СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТА ПРИРАБАТЫВАЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ С СОТОВОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF FABRICATING TURBINE RUN-IN CELLULAR SEAL

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам изготовления уплотнений зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.
Эффективность работы газотурбинных двигателей и установок, а также паровых турбин зависит от герметичности уплотнения между вращающимися лопатками и внутренней поверхностью корпуса в вентиляторе, компрессоре и турбине. Одним из основных видов подобных уплотнений являются истираемые уплотнения, герметичность которых обеспечивается за счет прорезания выступами на торцах лопаток канавок в истираемом уплотнительном материале. Уплотнения турбин выполняют, например, используя плетеные металлические волокна, соты [патент США N 5080934, МПК F01D 11/08, 427/271, 1991] или спеченные металлические частицы. Приработка этих уплотнений происходит за счет его высокой пористости и его низкой прочности. Последнее обуславливает невысокую эрозионную стойкость уплотнительных материалов, что приводит к быстрому износу уплотнения. В качестве прирабатываемых уплотнений в современных двигателях и установках используют также газотермические покрытия, имеющих, по сравнению с вышеописанными материалами, меньшую трудоемкость изготовления.
Известен способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4291089], методом газотермического напыления порошкового материала. При этом уплотнение формируется в виде покрытия, которое наносится непосредственно на кольцевой элемент корпуса турбомашины в зону уплотнения между корпусом и лопаткой.
Недостатком известного уплотнения является невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и прочностных свойств уплотнения.
Известен также способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4936745], путем его формирования в виде высокопористого керамического слоя с пористостью от 20 до 35 объемных %.
Недостатком известного уплотнения является низкая эрозионная стойкость и прочность.
Известен также способ изготовления уплотнения турбомашин с прирабатываемым покрытием на статоре турбомашины (патент РФ №2033527, кл. F01D 11/08, опубл. 20.04.1995). Уплотнение формируют путем соединения со старым слоем сотовой структуры. Однако гребешки на роторе при взаимодействии с сотовой структурой притупляются, что снижает герметичность уплотнения. Ячейки сотовой структуры могут иметь различные форму и размер площади поперечного сечения, глубину и толщину стенок. Сотовая структура может быть выполнена из стальной жаростойкой фольги, или сверлением, прожигом, травлением или литьем. При значительной толщине стенок ячеек сот условия работы гребешков ужесточаются. Сильный износ гребешков так или иначе связан с необоснованно высокой прочностью материалов, используемых для производства сот, а также методов их изготовления, вызывающих утолщение толщины стенок ячеек.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбины с сотовой структурой, включающий формирование элемента уплотнения заданной формы и размеров путем спекания в пресс-форме порошка прирабатываемого материала в вакууме или защитной среде [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10. Способ изготовления истираемого материала. 1995]. Однако наличие в элементе сотовой структуры, выполненной из прочного материала, ведет к износу или повреждению гребешков. Известный способ изготовления уплотнения предусматривает его выполнение в виде жестко соединенного со статором слоя сотовой структуры. При этом слой сотовой структуры может быть закреплен на элементе турбомашины методом сварки или пайки [например, патент РФ №2277637, МПК F01D 11/08, 2006 г.].
В этой связи, задачей настоящего изобретения является создание уплотнения, содержащего сотовую структуру, выполненную из монолитного материала, допускающего врезание в него выступов лопатки и снижающего их износ в процессе эксплуатации, что приведет к дальнейшему повышению эффективности работы турбомашин.
Техническим результатом заявляемого изобретения является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления по сравнению с существующими сотовыми уплотнениями.
2
пл.пр.
