ВОССТАНОВЛЕННАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к области машиностроения и может быть использована в турбомашиностроении при восстановлении рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей.
Известна восстановленная наплавкой лопатка (Новые технологические процессы и надежность ГТД. Бюллетень. М. ЦИАМ, 1976, N 2 (6), с.71-73). 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.
Недостатком этой восстановленной лопатки является образование дефектов в виде несплавлений и подрезов при наплавке первого слоя.
Известна восстановленная лопатка турбомашины, имеющая на поврежденном участке пера лопатки выполненную цилиндрическую выемку, в который устанавливают вкладыш и приваривают его электроннолучевой 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 Х21271662, НКИ В 2 R, опубл. 1972 г.).
Известна также восстановленная лопатки турбомашины, имеющая в пере лопатки, в зоне повреждения, выемку, выполненную 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 электроннолучевой 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 (А.С. СССР №544208, МПК В23Р 6/00, опубл. 14.12.81).
Недостатками известных восстановленных лопаток является трудоемкость изготовления и необходимость использования для восстановления пера лопатки большого количества элементов, привариваемых на поврежденном участке лопатки.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранной в качестве прототипа является восстановленная лопатка турбомашины, содержащая вставку, приваренную к выемке в пере лопатки, выполненной на ее поврежденном участке при удалении дефектного объема материала лопатки, выполненную по форме и размерам соответствующим выемке. [Патент РФ №2185945, МПК 8 В23Р 6/00, опубл. 2002.07.27]. Для получения такой восстановленной лопатки на поврежденном участке пера лопатки выполняют выемку, изготавливают вставку по форме и размерам выемки, соединяют вставку с пером лопатки в зоне выемки до полного его совмещения с пером с образованием сварочного зазора и приваривают вставку к перу лопатки.
Известно, что, в общем случае изготовления или упрочнения лопаток турбомашин, влияние остаточных напряжений на их эксплуатационные свойства могут быть как положительными, так и отрицательными. Конечно, для оценки влияния остаточных напряжений необходимо знать величину и характер распределения остаточных напряжений, величину и характер приложения внешних нагрузок, совокупность механических свойств материала, из которого изготовлены детали или конструкции и др. Однако, что касается восстановленных наплавкой или с использованием привариваемых вставок, лопаткам остаточные сварочные напряжения, как правило приводят к ухудшению их эксплуатационных характеристик. Поэтому, как правило, после восстановления лопаток сварочными методами используется термообработка.
Недостатком прототипа является низкие эксплуатационные свойства восстановленных лопаток турбомашин из-за значительных остаточных механических сварочных напряжений, приводящих к неблагоприятному напряженно-деформированному состоянию в восстановленной зоне лопатки.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эксплуатационных свойств восстановленных лопаток за счет снижения уровня остаточных механических сварочных напряжений и создания в восстановленной зоне лопатки более благоприятного напряженно-деформированного состояния.
Технический результат достигается тем, что восстановленная лопатка турбомашины, содержащая вставку, приваренную к выемке в пере лопатки, а указанная выемка выполнена на поврежденном участке пера при удалении дефектного объема материала лопатки, а вставка имеет форму и размеры соответствующие выемке и обеспечивает полное восстановление геометрии пера лопатки, в отличие от прототипа, поверхности контакта выемки и вставки имеют синусоидальную форму, обеспечивающую взаимную компенсацию остаточных механических сварочных напряжений в зоне соединения вставки с пером лопатки.
Технический результат достигается также тем, что восстановленная лопатка турбомашины, имеет синусоидальную форму зоны контакта вставки и пера, средняя линия которой может является либо прямой линией, либо линией окружности, линией, эквидистантной кромке пера лопатки.
Технический результат достигается также тем, что восстановленная лопатка турбомашины, имеет синусоидальную форму зоны контакта вставки и пера либо с равномерной, либо с равномерно уменьшающейся амплитудой и шагом от центральной части вставки к его периферии.
