СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЛОПАТОК ТУРБОМАШИН ИЗ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
METHOD OF RECOVERING OPERATING PROPERTIES OF TURBO MACHINE VANES FROM ALLOYED STEELS

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в турбомашиностроении при восстановлении рабочих и направляющих лопаток паровых турбин, газоперекачивающих установок и компрессоров газотурбинных двигателей, изготовленных из легированных сталей.
Рабочие лопатки компрессора газотурбинного двигателя (ГТД) и газотурбинной установки (ГТУ), а также паровых турбин в процессе эксплуатации, подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых к эксплуатационным свойствам требований, для изготовления лопаток компрессора газовых турбин применяются высоколегированные хромистые, хромомолибденовые (CrMo), хромомолибденованадиевые (CrMoV) и др. средне- и высоколегированные стали (например, для лопаток паровых турбин - стали марок 20Х13 и 15Х11МФ, газовых турбин - стали 20Х13, ЭИ 961).
Указанные стали относятся к числу нержавеющих сталей с содержанием Cr: 11-14%, различающихся между собой содержанием легирующих элементов: C, Mo, V. Данные стали широко применяются, например, для изготовления лопаток паровых турбин, работающих в условиях влажно-паровой среды, при температурах до 500-600°С.
Возникающий в процессе эксплуатации износ лопаток требует проведения либо их преждевременной замены, либо их восстановительного ремонта.
При длительной эксплуатации в поверхностном слое материала лопаток образуются различного рода дефекты и, кроме структурных изменений, происходит ухудшение физико-механических свойств поверхности и основы материала из-за насыщения газами (кислородом, азотом, углеродом, водородом и др.). Поэтому при дальнейшей эксплуатации таких лопаток начинается ускоренный процесс разрушения (возникновение трещин, дефектов основы и др.), который, при дальнейшей эксплуатации проводит к сильному повреждению или разрушению лопатки.
В некоторых случаях лопатки, имеющие сильные повреждения, восстанавливают сварочными методами с последующей механообработкой. Однако учитывая сложность процесса ремонта деталей наплавкой (например, наплавкой материала сварочными методом с последующей механообработкой (А.С. СССР №1680459, B23K 9/04, 1989; №1776511, B23K 9/04, 1990), требующего индивидуального подхода к каждой лопатке, более целесообразным является использование методов восстановления материалов лопаток, осуществляемых еще до начала процессов интенсивного разрушения детали.
Известен способ восстановления пера лопаток методом холодного вальцевания, по которому лопатка восстанавливается путем удлинения пера при вальцевании за счет использования допуска по толщине лопатки (Новые технологические процессы и надежность ГТД. Бюллетень, М., ЦИАМ, 1981, N1 (25), с.15-16). Метод холодного вальцевания имеет ограничения по максимальному плюсовому допуску по толщине, а вальцевание с минусовым допуском по толщине лопатки исключено.
Известен способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированной стали [Гонсеровский Ф.Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных лопаток после эрозионного износа // Электрические станции. - 1988. - №8. - С.38], включающий механическое удаление изношенной кромки, наплавку восстанавливаемого участка, механическую обработку лопатки, а также способ восстановления эксплуатационных свойств рабочих лопаток [Технология ремонта рабочих лопаток паровых турбин / Хромченко Ф.А., Лаппа В.А., Федина И.В. и др. // Тяжелое машиностроение. - 1999. - №8. - С.17. Попов В.А. Восстановление оборудования ТЭС наплавкой и напылением. - Тверь: Центр подготовки персонала ООО Тверьэнерго, 2000. С.241-243], включающий снятие лопаток с ротора, удаление защитных накладок, механическое удаление поврежденного участка кромки, многослойную наплавку восстанавливаемого участка кромки, печную термическую обработку, механическую обработку лопатки и приварку стеллитовых защитных пластин.
Наиболее близким к предлагаемому является способ восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей (RU №2006137914 A3, В23Р 6/00, 10.15.2008 г.), включающий дефектоскопию лопатки, удаление поверхностного дефектного слоя металла лопатки, нагрев и выдержку лопатки в вакууме для обеспечения процесса дегазации металла лопатки и восстановления его дислокационной структуры с последующим охлаждением лопатки в вакууме до температуры окружающей среды.
