СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЛОПАТОК ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF RECOVERING OPERATING PROPERTIES OF TURBO MACHINE VANES FROM ALLOYED STEELS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановлении рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, изготовленных из легированных сталей.
Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются высоколегированные хромистые, хромомолибденовые (CrMo), хромомолибденованадиевые (CrMoV) и др. средне- и высоколегированные стали (например, для лопаток паровых турбин - стали марок 20Х13 и 15Х11МФ, газовых турбин - стали 20Х13, ЭИ 961).
Указанные стали относятся к числу нержавеющих сталей с содержанием Cr: 11-14%, различающихся между собой содержанием легирующих элементов: С, Mo, V. Данные стали широко применяются, например, для изготовления лопаток паровых турбин, работающих в условиях влажно-паровой среды, при температурах до 500-600°С. Возникающий в процессе эксплуатации износ лопаток требует проведения либо их преждевременной замены, либо их восстановительного ремонта.
При длительной эксплуатации в поверхностном слое материала лопаток образуются различного рода дефекты и, кроме структурных изменений, происходит ухудшение физико-механических свойств поверхности и основы материала из-за насыщения газами (кислородом, азотом, углеродом, водородом и др.). Поэтому при дальнейшей эксплуатации таких лопаток начинается ускоренный процесс разрушения (возникновение трещин, дефектов основы и др.), который при дальнейшей эксплуатации приводит к сильному повреждению или разрушению лопатки.
В некоторых случаях лопатки, имеющие сильные повреждения, восстанавливают сварочными методами с последующей механообработкой. Однако, учитывая сложность процесса ремонта деталей наплавкой (например, наплавкой материала сварочными методом с последующей механообработкой, (А.С. СССР №1680459, В23К 9/04, 1989; №1776511, В23К 9/04, 1990), требующей индивидуального подхода к каждой лопатке, более целесообразным является использование методов восстановления материалов лопаток, осуществляемых еще до начала процессов интенсивного разрушения детали.
Известен способ восстановления пера лопаток методом холодного вальцевания, по которому лопатка восстанавливается путем удлинения пера при вальцевании за счет использования допуска по толщине лопатки (Новые технологические процессы и надежность ГТД. Бюллетень, М. ЦИАМ, 1981, N1 (25), с.15-16). Метод холодного вальцевания имеет ограничения по максимальному плюсовому допуску по толщине, а вальцевание с минусовым допуском по толщине лопатки исключено.
Известен способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированной стали [Гонсеровский Ф.Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных лопаток после эрозионного износа // Электрические станции. - 1988. - №8. - С.38], включающий механическое удаление изношенной кромки, наплавку восстанавливаемого участка, механическую обработку лопатки, а также способ восстановления эксплуатационных свойств рабочих лопаток [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 Тверь-Энерго, 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.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей, включающий удаление поверхностного дефектного слоя металла лопатки, термообработку путем нагрева и выдержки лопатки в вакууме для обеспечения процесса дегазации металла лопатки и восстановления его дислокационной структуры с последующим охлаждением лопатки в вакууме до температуры окружающей среды (Патент РФ №2353496, МПК В23Р 6/00, СПОСОБ РЕМОНТА ЛОПАТОК ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ. Бюл. №12, 2009 г.). Указанный способ предусматривает также снятие лопаток с ротора, восстановление геометрии лопатки наплавкой металла или сваркой и последующую механическую обработку лопатки.
Основным недостатком аналогов и прототипа является высокая трудоемкость и низкое качество обработки лопаток, поскольку материал восстанавливаемой лопатки имеет необратимую степень деградации, а восстановление лопатки требует проведения высокотемпературных наплавочных процессов.
Техническим результатом заявляемого способа является снижение трудоемкости и повышение эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей за счет восстановления свойств материала лопатки еще до начала возникновения процессов ее интенсивного разрушения.
