Устройство для сборки под пайку металлокерамического узла турбины

Полезная модель относится к технологическому оборудованию и может быть использована для сборки под высокотемпературную пайку деталей металлокерамических узлов турбин.
В настоящее время в конструкциях турбин различного назначения довольно широко применяются металлокерамические детали или узлы (крыльчатки, валы и т.д.). При этом для соединения их с металлическими частями весьма часто используется высокотемпературная пайка. Специалистам известно, что при получении паяных соединений металлокерамических узлов, особенно большого сечения, часто возникают трещины в керамике, связанные с возникновением больших напряжений на этапе охлаждения узла после пайки и разностью коэффициентов термического расширения металла и керамики, которые приводят к разрушению узлов в процессе их эксплуатации. При этом, как показала практика, наиболее часто разрушение керамической детали происходит по местам резких переходов формы детали, например, соединения рабочего колеса турбины с ее хвостовиком, поскольку в этом месте, кроме термических трещин, наиболее часто наблюдаются дефекты, связанные с механической обработкой детали при ее изготовлении.
Известно устройство для сборки металлокерамических узлов под пайку, содержащее полый корпус, в котором имеются элементы для установки деталей паяемого изделия, причем элементы для установки деталей паяемого изделия выполнены в виде установленных в корпусе с возможностью перемещения двух втулок, на которых выполнены базовые поверхности для установки паяемых деталей, и шпильки, размещенной в отверстиях втулок и оснащенной резьбовыми элементами крепления.
(см. патент РФ на полезную модель №137222, МПК В23К 1/00, 2014 г.).
В результате анализа конструкции известного устройства необходимо отметить, что оно не позволяет обеспечить точное относительное позиционирование паяемых деталей, так как каждая из трех подлежащих пайке деталь при сборке устройства позиционируется по базовой поверхности своего установочного элемента (одной из втулок или шпильки), что не позволяет обеспечить равные зазоры между паяемыми поверхностями детали и, в конечном счете, приводит к снижению качества пайки.
Известно устройство для сборки под пайку металлокерамических узлов, содержащее полый корпус, центратор с центрирующей поверхностью и шпильку с резьбовыми концами, на один из которых навинчена зажимная гайка, которое оснащено опорной шайбой с осевым отверстием и радиальными каналами, предназначенной для установки на нее одной из деталей паяемого узла, и основанием с осевым отверстием, при этом корпус закреплен на основании, а шпилька установлена в осевом отверстии основания и пропущена через осевое отверстие опорной шайбы, причем на шпильке выполнена центрирующая поверхность для центрирования одной из деталей паяемого узла, устанавливаемой на опорную шайбу, опорная шайба установлена на основании радиальными каналами в сторону центратора, который с возможностью перемещения размещен в корпусе на шпильке, а его центрирующая поверхность имеет возможность взаимодействия с базовой поверхностью другой детали узла, причем центратор имеет возможность контакта с зажимной гайкой.
(см. патент РФ на полезную модель №155201, МПК В23К 1/00, 2015 г.), наиболее близкий аналог.
В результате анализа конструкции известного устройства было установлено, что в ней подлежащие пайке детали жестко зафиксированы в оснастке, а это в процессе пайки может привести к возникновению трещин в керамической детали.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении работоспособности паяного узла и увеличении срока его эксплуатации за счет обеспечения качественного паяного соединения и снижения термических деформаций керамической детали в процессе ее пайки с металлической деталью.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для сборки под пайку металлокерамического узла турбины, содержащем основание для размещения подлежащей пайке детали из керамического материала, имеющей хвостовик конической формы, прижим, для поджатия к керамической детали из металла, имеющей раструб конической формы, размещаемый на конической поверхности хвостовика и зажимные элементы, предназначенные для стягивания основания и прижима, новым является то, что устройство снабжено опорами, установленными на основании, и ограничителем перемещения металлической детали относительно керамической, выполненным из керамического материала, в виде составного из нескольких элементов, соединяемых друг с другом с возможностью разъема кольца, на котором по кромке отверстия выполнена кольцевая выемка, а опоры могут быть выполнены в виде втулок, надетых отверстиями на резьбовые шпильки зажимных элементов.
Наличие ограничительного составного керамического кольца позволяет исключить формирование паяного соединения в ослабленной зоне керамической детали (в области соединения ступицы ротора с хвостовиком) за счет ограничения перемещения металлической детали при нагреве под пайку.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых представлен общий вид устройства в разрезе (паяемые детали расположены вертикально).
Устройство для сборки под пайку металлокерамического узла турбины состоит из основания 1 и прижима 2, соединяемых зажимными элементами 3, в качестве которых использованы резьбовые шпильки с затяжными гайками. На основании 1 размещены опоры 4, выполненные из цилиндров или виде втулок, надетых отверстиями на резьбовые шпильки. Паяемые детали обозначены позициями 5 и 6, причем деталь 5 выполнена из металла в виде полого вала с раструбом конической формы на конце, а деталь 6 - из керамики и представляет выполненную в виде диска ступицу ротора турбины с хвостовиком конической формы, сопрягаемым при сборке перед пайкой с раструбом вала 5.
