СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО ПОКРЫТИЯ НА ПЕРЕ ЛОПАТКИ ТУРБОМАШИНЫ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF BUILT-UP COATING ON BLADE BODY OF TURBO-MACHINE

Изобретение относится к способам наплавки при восстановлении изношенных и упрочнении новых деталей ГТД, ГТУ и паровых турбин, а именно лопаток турбомашин.
Лопатки турбомашин являются ответственными деталями, работающими в условиях знакопеременных переменных, динамических нагрузок, в сочетании с повышенным температурой и агрессивными средами, часто при воздействии факторов, приводящих к эрозионному износу их рабочих поверхностей.
Известен способ электродуговой наплавки изделий, при котором ручной дуговой сваркой штучными электродами из различных материалов на плоскую поверхность изделия поочередно наплавляют продольные валики (А.С. СССР №1687406, МПК B23K 9/04, 1988). Недостатком способа является то, что процесс наплавки будет прерывистым, а следовательно, непроизводительным.
Известен также способ автоматической электродуговой наплавки под слоем флюса изделий, при котором осуществляют наплавку по спирали наплавляемого непрерывной дугой по меньшей мере одного валика одного слоя наплавляемого металла и удаляют с поверхности валика шлаковую корку (А.С. №1539011, МПК В23K 9/04). При наплавке возникают шлаковые включения, которые ухудшают качество наплавляемого покрытия. Кроме того, вышеуказанные способы не обеспечивают высокую работоспособность изделий, работающих в условиях переменных, динамических нагрузок.
Известен также способ изготовления деталей с наплавленным покрытием и деталь, изготовленная с использованием такого способа (PCT/SU 80/0036; WO 81/03138). Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, выбрано за прототип. Этот способ включает электродуговое многослойное наплавление детали плавящимся электродом, механическую обработку и отпуск. Наплавление первого слоя производят так, чтобы обеспечить периодические, непрерывно следующие друг за другом, по меньшей мере, в одном направлении заглубления основания этого слоя в металл детали, и в качестве плавящегося электрода для наплавления этого слоя используют такой, коэффициент линейного расширения металла которого меньше коэффициента линейного расширения металла детали.
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 наплавленным покрытием, позволяющим повысить эксплуатационные свойства деталей за счет создания в детали композиции из основного и наплавленного материала.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения наплавленного покрытия на пере лопатки турбомашины, выполненном из жаропрочного сплава на никелевой или кобальтовой основе или из высоколегированной хромистой стали, включающем наплавление металла, по меньшей мере, на часть пера лопатки с образованием слоя, механическую обработку и термическую обработку, в отличие от прототипа осуществляют наплавление полос из легированных материалов в направлении продольной образующей пера лопатки при обеспечении промежутков между наплавленными полосами, при этом в качестве наплавляемого металла используют сплавы на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, W, Ti, Y или их комбинацией, механическую обработку проводят с обеспечением заданной геометрии пера лопатки, а термическую обработку осуществляют термоциклированием, при этом возможны следующие варианты воплощения способа: полосы наплавляют так, что шаг между ними составляет от 2 мм до 40 мм при ширине полос от 1 мм до 34 мм, при обеспечении ширины промежутка между полосами от 1 мм до 36 мм; в качестве наплавляемого материала используют сплав состава: Со - от 25 до 55%, Cr - от 7 до 52%, Al - от 1 до 24%, Мо - от 0,2 до 5,5%, W - от 0,1 до 2,8%, Ti - от 0,1 до 1,1%, никель остальное; механическую обработку пера лопатки, после наплавки, проводят, оставляя высоту наплавленных полос в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки; механическую обработку пера лопатки после наплавки проводят восстановлением исходного заданного профиля пера лопатки.
10
20
2
Поставленная задача решается также тем, что в способе получения наплавленного покрытия на пере лопатки турбомашины возможны также следующие варианты воплощения способа: термоциклирование осуществляют в диапазоне температур 800°С до 1050°С; после термоциклирования проводят электролитно-плазменное полирование; после термоциклирования проводят ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск; ионно-имплантационную обработку проводят ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией; ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
20
2
2
2
3
2
3
2
Ме
Mе-В
Me-N
Me-C
Me-NC
Me
Mе-B
Mе-N
Mе-C
Me-NC
Поставленная задача решается также тем, что в способе получения наплавленного покрытия на пере лопатки турбомашины возможны также следующие варианты воплощения способа: дополнительно наносят защитное покрытие газотермическим или ионно-плазменным методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме или магнетронным распылением; нанесением защитного покрытия проводят ионно-имплантационную обработку, используя в качестве ионов для имплантации ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см; на перо лопатки из никелевых или кобальтовых сплавов наносят защитное покрытие толщиной от 10 до 60 мкм, а в качестве материала покрытия используют MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, NiPtAl; после нанесения защитного покрытия наносят слой керамического материала ZrO-YO в соотношении YО - 5…9 вес.%, ZrO - остальное, толщиной 20…300 мкм газотермическим или ионно-плазменным методом или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; на перо лопатки из высоколегированных хромистых сталей 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, Мо или их сочетание, 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.
