СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ И СПОСОБ РЕМОНТА
METHOD FOR SURFACE FINISHING AND METHOD OF REPAIR

Область техники
Изобретение относится к способу, использующему электрический разряд для формирования покрытия или наплавленного слоя на заданном участке детали, например на компоненте газотурбинного двигателя, и к способу ремонта таким способом.
Уровень техники
Газотурбинный двигатель при работе развивает высокие обороты при высокой температуре и поэтому его компоненты должны обладать высокой стойкостью к истиранию, жаропрочностью и/или стойкостью к коррозии при высокой температуре. В таких деталях участки, которые должны обладать такими характеристиками, ограничены, и их поверхность также ограничена. Поэтому их часто выполняют из соответствующих материалов, например из керамики, сформированной в виде слоя на базовых элементах. В качестве примеров применяемых способов можно привести вакуумное напыление, химическое осаждение из паровой фазы и тепловое распыление; однако эти способы могут вызвать определенные технические проблемы, затрудняющие нанесение отдельных материалов такими способами, они требуют очень длительного времени на обработку и требуют дополнительных технологических операций, например нанесения маски на периферийную поверхность обрабатываемых участков, чтобы локализовать покрытие на этих участках.
Способ, при котором используется разряд между электродом и деталью для формирования покрытия, описан в публикации выложенной заявки на патент Японии № Н8-300227. Проблема, часто встречающаяся в этом способе, заключается в формировании пористого покрытия в зависимости от типа керамики и/или условий обработки. В пористом покрытии ухудшены связи между частицами, и такое покрытие может обладать недостаточной прочностью.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является создание способа, при котором используют электрический разряд для формирования плотного покрытия или нароста керамики.
Согласно первому объекту изобретения создан способ формирования покрытия на ограниченном участке обрабатываемого тела, при котором наносят прессованное тело из металлического порошка или спеченное прессованное тело из металлического порошка на рабочий электрод; осуществляют электроразрядное осаждение для нанесения первого покрытия с рабочего электрода на обрабатываемое тело, используя обрабатываемое тело как деталь при электроразрядном осаждении; осуществляют электроразрядное осаждение второго слоя с рабочего электрода на первый слой, используя обрабатываемое тело как деталь при электроразрядном осаждении, и нагревают обрабатываемое тело в вакууме, в воздухе или в окислительной атмосфере для уплотнения второго покрытия или для окисления второго покрытия, по меньшей мере, частично для генерирования вещества твердой смазки.
Согласно второму объекту настоящего изобретения создан способ ремонта тела, содержащего дефект, при котором удаляют участок, определяющий дефект тела; наносят прессованное тело из металлического порошка или спеченное прессованное тело из металлического порошка на рабочий электрод; осуществляют электроразрядное осаждение для нанесения нароста с рабочего электрода на обрабатываемое тело, используя обрабатываемое тело как деталь при электроразрядном осаждении; нагревают обрабатываемое тело в вакууме, в воздухе или в окислительной атмосфере для уплотнения нароста или для окисления осаждения, по меньшей мере, частично для генерирования вещества твердой смазки.
2
3
2
3
Предпочтительно, согласно любому из вышеуказанных способов, до нагревания дополнительно заполняют поры покрытия твердым смазочным материалом. Кроме того, предпочтительно твердый смазочный материал выбирают по существу из группы, состоящей из hBN, MoS, BaZrO и CrO; при этом, опять-таки, до нагревания можно дополнительно заполнить поры покрытия твердым смазочным материалом.
Кроме того, предпочтительно, обрабатываемое тело является деталью газотурбинного двигателя. Дополнительно, предпочтительно, газотурбинный двигатель содержит такую деталь.
