Применение электронно-лучевой сварки в турбостроении

с высокими механическими свойствами, стойких против образования холодных трещин.

Коррозионная стойкость сварных соединений при испытаниях на коррозию под напряжением и общую коррозию в течение установлен-

ного времени хорошая. В испытаниях на задержанное разрушение во времени при заданном уровне напряжений при установленном нормативе времени — 4 месяца — в швах, выполненных ЭЛ С, разрушений не обнаружено.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макаров, А.Г. О склонности сварных соединений алюминиевоцинковомагниевых сплавов к задержанным разрушениям |Текст| / А.Г. Макаров, Г.Л. Петров // Сварка,- 1965. № 8,- Л.: Судостроение, 1965.

2. Бондарев, A.A. Свариваемость сплава АМгб электронным лучом в различных пространственных положениях [Текст] / A.A. Бондарев, Д.М. Рабкин, О.С. Кузьменок // Автоматическая сварка,- 1976. № 12,- С. 34-37.

3 Патон, Б.Е. Особенности электронно-лучевой сварки в различных пространственных поло-

жениях [Текст] / Б.Е. Патон [и др.] // Автоматическая сварка,— 1972. N° 6.

4. Ольшанский, H.A. Глубина проплавления при электронно-лучевой сварке с низким ускоряющим напряжением [Текст] / H.A. Ольшанский |и др.].— В сб.: Сварка электронным лучом,— М.: Изд-во МДНТП, 1974.

5. Кайдалов, A.A. Электронно-лучевая сварка и смежные технологии [Текст] / A.A. Кайдалов,— 2-е изд., перераб. и доп. — Киев: Экотехнология, 2004,- 260 с.

УДК621.791.72:621.9.048.7

ИМ. Шаронов

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОИ СВАРКИ В ТУРБОСТРОЕНИИ

Газовые турбины широко применяются в качестве приводов нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов.

Одну из важнейших частей турбины представляет лопаточный аппарат, который состоит из двух больших групп деталей: 1) связанных с ротором и вращающихся вместе с ним в процессе работы; 2) связанных со статором и находящихся в неподвижном состоянии. Основу первой группы составляют рабочие лопатки, второй — направляющие.

Направляющие лопатки входной ступени подвергаются одновременному воздействию агрессивной среды, значительных напряжений изгиба от газового потока и вибрации [1].

При атмосферных условиях, ведущих к образованию льда на входных поверхностях газовой турбины, расход воздуха в турбину уменьшается, вследствие чего резко снижается эксплутацион-ный КПД. Кроме того, обледенение входных поверхностей, в частности направляющих лопаток, регулирующих направление потока, может привести к отрыву льда, попаданию его в проточную часть и к поломке рабочих лопаток.

Для предотвращения образования льда входные поверхности турбины обычно подогреваются воздухом, отбираемым от компрессора, но, поскольку полезная мощность при этом значительно уменьшается, то включение подогрева производится только в необходимых случаях. С этой целью газовые турбины снабжаются сложными автоматическими антиобледенительными системами, которые определяют атмосферные условия и включают системы отбора воздуха для подогрева на необходимый период времени.

Реализация в турбинах ГТК-10 и ГТН-25 схемы подогрева за счет пропускания пара через внутренний канал входной кромки направляющих лопаток позволяет избежать перечисленных выше недостатков, увеличить надежность работы агрегата и значительно снизить расход топлива.

Первоначально для получения канала подогрева использовалась технология пайки: в паз входной кромки укладывалась проволока из стали 12X13 и запаивалась припоем ПСр45 с помощью газовой горелки. К недостаткам этого технологического процесса можно отнести:

наличие на соединяемых кромках значительных припусков металла для снижения величины термических деформаций в процессе пайки и обеспечения необходимых размеров при последующей термической и механической обработке;

расход большого количества дефицитного припоя;

значительный объем окончательной механической обработки, который вызывает большие встречные потоки деталей в процессе производства, снижающие его ритмичность;

рихтовка лопаток после термической обработки;

эрозия пайки в процессе работы турбины.

Перечисленные недостатки были устранены заменой пайки процессом электронно-лучевой сварки (ЭЛС), который характеризуется малой величиной погонной энергии, узкими зонами расплавления и термического влияния и, как следствие, незначительными деформациями изделий [2]. При этом необходимо учитывать, что специфические особенности электронно-лучевой сварки требуют особого подхода и к конструированию сварных соединений, и к построению всего технологического процесса.