Наплавку выполняют одним из следующих методов или их комбинацией: плазменной наплавкой, лазерной наплавкой, электроннолучевым способом, электродуговыми методами и др. Перед наплавкой в детали (как варианты воплощения) протачивают или продавливают канавки с заданными шагом, глубиной и количеством заходов. Образование наплавленных полос осуществляют путем заплавления этих канавок легированными сплавами. Канавки заплавляют наложением валиков наплавленного металла.
Наплавленные участки детали, как правило, являются наиболее слабыми зонами восстановленной лопатки (механическая и химическая неоднородности, неблагоприятный комплекс механических свойств, неблагоприятные остаточные напряжения). Эти зоны определяют усталостную прочность, долговечность и надежность восстановленных деталей. Однако наложение регулярной по геометрии и химическому составу зон наплавки на перо лопатки создает, в отличие от хаотической наплавки, применяемой при восстановительном ремонте лопаток, эффекты, присущие композиционным материалам. В этом случае система «основной материал-наплавленные зоны» работает уже как композиционная система «матрица-армирующая наплавка». При этом, в зависимости от функциональных свойств поверхности детали, создаются такие свойства, как повышенная усталостная прочность (за счет торможения усталостных трещин в переходных зонах), зоны с повышенной концентрацией легирующих элементов (например, для эксплуатации лопаток из жаропрочных суперсплавов в условиях обеднения легирующими элементами при высокотемпературной эксплуатации лопаток), равномерное распределение эксплуатационных напряжений при совместной работе матричной и армирующих фаз и др. Благодаря возможности создания различных размерных соотношений зон наплавки и основного материала можно добиваться оптимального их распределения, отвечающего тем или иным условиям эксплуатации лопатки.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлена лопатка с наплавленными на ее пере полосами. На чертеже обозначено: 1 - лопатка; 2 - перо; 3 - основной металл детали; 4 - наплавленные полосы; t - шаг между наплавленными полосами; а - ширина полосы; b - ширина промежутка между полосами; h - высота наплавочной зоны относительно исходной поверхности пера лопатки.
10
20
2
10
20
2
2
2
3
2
3
2
Ме
Ме-В
Me-N
Ме-С
Ме-NC
Ме
Ме-В
Me-N
Ме-С
Ме-NC
Способ осуществляют следующим образом. На пере 1 лопатки 2 турбомашины, выполненном из жаропрочного сплава на никелевой или кобальтовой основе или из высоколегированной хромистой стали, осуществляют наплавление полос 4 из легированных материалов в направлении продольной образующей пера 1 лопатки 2 при обеспечении промежутков между наплавленными полосами. При этом придерживаются следующего соотношения: шаг между наплавленными полосами составляет от 2 мм до 40 мм, при ширине полос от 1 мм до 34 мм, при обеспечении ширины промежутка между полосами от 1 мм до 36 мм. Направление наплавки, ширина зоны наплавки, шаг и промежуток между наплавленными полосами выбирается в зависимости от размеров лопатки, условий ее эксплуатации, целей создания композиции «наплавка-основной материал» (повышение усталостной прочности, жаростойкости, жаропрочности, эрозионной стойкости и т.п.). В качестве наплавляемого металла используют сплавы на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, W, Ti, Y или их комбинаций, в частности, в качестве наплавляемого материала используют сплав состава: Со - от 25 до 55%, Cr - от 7 до 52%, Al - от 1 до 24%, Mo - от 0,2 до 5,5%, W - от 0,1 до 2,8%, Ti - от 0,1 до 1,1%, никель - остальное. Механическую обработку проводят с обеспечением заданной геометрии пера лопатки, а термическую обработку осуществляют термоциклированием. Для обеспечения более качественной наплавки полос 4 на пере 1 лопатки 2 могут изготавливаться канавки для наплавки и производится наплавка легирующим металлом по канавкам с образованием наплавленных полос 4. После наплавки полос производят механическую обработку, обеспечивающую заданную геометрию пера 1 лопатки 4 (например, проводится предварительная механическая обработка методом фрезерования и окончательная механическая обработка шлифованием). При этом механическую обработку пера лопатки, после наплавки, проводят в зависимости от конкретных задач либо оставляя высоту наплавленных полос в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки, либо восстановлением исходного заданного профиля пера лопатки. Термоциклирование осуществляют в диапазоне температур 800°С до 1050°С, а после термоциклирования проводят электролитно-плазменное полирование или ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск. Кроме того, ионно-имплантационную обработку и постимплантационный отпуск может быть проведен и после электролитно-плазменного полирования лопатки. Ионно-имплантационную обработку пера 1 лопатки 4 проводят ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см. На перо 1 лопатки 4 дополнительно может наносится защитное покрытие газотермическим или ионно-плазменным методами или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме или магнетронным распылением, а непосредственно перед нанесением защитного покрытия может проводится ионно-имплантационная обработка ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5-10 ион/см. На перо 1 лопатки 4 из никелевых или кобальтовых сплавов наносят защитное покрытие толщиной от 10 до 60 мкм, а в качестве материала покрытия используют MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, NiPtAl. При этом после нанесения защитного покрытия наносят слой керамического материала ZrO-YO в соотношении YО - 5…9 вес.%, ZrO - остальное, толщиной 20…300 мкм газотермическим или ионно-плазменным методом или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме. Если же лопатка 4 изготовлена из высоколегированных хромистых сталей, то на перо 1 лопатки 4 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, Mo или их сочетание, 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.