Основным недостатком аналогов и прототипа является высокая трудоемкость и низкое качество обработки лопаток, поскольку материал восстанавливаемой лопатки имеет необратимую степень деградации, а восстановление лопатки требует проведения высокотемпературных наплавочных процессов.
Техническим результатом заявляемого способа является снижение трудоемкости процесса и повышение эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей за счет восстановления свойств материала детали еще до начала возникновения процессов интенсивного разрушения детали.
2
2
Технический результат достигается тем, что в способе восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей, включающем дефектоскопию лопатки, удаление поверхностного дефектного слоя металла лопатки, нагрев и выдержку лопатки в вакууме для обеспечения процесса дегазации металла лопатки и восстановления его дислокационной структуры с последующим охлаждением лопатки в вакууме до температуры окружающей среды, в отличие от прототипа нагрев лопатки осуществляют до температуры 150°С…650°С, а выдержку лопатки при данной температуре совмещают с электроимпульсной обработкой при плотности электрического тока от 10 МА/м до 200 МА/м.
Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей время выдержки выбирают в зависимости от габаритных размеров изделия в пределах 0,2 ч до 2,5 ч, а после термической обработки лопатки производят ее упрочняющую обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД) микрошариками, причем после ППД лопатки производят ее электролитно-плазменное полирование или ионную имплантацию и постимплантационный отпуск.
10
20
2
Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей после электролитно-плазменного полирования производят ионную имплантацию и постимплантационный отпуск, а в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинацию, причем ионную имплантацию проводят при энергии ионов 0,2-30 кэВ и дозе имплантации ионов 10 до 5·10 ион/см.
Me
Me-B
Me-N
Me-С
Me-NC
Me-NB
Ме-Х
Me
Me-N
Ме-С
Me-NC
Me-NB
Ме-Х
Технический результат достигается также тем, что в способе восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей дополнительно на лопатку наносят защитное покрытие, при этом в качестве вариантов обработки используют: при нанесении защитного покрытия производят дополнительную ионную имплантацию, а в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr, N, La, Ti или их комбинацию; в качестве материала защитного покрытия используют соединения металлов с бором Ме-В, азотом Me-N, углеродом Ме-С, а также соединений металлов с углеродом и азотом Me-NC и азотом и бором Me-NB, где Me - Ti, Zr, TiZr, TiZr, AlTiZr, AlTi, AlZr, В - бор, N - азот, С - углерод; наносят многослойное защитное покрытие из чередующихся слоев металлов Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом Me-N, углеродом Ме-С, а также соединений металлов с углеродом и азотом Me-NC и азотом и бором Me-NB, где Me - Ti, Zr, TiZr, TiZr, AlTiZr, AlTi, AlZr, В - бор, N - азот, С - углерод; толщину слоев многослойного защитного покрытия выбирают из диапазонов: δ=0,10…10 мкм, δ=δ=δ=δ=δ=δ=0,10…6 мкм, где δ - толщина слоя металла, δ (δ, δ, δ, δ) - толщина слоя одного из соединений Ме-В, Me-N, Ме-С, Me-NC, Me-NB или их комбинации Ме-Х; нанесение защитного покрытия осуществляют вакуумными ионно-плазменными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме и/или газотермическими методами - плазменным, детонационным, газопламенным напылением.
2
2
Воздействие мощных импульсов электрического поля (электрический ток плотности порядка от 10 МА/м до 200 MA/м) на деградированную структуру материала лопатки приводит к дополнительному локальному тепловому воздействию, особенно интенсивно проявляющемуся в области его структурных дефектов. Это приводит к значительной интенсификации процессов восстановления структуры материала и его дегазации в областях с повышенной плотностью дефектов, которые протекают без перегрева основной массы металла обрабатываемой детали. Кроме того, дополнительным преимуществом от использования импульсов электрического поля является эффект упрочнения [Зуев Л.Б., Соснин О.В., Подборонников С.Ф. и др. // ЖТФ. 2000. Т.70. Вып.3. С.24-26.]. Наличие же значительных структурных изменений, возникших в процессе эксплуатации лопаток, позволяет указанному эффекту наиболее сильно проявиться именно на деградированном материале деталей.