пл.пр.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбины с сотовой структурой, включающем формирование элемента уплотнения заданной формы и размеров путем спекания в пресс-форме порошка прирабатываемого материала в вакууме или защитной среде, отличающемся тем, что спекание порошка прирабатываемого материала осуществляют по крайней мере в два этапа: вначале спеканием формируют стержни заданной формы и размеров, наносят на их поверхность высокотемпературный припой до образования на каждом стержне оболочки, ориентируют стержни перпендикулярно основанию формируемого элемента, а затем проводят формирование элемента уплотнения спеканием стержней до образования сплошного каркаса из оболочек стержней при их соединении, а в качестве прирабатываемого материала берут сплав состава, в вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe, или Ti, или Сu, или их комбинации - остальное, или сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав состава, в вес.%: Сr - от 18% до 34%; А1 - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм в механической смеси с порошковым, с размерами частиц порошка менее 1 мкм, гексагональным нитридом бора - BN в количестве от 1,0% до 1,5% от общего объема смеси и фторидом кальция - CaF, с размерами частиц порошка от 1 мкм до 25 мкм, в количестве от 6,0% до 8,0% от общего объема смеси, причем спекание частиц порошка прирабатываемого материала проводят при температуре от 1100 до 1200°С либо в вакууме, либо в одной из следующих в газовых сред: либо в среде аммиака, либо в среде смеси аргона и аммиака, либо в среде смеси водорода и азота, либо в среде смеси водорода, аргона и азота, а спекание стержней проводят при температуре (0,7…1,0) Т, где Т - температура плавления высокотемпературного припоя, при этом в качестве смеси водорода и азота используют смесь в объемных %, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное азот, а в качестве смеси водорода, аргона и азота используют смесь, в объемных %, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное аргон.
4
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбины с сотовой структурой дополнительно в механическую смесь добавляют: BaSO от 0,4% до 3% от общего объема смеси, в виде порошка, размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм и/или Cа от 0,01 до 0,2% от общего объема смеси, в виде порошка, размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбины с сотовой структурой стержни формируют диаметром от 0,4 мм до 3,0 мм, высотой, обеспечивающей формирование заданной высоты прирабатываемого элемента, а элементы выполняют в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, при этом размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбины с сотовой структурой выполняют сплошной каркас из оболочек стержней с объемной долей ко всему объему элемента от 4% до 30%, а в его поперечном сечении основание элемента выполняют в виде трапеции, а его верхнюю часть - в виде прямоугольника.
Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления элемента прирабатываемого уплотнения турбины с сотовой структурой формирование стержней спеканием проводят в многоместной пресс-форме, а нанесение припоя на поверхность стержней проводят либо газопламенным, либо плазменным методом, либо окунанием в расплавленный припой, либо методами осаждения в вакууме.
Исследованиями авторов было установлено, что в определенных условиях возможно создание материала для уплотнений, обладающего, с одной стороны, достаточно высокими механической прочностью и износостойкостью, позволяющими изготавливать из него элементы уплотнений, не разрушающиеся в условиях эксплуатации, а с другой - высокой прирабатываемостью. Совмещение высокой механической прочности и прирабатываемости в разработанном уплотнении объясняется, в частности, тем, что сплошной каркас, образованный спеканием между собой оболочек стержней, полученных путем нанесения на стержни высокотемпературного припоя, обладает достаточно высокой прочностью, позволяющей удерживать внутри каркаса наполнитель, образованный также спеканием частиц порошка между собой, но с гораздо более низкой адгезионной прочностью. Такое функциональное разделение прирабатываемого элемента на прирабатываемую (порошковый наполнитель с меньшей адгезией частиц) и несущую части (сплошной каркас, сформированный из спеченных оболочек стержней) существенно увеличивают прочностные характеристики уплотнительного элемента.
2
пл.пр.
пл.пр.