Краткое описание чертежей
Фиг.1(а) - схематичный вид обрабатываемого тела согласно первому варианту настоящего изобретения, а фиг.1(b) и 1(с) - схематичные виды, иллюстрирующие процесс обработки поверхности обрабатываемого тела;
Фиг.2(а), 2(b) 2(с) - схематичные виды, иллюстрирующие способ обработки поверхности;
Фиг.3 - диаграмма отношения между толщиной наплавленной части и адгезионной прочностью нароста, когда нарост сформирован на обрабатываемом теле способом обработки поверхности;
Фиг.4 - диаграмма отношения между толщиной наплавленной части и деформацией обрабатываемого тела, когда нарост сформирован на обрабатываемом теле способом обработки поверхности;
Фиг.5 - вид в перспективе лопатки ротора турбины, являющейся обрабатываемым телом при способе ремонта согласно второму варианту настоящего изобретения;
Фиг.6(а) - схематичный вид дефекта на истирающейся поверхности (участок, подлежащий ремонту) бандажа лопатки ротора турбины, а фиг.6(b) - схематичный вид, иллюстрирующий способ ремонта;
Фиг.7(а) и (b) - схематичный вид, иллюстрирующий способ ремонта;
Фиг.8(а) и (b) - схематичный вид, иллюстрирующий способ ремонта;
Фиг.9(а) и (b) - схематичный вид, иллюстрирующий способ ремонта.
Описание предпочтительного варианта изобретения
В описании и формуле изобретения используются термины, которым дается следующее определение. Термин "электроразрядное осаждение" определяется и используется как использование разряда в электроискровом станке для износа электрода вместо обработки детали для осаждения материала электрода или продукта реакции между материалом электрода и обрабатывающей жидкостью или обрабатывающим газом на деталь. Кроме того, термин "электроразрядное осаждение" используется как переходный глагол. Кроме того, фраза "состоит по существу из" означает особенно строго регулируемые ингредиенты, в число которых не входят дополнительные неуказанные ингредиенты, которые повлияли бы на базовые и новые характеристики определяемого изделия в остальных пунктах формулы, но которые допускают наличие любых ингредиентов, например примесей, которые существенно не влияют на эти характеристики.
В некоторых вариантах настоящего изобретения для электроразрядного осаждения используется электроискровой станок (большая часть которого показана не будет). При электроразрядном осаждении обрабатываемое тело устанавливают в электроискровой станок в качестве детали и подводят к рабочему электроду в рабочей ванне. Затем, в случае станка для электроэрозионной обработки, от внешнего источника питания подают пульсирующий ток для генерирования пульсирующего разряда между деталью и рабочим электродом для удаления материала с детали, в результате чего деталь приобретает форму, ответную форме конца рабочего электрода. В отличие от этого при электроискровом осаждении изнашивается не деталь, а рабочий электрод и материал рабочего электрода или продукт реакции между материалом электрода и рабочей жидкостью или рабочим газом отлагается на детали. Такое отложение не только связывается с деталью, но между отложением и деталью, а также между частицами отложения может возникнуть диффузия, сварка и т.п., на что уходит часть энергии разряда.
Далее следует описание первого варианта изобретения со ссылками на фиг.1-4.
Способ обработки поверхности согласно первому варианту настоящего изобретения относится к обработке участка 3 тела 1, как показано на фиг.1(а), и содержит следующие этапы: (I) этап формирования тонкой пленки, (II) этап формирования слоя нароста, (III) этап заполнения смазкой и (IV) этап выдержки при высокой температуре.
(I) ЭТАП ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОЙ ПЛЕНКИ
Как показано на фиг.1(b), тело 1, в качестве детали электроискрового станка, приближают к рабочему электроду 7 в рабочей ванне 5 электроискрового станка. Затем между обрабатываемым участком 3 тела 1 и рабочим электродом 7 генерируют пульсирующий разряд в масле L, находящемся в рабочей ванне 5. В результате на обрабатываемом участке 3 тела 1 формируется наносимое электроискровым осаждением отложение в форме тонкой пленки 9.
Здесь рабочий электрод 7 является формованным телом, полученным прессованием порошка, состоящего по существу из металла, или формованным телом, подвергшимся термообработке для, по меньшей мере, частичного спекания. В то же время рабочий электрод 7 может быть получен не прессованием, а путем заливки суспензии, методом литья под давлением, распылением и т.п.