Устройство оснащено ограничителем перемещения детали 5 относительно детали 6, выполненным в виде составного из нескольких элементов, соединяемых друг с другом с возможностью разъема кольца 7 (ограничительное кольцо) из керамического материала, на котором по кромке отверстия выполнена кольцевая выемка 8.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Основание 1 с установленными на нем зажимными элементами 3 располагают на верстаке. На центральную часть основания хвостовиком верх укладывают керамическую деталь 6, на резьбовые шпильки надевают отверстиями опоры 4 (если они выполнены в виде втулок), устанавливая их на основании 1. Если опоры 4 выполнены в виде цилиндров из располагают на основании 1 вокруг керамической детали 6. Выполнение опор в виде втулок обеспечивает при их установке на резьбовых шпильках, постоянное положение на основании 1. На опоры 4 укладывают кольцевой выемкой 8 вверх ограничитель 7, надевая его отверстием на хвостовик ступицы. В результате керамическая деталь 5 позиционируется относительно вертикальной оси оснастки по отверстию ограничительного кольца 7.
На конической поверхности хвостовика размещают припой.
На хвостовик детали 6 поверх припоя надевают раструбом деталь 5, которая автоматически центрируется относительно конической поверхности хвостовика конической поверхностью раструба. Сверху относительно детали 5 устанавливают на резьбовые шпильки прижим 2 и стяжными гайками перемещают его вниз, создавая усилие поджима детали 5 к детали 6 с заданным усилием.
Устройство собрано и подготовлено к пайке установленных в нем деталей.
Для пайки собранное устройство помещают в печь и нагревают для осуществления процесса высокотемпературной пайки.
В процессе нагрева деталей, раструб детали 5, за счет большего коэффициента термического расширения, по сравнению с керамической деталью, постепенно перемещается поверх припоя вниз по скользящей посадке по конической части хвостовика керамической детали 6, выдавливая при этом часть припоя перед собой. Такое перемещение детали 5 осуществляется до контакта торца ее раструба с поверхностью ограничительного кольца 7, после чего осадка металлической детали 5 прекращается и дальнейший процесс формирования паяного соединения производится при неподвижных деталях 5 и 6. Использование ограничительного кольца 7 позволяет исключить формирование паяного соединения в области, приближенной к месту сочленения хвостовика и ступицы керамической детали 6 и, как следствие, уменьшить вероятность появления в месте сочленения термических дефектов.
При перемещении сверху вниз детали 5, она, как уже было отмечено выше, выдавливает перед собой часть припоя, размещенного на конической поверхности хвостовика. Этот припой накапливается в выемке 8, формируя галтельный участок паяного соединения, что повышает прочность паяного соединения и снижает расход припоя.
2
3
При дальнейшем нагреве при проведении пайки, металлическая деталь 5 начинает оказывать давление на ограничительное кольцо 7, поэтому оно должно быть выполнено из керамики, обладающей низким коэффициентом термического расширения (например, из керамики на основе АlO или керамики, близкой по химическому составу к паяемой керамической детали).
После окончания пайки и охлаждения спаяных деталей, устройство извлекают из печи, снимают прижим 2, удаляют (разъединяя его по месту (местам) разъема ограничительное кольцо 7 и вынимают из устройства изделие.
Весьма важно, что в собранном положении устройства опоры 4 обеспечивают точное позиционирование укладываемого на них составного ограничителя 7 относительно плоскости пайки изделия. В случае перекоса ограничителя 7, в процессе сборки и последующей пайки возможна неправильная посадка конического раструба детали 5 на коническую поверхность хвостовика керамической детали 6.
Укладываемый на опоры 4 ограничитель 7 обеспечивает ограничение перемещения металлической детали 5 относительно детали 6 при пайке узла. Как уже отмечалось выше, для обеспечения возможности удаления ограничителя 7 из зоны паяного соединения, оно изготовлено из нескольких секций, плотно стыкующихся друг с другом с возможностью последующего их разъема.
Пример. Производили пайку трех узлов турбины, каждый из которых состоял из детали (ступицы ротора) 6, выполненной из керамики ОТК904, и металлической детали (полого вала) 5, выполненной из титанового сплава ВТ6С. Для сборки под пайку использовалось устройство предлагаемой конструкции. Керамическую деталь размещали на основании 1, устанавливали на основании 1 опоры 4 и на них укладывали ограничитель 7 выемкой 8 вверх, надевая его на хвостовик детали 6. Ограничительное кольцо 7 было выполнено из керамики ВК-94 и состояло из двух одинаковых секций (половинок). После этого производилось позиционирование деталей 5 и 6 относительно друг друга и стягивание оснастки с помощью зажимных элементов.
Для сравнения также были изготовлены 3 узла с использованием стандартной оснастки (без ограничительного кольца и опор). Каждый узел представлял собой керамическую деталь из керамики ОТМ904 и металлическую деталь из титанового сплава ВТ6С. При сборке позиционирование деталей по центру вертикальной оси оснастки осуществлялось с помощью центрального штифта, изготовленного из материала оснастки, который проходил через металлическую заготовку и упирался в центр керамической детали.
Пайка осуществлялась в печи типа СГВ-2 по следующим режимам: температура нагрева под пайку 820°С, время пайки 3 мин. После пайки проводилось металлографическое исследование образцов. В результате исследования было установлено, что на образцах, спаянных с использованием предлагаемого устройства в области перехода металла к керамике дефекты типа трещин обнаружены не были. В двух образцах, полученных с использованием оснастки без ограничительного кольца и опор, были обнаружены микротрещины в области паяного соединения.
Таким образом, использование заявленного устройства позволяет снизить вероятность образования дефектов типа трещин в керамических деталях и, тем самым, повысить работоспособность паяного соединения металлокерамического узла турбины.