4
Однако для реализации описанного механизма прирабатываемости уплотнения необходимо обеспечить ряд условий. К этим условиям относятся: формирование элемента уплотнения заданной формы и размеров путем спекания в пресс-форме порошка прирабатываемого материала в вакууме или защитной среде; спекание порошка прирабатываемого материала по крайней мере в два этапа: вначале спеканием формируют стержни заданной формы и размеров, наносят на их поверхность высокотемпературный припой до образования на каждом стержне оболочки, ориентируют стержни перпендикулярно основанию формируемого элемента, а затем проводят формирование элемента уплотнения спеканием стержней до образования сплошного каркаса из оболочек стержней при их соединении; использование в качестве прирабатываемого материала сплава состава, в вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe, или Ti, или Cu, или их комбинации - остальное, или сплава состава, в вес.%: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплава состава, в вес.%: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм в механической смеси с порошковым, с размерами частиц порошка менее 1 мкм, гексагональным нитридом бора - BN в количестве от 1,0% до 1,5% от общего объема смеси и фторидом кальция - CaF, с размерами частиц порошка от 1 мкм до 25 мкм, в количестве от 6,0% до 8,0% от общего объема смеси. При этом важное значение имеют также условия получения прирабатываемого уплотнения, как осуществление спекания частиц порошка прирабатываемого материала при температуре от 1100 до 1200°С либо в вакууме, либо в одной из следующих в газовых сред: либо в среде аммиака, либо в среде смеси аргона и аммиака, либо в среде смеси водорода и азота, либо в среде смеси водорода, аргона и азота; спекание стержней проводят при температуре (0,7…1,0) Т, где Т - температура плавления высокотемпературного припоя; использование в качестве смеси водорода и азота смесь в объемных %, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное азот, а в качестве смеси водорода, аргона и азота используют смесь, в объемных %, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное аргон. Кроме того, функциональные свойства уплотнения могут регулироваться использованием следующих добавок в механическую смесь: BaSO от 0,4% до 3% от общего объема смеси, в виде порошка, размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм и/или Ca от 0,01 до 0,2% от общего объема смеси, в виде порошка, размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм. Выполняют сплошной каркас из оболочек стержней с объемной долей ко всему объему элемента от 4% до 30%, а в его поперечном сечении основание элемента выполняют в виде трапеции, а его верхнюю часть - в виде прямоугольника. Стержни формируют диаметром от 0,4 мм до 3,0 мм, высотой, обеспечивающей формирование заданной высоты прирабатываемого элемента, а элементы выполняют в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, при этом размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 мм до 2500 мм. Формирование стержней спеканием проводят в многоместной пресс-форме, что обеспечивает высокую производительность процесса их изготовления. При этом, многоместная пресс-форма может работать по непрерывному ротационному принципу. Нанесение припоя на поверхность стержней может осуществляться любыми методами, позволяющими получать оболочки на стержнях. Например, нанесение припоя может быть осуществлено либо газопламенным, либо плазменным методом, либо окунанием в расплавленный припой, либо методами осаждения в вакууме и др.
Изобретение иллюстрируется рисунками, на которых изображено:
На фигуре 1 представлен стержень с оболочкой из нанесенного высокотемпературного припоя; на фиг.2 - стержни перед спеканием; на фигуре 2 - фрагмент готового элемента уплотнения с сотовой структурой после спекания. На фигурах 1, 2 и 3 обозначено: 1 - стержень с оболочкой; 2 - внешняя оболочка стержня из высокотемпературного припоя; 3 - спеченный порошок наполнителя в стержне; 4 - пакет стержней перед спеканием; 5 - каркас, полученный соединением оболочек стержней после спекания; 6 - готовый элемент уплотнения; 7 - верхняя часть элемента в виде прямоугольника; 8 - основание элемента в виде трапеции.
Пример. В качестве материалов для получения элемента прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок следующих составов: 1) [Cr - 9,0%, Мо - 0,6%, Fe - остальное] - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2) [Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Fe - остальное] - удовлетворительный результат (У.Р.); 3) [Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Fe - остальное] - (У.Р.); 4) [Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Fe - остальное] - (У.Р.); 5) [Cr - 8,0%, Мо - 0,7%, Ti - остальное] - (Н.Р.); 6) [Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Ti - остальное] - (У.Р.); 7) [Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Ti - остальное] - (У.Р.); 8) [Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Ti - остальное] - (У.Р.); 9) [Cr - 9,0%, Мо - 0,7%, Сu - остальное] - (Н.Р.); 10) [Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Сu - остальное] - (У.Р.); 11) [Cr - 15,2%, Мо - 2,4%, Сu - остальное] - (У.Р.); 12) [Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Сu - остальное] - (У.Р.); 13) [Cr - от 16%; А1 - 2,5%; Y - от 0,1%; Ni - остальное] - (Н.Р.); 14) [Cr - от 18%; А1 - 3%; Y - 0,2%; Ni - остальное]- (У.Р.); 15) [Cr -34%; Al - 16%; Y - 0,7%; Ni - остальное] - (У.Р.); 16) [Cr - 16%; Аl - от 2%; Y - 0,1%; Со - 14%; Ni - остальное] - (Н.Р.); 17) Cr - 18%; Аl - 3%; Y - 0,2%; Со - 16%; Ni - остальное] - (У.Р.); 18) Cr - 34%; Аl - 16%; Y - 0,7%; Со 30%; Ni - остальное] - (У.Р.).