2
2
Таким образом, нагрев лопатки до температуры 150°С…650°С и термическая выдержка лопатки в вакууме с обеспечением процесса дегазации металла лопатки при ее совмещении с электроимпульсной обработкой, проводимой при плотности электрического тока от 10 MA/м до 200 MA/м, последующее охлаждение лопатки до температуры окружающей среды позволяет произвести дегазацию материала лопатки, а также восстановить или повысить его физико-механические и структурные свойства.
Кроме того, применение дополнительных методов упрочняющей обработки, модифицирование поверхностного слоя материала лопатки и нанесение защитных покрытий, в сочетании с улучшенными свойствами материала лопатки, а также устранение необходимости наплавки и размерной механообработки позволяют достичь эффекта предлагаемого технического решения - снижения трудоемкости процесса и повышение эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей.
Причем применение этих методов упрочнения, модифицирования и нанесения покрытий для способа-прототипа в результате возникновения неоднородностей материала детали, связанных с необходимостью наплавки (нанесения) чужеродного материала и проведением размерной механообработки, не позволяют достичь такого же высокого технического результата по надежности как в заявляемом техническом решении.
Для оценки стойкости лопаток, восстановленных по прототипу и предлагаемому способам, были проведены следующие исследования.
Режимы и условия восстановления лопаток из легированных сталей 20Х13, 15Х11МФ и ЭИ961, охватывающий предлагаемый диапазон режимов термической выдержки в вакууме лопаток, приведены в таблицах 1-7.
По способу-прототипу (А) использовалось две группы образцов. Первая группа образцов - группа «а» - включала образцы с восстановленным наплавкой материалом с последующей защитно-упрочняющей обработкой, вторая группа образцов прототипа - группа «в» - включала образцы, исходное состояние которых было идентично образцам, подготовленным для обработки по предлагаемому способу. Наличие двух подгрупп образцов-прототипов позволило оценить влияние процесса термической выдержки лопатки в вакууме при ее совмещении с электроимпульсной обработкой на свойства восстановленных деталей.
2
2
Вторая группа образцов (В) - включала образцы, подготовленные по предлагаемому способу - при воздействии электроимпульсной обработки при плотности электрического тока от 10 MA/м до 200 MA/м.
Таблица 1
№
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1 - «а» и «в»)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>, °С/мин
Т°С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>,
I, MA/м<sup>2</sup>
1
20Х13
650
Вакуум
0,2
25
650
Вакуум
0,2
25
10
2
15Х11МФ
650
0,2
650
0,2
3
ЭИ961
650
0,2
650
0,2
Таблица 2
№
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1- «а» и «в»)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>, °С/мин
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>,
I, MA/м<sup>2</sup>
1
20Х13
600
Вакуум
0,5
25
600
Вакуум
0,5
25
100
2
15Х11МФ
600
0,5
600
0,5
3
ЭИ961
600
0,5
600
0,5
Таблица 3
№
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1 - «а» и «в»)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>, °С/мин
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>,
I, MA/м<sup>2</sup>
1
20Х13
150
Вакуум
1,5
10
150
Вакуум
1,5
10
200
2
15Х11МФ
150
1,5
150
1,5
3
ЭИ961
150
1,5
150
1,5
Таблица 4
№
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1 - «а» и «в»)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>, °С/мин
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>,
I, MA/м<sup>2</sup>
1
20Х13
500
Вакуум
1,5
20
500
Вакуум
1,5
20
140
2
15Х11МФ
500
1,5
500
1,5
3
ЭИ961
500
1,5
500
1,5
Таблица 5
№
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1 - «а» и «в»)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>, °С/мин
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>,
I, MA/м<sup>2</sup>
1
20Х13
300
Вакуум
1
15
300
Вакуум
1
15
80
2
15Х11МФ
300
1
300
1
3
ЭИ961
300
1
300
1
Таблица 6
№
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1 - «а» и «в»)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>вд</sub>, час
V<sub>охл</sub>, °С/мин
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>,
I, MA/м<sup>2</sup>
1
20Х13
650
Вакуум
2,5
20
650
Вакуум
2,5
20
80
2
15Х11МФ
650
2,5
650
2,5
3
ЭИ961
650
2,5
650
2,5
Таблица 7
№
Марка стали
Режимы восстановления лопаток
Способ-прототип (Вариант А1 - «а» и «в»)
Предлагаемый способ (Вариант В 1)
Т, °С
Среда
τ<sub>вд</sub>, час.
