Способ лазерной обработки поверхности стальных лопаток турбин энергетических установок
METHOD OF LASER TREATMENT OF SURFACE OF STEEL BLADES OF TURBINES OF POWER PLANTS

Изобретение относится к области обработки металла лазерным лучом, в частности к обработке поверхности стальных лопаток турбин энергетических установок при их изготовлении и ремонте.
Рабочие лопатки - наиболее напряженные и ответственные части проточной части турбины и самый дорогой ее элемент. Разрушение лопаточного аппарата турбины приводит к неблагоприятным последствиям для всего турбоагрегата в целом и вынужденному останову турбины.
По мере охлаждения пара в ходе работы турбины в нем конденсируются капли воды. Лопатки паровых турбин подвергаются атаке этих капель, что ведет к парокапельной эрозии. Общепринятым способом защиты лопаток считалась высокотемпературная вакуумная напайка стеллитовых пластин (Демин Ф.И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей. [Электронный ресурс: учебник] / Ф.И. Демин, Н.Д. Проничев, И.Л. Шитарев; под. общ. ред. проф. Ф.И. Демина. - 2-е изд. - Самара: Изд-во СГАУ, 2012. - 324 с.). Однако у этого решения есть серьезные недостатки. Во-первых, процесс пайки стеллитовых пластин, является чрезвычайно трудоемким и длительным. Во-вторых, использование напаянных пластин снижает КПД турбины за счет искажения геометрии лопаток и ненужного их утяжеления. В-третьих, напаянные лопатки имеют тенденцию к преждевременному отслоению, причем отлетевшие пластины могут повредить другие лопатки. И, наконец, потеря пластин нарушает балансировку турбины.
Исключить стеллитовые пластины позволяет порошковая наплавка на поверхностный слой и (или) кромки лопатки с использованием энергии лазерного излучения. При этом лазерная порошковая наплавка используется как при изготовлении, так и при ремонте лопаток.
Известна лопатка паровой турбины (патент РФ №140966, F01D 5/12, С23С 4/12, В23К 26/342, опубл. 20.05.2014), содержащая защитное покрытие, выполненное лазерной наплавкой толщиной не менее 1000 мкм из сплава на основе кобальта, которое повышает качество поверхности лопатки, защищает от парокапельной эрозии и упрочняет рабочие поверхности лопатки без ухудшения ее усталостной прочности. Однако качество поверхностного покрытия определяется не только его толщиной, но и сцепленностью и перемешиванием материала покрытия с металлом основы. Для обеспечения высокой сцепляемости при малом перемешивании материалов покрытия и основы необходимо обеспечить в процессе наплавки требуемый термический цикл нагрева и охлаждения лазерным лучом поверхности лопатки.
Поскольку толщина пера лопатки является переменной, то для обеспечения постоянства термического цикла, а также в случае переменности толщины наплавляемого слоя в процессе лазерной наплавки необходимо изменять величину мощности излучения и скорости перемещения луча, определяя их оптимальное соотношение, а также объем наплавочного материала.
Наиболее близким по существу предлагаемого технического решения является способ ремонта лопаток энергетических установок (патент РФ №2545877, В23Р 6/00, В23К 26/342, С23С 26/00, опубл. 27.11.2014), который включает восстановление предварительно подготовленных поверхностей лопатки, нанесение покрытия с применением лазерного излучения и одновременной подачей порошкообразного присадочного материала в ванну расплава, причем управление процессом наплавки и величиной припуска осуществляют путем изменения мощности излучения Р в пределах от 300 до 2500 Вт, и/или скорости перемещения источника излучения V в пределах от 0,1 до 0,01 м/с, и/или количеством подаваемого порошкового материала G в пределах от 3 до 15 г/мин. При этом покрытие наносится с минимальным припуском под последующую обработку либо процесса наплавки проводится в размер.
Несмотря на управляемость процесса, в предлагаемом способе, заключающемся в нанесении однородного поверхностного слоя покрытия при подаче порошкообразного присадочного материала в ванну расплава поверхности лопатки, полученную воздействием лазерного излучения, сложно обеспечить высокое качество покрытия, заключающееся в одновременном выполнении совокупности достаточно противоречивых требований по трещиностойкости и прочности в условиях циклических нагрузок, высокую износостойкость и сцепляемость наплавленного слоя с основным материалом. Кроме этого в процессе выполнения операции наплавки сложно выдержать высокие требования к геометрической форме и чистоте поверхности, вследствие чего приходится выполнять операции механической обработки.
Задачей изобретения является повышение качества лазерного нанесения порошкового покрытия на рабочую поверхность стальных лопаток турбин энергетических установок при их изготовлении и ремонте.
Поставленная задача решается за счет того, что в отличие от известного технического решения процесс нанесения покрытия осуществляется в несколько стадий, а покрытие выполняется многослойным.
Стадиями технологического процесса лазерного нанесения порошкового покрытия, направленного на повышения его качества путем создания многослойной структуры поверхностного слоя, являются:
1. Десорбция (очистка) поверхности после механической обработки от органических и неорганических соединений и инородных частиц лазерным лучом в среде защитного газа для получения бездефектной структуры поверхностного слоя материала основы.
2. Управляемый лазерный переплав на глубину до 2 мм с одновременным структурированием материала лопатки путем изотермического отжига для получения однородной сорбитной структуры.
3. Лазерная закалка поверхностного слоя до HRC 40-45 на глубину 0,3-1 мм с высокотемпературным отпуском для получения прочной базовой основы процесса легирования.
4. Легирование рабочей поверхности лопатки с использованием, например, кобальтоникелевых порошков, с высокотемпературным отпуском с целью создания гетерогенного слоя, обладающего требуемой вязкостью и пластичностью.
5. Прямой лазерный синтез рабочей поверхности лопатки, включая кромки, путем управляемого твердожидкого фазного спекания с использованием полиметаллических композиционных порошковых материалов, армированных керамическими волокнами с усами на глубину до 30% от основного слоя.
6. Формирование макро геометрии поверхности лопатки путем грубого лазерного полирования.
7. Получение микрогеометрии финишным лазерным полированием.
Стадии 1-5 технологического процесса должны осуществляться в среде защитного газа, а по завершении переходов 1-4 поверхность лопатки должна покрываться временной защитной пленкой, например, оксидной микронной толщины.