СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD TO RECONDITION STEAM TURBINE VANES FROM ALLOYED STEELS

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть применено для упрочняющей обработки кромок лопаток паровых турбин при их изготовлении или при восстановительном ремонте.
В процессе эксплуатации лопатки паровых турбин испытывают воздействие различных разрушающих факторов, в частности соударения с каплями воды в условиях знакопеременных циклических нагрузок. В результате лопатки паровых турбин подвергаются различным, в частности эрозионным, повреждениям [Рыженков В.А. Состояние проблемы и пути повышения износостойкости энергетического оборудования ТЭС // Теплоэнергетика. - 2000. - №6. - С.20-21. Пряхин. В.В., Поваров О.А., Рыженков В. А. Проблемы эрозии турбинных рабочих лопаток // Теплоэнергетика. - 1984. - №10. - С.25].
Замена поврежденных лопаток паровых турбин является трудоемким и дорогостоящим мероприятием, так как требует снятия их с ротора, приобретения новых лопаток, установки их на ротор и проч [Гонсеровский Ф.Г. Семнадцатилетний опыт эксплуатации лопаток паровых турбин после ремонта с применением сварки // Теплоэнергетика. - 2000. - №4. - С.39. Гонсеровский Ф.Г., Силевич В.М. Технико-экономическое обоснование способа ремонта эрозионно-изношенных паротурбинных лопаток в условиях электростанций // Тяжелое машиностроение. - 2001. - №9. - С.21-22]. В связи с этим разработка новых способов упрочняющей обработки лопаток паровых турбин, позволяющих повысить их эрозионную стойкость, является актуальной задачей.
Известен способ упрочняющей обработки при ремонте рабочей лопатки паровой турбины [а.с. СССР №1278469, F01D 25/28. Опубл. 23.12.1986]. При ремонте лопатки по этому способу на место изношенного участка кромки приваривается пластина.
Недостатком этого способа является сложность изготовления и приварки пластины, а также высокий уровень растягивающих остаточных напряжений, возникающих после приварки пластины и приварки защитных накладок.
Известен способ упрочнения при восстановлении рабочих лопаток паровых турбин [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.
Недостатками этого способа являются необходимость снятия лопаток с ротора, необходимость проведения печной термической обработки после наплавки, что усложняет и удорожает работу. Также недостатком этого способа является отсутствие термической обработки после приварки защитных накладок, в результате чего в материале лопатки сохраняется высокая неоднородность структурно-фазового состава и высокий уровень растягивающих остаточных напряжений.
Наиболее близким к предлагаемому является способ восстановления лопаток паровых турбин из легированных сталей [Гонсеровский Ф.Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных лопаток после эрозионного износа // Электрические станции. - 1988. - №8. - С.38], включающий удаление и восстановление изношенного участка лопатки, механическую обработку лопатки, формирование на входной кромке защитных полос из стеллита и термическую обработку лопатки.
Основными недостатками этого способа являются возникновение при приварке пластин в зоне термического влияния высоких растягивающих - остаточных напряжений, что приводит к снижению усталостной прочности материала лопаток.
Известно, что влияние остаточных напряжений на прочность изделий и их эксплуатационную надежность может быть как положительным, так и отрицательным. Для решения вопроса о положительном или отрицательном влиянии 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 только с помощью расчета с учетом различных факторов можно решить вопрос о прочности, надежности и долговечности деталей с учетом влияния среды, в которой они работают. Недостатком прототипа является невозможность управления полями остаточных напряжений в широких пределах.