(II) ЭТАП ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЯ НАРОСТА
После завершения этапа (I) формирования тонкой пленки, как показано на фиг.1(с), между обрабатываемой поверхностью 3 тела 1 и торцевой поверхностью рабочего электрода 7 далее генерируют пульсирующий разряд в масле L в рабочей ванне 5. В результате тонкая пленка 9 растет, формируя слой 11 нароста на участке 3 тела 1. Слой 11 нароста обычно имеет пористую структуру.
Далее, на границе между слоем 11 нароста и основанием тела 1 формируется сплавленная часть (сплавленный слой) 13, в котором соотношение составляющих изменяется в направлении толщины. Сплавленную часть 13 формируют так, чтобы ее толщина составляла от 3 до 20 мкм, подбирая соответствующие условия разряда во время формирования слоя 11 нароста. Такими нужными условиями разряда могут быть пиковый ток 30 А или менее и длительность импульса 200 мкс или менее, и более предпочтительно, пиковый ток 20А или менее и длительность импульса 20 мкс или менее.
Здесь основанием для выбора толщины сплавленной части 13 в диапазоне 3-20 мкм являются результаты тестов, показанные на фиг.3 и 4.
В частности, когда слои 11 нароста формируют на обрабатываемых телах 1 посредством электроразрядного осаждения при разных условиях разряда, отношение между толщиной сплавленной части 13 и адгезионной прочностью слоев 11 нароста показано на фиг.3. Из этой диаграммы может быть получено первое новое знание того, что адгезионная прочность сплавленных частей 13 к слоям 11 нароста увеличивается, когда толщина сплавленных частей составляет 3 мкм или более. Далее, на фиг.4 показано отношение между толщиной сплавленной части 13 и деформацией основания обрабатываемого тела 1, из которого можно получить второе новое знание того, что деформацию основания обрабатываемого тела 1 можно предотвратить, когда толщина сплавленных частей 13 составляет 20 мкм и менее. Следовательно, на основании первого и второго новых знаний толщина сплавленной части 13 была задана в диапазоне 3-20 мкм, чтобы повысить адгезионную прочность слоя 11 нароста и предотвратить деформацию основания тела 1.
На горизонтальных осях на фиг.3 и 4 отложены логарифмы толщины сплавленных слоев 13, а на вертикальной оси на фиг.3 показаны безразмерные числа адгезионной прочности слоев 11 нароста, а на вертикальной оси на фиг.4 показаны безразмерные числа деформации основания тел 1.
(III) ЭТАП ЗАПОЛНЕНИЯ СМАЗКОЙ
2
3
После окончания этапа (II) формирования слоя нароста тело 1 снимают с электроискрового станка. Затем, как показано на фиг.2(а) и (b), в жидкость подмешивают твердую смазку 17 и заполняют множество пор 15 в слое нароста 11, втирая его щеткой. Твердая смазка 17 состоит по существу из hBN, MoS, BaZrO или
2
3
CrO.
(IV) ЭТАП ВЫДЕРЖКИ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
По окончании этапа (III) заполнения смазкой, как показано на фиг.2(с), обрабатываемое тело 1 устанавливают в заданное место в печи 19 для термообработки. Затем тело 1 нагревают в вакууме или в атмосфере воздуха для уплотнения или окисления нароста 11. Хотя термин "уплотнение" будет разъяснен более подробно, уплотненность или не уплотненность слоя можно четко определить на основе морфологических наблюдений с точки зрения макро- или микроструктуры.
2
3
Здесь, хотя температура и время нагрева, необходимого для уплотнения, зависят от типа металлического порошка, образующего сформованное тело, если металлический порошок является порошком сплава Со, содержащего Cr, такое тело выдерживают в вакууме при температуре 1050°С в течение 20 минут или выдерживают в атмосфере воздуха при температуре 760°С в течение 4 часов. Однако, если необходимо получить смазывающую способность слоя 11 нароста, тело 1 выдерживают при высокой температуре в атмосфере воздуха в течение заданного времени, чтобы окислить, по меньшей мере, часть Cr в структуре и получить CrO, который является твердой смазкой, не раскисляя твердую смазку 17.
