Способ электроискрового легирования лопаток из титановых сплавов паровых турбин ТЭЦ и АЭС
METHOD OF ELECTROSPARK ALLOYING OF TITANIUM ALLOY BLADES OF STEAM TURBINES OF THERMAL POWER PLANTS AND NUCLEAR POWER PLANTS

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения жаростойких покрытий или теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, и, в особенности, паровых турбин ТЭЦ и АЭС. Для электроэнергетической отрасли на сегодняшний день является актуальной проблема повышения эксплуатационной надежности и ресурса двигателей, ответственные узлы и детали которых продолжительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур. Один из путей решения данной проблемы - широкое внедрение в производство инновационных методов заключительной обработки.
В настоящее время развитие техники послужило толчком к широкому применению жаропрочных материалов, не теряющим своих прочностных свойств в процессе длительной эксплуатации обеспечивающих надежность, работоспособность и качество широкой номенклатуры деталей, узлов.
В компрессорах паротурбинных двигателей Российского производства титановые сплавы, в частности, используются для изготовления направляющих лопаток, прочностные характеристики которых оказывают значительное влияние на надежность, так как их разрушение может привести к отказу двигателя и катастрофе. В процессе эксплуатации лопатки подвергаются воздействию повышенных механических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред. Результатом такого комплексного воздействия на деталь является ее быстрый выход из строя, что не обеспечивает требуемого ресурса изделия в целом. Наиболее часто встречающиеся, повреждения рабочих лопаток следующие: выработка наружных торцов при трении рабочих лопаток о корпус; эрозия передней кромки; повреждение посторонними предметами (изменение формы передней и задней кромок); существенное увеличение шероховатости поверхности. Поэтому для упрочнения и восстановления данных деталей широко применяются различные методы, в том числе термоциклическая обработка и электроискровое легирование, в результате воздействия которого образуется твердый износостойкий слой, обладающий требуемыми свойствами в зависимости от материала электрода, для обеспечения нужного значения параметра шероховатости используется поверхностно-пластическое деформирование (ППД).
Лопатки турбин из сплавов титана склонны к повышенной чувствительности к концентраторам напряжений. Следовательно, дефекты, возникающие в процессе эксплуатации, приводят к возникновению интенсивных процессов разрушения. Также при производстве или восстановлении деталей из титановых сплавов необходимо учитывать такие требования как повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим, поэтому для защиты и упрочнения лопаток используют защитные покрытия.
Традиционные способы повышения стойкости лопаток к влажно-паровой эрозии - припайка и приварка стеллитовых пластин, электроискровое и кластерное упрочнение, плазменное, детонационное напыление, ТВЧ-закалка (А.С. СССР №1278469 F01D 25/28. Гонсеровский Ф.Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных рабочих лопаток после эрозионного износа. // Электрические станции №8, 1998, с.37-41) - малоприемлемы или неприменимы для титановых сплавов из-за большой их склонности к окислению при нагреве и последующему растрескиванию, в результате чего появляются недопустимые дефекты покрытия и поверхности (Жаропрочные титановые сплавы. / О.П.Солонина, С.Г.Глазунов. - М.: Металлургия, 1976. - 447 с.).
16
19
2
Известны способы повышения усталостной прочности металлов методом ионной имплантации (Повышение циклической прочности металлов и сплавов методом ионной имплантации. Владимиров Б.Г., Гусева М.И., Иванов С.М. и др. // Поверхность. Физика, химия, механика, №7, 1982, с.139-147). Сущность метода ионной имплантации заключается в облучении поверхности металлов ионами различных химических элементов с энергий от 300 эВ до 300 кэВ и дозой от 10 до 2·10 ион/см.
2
19
2
19
2
Известен также способ модификации поверхности титановых сплавов (патент РФ №2117073, МПК С23С 14/48, 10.08.98, Бюл. №22), который включает в себя предварительную обработку ионами аргона с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см и дозой (1-2)·10 ион/см, имплантацию ионов азота с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см и дозой (1-2)·10 ион/см и последующий стабилизирующий отжиг.
5
2
Основным недостатком известного способа является малая глубина упрочняемого модифицируемого слоя поверхности (до 4 мкм), которая не может обеспечить необходимую долговечность изделия при его эксплуатации в условиях влажно-паровой эрозии. Кроме того, к недостаткам относится невозможность обработки в единицу времени всего изделия (например, всей поверхности пера лопатки) из-за ограниченной площади генерируемого пучка плазмы (не более 510 мм на указанном в прототипе ионно-плазменном ускорителе «Вита»), что значительно меньше площади поверхности турбинной лопатки (4,5·10 мм), а также необходимость проведения дополнительной термообработки, увеличивающей технологический цикл.