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. При этом были использованы следующие диапазоны зон наплавки: а=1 мм, b=0,5 мм; а=1 мм, b=1 мм; а=8 мм, b=8 мм; а=20 мм, b=10 мм; а=34 мм, b=6 мм; а=40 мм, b=10 мм (где а - ширина полосы; b - ширина промежутка между полосами; t - шаг между наплавленными полосами (t=а+b)). При этом в качестве наплавляемого сплава использовались различные сочетания сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, W, Ti, Y или их комбинацией, а также сплавы состава: Со - от 25 до 55%, Cr - от 7 до 52%, Al - от 1 до 24%, Mo - от 0,2 до 5,5%, W - от 0,1 до 2,8%, Тi - от 0,1 до 1,1%, остальное - никель.
-1
Для оценки стойкости лопаток из легированных стали 20Х13, восстановленных по прототипу и предлагаемому способу, 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:
А. После восстановления и механообработки лопаток:
1) по способу-прототипу - в среднем 85-105 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 220-240 МПа;
Б. После обработки микрошариками:
1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 100-110 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 230-250 МПа;
В. После имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr:
1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 130-140 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 260-280 МПа;
Г. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr:
1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 92-104 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 270-290 МПа;
Д. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного покрытия:
1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 84-92 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 250-270 МПа;
Е. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного многослойного покрытия:
1) лопаткам, восстановленным по способу-прототипу, - в среднем 86-104 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 260-280 МПа.
Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной упрочняющей обработки восстановленной лопатки и нанесения покрытия: упрочняющая обработка микрошариками; ионная имплантация ионами одного из следующей группы химических элементов: Cr, Y, Yb, C, B, Zr или их комбинации; постимплантационный отпуска; нанесение покрытия (нитридные покрытия Me-N, где Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот; многослойное покрытие из чередующихся слоев Me и соединений металлов с азотом - Ме-N, где Me - Ti, Zr, TiZr, а N - азот), полученного либо ионно-плазменным методом, либо электронно-лучевым испарением в вакууме; позволяет достичь технического результата заявляемого способа - получение при ремонте деталей наплавленного материала и границы зоны наплавки с минимальными дефектами за счет улучшения свариваемости материала детали, а также повышение эксплуатационных свойств лопатки после восстановления.
-1
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа восстановления лопаток из легированных сталей позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ) с 90-105 МПа до 220-240 МПа, а при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и нанесения покрытий до 250-270 МПа, что подтверждает заявленный технический результат.
-1
Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, FSX-414, ЖС-6, в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток (после ремонта) составляет:
1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 210-220 МПа, кобальтовые - 210-215 МПа;
2) по предлагаемому способу:
- (после механической обработки) - никелевые сплавы в среднем 225 МПа, кобальтовые - 215 МПа;
- (после обработки микрошариками) - никелевые сплавы в среднем 235 МПа, кобальтовые - 225 МПа;
- (после имплантации ионов Cr, Y,Yb, С, В, Zr) - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 230-240 МПа;
- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr) - никелевые сплавы в среднем 240-250 МПа, кобальтовые - 230-240 МПа;
- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а также покрытия NiPtAl) - никелевые сплавы в среднем 260 МПа, кобальтовые - 245МПа;
2
2
3
2
3
2
- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а также покрытия NiPtAl, и нанесения слоя ZrO-YO в соотношении YО - 5…9 вес.%, ZrO - остальное, при охлаждении лопаток) - никелевые сплавы в среднем 270 МПа, кобальтовые - 254 МПа.