В качестве материала для лопаток входного направляющего аппарата (ВНА) турбин ГТК-10 и ГТН-25 применяется хромистая нержавеющая сталь электрошлакового переплава мартенситно-го класса марки 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ961-Ш) [3-5].

Сварка стали этого структурного класса сопряжена с определенными трудностями, так как в процессе термического цикла сварки она претерпевает закалку, в результате металл шва и околошовной зоны (ОШЗ) становится более твердым, прочным и хрупким [6, 7]. Степень изменения этих свойств зависит прежде всего от содержания углерода и легирующих элементов, упрочняющих твердый раствор и снижающих температуру уМ превращения, а также от погонной энергии сварки. С повышением погонной энергии увеличивается размер зерна и количество свободного 5-феррита, что приводит к снижению стойкости против образования холодных трещин в шве и зоне термического влияния [8]. Швы, выполненные дуговой сваркой с применением однородных по составу с основным металлом сварочных материалов, имеют низкие пластичность и (особенно) ударную вязкость. При этом необходим предварительный или со-

путствующий подогрев выше температуры мар-тенситного превращения (300—400 °С) и высокий отпуск после сварки — на 20—40 °С ниже температуры отпуска основного металла [9,10].

Электронно-лучевая сварка за счет высокой концентрации энергии («10 Вт/см ) в локальной области материала (диаметр фокального пятна 0,8—1,0 мм) позволяет получать малые объемы расплавленного металла, в результате чего резко снижается величина напряжений и деформаций в процессе термического цикла сварки, уменьшается склонность к образованию горячих и холодных трещин в швах и зоне термического влияния.

Для выбора оптимальных конструктивных вариантов соединений лопаток необходимо было определить: 1) конфигурацию вставки, закрывающей паз входной кромки; 2) геометрические размеры элементов вставки и расположение ее элементов относительно кромок паза; 3) минимально необходимую величину припуска рабочей части лопатки на механическую обработку; 4) оптимальную величину припуска на свариваемых кромках паза.

Для решения первых двух задач были проведены опыты по электронно-лучевой сварке макетных образцов из стали 2X13, имитирующих входную кромку лопатки, при различных конфигурациях поперечного сечения вставок из стали 08Х18Н10Т.

В результате проведенных опытных работ оптимальной была сочтена вставка прямоугольного сечения, выступающая над кромками паза на величину А| = 1,5 + 0,1 мм. (рис. 1, а). Такая конструкция соединения обеспечила: хорошее формирование шва с глубиной проплавления не менее 2,5—3,0 мм при величине притупления кромок в пределах 0,5—1,5 мм (рис. 2) и достаточный припуск на механическую обработку входной кромки после сварки.

С целью снижения величины припуска по кромкам паза была изменена конфигурация поперечного сечения вставки. При сварке лопаток с минимальными припусками (а « 0,1—0,2 мм.) использовалась Т-образная вставка (рис. 1,6), верхняя часть которой закрывала острые кромки и предохраняла их от прямого воздействия электронного луча.

Макрошлифы поперечных сечений сварных соединений, выполненных с использованием прямоугольной и Т-образной вставок, показаны на рис. 2 и 3.

Электронный пучок

Z+ 0,4

1

Рис. 1. Варианты конструктивного оформления сварного соединения: а — со вставкой прямоугольного сечения; б — со вставкой Т-образного сечения

Рис. 2. Макрошлиф сварного соединения со вставкой прямоугольного сечения

Рис. 3. Макрошлиф сварного соединения со вставкой Т-образного соединения

В процессе проведения опытных работ была выполнена оценка теплового состояния при ЭЛС лопаток термопарным методом с использованием хромель-алюмелевых термопар. Оценка тепловых условий в зоне сварки в сочетании с металлографическими методами исследования может быть использована для анализа и объяснения структурных изменений, которые , в конечном счете, определяют механические свойства сварного соединения. Это также дает возмож-

ность корректировать технологический процесс в части параметров его режима. Термические циклы и распределение максимальных температур показаны на рис. 4 и 5.

Основные параметры режима сварки (ток пучка, ускоряющее напряжение, скорость сварки) выбирали из условия минимума погонной энергии при обеспечении глубины проплавления не менее 2,5 мм и удовлетворительного формирования сварного шва.