-1
-1
Известен способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов (патент РФ №2234556 МПК С23С 14/06, 2004.08.20), включающий в себя последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, и проведение, после ионной имплантации ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 10 до 4·10 Па, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме.
Наиболее близким прототипом является способ нанесения покрытий на титан и его сплавы методом электроискрового легирования в водных растворах при повышенных давлениях, включающий микродуговое оксидирование (МДО) в электролите в герметичном сосуде путем создания разности потенциалов между обрабатываемой деталью в качестве анода и корпусом герметичного сосуда в качестве катода с инициированием анодных плазменных разрядов (Патент РФ № 2476627 МПК C25D 11/26).
Основным недостатком является низкая степень надежности защиты лопаток из титановых сплавав от пылевой и капельно-ударной эрозии и недостаточная выносливость и циклическая прочность, а также сложность процесса обработки и его высокая себестоимость.
Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости, коррозионной стойкости, микротвердости, износостойкости и ударной вязкости, а также снижение шероховатости поверхности.
Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что с помощью автоматизированной установки для электроискрового легирования на лопатки из титановых сплавов наносится покрытие из жаропрочного сплава с добавлением твердого сплава, причем  на первом этапе покрытие наносят на оптимальном режиме электроискрового легирования, характеризующимся минимальной шероховатостью поверхности и максимальным коэффициентом переноса, применяют поверхностно-пластическое деформирование с целью снижения шероховатости и растягивающих напряжений, а также повышения микротвердости, а затем деталь с покрытием подвергают дополнительной термоциклической обработке (ТЦО) в вакууме в окрестности температуры полиморфного превращения с целью дополнительной стабилизации полигонизованной структуры.
Способ обработки осуществляется следующим образом:
- проводят подготовку поверхности детали к процессу электроискрового легирования;
- на деталь наносят электроискровое покрытие выбранным электродом;
- с помощью специальных инденторов осуществляют поверхностно-пластическую обработку поверхности;
- проводят термоциклическую обработку модифицированной детали в вакууме.
Конкретный пример реализации предложения.
2
3
-4
Электроискровое покрытие наносилось электродом типа ПГ-12Н-03 с добавкой твердого сплава ВК8 на оптимизированном режиме с параметрами С=0,22мкФ; I=9,6A; n=4; η=890мин. Для ПП модификации поверхности в данной работе применялись ролики из минералокерамики ВОК60, (АlО 76 %; ТiС 20 %; (WСо) (3…5) %; Мg<1,0 %) рабочих поверхностей из стали на режиме: скорость (ν) (10…120) м/мин, подаче (s) (0,2…0,3) мм/об, сила (Р) (200…350) Н. Термоциклическая обработка в лабораторных условиях проводилась на установке ИМАШ-20-75 "АЛАТОО" путем прямого пропускания тока через ненагруженный образец в вакууме 1×10мм.рт. столба остаточного давления. Скорость нагрева варьировалась от (3…5)°С/с, охлаждения - от (1-3)°С/с, соответственно, без изотермических выдержек при минимальной (800°С) и максимальной (1000°С) температурах. Длительность одного цикла изменялась от 100 до 250 сек.
Установлено снижение пористости и шероховатости, что в свою очередь ведет к повышению износостойкости в (1,5…2) раза, коррозионной стойкости в (1,5…1,7) раза, микротвердость увеличивается до 20000 МПа, т.е. в (1,4…1,7) раз по сравнению с исходными материалами в состоянии поставки и в (1,2...1,5) раз по сравнению с прототипом. Остаточные напряжения сжатия в покрытии равняются (140…160)МПа, что в 1,2 раза выше, чем в указанном прототипе (таблица 1).
Эффективность процесса по сравнению с прототипом выразится в повышении срока службы и надежности деталей и изделий из титана и его сплавов за счет увеличения коррозионной стойкости, ударной вязкости, микротвердости, снижения шероховатости.
Вид образца
Микротвердость, МПа
Остаточные напряжения сжатия, МПа
Ударная вязкость, KCU, кДж/м<sup>2</sup>
Скорость коррозии, г/м<sub>2</sub>·ч
Сплав в состоянии поставки
11764
-
400
>0,1
Прототип
17700
70
450
0,005
Техническое решение, представленное в данной заявке
20000
140
600
<0,001