2
4
Размеры частиц составляли величины: 10 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. Наилучшие результаты при содержании фракций порошка размерами: менее 40 мкм - от 30% до 40%, от 40 мкм до 70 мкм - от 40% до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - от 10% до 20%, более 140 мкм - остальное. Механическая смесь из металлического порошка состава, в вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe, или Ti, или Сu, или их комбинации - остальное, или из сплава состава, в вес.%: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или из сплава состава, в вес.%: Cr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, содержала гексагональный нитрид бора (BN) размерами частиц порошка менее 1 мкм в количестве: 0,5% - (Н.Р.); 1,0% - (У.Р.); 1,5% - (У.Р.); 1,8% - (Н.Р.) и фторид кальция - CaF, с размерами частиц порошка от 1 мкм до 25 мкм, в количестве от общего объема смеси: 5% - (Н.Р.); 6,0% - (У.Р.); 8,0%- (У.Р.); 9% - (Н.Р.). Кроме того, были использованы порошковые материалы вышеуказанных составов с дополнительными добавками следующих компонентов: 1) BaSO: 0,4%; 1,2%; 3%; 2) Ca: 0,01%; 0,2%.
Размеры сотового элемента прирабатываемого уплотнения составляли: длина: 20 мм; 50 мм; 100 мм; 200 мм; 500 мм; 700 мм; ширина: 10 мм; 20 мм; 40 мм; 70 мм; высота: 5 мм; 10 мм; 30 мм; 50 мм; радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности: 200 мм; 400 мм; 1200 мм; 2300 мм; 2500 мм.
Диаметр стержней составлял от 0,4 до 3,0 мм (0,2 мм - (Н.Р.); 0,4 мм - (У.Р.); 2,0 мм - (У.Р.); 3,0 мм - (У.Р.); 4,0 мм - (Н.Р.)). Нанесение припоя на поверхность стержней проводили газопламенным, плазменным методом, окунанием в расплавленный припой и методами осаждения в вакууме (ионно-плазменным методом). Состав высокотемпературного припоя является ноу-хау.
-2
2
2
2
2
2
2
в
т
Элемент прирабатываемого уплотнения был изготовлен спеканием в вакууме, при остаточном давлении в камере не хуже 10 мм рт.ст., а также в газовых средах смеси водорода и азота состава: водород 55% - (Н.Р.); 65% - (У.Р.); 70% - (У.Р.); 75% - (У.Р.); 85% - (Н.Р.); атомарный азот: 0,5% - (Н.Р.); 2% - (У.Р.); 4% - (У.Р.); 5% - (У.Р.); 7% - (Н.Р.), остальное - азот и газовых смесях водорода, аргона и азота состава: водород - 55% - (Н.Р.); 65% - (У.Р.); 70% - (У.Р.); 75% - (У.Р.); 85% - (Н.Р.).; атомарный азот: 0,5% - (Н.Р.); 2% - (У.Р.); 4% - (У.Р.); 5% - (У.Р.); 7% - (Н.Р.), остальное - аргон. Спекание стержней производилось при температуре от 1100 до 1200°С [(от 1100°С до 1200°С)±100°С], в электропечи ОКБ 8086, а спекание элементов из стержней при температурах от 0,7 до 1,0 температуры плавления применяемого высокотемпературного припоя. Давление прессования при изготовлении заготовок прирабатываемого уплотнения было равным: 40 кгс/мм; 50 кгс/мм; 60 кгс/мм; 70 кгс/мм. Механические свойства полученного материала составили: твердость НВ от 137 до 149; σ=29,3…37,0 кгс/мм; σ,=17,2…25,5 кгс/мм; ударная вязкость 1,15…1,56 кгм/см. Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.