ЛОПАТКА ТУРБИНЫ С ДИСКРЕТНЫМ НАПЛАВОЧНЫМ СЛОЕМ

Полезная модель относится к области машиностроения, к деталям, полученным с использованием наплавки при восстановлении изношенных и упрочнении новых деталей газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ) и паровых турбин, а именно к лопаткам 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, полученная с использованием электродуговой наплавки, при которой, ручной дуговой сваркой штучными электродами из различных материалов на плоскую поверхность изделия поочередно наплавляют продольные валики (А.С. СССР №1687406, МПК В23К 9/04, Способ изготовления деталей. Опубл. Бюл. №40, 1991).
Известна также деталь, полученная с использованием автоматической электродуговой наплавки под слоем флюса, при которой осуществляют наплавку по спирали наплавляемого непрерывной дугой по меньшей мере одного валика одного слоя наплавляемого металла и удаляют с поверхности валика шлаковую корку (А.С. №1539011, МПК В23К 9/04 Способ дуговой наплавки под флюсом цилиндрических изделий. Опубл. Бюл. №4, 1990). При наплавке возникают шлаковые включения, которые ухудшают качество наплавляемого покрытия.
Кроме того, вышеуказанные детали в условиях переменных, динамических нагрузок, не обладают достаточно высокими эксплуатационными свойствами.
Известна также деталь с наплавленным покрытием (PCT/SU 80/0036. МПК, МПК В23К 9/04; WO 81/03138,, МПК В23К 9/04). Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту, выбрано за прототип. Эта деталь выполнена при использовании электродуговой многослойной наплавки плавящимся электродом, а также с использованием механической обработки и отпуска. При этом, деталь изготовлена с использованием следующих приемов. Наплавление первого слоя проведено 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 материала для наплавления этого слоя применен материал имеющий коэффициент линейного расширения меньший 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 низкие эксплуатационные свойства за счет невозможности управления полями остаточных напряжений в требуемых пределах.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность создания детали с наплавленным покрытием, имеющим повышенные эксплуатационные свойства за счет применения в ней композиции из основного и наплавленного материала.
Технический результат достигается тем, что лопатка турбомашины с дискретным наплавочным слоем, содержащая, по меньшей мере, на части пера покрытие, сформированное путем наплавки с образованием слоя, подвергнутое после наплавки, механической обработке и отпуску, в отличие от прототипа, слой выполнен дискретным, в виде сетки, образованной на поверхности пера пересекающимися наплавленными полосами легированных металлов.
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбомашины: 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; угол между пересекающимися полосами составляет величину от 10 до 90 градусов.
2
2
3
2
3
2
Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины выполнена из жаропрочного сплава на никелевой и/или кобальтовой основе, причем перо лопатки содержит нанесенное на наплавленный дискретный слой теплозащитное покрытие с подслоем толщиной от 10 до 60 мкм, выполненным из жаростойкого сплава MeCrAlY, где Me-Ni, Co, NiCo, NiPtAl, и внешним слоем толщиной 20…300 мкм, выполненным из керамического материла ZrO-YО, в соотношении Y-О-5…9% вес, ZrO - остальное, нанесенного газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.
Me
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
ме
Me-B
Me-N
Me-C
Me-NC
Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины выполнена из высоколегированных хромистых сталей, а перо лопатки содержит, нанесенное на наплавленный дискретный слой, защитное покрытие толщиной от 10 до 30 мкм, нанесенное 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 находятся в пределах следующих 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.
Технический результат достигается также тем, что в лопатке турбомашины: наплавленные полосы сетки выполнены из сплава или сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, W, Ti, Y или их комбинацией; в качестве сплава применен сплав 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; высота наплавленных полос выполнена в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки; высота наплавленных полос выполнена по исходному заданному профилю пера лопатки;
10
20
2
10
20
2
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что лопатка турбомашины после наплавки полос подвергнута термической обработке термоциклированием в диапазоне температур 800°С до 1050°С; после термической обработки лопатка подвергнута электролитно-плазменному полированию и, затем ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску, причем в качестве ионов для имплантации применены ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионная имплантация проведена при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см; лопатка после наплавки подвергнута, либо электролитно-плазменному полированию, либо обработке микрошариками и, затем ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску, причем в качестве ионов для имплантации применены ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионная имплантация проведена при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10ион/см после термической обработки лопатка подвергнута электролитноплазменному полированию и, затем ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску, причем в качестве ионов для имплантации применены ионы Сr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионная имплантация проведена при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
При изготовлении лопатки наплавку выполняют одним из следующих методов или их комбинацией: плазменной, лазерной наплавкой, электроннолучевым способом, электродуговыми методами и др. Перед наплавкой на поверхности пера лопатки можно изготовить пересекающиеся канавки с заданными шагом, глубиной и распределением по поверхности пера. Образование наплавленных пересекающихся полос осуществляют путем заплавления этих углублений легированными сплавами. Углубления 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. Создании различных размерных соотношений зон наплавки и основного материала, можно добиваться оптимального их распределения, отвечающего тем или иным условиям эксплуатации лопатки.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
На фигуре представлена лопатка с наплавленными на ее пере полосами, образующими сетку. На чертеже обозначено: 1 - лопатка; 2 - перо; 3 - основной металл детали; 4 - наплавленные полосы.
