УПРОЧНЕННАЯ ЛОПАТКА ТУРБОМАШИНЫ

Полезная модель относится к деталям ГТД, ГТУ и паровых турбин, а именно к упрочненных наплавкой, при восстановлении изношенных или изготовлении новых, лопаток турбомашин.
Лопатки турбомашин являются ответственными деталями, работающими в условиях знакопеременных переменных, динамических нагрузок, в сочетании с повышенным температурой и агрессивными средами, часто при воздействии факторов, приводящих к эрозионному износу их рабочих поверхностей.
Известна деталь с поверхностью, в виде поочередно наплавленных продольных валиков образованных в результате электродуговой наплавки, осуществленной ручной дуговой сваркой штучными электродами из различных материалов (А.С. СССР №1687406 МПК В23К 9/04, 1988).
Известна также деталь, поверхность которой образована в результате наплавки по спирали наплавляемого непрерывной дугой по меньшей мере одного валика одного слоя наплавляемого металла с последующим удалением с поверхности валика шлаковой корки (А.С. №1539011, МПК В23К 9/04). Однако, такая поверхность содержит шлаковые включения, которые ухудшают качество наплавленного покрытия. Кроме того, вышеуказанные известные детали не обеспечивают высокую работоспособность изделий, работающих в условиях переменных, динамических нагрузок, таких, как например лопатки турбомашин.
Известна также упрочненная деталь, содержащая, по меньшей мере, на своей части покрытие, полученное путем наплавки (PCT/SU 80/0036; WO 81/03138). Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, выбрано за прототип.
Известная деталь, содержит поверхность, полученную в результате электродугового многослойного наплавления на нее плавящимся электродом, с последующей механической обработкой и отпуском. При формировании поверхности известной детали, наплавление первого слоя производят так, чтобы обеспечить периодические, непрерывно следующие друг за другом, по меньшей мере, в одном направлении заглубления основания этого слоя в металл детали, и в качестве плавящегося электрода для наплавления этого слоя используют такой, коэффициент линейного расширения металла которого меньше коэффициента линейного расширения металла детали.
Известно, что влияние остаточных напряжений на прочность изделий и их эксплуатационную надежность может быть как положительным, так и отрицательным. Для решения вопроса о положительном или отрицательном влиянии остаточных напряжений необходимо знать величину и характер распределения остаточных напряжений, величину и характер приложения внешних нагрузок, совокупность механических свойств материала, из которого изготовлены детали или конструкции, и только с помощью расчета с учетом различных факторов можно решить вопрос о прочности, надежности и долговечности деталей с учетом влияния среды, в которой они работают. Недостатком прототипа является невозможность управления полями остаточных напряжений в широких пределах.
Задачей заявляемого технического решения является создание упрочненной лопатки турбомашины с наплавленным покрытием, имеющей высокие эксплуатационные свойства за счет создания на поверхности пера лопатки композиции из основного и наплавленного материалов.
Поставленная задача решается за счет того, что упрочненная лопатка турбомашины, содержащая на части пера покрытие, полученное путем наплавки, механической обработки и отпуска, в отличие от прототипа, покрытие образовано из наплавленных в направлении продольной образующей пера лопатки полос из легированных металлов, при обеспечении промежутков между наплавленными полосами, при этом возможны следующие варианты лопатки: содержит покрытие, состоящее из наплавленных полос шириной от 1 мм до 34 мм, расположенных с шагом от 2 мм до 40 мм, с шириной промежутка между полосами от 1 мм до 36 мм; в качестве материала лопатки турбомашины использован жаропрочный сплав на никелевой и/или кобальтовой основе; в качестве материала лопатки турбомашины использованы высоколегированные хромистые стали; содержит наплавленные полосы из сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Мо, W, Ti, Y или их комбинацией; содержит наплавленные полосы из сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Мо, W, Ti, Y или их комбинацией; содержит наплавленные полосы из сплава состава: Со - от 25% до 55%, Cr - от 7% до 52%, Al - от 1% до 24%, Мо - от 0,2% до 5,5%, W - от 0,1% до 2,8%, Ti - от 0,1% до 1,1%, остальное - никель; содержит перо лопатки, подвергнутое, после наплавки, упрочняющей обработки микрошариками.
Поставленная задача решается также за счет того, что упрочненная лопатка турбомашины, содержит перо лопатки, подвергнутое, после наплавки, либо размерной обработке, обеспечивающей высоту наплавленных полос в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки, либо размерной обработке, обеспечивающей исходный профиль пера лопатки.