Технический результат достигается тем, что в способе восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей, включающем удаление поверхностного дефектного слоя металла лопатки, термообработку путем нагрева и выдержки лопатки в вакууме для обеспечения процесса дегазации металла лопатки и восстановления его дислокационной структуры с последующим охлаждением лопатки в вакууме до температуры окружающей среды, в отличие от прототипа нагрев осуществляют до температуры 150°С…650°С и выдерживают в вакууме при этой температуре в зависимости от габаритных параметров изделия в течение 0,2-1,5 ч, причем выдержку и охлаждение в вакууме осуществляют при воздействии продольного магнитного поля напряженностью от 10 кА/м до 100 кА/м, при этом возможны следующие варианты обработки: после термообработки в вакууме лопатки производят ее электролитно-плазменное полирование; охлаждение лопатки осуществляют со скоростью 10…50°С/мин; после термообработки в вакууме лопатки производят ее упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД), причем упрочняющую обработку ППД могут производить микрошариками.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей либо непосредственно после термической выдержки в вакууме лопатки, либо после электролитно-плазменного полирования, либо после упрочняющей обработки ППД, в том числе после упрочняющей обработки микрошариками, производят ионную имплантацию и постимплантационный отпуск. При этом в качестве ионов для имплантации могут использоваться ионы Cr, Y, Yb, C, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионная имплантация проводиться при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей после имплантации производят нанесение на лопатку защитного покрытия, в том числе и многослойного, причем при нанесении защитного покрытия может производится дополнительная ионная имплантация, а в качестве материала защитного покрытия могут использоваться нитриды металлов Ме-N, карбиды металлов Me-C и карбо-нитриды металлов Me-NC, где Me - Ti, Zr, TiZr, а N - азот, C - углерод.
Кроме того, наносят многослойное защитное покрытие из чередующихся слоев металлов Me и нитридов металлов Me-N, карбидов металлов Ме-С или карбо-нитридов металлов - Me-NC, где металлы Me - Ti, Zr, TiZr, a N - азот, С - углерод.
Me
Me-N
Me-C
Me-NC
Me
Me-N
Me-C
Me-NC
Кроме того, что толщину слоев многослойного защитного покрытия выбирают из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ (δ, δ) - толщина слоя нитрида (карбида, карбо-нитрида) металла.
Кроме того, нанесение защитного покрытия осуществляют вакуумными ионно-плазменными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме и/или газотермическими методами - плазменным, детонационным, газопламенным напылением.
Для оценки стойкости лопаток, восстановленных по прототипу и предлагаемому способам, были проведены следующие исследования. Режимы и условия восстановления лопаток из легированных сталей 20Х13, 15Х11МФ и ЭИ961, охватывающие как режимы обработки по способу-прототипу, так и предлагаемому способу обработки термовакуумной дегазацией, приведены в таблицах с 1 по 7. Для обработки образцов использовались магнитные поля напряженностью от 10 кА/м до 100 кА/м. По способу-прототипу использовались образцы с восстановленным наплавкой материалом при последующей механической обработке до получения требуемого размера.
Проведенные исследования позволили оценить влияние процесса термообработки и дегазации в вакууме в сочетании с одновременной магнитной обработкой на свойства восстановленных деталей как после наплавки материала на детали (способ-прототип), так и непосредственно после эксплуатации до начала процессов разрушения детали (предлагаемый способ).
