СПОСОБ РЕМОНТНОЙ НАПЛАВКИ ЛОПАТОК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
HARD-FACING OF POWER PLANT BLADES

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при восстановлении и ремонте рабочих лопаток газотурбинных энергетических установок, паровых турбин, подвергающихся в процессе эксплуатации различному воздействию, такому как температура, абразивный, эрозионно-коррозионный износ и другие.
Специфические разрушения деталей паровых турбин, возникающие под действием многократных ударов капель конденсата, принято называть эрозией.
Наиболее интенсивной эрозии подвергаются входные кромки периферийных зон лопаток. При длительной работе турбины она может привести к износу периферийных зон на половину хорды лопатки и более. Эрозия входных кромок характерна для рабочих лопаток всех ступеней, работающих с влажным паром, однако наиболее интенсивно процессы износа протекают на рабочих лопатках последних ступеней.
Кроме того, в процессе эксплуатации лопатки подвергаются коррозии, которая приводит к ускоренным процессам наводороживания, что, в свою очередь, может привести к снижению усталостной прочности и, как следствие, разрушению.
Помимо эрозионного износа лопаток паровых турбин под действием конденсированной влаги также имеет место износ под действием абразивных частичек, окалины и других примесей, попадающих в рабочие области турбины, тем самым дополнительно способствуя выходу из строя основных элементов либо их интенсивному изнашиванию с потерей рабочего профиля.
Для восстановления рабочего профиля при ремонте, а также увеличения срока эксплуатации лопаток паровых турбин при их производстве на основные участки лопаток наносят эрозионно-стойкие и коррозионно-стойкие покрытия. В отдельных случаях осуществляется лишь восстановление геометрии лопаток до рабочего профиля.
Как известно, одними из наиболее ответственных деталей газовой турбины являются рабочие лопатки турбины. На них действуют высокие температуры газового потока, центробежные и газодинамические силы, вызывающие в лопатках растяжение, изгиб, кручение и колебание лопаток (знакопеременные нагрузки). Высокие напряжения, температура, нестабильность режимов нагрева, возможность возникновения резонансных колебаний, сравнительно быстрые пуски и остановки турбины, неравномерность температурного поля от камеры сгорания делает рабочие лопатки одними из наиболее нагруженных деталей турбины. Лопатки подвергаются эрозии, коррозии, абразивному износу, высоким температурам, пылевому загрязнению из тракта двигателя, знакопеременным нагрузкам и др.
Из уровня техники известен способ ремонта гребешков рабочих лопаток газотурбинного двигателя (RU 2354523 C1, МПК B23P 6/00, опубликовано 10.05.2009).
Способ включает подготовку поверхности к восстановлению, затем проводят предварительную механическую обработку поверхности бандажной полки. При этом осуществляют обработку одной из боковых поверхностей каждого гребешка лабиринтных уплотнений, которую выполняют с заглублением в бандажную полку на величину 0,05-0,2 мм с радиусом сопряжения 0,15-0,7 мм между поверхностью бандажной полки и гребешком лабиринтных уплотнений. Осуществляют сборку указанной полки лопатки с помощью конденсаторной точечной сварки с присоединяемым элементом, площадь которого больше площади восстанавливаемой поверхности. Наносят пастообразный припой и осуществляют высокотемпературную пайку присоединяемого элемента в вакуумной или в челночной печи до температуры плавления припоя. Пастообразный припой наносят в заглубление бандажной полки лопатки. Присоединяемый элемент выполняют в виде пластины толщиной 0,5-1,2 мм, с выемками на основании пластины, расположенными с шагом 3,5-4,5 мм, шириной 0,5-1,5 мм и высотой 0,2-0,4 мм, а поверхность пластины, предназначенную для контакта с боковой поверхностью гребешка бандажной полки лопатки, выполняют рельефной.