т: с 1200

юоо 800 600 400 200

'о п>и= 2 с-РГ >ч

\

а = 340 кал/с;

м 8с = 0,325 см; V = 1,25 см/с; 1 = 0,08 кал/см -с-град; с = 1,17 кал/см'-град; — = 0,07 см2/с

\ 41

с

Рис. 4. Термические циклы точек: 1 — у0 = 0,25 О>' = 0,1);2-Уо = 0,35 (у ' = 0,2); 3-у0 = 0,45

(у' = 0,3); (--расчетные значения;

о — экспериментальные значения)

Рис. 5. Распределение максимальных температур (--расчетные значения;

о

После определения оптимальных режимов сварки на макетных образцах ЭЛС выполняли на натурных лопатках. В технологию был введен "косметический" проход. Он выполнял двойную роль: "облагораживание" поверхности сварного шва и — главное — снижение твердости в основном шве и его околошовной зоне.

В качестве присадочных материалов использовали вставки прямоугольного сечения из сталей 13X11Н2В2МФ-Ш, 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т. Предварительная оценка структурного состояния металла шва по диаграмме Шеф-флера [11] при доли участия основного металла в металле шва 10—30 % позволяет предположить, что во всех случаях металл шва должен находиться на границе мартенситной и феррита-мартен-ситной области. Однако, как показали последующие металлографические исследования, вследствие высоких скоростей охлаждения ниже Ас3 в структуре шва преобладает мартенсит.

Качественную оценку структуры металла шва и околошовной зоны производили по результатам исследования микрошлифов сварных соединений, вырезанных из лопаток.

Типичные структуры различных участков сварного соединения, выполненного со вставкой из стали 13X11Н2В2МФ-Ш, показаны на рис. 6.

При охлаждении из аустенитной области металл шва приобретает структуру мелкодисперсного мартенсита, ориентированного под различными углами (рис. 6, а).

При переходе от шва к зоне термического влияния (рис. 6, в) также имеет место мартенсит-ная структура, характеризующаяся слабой тра-вимостью (по сравнению с металлом шва и основным металлом). В структуре металла "косметического" шва, выполненного при большой величине погонной энергии, наблюдается появление коагулированной карбидной фазы. После отпуска в печи при 700 °С в течение двух часов с последующим охлаждением на воздухе структура шва (рис. 6, д) и околошовной зоны (рис. 6, е) приближаются к структуре основного металла, но отличаются меньшей дисперсностью. Металл "косметического" шва (рис. 6, ж) после отпуска сохраняет направленную структуру, в которой видна коагулированная карбид-

Рис. 6. Микроструктура сварного соединения лопаток, выполненных ЭЛС со вставкой из 13Х11Н2В2МФ-Ш Х1000: а — металл шва; б — косметический шов; в — зона сплавления; г — основной металл; д— шов после отпуска (700 °С — 2 часа); е — ЗТВ после отпуска; з — ЗТВ косметического шва после отпуска

ная фаза, а зона термического влияния (рис. 6, з) имеет структуру игольчатую.

Исследование распределения твердости в сварных швах (рис. 7) показывает, что непосредственно после сварки (I—I) металл в шве и в зоне термического влияния имеет высокую твердость, свидетельствующую о наличии мартенсита. При переходе к основному металлу твердость понижается до соответствующего ему уровня (Ну = 260).

В центре шва твердость понижается в очень узкой зоне до Ну— 250-300 (II-II). После отпуска в центре шва твердость составляет Ну = = 250—300, а в зоне термического влияния ее значения не превышают Н¥ = 330(111—111, IV— IV).

При использовании в качестве присадочного материала вставок из сталей 08Х18Н10Т и 12Х18Н10Т в сварном шве также возникает структура мартенсита, характеризующаяся высокой твердостью (Ну= 460—480). В околошовной зоне у линии сплавления твердость достигает Ну = 520. Распределение твердости в сварном соединении показано на рис. 8 (I—I для стали 08Х18Н10Т).

Повторный "косметический" шов наиболее благоприятно воздействует на структуру основного шва, понижая его твердость в ЗТВ "косметического" шва (см. II—II, III—III на рис. 8) до Ну = 220-280. Однако твердость самого "косметического" шва остается довольно высокой, и шов имеет мартенситную структуру с выделениями карбидной фазы (IV—IV, V—V на рис. 8). Наиболее характерные структуры сварного соединения с "косметическим" швом показаны на рис. 9, а—г (для стали 12Х18 Н1 ОТ).

Основные выводы, сделанные по результатам исследования:

Для получения канала подогрева на лопатках входного направляющего аппарата газовых турбин предпочтительным способом сварки является ЭЛС.