Табл.1
№
Марка легированной стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
650
Вакуум
0,2
30
650
Вакуум
0,2
30
2
15Х11МФ
650
0,2
30
650
0,2
30
3
ЭИ961
650
0,2
30
650
0,2
30
Табл.2
№
Марка легированной стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А2)
Предлагаемый способ (Вариант В2)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
600
Вакуум
0,5
20
600
Вакуум
0,5
20
2
15Х11МФ
600
0,5
20
600
0,5
20
3
ЭИ961
600
0,5
20
600
0,5
20
Табл.3
№
Марка легированной стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А3)
Предлагаемый способ (Вариант В3)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
150
Вакуум
1,5
10
150
Вакуум
1,5
10
2
15Х11МФ
150
1,5
10
150
1,5
10
3
ЭИ961
150
1,5
10
150
1,5
10
Табл.4
№
Марка легированной стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А4)
Предлагаемый способ (Вариант В4)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
500
Вакуум
1,5
20
500
Вакуум
1,5
20
2
15Х11МФ
500
1,5
20
500
1,5
20
3
ЭИ961
500
1,5
20
500
1,5
20
Табл.5
№
Марка легированной стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А5)
Предлагаемый способ (Вариант В5)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
300
Вакуум
0,8
15
300
Вакуум
0,8
15
2
15Х11МФ
300
0,8
15
300
0,8
15
3
ЭИ961
300
0,8
15
300
0,8
15
Табл.6
№
Марка легированной стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А6)
Предлагаемый способ (Вариант В6)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
650
Вакуум
1,5
20
650
Вакуум
1,5
20
2
15Х11МФ
650
1,5
20
650
1,5
20
3
ЭИ961
650
1,5
20
650
1,5
20
Табл.7
№
Марка легированной стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А7)
Предлагаемый способ (Вариант В7)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>
Т, °С
Среда
τ<sub>выд, час</sub>
V<sub>охл</sub>, °С/мин
1
20Х13
120
Вакуум
0,2
25
120
Вакуум
0,2
25
2
15Х11МФ
120
0,2
25
120
0,2
25
ЭИ961
120
120
Осуществление нагрева лопатки до температуры 150°С…650°С, с осуществлением термической выдержки в вакууме при этой температуре в течение в пределах 0,2 ч до 1,5 ч, с последующим охлаждением позволяет произвести как дегазацию материала лопатки, так и восстановить его физико-химические и структурные свойства. Использование при этом дополнительно магнитных полей напряженностью от 10 кА/м до 100 кА/м для обработки дегазируемого и восстанавливаемого сплава позволяет повысить качество обработки за счет улучшения процессов дегазации и упрочняющей обработки сплава. Как показали исследования, сочетание процессов дегазации и восстановления дислокационной структуры сплавов при воздействии температуры и магнитного поля создает сверхсуммарный эффект, приводящий к повышению эксплуатационных свойств лопаток. Кроме того, применение дополнительных методов упрочняющей обработки, модифицирования поверхностного слоя материала лопатки и нанесения защитных покрытий в сочетании с улучшенными свойствами материала лопатки, а также устранение необходимости наплавки и размерной механообработки позволяют достичь эффекта предлагаемого технического решения - снижение трудоемкости процесса и повышение надежности при восстановлении эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей. Причем, применение этих методов упрочнения, модифицирования и нанесения покрытий для способа-прототипа, в результате возникновения неоднородностей материала детали, связанных с необходимостью наплавки (нанесения) чужеродного материала и проведением размерной механообработки, не позволяют достичь такого же высокого технического результата по надежности как в заявляемом техническом решении.
-1
Были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток в условиях эксплуатационных температур (при 300-450°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток (после ремонта) в среднем составляют:
1. После восстановления и механообработки лопаток:
1) по способу-прототипу: 240-245 МПа;
2) по предлагаемому способу: 310-320 МПа;
2. После обработки микрошариками:
1) по способу-прототипу: 245-250 МПа;
2) по предлагаемому способу: 315-335 МПа;
3. После имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr:
1) по способу-прототипу: 240-260 МПа;
2) по предлагаемому способу: 340-365 МПа;
4. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr:
1) по способу-прототипу: 245-265 МПа;
2) по предлагаемому способу: 375-385 МПа;
5. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного покрытия:
1) по способу-прототипу: 240-244 МПа;
2) по предлагаемому способу: 350-375 МПа;
6. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного многослойного покрытия:
1) по способу-прототипу: 245-252 МПа;
2) по предлагаемому способу: 364-386 МПа.