Задачей изобретения является создание способа изготовления детали с эрозионно стойким покрытием, позволяющим повысить эксплуатационные свойства деталей за счет формирования в детали композиции из основного и упрочняющего материала.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе восстановления входной кромки лопатки паровой турбины из легированных сталей, включающем удаление и восстановление изношенного участка лопатки, механическую обработку лопатки, формирование на входной кромке защитных полос из стеллита и термическую обработку лопатки, в отличие от прототипа восстановление изношенного участка лопатки проводят наплавлением стабильно аустенитных никелевых и/или кобальтовых сплавов, а также сплавов никеля с кобальтом, а механическую обработку осуществляют путем восстановления геометрии входной кромки лопатки и изготовления на ней углублений для формирования полос из стеллита, по форме, размерам и расположению соответствующих форме, размерам и расположению защитных полос из стеллита, стеллитовые полосы формируют наплавкой или напылением, причем наплавку выполняют плазменным, лазерным, электронно-лучевым или электродуговым методами, а напыление выполняют газопламенным, детонационным, плазменным или электродуговым методами.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе восстановления лопаток паровых турбин в качестве упомянутых сплавов используют сплавы никеля с железом и кобальта с железом, а также сплавы никеля, кобальта и железа.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе восстановления лопаток паровых турбин размеры стеллитовых полос выбирают из диапазонов: длина от 30 до 100 мм, ширина от 3 до 25 мм, толщина от 1 до 5 мм, располагая их по длине вдоль продольной оси лопатки; стеллитовые полосы располагают в одну линию с промежутками между ними от 0,2 до 2 мм; угол скоса кромок торцов стеллитовых полос в зоне промежутков между ними составляет от 10 до 90 градусов.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе восстановления лопаток паровых турбин после термообработки лопатки проводят ее размерную обработку, оставляя высоту стеллитовых полос в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки, в частности, восстанавливая исходный заданный профиль пера лопатки; при размерной обработке на поверхности стеллитовых полос формируют регулярный рельеф с выступами, обеспечивающими турбулизацию пограничного слоя потока пара в процессе эксплуатации лопатки; регулярный рельеф с выступами выполняют по типу акульей кожи.
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе восстановления лопаток паровых турбин термическую обработку проводят при температуре 680±20°С; при этом термическую обработку можно также проводить локальным термоциклированием в диапазоне температур от 800 до 1050°С.
10
20
2
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе восстановления лопаток паровых турбин после термической обработки лопатки производят ее электролитно-плазменное полирование, затем ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, а ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см.
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
10
20
2
Поставленная задача решается также за счет того, что в способе восстановления лопаток паровых турбин на перо лопатки ионно-плазменным методом наносят защитное покрытие толщиной от 10 до 30 мкм из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом Ме-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Мо, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, В - бор, N - азот, С - углерод, причем толщины слоев многослойного покрытия выбирают из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ (δ, δ, δ) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла, а после нанесения ионно-плазменного покрытия как вариант способа проводят ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, а ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см.
Восстановление лопаток паровых турбин из легированных сталей включает удаление дефектного материала и восстановление изношенного участка лопатки методами наплавки или приварки вставок с последующей механической обработкой лопатки, включающей восстановление геометрии лопатки и изготовление углублений для нанесения стеллита. Формирование на входной кромке защитных полос из стеллита производят методами газотермического напыления: газопламенным, детонационным или плазменным методом. Углубления на входной кромке под полосы из стеллита изготавливают методами механообработки или размерной электроэрозионной или электрохимической обработки. Углубления выполняют из условий, что их форма, размеры и расположение на входной кромке пера лопатки соответствуют форме, размерам и расположению формируемых защитных полос из стеллита. Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена лопатка со сформированными на входной кромке стеллитовыми полосами, полученными напылением. На чертеже обозначено:
1 - лопатка; 2 - изношенная область лопатки; 3 - заданный профиль лопатки; 4 - наплавленная область; 5 - углубления под стеллитовую наплавку (напыление); 6 - стеллитовые полосы.
Способ осуществляют следующим образом. Восстанавливают изношенный участок 2 лопатки 1 наплавляя материал 4 на величину, несколько большую, чем исходный профиль 3 лопатки 1. Наплавку материала проводят одним из известных способов (плазменным, лазерным, электронно-лучевым или электродуговым методами). Восстановление изношенного участка 2 лопатки 1 проводят наплавлением стабильно-аустенитных материалов 4. На наплавленном участке 4 до или после восстановления геометрии 3 входной кромки лопатки 1 механическими или электрофизическими методами изготавливают углубления 5 под полосы из стеллита 6, по форме, размерам и расположению соответствующие форме, размерам и расположению защитных полос из стеллита 6. Затем наплавкой или напылением формируют стеллитовые полосы 6, либо наплавляя, либо напыляя стеллит в углубления 5. Наплавку или напыление проводят одним из следующих методов: наплавку - плазменным, лазерным, электронно-лучевым или электродуговым методами, а напыление - газопламенным, детонационным, плазменным или электродуговым методами. В качестве стабильно-аустенитных материалов используют никелевые и/или кобальтовые сплавы, а также сплавы никеля с кобальтом, никеля с железом и кобальта с железом, а также сплавы никеля, кобальта и железа. Размеры стеллитовых полос 6 выбирают из диапазонов: длина от 30 до 100 мм, ширина от 3 до 25 мм, толщина от 1 до 5 мм, располагая их по длине вдоль продольной оси лопатки; стеллитовые полосы располагают в одну линию с промежутками между ними от 0,2 до 2 мм; угол скоса кромок торцов стеллитовых полос в зоне промежутков между ними составляет от 10 до 90 градусов. Термическую обработку лопатки с нанесенным стеллитом проводят при температуре 680±20°С. При этом термическую обработку можно также проводить локальным термоциклированием в диапазоне температур от 800 до 1050°С.