Технический результат достигается также тем, что восстановленная лопатка турбомашины, имеет синусоидальную форму зоны контакта вставки и пера с равномерной амплитудой и шагом, при радиусах закруглений в зоне контакта вставки и пера от 1 мм до 100 мм, при величинах шага от 1 мм до 10 мм и амплитуды - от 1 мм до 15 мм.
Технический результат достигается также тем, что восстановленная лопатка турбомашины, имеет поверхностный слой, модифицированный имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, а также нанесенное на перо лопатки защитное покрытие; как варианты: защитное покрытие может быть выполнено многослойным в виде чередующихся слоев Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Мо, W, Al, La, Eu и их нитридов, боридов и карбидов, причем толщина каждого слоя составляет от 100 нм до 5 мкм при общей толщине покрытия от 10 мкм до 100 мкм, а также использоваться слои покрытия, подвергнутые ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией.
Достижение технического результата предлагаемой полезной модели объясняется созданием в сварном соединении участков взаимной компенсации механических напряжений за счет использования синусоидальной формы зоны контакта между вставкой и пером лопатки. При применении, как это практикуется в известных восстановленных лопатках приварки вставок при их ремонте, прямой линии контакта или линии контакта в форме окружности или овала, по мере возрастания протяженности контакта возрастают и силы взаимодействия между деформированными, в результате воздействия сварочных напряжений пером лопатки, вставкой и сварочным швом. При равномерном характере распределения остаточных напряжений, указанная сила взаимодействия будет возрастать с возрастанием протяженности линии контакта между вставкой и пером лопатки. Возникшая в зоне контакта сила взаимодействия, в силу неоднородности сварочного шва, а также воздействия эксплуатационных нагрузок и других факторов, будет перераспределяться и приведет к неравномерному распределению остаточных напряжений, возникновению участков компенсации в виде зарождающихся и развивающихся трещин, особенно в местах технологических дефектов сварного шва. Возникшая при этом неравномерность напряженно-деформированного состояния, приводит к возникновению концентраторов напряжения, появлению трещин в сварном шве и как результат - к снижению эксплуатационных свойств восстановленных лопаток турбомашин.
В отличие от упомянутых известных восстановленных лопаток турбомашин, в предлагаемом техническом решении использование в восстановленной лопатки турбомашины вместо прямой линии контакта или линии контакта в форме окружности или овала, линии контакта синусоидальной формы, позволяет создать равномерно распределенные по протяженности сварного шва участков взаимной компенсации механических напряжений. Это объясняется различным напряженно-деформированным состоянием выпуклой и вогнутой части сварного шва. Например, при наплавке на прямую поверхность пластины, в результате действия остаточных напряжений пластина согнется, причем вогнутая часть ее будет находиться со стороны наплавки. В случае наплавки на выпуклую поверхность, при воздействии остаточных напряжений радиус кривизны поверхности будет увеличиваться (она будет стремиться стать менее выпуклой), а в случае наплавки на вогнутую поверхность радиус кривизны поверхности будет уменьшаться (ее вогнутость будет увеличиваться). При наплавке на свободную поверхность синусоидальной формы, радиусы кривизны выпуклых участков будут увеличиваться, а радиусы кривизны вогнутых участков - будут уменьшаться. Если производить сварку стыка с синусоидальной формой в зоне контакта соединяемых деталей, то выпуклые части контакта будут стараться расшириться за счет создания в основном материале выпуклого участка напряжений растяжения, но им будут препятствовать в этом вогнутые участки, внутри которых они (выпуклые части контакта) располагаются, поскольку вогнутые участки будут сжимать выпуклые в силу того, что радиус их кривизны будет стремиться уменьшиться. Другими словами, в результате использования синусоидальной формы зоны контакта вставки и пера в сварном соединении возникают компенсаторы остаточных напряжений.