Поставленная задача решается также за счет того, что упрочненная лопатка турбомашины, содержит перо лопатки подвергнутое, после размерной обработки, термической обработки термоциклированием в диапазоне температур 800°С до 1050°С; содержит перо лопатки подвергнутое, после термической обработки лопатки электролитно-плазменному полированию; содержит перо лопатки подвергнутое, после термической обработки лопатки ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску; содержит перо лопатки подвергнутое, после электролитно-плазменного полирования ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску.
10
20
2
Поставленная задача решается также за счет того, что упрочненная лопатка турбомашины, содержит перо лопатки подвергнутое, ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, как вариант, с энергией ионов 0,2-30 кэВ и дозой имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
10
20
2
Поставленная задача решается также за счет того, что упрочненная лопатка турбомашины содержит перо лопатки с покрытиями, полученными газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электроннолучевым испарением и конденсацией в вакууме и/или магнетронным распылением и, как вариант, содержит перо лопатки, подвергнутое перед нанесением защитного покрытия на перо лопатки ионно-имплантационной обработке, одними из следующих ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10до 5·10 ион/см.
2
2
3
2
3
2
Поставленная задача решается также за счет того, что упрочненная лопатка турбомашины выполнена из никелевых или кобальтовых сплавов, на перо которой нанесено защитное покрытие толщиной от 10 до 60 мкм, а в качестве материала покрытия использован сплав системы MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, NiPtAl и, как вариант, перо лопатки, подвергнуто, после нанесения защитного покрытия, нанесению слоя керамического материала толщиной 20…300 мкм, где в качестве материала керамического слоя использован ZrO-YO в соотношении YO - 5…9% вес, ZrO - остальное, а нанесение слоя керамического материала осуществлено газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.
Mе
Mе-B
Me-N
Me-C
Me-Nc
Mе
Mе-B
Me-N
Mс-C
Mе-Nc
Поставленная задача решается также за счет того, что упрочненная лопатка турбомашины выполнена из легированной стали, на перо которой нанесено защитное покрытие толщиной от 10 до 30 мкм, из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом - Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание, В - бор, N - азот, С - углерод, причем толщины слоев многослойного покрытия выбраны из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ(δ, δ, δ) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла.
Для получения упрочненной лопатки турбомашины может быть применен один из следующих вариантов наплавки или их комбинации: плазменная наплавка, лазерная наплавка, электронно-лучевая наплавка, электродуговая наплавка и наплавка другими методами. Перед наплавкой в детали могут быть протачены или продавлены канавки с заданными шагом, глубиной и количеством заходов. Образование наплавленных полос может быть осуществлено путем заплавления этих канавок легированными сплавами. Канавки заплавляют наложением валиков наплавленного металла. Наплавленные участки детали, как правило, являются наиболее слабыми зонами восстановленной лопатки (механическая и химическая неоднородности, неблагоприятный комплекс механических свойств, неблагоприятные остаточные напряжения). Эти зоны определяют усталостную прочность, долговечность и надежность восстановленных деталей. Однако, наложение регулярной по геометрии и химическому составу зон наплавки на перо лопатки создает, в отличие от хаотической наплавки, применяемой при восстановительном ремонте лопаток, эффекты, присущие композиционным материалам. В этом случае система «основной материал - наплавленные зоны» работает уже как композиционная система «матрица - армирующая наплавка». При этом, в зависимости от функциональных свойств поверхности детали, создаются такие свойства как повышенная усталостная прочность (за счет торможения усталостных трещин в переходных зонах), зоны с повышенной концентрацией легирующих элементов (например, для эксплуатации лопаток из жаропрочных суперсплавов в условиях обеднения легирующими элементами при высокотемпературной эксплуатации лопаток), равномерное распределение эксплуатационных напряжений при совместной работе матричной и армирующих фаз и др. Возможность создания различных размерных соотношений зон наплавки и основного материала, можно добиваться оптимального их распределения, отвечающего тем или иным условиям эксплуатации лопатки.
Полезная модель иллюстрируется схемой (Фиг.), на которой представлена лопатка с наплавленными на ее пере полосами. На фигуре обозначено: 1 - лопатка; 2 - перо; 3 - основной металл детали; 4 - наплавленные полосы; t-шаг между наплавленными полосами; а - ширина полосы; b - ширина промежутка между полосами; h - высота наплавочной зоны относительно исходной поверхности пера лопатки.