Недостатками указанного аналога являются длительность и многоэтапность процесса проведения ремонтных работ, а также применение контактной сварки в качестве прихваток тонкостенных пластин может привести к значительным локальным деформациям как самих гребешков, так и пластин с образованием участков с неравномерным зазором между спаиваемыми поверхностями. При этом наличие неравномерных зазоров может привести к увеличению длительности процесса пайки, а также снижению качества паяного соединения за счет увеличения его пористости.
Ближайшим аналогом к заявленному изобретению является способ, описанный в патенте РФ №2207238 C1, МПК B23P 6/00, опубликовано 27.06.2003). Известный способ описывает ремонт газотурбинных лопаток. Способ включает предварительную механическую обработку, удаление поврежденных участков и их восстановление.
Недостатком указанного прототипа является длительность и многоэтапность процесса проведения ремонтных работ, а также, поскольку выбор припоя осуществляется от материала основы, существует вероятность неправильного подбора материала припоя, кроме того, сложность обеспечения и контроля зазора между подготовленной кромкой лопатки и применяемой вставкой не может гарантировать получение одинаковой прочности по паяемым поверхностям.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является восстановление и ремонт дорогостоящих деталей ротора путем нанесения покрытий по лазерной технологии с минимальным припуском под последующую обработку либо проведение процесса наплавки в размер, а также улучшение качества наплавленного слоя в зоне сплавления.
Желаемый технический результат заключается в снижении длительности проведения ремонтных работ и улучшении качества наплавки за счет управления протекающим процессом.
Желаемый технический результат достигается тем, что способ ремонта лопаток энергетических установок 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.
Приведенный диапазон изменения мощности излучения связан с тем, что при постоянных остальных параметрах повышение мощности излучения ведет к увеличению глубины проплавления основы, что повышает долю перемешивания материалов и тем самым снижает эксплуатационные свойства по высоте наплавленного слоя, а также ведет к образованию горячих и холодных трещин. При этом приведение процесса при значениях мощности ниже нижнего предела приводит к условиям некачественного сплавления материалов и низкому коэффициенту использованию порошкового материала.
Влияние скорости перемещения диаметрально противоположно действию мощности излучения. Так, повышение скорости выше указанного диапазона при постоянных остальных параметрах приводит к формированию узкого валика со сниженными механическими свойствами (пластичности, вязкости и др.) в связи с протеканием ускоренных закалочных процессов, приводящих к увеличению напряженности слоя, что в дальнейшем требует проведения соответствующей термообработки и приведет к повышению длительности работ. С другой стороны, понижение скорости перемещения источника излучения позволяет увеличить коэффициент использования материала, но также приводит к чрезмерному перегреву порошкового материала с выгоранием легирующих элементов и короблению детали.
Количество вводимого материала влияет как на геометрию валика, так и на качество наплавки. Расход порошкового материала свыше 15 г/мин приводит к снижению зоны термического воздействия на материал основы, а также неполному проплаву частиц, пористости и тем самым снижению качества наплавки. При этом понижение расхода порошка приводит к неэффективному использованию лазерного излучения, перегреву основы и частиц порошка и тем самым снижению коррозионной стойкости, износостойкости и др. за счет выгорания легирующих элементов.
Оптимальный результат обеспечивается за счет определенного соотношения данных характеристик.
В качестве примера реализации ремонтной технологии можно привести процесс восстановления рабочей лопатки паровой турбины из стали с мартенситным характером упрочнения типа 13Х11Н2В2МФ-Ш. Последующая операция наплавки подготовленной поверхности осуществляется таким образом, чтобы обеспечить минимальный припуск на операцию механической обработки, равный 300-500 мкм, что достигается за счет варьирования мощностью излучения Р от 1200-1500 Вт, скорости перемещения V, равной 0,01 м/с, так и количеством подаваемого материала в единицу времени - 10 г/мин. Проведение процесса по данной схеме позволило значительно сократить длительность ремонтных работ в 2-3 раза при экономии наплавочного порошка за счет высокого коэффициента использования материала при лазерной наплавке, а также обеспечило формирование бездефектного наплавочного покрытия без трещин и пористости.