-1
У образцов группы, обработанной по режимам, представленным в таблице 7 (с параметрами обработки, выходящей за пределы оптимальных значений - Т=120°С), после восстановления и механообработки, σ лопаток в среднем составляют:
1) по способу-прототипу: 200-210 МПа;
2) по предлагаемому способу: 240-255 МПа.
Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что при удалении поверхностного дефектного слоя металла лопатки, термообработки путем нагрева и выдержки лопатки в вакууме для обеспечения процесса дегазации металла лопатки и восстановления его дислокационной структуры с последующим охлаждением лопатки в вакууме до температуры окружающей среды, осуществление нагрева до температуры 150°С…650°С и выдержки в вакууме при этой температуре в зависимости от габаритных параметров изделия в течение 0,2-1,5 ч, при выдержке и охлаждении в вакууме при воздействии продольного магнитного поля напряженностью от 10 кА/м до 100 кА/м, а также 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, С, В, Zr или их комбинации; постимплантационный отпуск; 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 - Me-N, где Me - Ti, Zr, TiZr, а N - азот) полученного либо ионно-плазменным методом, либо электронно-лучевым испарением в вакууме, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - снижения трудоемкости процесса и повышения эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей за счет восстановления свойств материала детали еще до начала возникновения процессов интенсивного разрушения детали. При этом снижение трудоемкости восстановления лопаток связано с упрощением технологии ремонта лопаток, в связи с отсутствием таких наиболее трудоемких и дорогих процессов, как наплавка, размерная механообработка, и связанных с ними операций контроля.
-1
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ) в среднем с 240-245 МПа до 310-320 МПа, а при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и нанесения покрытий до 375-385 МПа, что подтверждает заявленный технический результат (повышение эксплуатационных свойств лопаток из титановых сплавов). При этом простое использование упрочняющих видов обработки для способа-прототипа не позволяет достичь поставленного технического результата.
Пример реализации способа.
-2
После дефектации ремонтной лопатки, изготовленной из хромистой стали 20Х13, ее дефектный поверхностный слой удаляли механической обработкой шлифованием, затем лопатку помещали в вакуумную камеру установки, создавали вакуум (вакуум 6·10 Па), осуществляли нагрев лопатки до температуры 450°С, выдержку при этой температуре в течение 1 часа, при воздействии на деталь магнитных полей напряженностью порядка 50 кА/м, затем охлаждение в вакууме в камере до температуры окружающей среды (28°С). В результате термической выдержки в вакууме в сочетании с магнитной обработкой произошла дегазация дефектных участков металла лопатки и восстановление дислокационной структуры металла, что сказалось на повышении эксплуатационных свойств детали.
-2
4
+
2
19
2
Ионная имплантация. Обработку поверхности лопаток по предлагаемому способу проводят в следующей последовательности. После дефектации лопатки, удаления дефектного поверхностного слоя, нагрева лопатки в вакууме (5·10 Па) и выдержки при заданной температуре нагрева (350°С), при воздействии на деталь магнитных полей напряженностью порядка 40 кА/м, охлаждения в вакууме в камере до температуры окружающей среды (28°С, также при воздействии на деталь магнитных полей) проводили дополнительную упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД) микрошариками и электролитно-плазменное полирование. Затем лопатку тщательно обезжиривали в ультразвуковой ванне и протирали бензиноацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергали нагреву в сушильном шкафу до температуры 60-65°С. После сушки лопатку помещали в вакуумную камеру установки для ионной имплантации, где создавали вакуум не ниже 2-10 Па и проводили очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантационной обработкой по режиму: имплантируемый ион N; энергия ионов 300-3000 эВ; плотность ионного тока 5·10 мА/см; доза имплантации ионов 3·10 ион/см.
После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400°С в течение 1 ч. Постимплантационный отпуск можно совмещать с нанесением ионно-плазменных покрытий (Режимы при нанесении покрытия: ток I=140 А, напряжение U=140 В).