рабочих лопаток ТВД из сплава ЖС32-ВИ, включающую:

1) удаление "выработанного" жаростойкого покрытия и очистку охлаждающих каналов;

2) восстановление изношенных торцев бандажных полок наплавкой порошком сплава ЖС32-ВИ, выполняемой плазменно-порошковым методом, разработанным совместно с Институтом электросварки им. Патона;

3) восстановление контактных торцев напайкой пластин износостойкого кобальтового сплава ХТН-61;

4) нанесение жаростойкого конденсационно-диф-фузионного покрытия СДП-2+ВСДП-16.

б

Рис. 1. Установка для АГД очистки деталей ГТД

а б

Рис. 2. Рабочая лопатка ТВД Д-18Т: а - до обработки АГД; б - после обработки АГД

На рис. 3 показаны бандажные полки рабочих лопаток ТВД дв. Д-18Т до и после выполненного ремонта наплавкой.

Результаты исследования механических свойств наплавленного сплава ЖС32-ВИ приведены в таблице 3. Длительная прочность при 975 °С и стандартной нагрузке 300 МПа составила 50-60 % от уровня долговечности образцов, полученных методом направленной кристаллизации.

По результатам капиллярного контроля ЛЮМ 1-ОВ, ремонт опытных партий рабочих лопаток ТВД дв.Д-18Т обеспечил выход 90 % годных лопаток.

Технология ремонта разработана для обеспечения межремонтного ресурса 6000 часов.

а

разгары по пластине ХТН-61

б

разгар с трещиной по основному материалу лопатки ЖС32-ВИ

в

после наплавки

г

после наплавки и механической обработки

Рис. 3. Рабочие лопатки ТВД дв. Д-18Т из сплава ЖС32-ВИ после эксплуатации

—От19яянЬестникяИвигателестроенияЯ 4/т006

- 101 -

Таблица 3 - Кратковременные механические свойства сварных соединений сплава ЖС32-ВИ, выполненных с присадкой порошка ЖС32-ВИ плазменно-порошковой сваркой

В дополнение можно перечислить некоторые после эксплуатационные ремонтные технологические процессы с применением сварки, наплавки и пайки:

- ремонт трещин сварных швов стоек корпуса промежуточного дв. Д-18Т из титанового сплава ОТ4-1 без разборки. Технологический процесс ремонта включает разделку трещин, зачистку, обезжиривание, герметизацию и подвод проточного аргона во внутреннюю полость стойки, заварку трещины на воздухе аргонодуговой сваркой с обеспечением защиты аргоном сварного шва с наружной и внутренней сторон;

- ремонт завихрителей двигателей Д-18Т и Д-436. Технологический процесс ремонта предусматривает удаление поврежденной части носика за-вихрателей и приварку электроннолучевой сваркой нового. Вид отремонтированного завихрителя показан на рис. 4;

- ремонт многовенцовых зубчатых колес из низколегированных сталей. Технологический процесс ремонта включает удаление изношенной части зубчатых венцов и электроннолучевую сварку вновь изготовленных с последующей термообработкой;

- ремонт титановых барабанов компрессоров. Ремонт состоит из удаления диска одной или дисков нескольких ступеней и приварку электронным лучом вновь изготовленных дисков, с последующим локальным электроннолучевым отжигом. Внешний вид отремонтированного барабана 1...4 ступеней КВД показан на рис. 5;

- восстановление торца пера рабочих лопаток компрессора. Ремонт состоит из АГД очистки поверхности пера в месте наплавки и наплавку присадочным материалом ЭП367 для лопаток из жаропрочного железоникелевого сплава ЭП718-ИД. Для лопаток из титановых сплавов ВТ8 и ВТЗ -1 присадочным материалом служит сплав ВТ 1-00;

- ремонт поверхностных разгаров и растрескиваний на профиле пера лопаток соплового аппарата. Ремонт включает очистку от нагара, механическую зачистку дефектных мест, нанесение механической смеси припоя ВПр24 с наполнителем ЖС6У-ВИ с последующей пайкой и механической обработкой;

- ремонт сектора лопаток СА ТВД методом замены поврежденных лопаток лопатками "донорами";

- ремонт проставок, колец сотового уплотнения. Ремонт состоит из полного или частичного механического удаления сот и замены новыми. Пайка выполняется припоями ВПр4, ВПр11 -40 Н или ВПр42.

Место приварки

Рис. 4. Завихритель, отремонтированный заменой носика

Рис. 5. Барабан 1......4 ступеней КВД двигателя Д-18Т

после ремонта

Вопросы восстановительного ремонта деталей и узлов ГТД, являясь жизненно важными в сфере экономики двигателестроения, занимают важное место в работе коллектива предприятия.

Разработанный и внедренный совместно с Институтом структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук г.

Черноголовка и Запорожской государственной инженерной академией порошок карбида титана хрома, плакированный (марки ПКХТН 30), позволил заменить ранее применявшееся покрытие из карбида вольфрама на антивибрационных полках рабочих лопаток вентилятора. Покрытие наносится плазменным напылением вместо детонационного напыления или электроискрового легирования. Наработка таких лопаток для двигателя Д-18Т более 10 тыс. часов, для Д-36 - 22 тыс. 67 часов без ремонта. Высокое качество исходного порошка позволяет на установке УПУ-8М с плазмотроном ПП-25 получать адгезию к напыляемому материалу, превышающую 5 кГ/мм2, что сравнимо с результатами при детонационном напылении.

Этот же порошковый материал позволил успешно решать вопросы ремонта посадочных мест ряда корпусных деталей, особенно из титановых сплавов.

В значительной степени успехи в ремонте деталей связаны с применением самофлюсующихся порошков типа ПГ-Ю5Н производства АО "Полена" г. Тула. Покрытия, полученные из этих порошков плазменным напылением, даже без последующего оплавления позволяют получать удовлетворительное качество слоя с требуемой твер-

достью в интервале НКС 20...60.

В заключение нужно сказать, что вопросы ремонта и восстановления деталей и особенно решение перспективных глобальных задач требуют приложения научного потенциала и соответствующего финансирования.

Мы надеемся на тесное сотрудничество с ВИ-АМом, ЦИАМом, ВИЛСом, НАН им. Патона, НАН Украины, учебными ВУЗами, в частности ЗНТУ, и другими предприятиями отрасли в решении текущих и перспективных задач разработки и ремонта авиационной техники.

Список литературы

1. Балабанов А.Н., Канарчук В.Е. Справочник технолога мелкосерийных и ремонтных производств. - К.: "Вища школа", 1983. - 256 с.

2. Руководство по технологии конструкций авиационных и специальных двигателей / Под редакцией П.Н. Белянина, НИАТ, 1980. - 432 с.

3. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П. Д., Яценко В.К., Качан А.Я. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. - Запорожье, 2003. - 396 с.

4. Крымов В.В. Елисеев Ю.С. Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей / Под редакцией Крымова, М.: Машиностроение. - Полет, 2002. - 300 с.

Поступила в редакцию 07.07.2006 г.

У cmammiрозглянут'1 питання ремонту деталей газотурб1нних двигун1в, що дозволя-ють вiдновлювати не тiльки геометрiю деталi, але й забезпечувати необхiднi експлуа-тацiйнi якостi з застосуванням сучасних матерiалiв i технологiчних процеав.

Problems of the gas-turbine engine components repair that allow to restore not only component geometry but to provide performance requirements using modern materials and processing, have been considered.

—Отй 9яшВестникяИвигателестроенияя1 4/mD06

- 103 -