После термообработки лопатки 1 проводят ее размерную обработку, оставляя высоту стеллитовых полос 6 в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки, в частности, восстанавливая исходный заданный профиль 3 пера лопатки 1. Кроме того, при размерной обработке на поверхности стеллитовых полос 6 формируют регулярный рельеф с выступами, обеспечивающими турбулизацию пограничного слоя потока пара в процессе эксплуатации лопатки 1. Регулярный рельеф с выступами на стеллитовых пластинах 6 выполняют по типу акульей кожи.
10
20
2
10
20
2
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
Для повышения эксплуатационных свойств лопатки 1 после ее термической обработки проводят электролитно-плазменное полирование. Затем ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, а ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см. Кроме того, на перо лопатки 1 ионно-плазменным методом наносят защитное покрытие толщиной от 10 до 30 мкм из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, В - бор, N - азот, С - углерод, причем толщины слоев многослойного покрытия выбирают из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ(δ, δ, δ) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла, а после нанесения ионно-плазменного покрытия как вариант способа проводят ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск, причем в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, а ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см.
10
20
2
10
20
2
Me
Ме-В
Me-N
Me-C
Me-NC
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
Для оценки заявляемого способа и сравнения его со способом-прототипом были проведены следующие исследования. Первая группа лопаток с эксплуатационными дефектами была восстановлена наплавкой в дефектных зонах согласно способу-прототипу. Вторая группа лопаток с эксплуатационными дефектами была восстановлена по вариантам заявляемого способа. Восстановление изношенного участка лопатки проводили наплавлением стабильно-аустенитных материалов, используя никелевые и кобальтовые сплавы, а также сплавы никеля с кобальтом, никеля с железом и кобальта с железом, а также сплавы никеля, кобальта и железа. Для формирования защитных полос из стеллита на входной кромке лопатки изготавливались углубления со следующими размерами: длина 30 мм, 50 мм, 70 мм, 100 мм; ширина: 3 мм, 8 мм, 16 мм, 25 мм; толщина: 1 мм, 3 мм, 5 мм. Углубления по длине располагались вдоль продольной оси лопатки. Стеллитовые полосы формировали в одну линию, с промежутками между ними, равными: 0,2 мм, 0,8 мм, 1,6 мм, 2 мм; угол скоса кромок торцов стеллитовых полос в зоне промежутков между ними составлял: 10°, 30°, 60°, 90°. Стеллитовые полосы формировали наплавкой плазменным, лазерным, электронно-лучевым или электродуговым методами, а также напылением: газопламенным, детонационным, плазменным или электродуговым методами. Составы наплавленных и напыленных материалов, а также режимы их наплавки и напыления составляют ноу-хау. Термическую обработку проводили по двум вариантам: при температуре 680±20°С; локальным термоциклированием в диапазоне температур от 800 до 1050°С. Лопатки подвергались электролитно-плазменному полированию, для этого детали погружали в ванну с водным раствором электролита, затем прикладывали к пластинам положительное напряжение, а к электролиту - отрицательное. Детали обрабатывались в среде электролита на основе водного раствора сульфата аммония концентрацией 0,8…3,4%. Производилось циркуляционное охлаждение электролита (поддерживалась средняя температура процесса 50…65°С). Лопатки подвергались также ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску. В качестве ионов для имплантации использовались ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti, а также их комбинации. Ионную имплантацию проводили при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см. На перо лопатки ионно-плазменным методами наносили защитные покрытия толщиной: 10 мкм, 20 мкм, 30 мкм, из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, В - бор, N - азот, С - углерод, причем толщины слоев многослойного покрытия составляли: δ=0,20 мкм, 0,8 мкм, 2 мкм, 5 мкм, 10 мкм, δ=δ=δ=δ=0,10 мкм, 0,20 мкм, 0,8 мкм, 2 мкм, 6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ(δ, δ, δ) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла. После нанесения ионно-плазменного покрытия как вариант способа проводили ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск, причем в качестве ионов для имплантации использовали ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионную имплантацию проводили при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см.