При использовании аустенитных вставок "косметический" шов создает в основном шве зону отпуска с пониженной твердостью. Производя несколько повторных проходов с одновременным уменьшением погонной энергии (чтобы уменьшить переплавляемую зону), можно полу-

/, мм

200 250 300 350 400 450 500 Д

1-1 -

Рис. 7. Распределение твердости в сварных соединениях, выполненных электронным пучком (вставка из стали 13Х11Н2В2МФ-Ш): после сварки; 11—11 — «косметический шов»; 111—111, IV—IV — после высокого отпуска

Рис. 8. Распределение твердости в сварных соединениях, выполненных электронным пучком (вставка из аустенитной стали): 1—1, IV—IV — материал вставки 08Х18Н10Т; 11—11, 111—111 — материал вставки 12Х18Н10Т «косметический шов»; IV—IV, V—V — материал вставки 12Х18Н10Т после высокого отпуска

Рис. 9. Микроструктура сварного соединения лопатки, выполненного ЭЛС со вставкой из 12Х18Н10Т, хЮОО: а— структура косметического шва; б— зона перехода от косметического шва к основному; в — зона термического влияния косметического шва; г — структура косметического шва после отпуска

чить шов с одной или несколькими мягкими про- в общем случае при необходимости сниже-слойками, которые должны оказать благоприят- ния твердости в сварном шве и околошовной ное воздействие на его работоспособность. 30не МОЖно рекомендовать высокий отпуск.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кириллов, И.И. Газовые турбины |Текст] / И.И. Кириллов,- М-Л.: ГИТИНЛ, 1948.

2. Назаренко, O.K. Электронно-лучевая сварка [Текст] / O.K. Назаренко, Е.И. Истомин, В.Е., Лок-шин,— М.: Машиностроение, 1966.

3. Сичиков, М.Ф. Металлы в турбостроении |Текст| / М.Ф. Сичиков,— М.: Машиностроение, 1974.

4. Либерман, Л.Я. Свойства сталей и сплавов, применяемых в котлотурбиностроении [Текст] / Л.Я. Либерман, М.И. Пейсихис,— Л., 1966.— Ч. 11.

5. Каховский, Н.И. Сварка нержавеющих сталей [Текст] / Н.И. Каховский,— Киев, 1968.

6. Земзин, В.Н. Сварка хромистых жаропрочных сталей для деталей паровых турбин на параметры пара 580 "С—240 атм [Текст] / В.Н. Земзин [и др.].— Сб.: Свойства материалов, применяемых в турбостроении и методы их испытаний,— М.-Л.: Машгиз, 1962.

7. Бушуев, М.Н. Технология производства турбин [Текст] / М.Н. Бушуев,— М.-Л.: Машиностроение, 1966.

8. Кривко, М.А. Электронно-лучевая сварка лопаток теплофикационных турбин [Текст] / М.А. Кривко, В.И. Жаринов Ибатулин Ю.М., // Сб.: V Всесоюзная конференция по электроннолучевой сварке,— Киев: Наукова думка, 1977.

9. Ибатулин, Ю.М. Электронно-лучевая сварка лопаток диафрагм паровой турбины К-500-240-2 [Текст] / Ю.М. Ибатулин, В.А. Гейкин // Сб.: V Всесоюзная конференция по электронно-лучевой сварке,— Киев: Наукова думка, 1977.

10. Копейкин, Л.В. Свойства сварных соединений, выполненных электронно-лучевой сваркой на хромистых и хромоникелевых сталях [Текст] / Копейкин Л.В., Расплетин Г.С. [и др.] // Сб.: Электронно-лучевая сварка,— М., 1978.

11. Сефериан, Д. Металлургия сварки | Текст] / Д. Сефериан,- М.: ГНТИМЛ, 1963.

УДК: 621.746.: 669.71 5

В.В. Дрокина

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ, ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ АЛЮМИНИЕВЫХ ОТЛИВОК

В последнее время на предприятиях России все чаще при подготовке производства литых деталей используется метод трехмерной печати для изготовления моделей и литейных форм. При этом применяются оборудование, материалы и технологии, импортируемые из других стран. Поэтому у российских пользователей сведений о них, как правило, недостаточно для эффективной организации в кратчайшие сроки производства литых деталей высокого качества.

На кафедре технологии литейных процессов (ТЛП) с 2006 года для изготовления форм методом трехмерной печати при производстве "пилотных" отливок из алюминиевых и магниевых сплавов применяются установка ZPrinter 310 Plus и формовочная смесь ZCast [1-3].

С целью снижения расхода дорогой формовочной смеси конструирование литейных форм проводится по аналогии с конструированием форм при оболочковом литье, т. е. предусматри-

вает тонкую стенку всех частей формы с элементами их фиксации и возможного механического крепления. Конструкция типовой формы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая литейная форма, полученная методом трехмерной печати