В то же время нагрев можно проводить в любой окисляющей атмосфере, не являющейся воздухом.
После формирования слоя 11 нароста, состоящего из пористой структуры, на участке 3 тела 1 осуществляют диффузию между участком 3 тела 1 и слоем 11 нароста и между частицами в слое 11 нароста, удерживая тело 1 при высокой температуре в вакууме или в атмосфере воздуха в течение заданного времени в печи 19 для термообработки, чтобы увеличить силу связи между участком 3 тела 1 и слоем 11 нароста и между частицами слоя 11 нароста. В частности, если тело 1 предназначено для выдерживания при высокой температуре в окисляющей атмосфере, например в воздухе, в течение заданного времени, вещества, образующие слой 11 нароста, окисляются и преобразуются в вещества, состоящие по существу из оксидной керамики. Упомянутый термин "уплотнение" включает в себя значения "увеличение силы связи путем диффузии" и "генерирование оксидной керамики путем окисления".
Далее, после формирования слоя 11 нароста пористой структуры можно уменьшить сопротивление трению слоя 11 нароста за счет смазывающего действия твердой смазки 17, чтобы воспрепятствовать адгезии к прилегающему элементу, путем введения твердой смазки 17 во множество пор 15 в слое 11 нароста.
Кроме того, поскольку толщина сплавленной части 13 составляет от 3 до 20 мкм, адгезионную прочность слоя 11 нароста можно увеличить, не допуская деформации основы обрабатываемого тела 1.
Согласно описанному выше первому варианту настоящего изобретения, когда диффузия между обрабатываемым участком 3 тела 1 и слоем 11 нароста и диффузия между частицами в слое 11 нароста в достаточной степени увеличит силу связи между участком 3 тела 1 и слоем нароста и силу связи между частицами слоя 11 нароста, предел прочности на разрыв в слое 11 нароста возрастает, как показано в таблице, и если на слой 11 нароста воздействует большая растягивающая сила, разрушение происходит реже, и качество тела 1 после обработки поверхности можно легко стабилизировать.
Результаты испытаний на растяжение
Условия нагревания
Предел прочности на разрыв
До нагревания
После нагревания
Выдержка в вакууме при 1050°С в течение 20 мин и затем при 760°С в течение 4 часов
17 МПа
88 МПа
Выдержка в воздухе при 760°С в течение 4 часов
15 МПа
64 МПа
Далее, поскольку адгезионную прочность слоя 11 нароста можно увеличить без деформации основания обрабатываемого тела, качество тела 1 после обработки поверхности можно дополнительно стабилизировать.
Более того, поскольку сопротивление трению слоя 11 нароста уменьшено за счет смазывающего действия твердой смазки 17 для предотвращения адгезии к прилегающему элементу, стойкость к истиранию слоя 11 нароста можно увеличить, чтобы повысить качество тела 1 после обработки поверхности. В частности, если тело 1 изготовлено путем выдержки при высокой температуре в окисляющей атмосфере, например в воздухе, в течение заданного времени, всю пористую структуру можно окислить для преобразования в слой 11 нароста, структура которого состоит в основном из оксидной керамики, благодаря чему повышается сопротивление окислению и теплоизоляционные свойства, поэтому качество тела 1 после обработки поверхности дополнительно улучшается.
Далее следует описание второго варианта настоящего изобретения со ссылками на фиг.5-9.
Как показано на фиг.5, лопатка 21 ротора турбины, подлежащая ремонту способом согласно второму варианту настоящего изобретения, является одной из деталей газотурбинного двигателя, например реактивного двигателя, и содержит лопатку 23, платформу 25, выполненную за одно целое с проксимальным концом лопатки 23 и снабженную внутренними обтекателями, соединение "ласточкин хвост" 27, выполненное за одно целое с платформой 25 и имеющее конфигурацию для установки в канавку ласточкина хвоста (не показано) диска турбины и бандаж 29, выполненный за одно целое с дистальным концом лопатки 23 и снабженный внешним обтекателем 29d.