Еще одним эффектом, приводящим к повышению эксплуатационных свойств лопаток турбомашин, является увеличение прочности соединения «вставка-перо» за счет увеличения протяженности контакта, т.к. линия контакта синусоидальной формы больше чем, например прямой или овальной формы.
Еще одним эффектом, приводящим к повышению эксплуатационных свойств лопаток турбомашин, является использование плавных закруглений в сварочном соединении, которые способствуют уменьшению вероятности возникновения концентраторов напряжений.
Еще одним эффектом, приводящим к повышению эксплуатационных свойств лопаток турбомашин, является использование демпфирующего эффекта, свойственного форме контакта в виде синусоиды. Указанный эффект особенно важен при эксплуатации в условиях значительных знакопеременных нагрузок, когда сварочный шов, имеющий синусоидальную форму, позволяет демпфировать возникающие напряжения между пером лопатки, вставкой и сварочным швом.
Кроме того, значительно способствует повышению эксплуатационных свойств восстановленной лопатки использование защитных покрытий и ионно-имплантационной обработки лопатки.
Предлагаемая полезная модель поясняется конкретными примерами выполнения лопатки и прилагаемыми рисунками, подтверждающими возможность его осуществления, на которых:
фиг.1 схематично изображает лопатку 1, с выполненным на поврежденном участке пера выемкой с зоной контакта синусоидальной формы 2 и вставкой 4 с зоной контакта 3 по форме выемки на лопатке; А-А разрез пера лопатки 1 в области выемки.
фиг.2 схематично изображает сечение лопатки 1 в зоне контактной поверхности 2; r - радиус закруглений в зоне контактной поверхности 2 пера лопатки 1.
фиг.3 схематично изображает лопатку 1, с приваренной по синусоидальной поверхности 5 (сварной шов 5) вставки 4.
Восстановление лопатки осуществляется следующим образом. Поврежденный участок пера лопатки 1 удаляется фрезерованием путем выполнения выемки с синусоидальной контактной поверхностью 2 для стыковки со вставкой 4, также имеющей стыковочную синусоидальную поверхность 3 с радиусами закругления r, (фиг.1 и 2).
По форме выемки на лопатке 1 изготавливается вставка 4 толщиной, соответствующей толщине восстанавливаемого участка пера лопатки 1.
Вставку 4 соединяют с лопаткой 1 по контактным поверхностям 2 и 3. Производят приварку вставки 4 к лопатке 1 (например электронно-лучевой или аргонно-дуговой сваркой) с образованием сварного шва 5 (фиг.3).
При приварки вставки 4 к перу лопатки 1 в зоне выемки электроннолучевой сваркой, луч наводится на синусоидальный стык и сварка осуществляется по стыку.
Затем излишний объем материала вставки удаляют, отрезая вдоль кромки пера методом фрезерования. Для восстановления заданной геометрии пера лопатки производится предварительная механическая обработка методом фрезерования и окончательная механическая обработка шлифованием.
Восстановленные лопатки из стали 20Х13, были также подвергнуты (указанным в таблице) вариантам обработки, с целью получения защитных покрытий. Количество образцов группы бралось равным трем.
