СОСТАВ УПЛОТНИТЕЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕМЕНТА СТАТОРА ТУРБИНЫ
COMPOSITION OF PACKING COATING FOR MODIFICATION OF TURBINE STATOR ELEMENT

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения уплотнительного покрытия методом газотермического напыления, например плазменного напыления, а также при производстве паровых или газовых турбин для обеспечения стабильности зазоров в сопряженных элементах проточной части турбины.
В настоящее время, ведущие мировые производители паровых турбин наиболее активно ведут исследования в направлении конструктивных решений уплотнений паровых турбин.
Уплотнительные или изнашиваемые покрытия применяются в газотурбинных двигателях в авиации, энергетике, газоперекачивающих агрегатах (ГПА) взамен вставок из уплотнительных материалов. Изнашиваемые покрытия снижают зазор между статором и ротором газогенератора (компрессор и турбина). Методом плазменного напыления уплотнительные покрытия делаются настолько податливыми, чтобы кромка лопатки или лабиринт легко врезались в их слой, однако, достаточно прочными, чтобы выдерживать напор газового потока при повышенных температурах.
Применение уплотняющих (прирабатываемых) покрытий в горячей части турбины газотурбинного двигателя (ГТД) позволяет заметно повысить КПД и тепловую мощность двигателя за счет уплотнения зазоров по периферийным торцам лопаток и по гребешкам лабиринтных уплотнений между ступенями по всей окружности вращения, сводя к минимуму износ дорогостоящих вращающихся лопаток ротора турбины. Основными требованиями к уплотнительным покрытиям в ГТД являются достаточная прочность, податливость при врезании лопаток лабиринтными выступами, антифрикционность, теплозащитные свойства, эрозионная стойкость и низкое сопротивление "выветриванию" рабочей поверхности (со стороны газового потока).
Из уровня техники известно, что истираемые уплотнения, нанесенные на стационарные кожуха газовых или паровых турбин, используются для того, чтобы позволить элементам вращающегося узла (например, оконечностям лопаток турбины или зубцам вала и т.п.) контактировать со статором без существенного повреждения или износа. Контакт между вращающимися элементами и истираемым уплотнителем приводит в результате к протертым канавкам в истираемом уплотнителе, создающим уплотненный зазор между этими двумя деталями. Примеры истираемых уплотнений описаны в патенте США №6547522 В2, опубликованном 15.04.2003.
2
2
3
Известен уплотнительный материал (АС №1767926 А1, 15.08.1994, С23С 4/06), включающий рабочий слой, содержащий диоксид циркония (ZrO), стабилизированный 5-10 мас.% оксида иттрия (YO), а также нитрид бора (BN) и/или графит (С) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
стабилизированный диоксид циркония
80-95
нитрид бора и/или графит
5-20
2
Недостатком данного технического решения является то, что порошковый материал, применяемый для получения данного уплотнительного покрытия, является механической смесью порошков, в которой частицы ZrO и BN (или BN+C) не связаны друг с другом, т.е. не скомпактированы в гранулы. В связи с тем, что BN является мелкодисперсным тугоплавким, инертным порошком, не образующим покрытия (в чистом виде), то в процессе напыления такого порошкового материала будет происходить его расслоение на составляющие компоненты, что приведет к потере BN в полученном покрытии.
Известен высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия (Патент РФ №2303649 С2, 27.07.2007, С23С 4/10) - прототип, включающий нитрид бора и стабилизированный диоксид циркония. При этом композиционный материал содержит также нихромовое волокно длиной 3-5 мм, а стабилизированный диоксид циркония содержится в двух фракциях - диоксид циркония, стабилизированный 7% оксида иттрия, фракции 100-250 мкм и стабилизированный диоксид циркония активированной пылевидной фракции при следующем соотношении компонентов, мас.%:
стабилизированный диоксид циркония фракции 100-250 мкм
10-15
нитрид бора
15-25
нихромовое волокно
9-12
стабилизированный диоксид циркония
активированной пылевидной фракции
остальное
Недостатком данного технического решения является то, что данный способ требует нанесения влажного состава на поверхность основы ручным или механизированным способом, и также последующие сушку и прессование в вакууме при нагреве до 1100°C. А кроме того, нанесение используемого в данном решении композиционного материала требует применения специального дорогостоящего оборудования и приспособлений (вакуумные печи, термофиксаторы), особенно при нанесении на крупноразмерные конструкции сложной формы.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному материалу является высокотемпературный композиционный материал для уплотнительного покрытия (Патент РФ №2386513 С2, 20.04.2010, С23С 4/10) - прототип, включающий нитрид бора, алюмогель и стабилизированный диоксид циркония в следующем соотношении компонентов, мас.%:
гексагональный нитрид бора
5-15
алюмогель
3-6
стабилизированный диоксид циркония системы
ZrO<sub>2</sub>-7-8% Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
остальное до 100%
Недостатком данного технического решения является то, что в составе покрытия после нанесения данного материала присутствует оксид алюминия, который может приводить к дополнительному износу лопаток турбин.
Недостаток известных составов уплотнительных покрытий заключается в том, что материалы изготавливаются в виде механической смеси или путем добавления связующего, который после нанесения остается в покрытии, что может приводить к снижению ресурса статора и наведению дополнительных остаточных напряжений в уплотнительное покрытие.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является изготовление материала уплотнительного покрытия, в составе которого присутствует связующее вещество, которое при нанесении полностью выгорает.
Технический результат заявленного изобретения - повышение качества получаемого покрытия. Технический результат достигается тем, что состав уплотнительного покрытия для модификации элемента статора энергетической турбины включает компоненты при следующем соотношении, мас.%: нитрид бора - 2-5, поливиниловый спирт - 7-10, двуокись циркония, стабилизированную 7-9% оксидом иттрия - остальное до 100%. Полученный материал обладает высокой пористостью после напыления и не растрескивается с отслоением при врезании в условиях термоциклирования.
Проведенные исследования показали, что при напылении данного состава плазменным напылением покрытие формируется с высокой пористостью - до 20%. Дальнейшее увеличении содержания поливинилового спирта пористость достигает своего предельного значения, после которого начинается расслоение покрытия.
В зависимости от твердости материала лопатки, который врезается в покрытие, подбирается содержание нитрида бора и поливинилового спирта. Оптимальным соотношением содержания нитрида бора к содержанию поливинилового спирта является 1:2.
Пример 1. Порошок на основе оксида циркония с нитридом бора и поливиниловым спиртом был нанесен методом плазменного напыления. Соотношение компонентов было следующим, мас.%: нитрид бора - 5, поливиниловый спирт - 10, двуокись циркония, стабилизированную 7-9% оксидом иттрия, - остальное до 100%. Пористость составила покрытия составила 20%. Результаты испытаний на истираемость при врезании показали, что соотношение линейного износа материала 20Х13 к уплотнительному покрытию составило 1:5. За единицу принимают износ лопатки. Нормальное соотношение износов лопатки к уплотнительному материалу для компрессора составляет от 1:2 до 1:6.
Пример 2. Порошок на основе оксида циркония с нитридом бора и поливиниловым спиртом был нанесен методом плазменного напыления на ряд образцов. В таблице 1 приведены результаты металлографического анализа пористости покрытий.
Таблица 1
Образец покрытия
Содержание нитрида бора, мас.%
Содержание поливинилового спирта, мас.%
Пористость
Наличие дефектов
1
2
10
18%
отсутствуют
2
3
10
18%
отсутствуют
3
4
10
20%
отсутствуют
4
5
10
20%
отсутствуют
5
5
12
28%
расслоение