Как показано на фиг.6(а), поскольку на паре трущихся поверхностей 29f бандажа 29 лопатки 21 ротора турбины часто возникают дефекты, например в результате износа, вызванного трением о трущуюся поверхность 29f соседней лопатки 21 ротора турбины, эта трущаяся поверхность 29f бандажа 29 лопатки 21 ротора турбины является участком, подлежащим ремонту.
Способ ремонта согласно второму варианту настоящего изобретения предназначен для ремонта трущейся поверхности 29f и содержит следующие этапы: (i) этап удаления дефекта, (ii) этап формирования тонкой пленки, (iii) этап формирования слоя нароста, (iv) этап заполнения смазкой, (v) этап выдержки при высокой температуре и (vi) этап финишной обработки в размер.
(i) ЭТАП УДАЛЕНИЯ ДЕФЕКТА
Лопатку 21 ротора турбины устанавливают в заданное положение в шлифовальный станок (большая часть станка не показана). Затем, как показано на фиг.6(b), шлифовальный круг 31 шлифовального станка приводят во вращение, а часть, содержащую дефекты, возникшие на поверхности 29f трения 29 бандажа 29, удаляют шлифованием. Поверхность, образованная путем удаления этой части, также будет упоминаться как шлифованная поверхность 37.
Кроме того, такой участок можно удалять не шлифованием, а на электроискровом станке и т.п.
(ii) ЭТАП ФОРМИРОВАНИЯ ТОНКОЙ ПЛЕНКИ
После этапа (i) удаления дефекта, как показано на фиг.7(а), лопатку 21 ротора турбины снимают с заданного положения на шлифовальном станке и подводят к рабочему электроду 35 в рабочей ванне 33 электроискрового станка. Затем между шлифованным участком 37 сегмента 29 бандажа и рабочим электродом 35 в масле L, находящемся в ванне 33, генерируют пульсирующий разряд. Тем самым электроразрядным осаждением формируют отложение в форме тонкой пленки 39 на шлифованной поверхности 37 бандажа 29. Рабочий электрод 35 аналогичен рабочему электроду 7 согласно первому варианту изобретения.
(iii) ЭТАП ФОРМИРОВАНИЯ СЛОЯ НАРОСТА
По завершении этапа (ii) формирования тонкого слоя, как показано на фиг.7(b), генерируют пульсирующий разряд между шлифованной поверхностью 37 бандажа 29 и рабочим электродом 35 в масле L в рабочей ванне 33. Тем самым обеспечивают рост тонкой пленки 39 для формирования слоя 41 нароста на шлифованной поверхности 37 бандажа 29. Слой 41 нароста обычно имеет пористую структуру.
Далее, на границе между слоем 41 нароста и основанием лопатки 21 ротора турбины формируется сплавленная часть (сплавленный слой) 43, в котором в направлении толщины изменяется соотношение составляющих. Сплавленную часть 43 формируют так, чтобы ее толщина составляла от 3 до 20 мкм, подбирая соответствующие условия разряда во время формирования слоя 41 нароста. Такими нужными условиями разряда могут быть пиковый ток 30 А или менее и длительность импульса 200 мкс или менее и, более предпочтительно, пиковый ток 20А или менее и длительность импульса 20 мкс или менее.
Здесь основанием для выбора толщины сплавленной части 13 в диапазоне 3-20 мкм являются результаты тестов, показанные на фиг.3 и 4.
(iv) ЭТАП ЗАПОЛНЕНИЯ СМАЗКОЙ
2
3
2
3
По завершении этапа (iii) формирования слоя нароста лопатку 21 ротора турбины снимают с электроискрового станка. Затем, как показано на фиг.8(а) и (b), в жидкость подмешивают твердую смазку и заполняют ей множество пор 45 в слое 41 нароста, втирая щеткой. Твердая смазка 47 состоит по существу из hBN, MoS, BaZrO или CrO.