10
20
2
Лопатка может быть изготовлена 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, а угол между пересекающимися полосами составляет величину от 10 до 90 градусов. 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 заявляемого технического решения и сравнения его с прототипом были проведены следующие исследования. Первая группа лопаток с эксплуатационными дефектами, была восстановлена наплавкой в дефектных зонах согласно способа-прототипа. Вторая группа лопаток с эксплуатационными дефектами была восстановлена по вариантам заявляемого способа. 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)); углы между пересекающимися полосами составляли: 5; 10; 20; 30; 45; 60; 70 и 90 градусов. При этом, в качестве наплавляемого сплава использовались различные сочетания сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, 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%, Mo - 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, восстановленных по прототипу и предлагаемому техническому решению были проведены следующие испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток в условиях 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) по прототипу - в среднем 85-105 МПа;
2) по предлагаемому техническому решению (Т.Р.) - в среднем 220-240 МПа;
Б. После обработки микрошариками:
1) лопаткам, восстановленным по прототипу - в среднем 100-110 МПа;
2) по предлагаемому Т.Р. - в среднем 230-250 МПа;
В. После имплантации ионов Сr, Y, Yb, С, В, Zr:
1) лопаткам, восстановленным по прототипу - в среднем 130-140 МПа;
2) по предлагаемому Т.Р. - в среднем 260-280 МПа;
Г. После обработки микрошариками и имплантации ионов Сr, Y, Yb, С, В, Zr:
1) лопаткам, восстановленным по прототипу - в среднем 92-104 МПа;
2) по предлагаемому Т.Р. - в среднем 270-290 МПа;
Д. После обработки микрошариками и имплантации ионов Сr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного покрытия
1) лопаткам, восстановленным по прототипу - в среднем 84-92 МПа;
2) по предлагаемому Т.Р. - в среднем 250-270 МПа;
Е. После электролитно-плазменного полирования и имплантации ионов Сr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного многослойного покрытия
1) лопаткам, восстановленным по прототипу - в среднем 86-104 МПа;
2) по предлагаемому Т.Р. - в среднем 260-280 МПа;
-1
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа восстановления лопаток из легированных сталей 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) по прототипу - никелевые сплавы в среднем 210-220 МПа, кобальтовые- 210-215 МПа;
2) по предлагаемому Т.Р.:
- (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, C, B, 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 электролитно-плазменного полирования 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 - 245МПа;
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-YО в соотношении YО - 5…9% вес, ZrO - остальное при охлаждении лопаток) - никелевые сплавы в среднем 270 МПа, кобальтовые - 254 МПа.
2
2
3
2
3
2
Me
Ме-В
Me-N
Me-С
Me-NС
Me
Ме-В
Me-N
Me-С
Me-NС
10
20
2
10
20
2
Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток, во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что в вариантах лопаток турбомашин с дискретным наплавочным слоем содержащих следующие признаки: лопатка, содержащая, по меньшей мере, на части пера покрытие, сформированное путем наплавки с образованием слоя, подвергнутым после наплавки, механической обработке и отпуску; слой выполнен дискретным, в виде сетки, образованной на поверхности пера пересекающимися наплавленными полосами легированных металлов; 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; угол между пересекающимися полосами составляет величину от 10 до 90 градусов; лопатка турбомашины выполнена из жаропрочного сплава на никелевой и/или кобальтовой основе, причем перо лопатки содержит нанесенное на наплавленный дискретный слой теплозащитное покрытие с подслоем толщиной от 10 до 60 мкм, выполненным из жаростойкого сплава MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, NiPtAl, и внешним слоем толщиной 20…300 мкм, выполненным из керамического материла ZrO-YО в соотношении YО - 5…9% вес, ZrO - остальное, нанесенного газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме; лопатка турбомашины выполнена из высоколегированных хромистых сталей, а перо лопатки содержит, нанесенное на наплавленный дискретный слой, защитное покрытие толщиной от 10 до 30 мкм, нанесенное 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 находятся в пределах следующих 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; в лопатке турбомашины: наплавленные полосы сетки выполнены из сплава или сплавов на основе никеля с Со, Cr, Al, Mo, W, Ti, Y или их комбинацией; в качестве сплава применен сплав состава: Со - от 25% до 55%, Сr - 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; высота наплавленных полос выполнена в пределах размеров, не нарушающих функциональные свойства обрабатываемой лопатки; высота наплавленных полос выполнена по исходному заданному профилю пера лопатки; лопатка турбомашины после наплавки полос подвергнута термической обработке термоциклированием в диапазоне температур 800°С до 1050°С; после термической обработки лопатка подвергнута электролитно-плазменному полированию и, затем ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску, причем в качестве ионов для имплантации применены ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионная имплантация проведена при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см; после термической обработки лопатка подвергнута электролитно-плазменному полированию и, затем ионно-имплантационной обработке и постимплантационному отпуску, причем в качестве ионов для имплантации применены ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr, N, La, Ti или их комбинации, а ионная имплантация проведена при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см. Заявляемая полезная модель позволяет достичь технического результата - возможности создания детали с наплавленным покрытием, имеющей повышенные эксплуатационные свойства за счет применения в ней композиции из основного и наплавленного материала.