Таблица
№ Группы образцов
Имплантируемые ионы (в основу)
Имплантируемые ионы (в покрытие)
Материал слоев и схема их чередования
1 (Прототип)
N
-
4(Ti-TiN-TiN)
2
N+Cr
N
4(Ti-TiN-TiN)
3
Y
N
4(Ti-TiN-TiN)
4
Yb
Y
4(Zr-ZrN-ZrN)
5
С
N
4(Zr-ZrN-ZrN)
6
В
Сr,
4(Ti-TiN-TiN)
7
Zr
Y
4(Zr-ZrN-ZrN)
8
Y+N
Сr
3(Cr-CrN-Cr-CrN)
9
Y+Zr
Zr
3(Zr-ZrN-Zr-ZrN)
10
Y+Zr+N
Zr
3(Zr-ZrN-Zr-ZrN)
18
2
Режимы обработки лопаток и нанесения покрытия: ионная имплантация (ионами N, Сr, Y, Yb, С, В, Zr) с энергией Е=0,2 КэВ - 50 КэВ и дозой облучения Д=2·10 ион/см, с последующим постимплантационным отпуском в вакууме при температуре 400°С в течение 1 ч с одновременным нанесением ионно-плазменного многослойного покрытия (материал слоев и схема их чередования согласно таблицы)
-1
Для оценки стойкости лопаток из легированных стали 20Х13, восстановленных по прототипу и предлагаемому техническому решению 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) лопаток (после ремонта) составляет:
1) по прототипу - в среднем 100-110 МПа;
2) по предлагаемому техническому решению:
- без защитно-упрочняющей обработки - 220-240 МПа;
- с защитно-упрочняющей обработкой - 260-280 МПа;
Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток, указывает на то, что при использовании предложенной восстановленной лопатки турбомашины, содержащей ремонтную вставку, приваренную к выемке в пере лопатки, выполненной на ее поврежденном участке при удалении дефектного объема материала лопатки, выполненную по форме и размерам соответствующим выемке, отличающаяся тем, что поверхности контакта выемки и вставки имеют синусоидальную форму, обеспечивающую взаимную компенсацию остаточных механических сварочных напряжений в зоне соединения вставки с пером лопатки.
Восстановленная лопатка турбомашины, содержащая вставку, приваренную к выемке в пере лопатки, а указанная выемка выполнена на поврежденном участке пера при удалении дефектного объема материала лопатки, а вставка имеет форму и размеры соответствующие выемке, причем поверхности контакта выемки и вставки имеют синусоидальную форму, обеспечивающую взаимную компенсацию остаточных механических сварочных напряжений в зоне соединения вставки с пером лопатки, при выполнении поверхности контакта выемки и вставки синусоидальной формы, обеспечивающей взаимную компенсацию остаточных механических сварочных напряжений в зоне соединения вставки с пером лопатки; использование синусоидальной формы зоны контакта вставки и пера, со средней линией в виде, либо прямой линии, либо линии окружности, либо линией, эквидистантной кромке пера лопатки; при синусоидальной форме зоны контакта вставки и пера с равномерной амплитудой и шагом, либо, с равномерно уменьшающейся амплитудой и шагом от центральной части вставки к его периферии; использование радиуса закруглений в зоне контакта вставки и пера синусоидальной формы в диапазоне от 1 мм до 100 мм, при величинах шага от 1 мм до 10 мм и амплитуды - от 1 мм до 15 мм, использование поверхностного слоя, модифицированного имплантацией ионами одного из следующих химических элементов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, использование защитного покрытия выполненного многослойным в виде чередующихся слоев Ti, Zr, Hf, Cr, V, Nb, Та, Мо, W, Al, La, Eu и их нитридов, боридов и карбидов, причем толщина каждого слоя составляет от 100 нм до 5 мкм при общей толщине покрытия от 10 мкм до 100 мкм, а также использование слоев покрытия, подвергнутых ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией позволяют достичь результата предлагаемого технического решения, которым является повышение эксплуатационных свойств восстановленных лопаток за счет снижения уровня остаточных механических сварочных напряжений и создания в восстановленной зоне лопатки более благоприятного напряженно-деформированного состояния.
Пример. После дефектации ремонтной лопатки, изготовленной из хромистой стали 20Х13, производилось фрезерование дефектного мест на пере лопатки (удаление дефектного материала, выполнение на поврежденном участке пера лопатки выемки с синусоидальной поверхностью для стыковки со вставкой и разделка кромок под сварку). Затем, из той же хромистой стали 20Х13 по форме выемки изготавливалась вставка. Далее осуществлялась приварка вставки к перу лопатки при помощи аргонодуговой сварки. Приварка 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 сварке (в качестве подкладки) была использована медная пластина размером 350×50×4 мм, имеющая профиль пера лопатки со стороны входной кромки. 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.
Сварку 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.