уд
Для исследования стойкости лопаток паровых турбин на капельно-ударную эрозию были изготовлены образцы из стали 20Х13, которые были подвергнуты описанным выше вариантам обработки. Стойкость к капельно-ударной эрозии исследовалась по методике МЭИ (Московского энергетического института) на стенде "Эрозия" при соударении жидких частиц размером 800 мкм и скоростью С=300 м/с.
Результаты исследования приведены в таблице. Установлено, что стойкость к капельно-ударной эрозии у образцов с предлагаемыми стеллитовыми покрытиями увеличилась приблизительно от 3 до 7 раз.
Стойкость к капельно-ударной эрозии
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
№ п/п
Увеличение стойкости, раз
0
-
6
5,22
1
7,02
7
6,02
2
3,44
8
5,99
3
3,89
9
4,33
4
4,26
10
6,98
5
5,87
10
20
2
10
20
2
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-MC
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
Повышение стойкости восстановленных и обработанных лопаток к капельно-ударной эрозии показало, что при использовании следующих приемов восстановления и защитно-упрочняющей обработки лопаток паровых турбин из легированных сталей: удаление и восстановление изношенного участка лопатки наплавлением стабильно-аустенитных материалов; механическая обработка лопатки; формирование на входной кромке защитных полос из стеллита; термическая обработка лопатки; проведение формирования защитных полос из стеллита получением на входной кромке углублений под полосы из стеллита, по форме, размерам и расположению соответствующих форме, размерам и расположению защитных полос из стеллита; формирование стеллитовых полос наплавкой или напылением; выполнение наплавки плазменным, лазерным, электронно-лучевым или электродуговым методами, а напыления газопламенным, детонационным, плазменным или электродуговым методами; использование в качестве стабильно-аустенитных материалов никелевых и/или кобальтовых сплавов, а также сплавов никеля с кобальтом, никеля с железом и кобальта с железом, а также сплавов никеля, кобальта и железа; выбор размеров стеллитовых полос из диапазонов: длина от 30 до 100 мм, ширина от 3 до 25 мм, толщина от 1 до 5 мм, располагая их по длине вдоль продольной оси лопатки; расположение стеллитовых полос в одну линию с промежутками между ними от 0,2 до 2 мм; обеспечение угола скоса кромок торцов стеллитовых полос в зоне промежутков между ними от 10 до 90 градусов; проведение после термообработки лопатки ее размерной обработки, оставляя высоту стеллитовых полос в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки, в частности, восстанавливая исходный заданный профиль пера лопатки; формирование при размерной обработке на поверхности стеллитовых полос регулярного рельефа с выступами, обеспечивающими турбулизацию пограничного слоя потока пара в процессе эксплуатации лопатки; выполнение регулярного рельефа с выступами по типу акульей кожи; проведение термической обработки при температуре 680±20°С; проведение термической обработки локальным термоциклированием в диапазоне температур от 800 до 1050°С; проведение после термической обработки лопатки ее электролитно-плазменного полирования, затем ионно-имплантационной обработки и постимплантационного отпуска, использование в качестве ионов для имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации; проведение ионной имплантации при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см ; нанесение на перо лопатки ионно-плазменным методом защитного покрытия толщиной от 10 до 30 мкм из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом Ме-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Мо, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, В - бор, N - азот, С - углерод, выбор толщины слоев многослойного покрытия из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ(δ, δ, δ) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла, проведение после нанесения ионно-плазменного покрытия ионно-имплантационной обработки и постимплантационного отпуска при использовании ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации; проведение ионной имплантации при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см позволяет достичь решения поставленной в изобретении задачи - создания способа изготовления детали с эрозионно стойким покрытием, позволяющим повысить эксплуатационные свойства деталей за счет формирования в детали композиции из основного и упрочняющего материала.