(v) ЭТАП ВЫДЕРЖКИ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
2
3
По завершении этапа (iv) заполнения смазкой, как показано на фиг 9(а), лопатку 21 ротора турбины устанавливают в заданное положение в печи 49 для термообработки. Затем лопатку 21 ротора турбины нагревают в вакууме или в атмосфере воздуха для уплотнения слоя 41 нароста в печи 49 для термообработки. Термин "уплотнение" по существу идентичен использованному в первом варианте. Здесь, хотя температура и время нагрева, необходимого для уплотнения, зависят от типа металлического порошка, образующего сформованное тело, если металлический порошок является порошком сплава Со, содержащего Cr, лопатку выдерживают в вакууме при температуре 1050°С в течение 20 минут или выдерживают в атмосфере воздуха при температуре 760°С в течение 4 часов. Однако, если необходимо получить смазывающую способность слоя 41 нароста, лопатку 21 ротора турбины выдерживают при высокой температуре в атмосфере воздуха в течение заданного времени, чтобы окислить, по меньшей мере, часть Cr в структуре и получить CrO, который является твердой смазкой, не раскисляя твердую смазку 47.
В то же время, нагрев можно проводить в любой окисляющей атмосфере, не являющейся воздухом.
(vi) ЭТАП ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ В РАЗМЕР
По завершении этапа (v) выдержки при высокой температуре, лопатку 21 ротора турбины извлекают из заданного места в печи 29 для термообработки и устанавливают в заданное положение на шлифовальный станок. Далее, как показано на фиг.7(а), шлифовальный круг 31 шлифовального станка приводят во вращение и шлифуют слой 41 нароста до заданной толщины.
Вместо шлифования можно использовать электроэрозионную обработку.
После формирования слоя 41 нароста, имеющего пористую структуру, на лопатке 21 ротора турбины используют диффузию между шлифованной поверхностью 37 бандажа 29 и слоем 41 нароста и диффузию между частицами в слое 41 нароста, возникающую при выдерживании лопатки 21 ротора турбины при высокой температуре в вакууме или в атмосфере воздуха в течение заданного времени в печи 49 для термообработки так, что сила связи между лопаткой 21 ротора турбины и слоем 41 нароста и сила связи между частицами слоя 41 нароста может существенно увеличиться.
Далее, после формирования слоя 41 нароста, имеющего пористую структуру, можно уменьшить сопротивление трению этого слоя 41 нароста за счет смазывающего действия твердой смазки 47, чтобы предотвратить адгезию к прилегающему металлическому элементу, заполняя множество пор в слое 41 нароста твердой смазкой 47.
Кроме того, поскольку толщина сплавленного слоя 43 составляет от 3 до 20 мкм, адгезионную прочность слоя 41 нароста можно увеличить, не допуская деформации основания лопатки 21 ротора турбины.
Следовательно, поскольку диффузия между шлифованной поверхностью 37 бандажа 29 и слоем 41 нароста и диффузия между частицами слоя нароста достаточно повысили силу связи между шлифованной поверхностью 37 бандажа 29 и слоем 41 нароста и силу связи между частицами слоя 41 нароста, предел прочности на разрыв слоя 41 нароста увеличивается. Таким образом, если на слой 41 нароста воздействует большая растягивающая сила, разрушение происходит реже и качество лопатки 21 ротора турбины после ремонта можно легко стабилизировать.
Кроме того, поскольку адгезионную прочность слоя 41 нароста можно увеличить без деформации основания обрабатываемого тела, можно дополнительно стабилизировать качество лопатки 21 ротора турбины после ремонта.
Более того, поскольку сопротивление трению слоя 41 нароста уменьшено за счет смазывающего действия твердой смазки 47 для предотвращения адгезии к прилегающему металлическому элементу, стойкость к истиранию слоя 41 нароста можно увеличить, чтобы повысить качество лопатки 21 ротора турбины после ремонта.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылками на конкретные варианты его осуществления, оно не ограничено этими вышеописанными вариантами. При этом, из вышеприведенного описания изобретения специалистам в данной области техники будут очевидны различные изменения и модификации настоящего изобретения. Например, вместо масла L может быть использован газ, не обладающий электропроводностью.
Промышленная применимость
Используя электрический разряд, можно легко сформировать плотное покрытие или нарост из керамики.