10
20
2
Наплавленную поверхность лопатки турбомашины получают следующим образом. На перо 1 лопатки 2 наносятся канавки для наплавки и производится наплавка легирующим металлом по канавкам с образованием наплавленных полос 4. При этом придерживаются следующего соотношения: шаг между наплавленными полосами составляет от 2 мм до 40 мм, при ширине полос от 1 мм до 34 мм, при обеспечении ширины промежутка между полосами от 1 мм до 36 мм. Направление наплавки, ширина зоны наплавки, шаг и промежуток между наплавленными полосами выбирается в зависимости от размеров лопатки, условий ее эксплуатации, целей создания композиции «наплавка - основной материал» (повышение усталостной прочности, жаростойкости, жаропрочности, эрозионной стойкости и т.п.). После наплавки полос производят размерную обработку, обеспечивающую восстановление заданной геометрии пера лопатки (например, проводится предварительная механическая обработка методом фрезерования и окончательная механическая обработка шлифованием), а также электролитно-плазменная обработка, ионно-имплантационная обработка и нанесение защитных покрытий. В качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацию. Ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см. На перо лопатки газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме и/или магнетронным распылением наносят защитное покрытие.
Для оценки свойств заявляемой лопатки турбомашины и сравнения ее с деталью-прототипом были проведены следующие исследования. Первая группа лопаток была получена согласно признаков, обозначенных в прототипе. Исходные лопатки имели эксплуатационные дефекты, которые были восстановлены наплавкой в дефектных зонах. Вторая группа лопаток с эксплуатационными дефектами была восстановлена по вариантам заявляемого технического решения. При этом были использованы следующие диапазоны зон наплавки: а=1 мм, в=0,5 мм; а=1 мм, в=1 мм; а=8 мм, в=8 мм; а=20 мм, в=10 мм; а=34 мм, в=6 мм; а=40 мм, в=10 мм (где а - ширина полосы; b - ширина промежутка между полосами; t - шаг между наплавленными полосами (t=а+b)). В качестве наплавляемого сплава использовались различные сочетания сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Мо, W, Ti, Y или их комбинацией, а также сплавы состава: Со - от 25% до 55%, Cr - от 7% до 52%, Al - от 1% до 24%, Мо - от 0,2% до 5,5%, W - от 0,1% до 2,8%, Ti - от 0,1% до 1,1%, остальное - никель.
-1
Для оценки стойкости лопаток из легированных стали 20Х13, полученных при восстановлении с использованием наплавки, осуществленной по варианту прототипа и предлагаемому варианту, были проведены следующие испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток в условиях воздействия эксплуатационных температур (при 300-450°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено, что условный предел выносливости (σ) лопаток (после ремонта) составляет:
А. После восстановления и механообработки лопаток:
1) прототип - в среднем 85-105 МПа;
2) предлагаемое техническое решение - в среднем 220-240 МПа;
Б. После обработки микрошариками:
1) прототип - в среднем 100-110 МПа;
2) предлагаемое техническое решение - в среднем 230-250 МПа;
В. После имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr:
1) прототип - в среднем 130-140 МПа;
2) предлагаемое техническое решение - в среднем 260-280 МПа;
Г. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr:
1) прототип - в среднем 92-104 МПа;
2) предлагаемое техническое решение - в среднем 270-290 МПа;
Д. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного покрытия
1) прототип - в среднем 84-92 МПа;
2) предлагаемое техническое решение - в среднем 250-270 МПа;
Е. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного многослойного покрытия
1) прототип - в среднем 86-104 МПа;
-1
2) предлагаемое техническое решение - в среднем 260-280 МПа. Проведенные исследования показали, что для лопаток из легированной стали применение предлагаемого технического решения позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ) с 90-105 МПа до 220-240 МПа, а при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и нанесения покрытий до 250-270 МПа, что подтверждает заявленный технический результат.
-1
Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, FSX-414, ЖС-6, в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток (после ремонта) составляет:
1) прототип - никелевые сплавы в среднем 210-220 МПа, кобальтовые - 210-215 МПа;
2) предлагаемое техническое решение:
- (после механической обработки) - никелевые сплавы в среднем 225 МПа, кобальтовые - 215 МПа;
- (после обработки микрошариками) - никелевые сплавы в среднем 235 МПа, кобальтовые - 225 МПа;
- (после имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr) - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 230-240 МПа;
- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr) - никелевые сплавы в среднем 240-250 МПа, кобальтовые - 230-240 МПа;
- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а также покрытия NiPtAl) - никелевые сплавы в среднем 260 МПа, кобальтовые - 245 МПа;
2
2
3
2
3
2
- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а также покрытия NiPtAl, и нанесения слоя ZrO-YO в соотношении YO - 5…9% вес, ZrO - остальное при охлаждении лопаток) - никелевые сплавы в среднем 270 МПа, кобальтовые - 254 МПа;
10
20
2
10
20
2
2
2
3
2
3
2
Mе
Ме-В
Me-N
Ме-С
Me-NC
Mе
Mе-B
Mе-N
Mе-C
Mе-Nc
Повышение предела выносливости у предлагаемых упрочненных лопаток турбомашин, во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что при наличии у лопатки турбомашины следующих признаков: лопатка, содержащая на части пера покрытие, полученное путем наплавки, механической обработки и отпуска; лопатка, содержащая покрытие, образованное из наплавленных в направлении продольной образующей пера лопатки полос из легированных металлов, при обеспечении промежутков между наплавленными полосами, при этом возможны следующие варианты лопатки: содержит покрытие, состоящее из наплавленных полос шириной от 1 мм до 34 мм, расположенных с шагом от 2 мм до 40 мм, с шириной промежутка между полосами от 1 мм до 36 мм; в качестве материала лопатки турбомашины использован жаропрочный сплав на никелевой и/или кобальтовой основе; в качестве материала лопатки турбомашины использованы высоколегированные хромистые стали; содержит наплавленные полосы из сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, W, Ti, Y или их комбинацией; содержит наплавленные полосы из сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, W, Ti, Y или их комбинацией; содержит наплавленные полосы из сплава состава: Со - от 25% до 55%, Cr - от 7% до 52%, Al - от 1% до 24%, Mo - от 0,2% до 5,5%, W - от 0,1% до 2,8%, Ti - от 0,1% до 1,1%, остальное - никель; содержит перо лопатки, подвергнутое, после наплавки, упрочняющей обработки микрошариками; содержит перо лопатки, подвергнутое, после наплавки, либо размерной обработке, обеспечивающей высоту наплавленных полос в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки, либо размерной обработке, обеспечивающей исходный профиль пера лопатки; содержит перо лопатки подвергнутое, после размерной обработки, термической обработки термоциклированием в диапазоне температур 800°С до 1050°С; содержит перо лопатки подвергнутое, после термической обработки лопатки электролитно-плазменному полированию; содержит перо лопатки подвергнутое, после термической обработки лопатки ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску; содержит перо лопатки подвергнутое, после электролитно-плазменного полирования ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску; содержит перо лопатки подвергнутое, ионно-имплантационной обработке ионами Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, как вариант, с энергией ионов 0,2-30 кэВ и дозой имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см; содержит перо лопатки с покрытиями, полученными газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме и/или магнетронным распылением и, как вариант, содержит перо лопатки, подвергнутое перед нанесением защитного покрытия на перо лопатки ионно-имплантационной обработке, одними из следующих ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинацией, при энергии ионов от 0,2 до 30 кэВ и дозе имплантации ионов от 10 до 5·10 ион/см; упрочненная лопатка турбомашины выполнена из никелевых или кобальтовых сплавов, на перо которой нанесено защитное покрытие толщиной от 10 до 60 мкм, а в качестве материала покрытия использован сплав системы MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, NiPtAl и, как вариант, перо лопатки, подвергнуто, после нанесения защитного покрытия, нанесению слоя керамического материала толщиной 20…300 мкм, где в качестве материала керамического слоя использован ZrO-YО в соотношении YО - 5…9% вес, ZrO - остальное, а нанесение слоя керамического материала осуществлено газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; упрочненная лопатка турбомашины выполнена из легированной стали, на перо которой нанесено защитное покрытие толщиной от 10 до 30 мкм, из чередующихся слоев Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом - Me-N, углеродом Ме-С или углеродом и азотом - Me-NC, где Me - Ti, Zr, Al, W, Mo, TiZr, TiAl, TiAlZr, TiAlZrMo или их сочетание. В - бор, N - азот, С - углерод, причем толщины слоев многослойного покрытия выбраны из диапазонов: δ=0,20…10 мкм, δ=δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ(δ, δ, δ) - толщина слоя борида (нитрида, карбида, карбонитрида) металла, позволяют достичь заявленного технического результата - создания упрочненной лопатки турбомашины с наплавленным покрытием, обладающей повышенными эксплуатационные свойствами за счет создания на поверхности пера лопатки композиции из основного и наплавленного материалов.