V<sub>охл</sub>, °С/мин
Т, °С
Среда
τ<sub>выд</sub>, час
V<sub>охл</sub>,
I, MA/м<sup>2</sup>
1
20Х13
120
Вакуум
0,5
25
120
Вакуум
0.5
25
8
2
15Х11МФ
120
0,5
120
0,5
3
ЭИ961
120
0,5
120
0,5
Анализ результатов сравнительных испытаний показал, что наилучшие свойства восстановленных лопаток обеспечивает предлагаемый способ восстановления деталей. Образцы, обработанные по предлагаемому способу, характеризуются лучшими эксплуатационными свойствами и наименьшим количеством дефектов материала детали. (При реализации режимов обработки по табл.7 эффекта не наблюдалось).
-1
Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток в условиях эксплуатационных температур (при 300-450°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ) лопаток (после ремонта) составляет:
А. После восстановления и механообработки лопаток:
1) по способу-прототипу:
- группа «а» - 240-245 МПа;
- группа «в» -190-205 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 310-320 МПа.
Б. После обработки микрошариками:
1)) по способу-прототипу:
- группа «а» - 245-250 МПа;
- группа «в» - 210-215 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 315-335 МПа.
В. После имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr:
1) по способу-прототипу:
- группа «а» 240-260 МПа;
- группа «в» 220-245 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 340-365 МПа.
Г. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr:
1) по способу-прототипу:
- группа «а» 245-265 МПа;
- группа «в» 230-245 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 380-385 МПа.
Д. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного покрытия
1) - группа «а» 240-244 МПа;
- группа «в» 210-218 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 350-375МПа.
Е. После обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения защитного многослойного покрытия
1) - группа «а» 245-252 МПа;
- группа «в» 216-222 МПа;
2) по предлагаемому способу - в среднем 364-386 МПа.
Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной упрочняющей обработки восстановленной лопатки и нанесения покрытия: упрочняющая обработка микрошариками; ионная имплантация ионами одного из следующей группы химических элементов: Cr, Y, Yb, С, В, Zr или их комбинации; постимплантационный отпуска; нанесение покрытия (соединения металлов с бором Ме-В, азотом Me-N, углеродом Ме-С, а также соединений металлов с углеродом и азотом Me-NC и азотом и бором Me-NB, где Me - Ti, Zr, TiZr, TiZr, AlTiZr, AlTi, AlZr, В - бор, N - азот, С - углерод, или наносение многослойного защитного покрытия из чередующихся слоев металлов Me и соединений металлов с бором Ме-В, азотом Me-N, углеродом Ме-С, а также соединений металлов с углеродом и азотом Me-NC и азотом и бором Me-NB, где Me - Ti, Zr, TiZr, TiZr, AlTiZr, AlTi, AlZr, В - бор, N - азот, С - углерод.) полученного, либо вакуумными ионно-плазменными методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме и/или газотермическими методами - плазменным, детонационным, газопламенным напылением, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - снижения трудоемкости процесса и повышения эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей за счет восстановления свойств материала детали еще до начала возникновения процессов интенсивного разрушения детали. При этом снижение трудоемкости восстановления лопаток связано с удалением из технологии ремонта лопаток таких наиболее трудоемких и дорогих процессов, как процессы наплавки, размерной механообработки и связанных с ними операций контроля.
-1
Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа восстановления эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ) в среднем с 190-205 МПа до 310-320 МПа, а при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и нанесения покрытий до 380-385 МПа, что подтверждает заявленный технический результат (повышение эксплуатационных свойств лопаток из легированных сталей). При этом простое использование упрочняющих видов обработки для способа-прототипа не позволяет достичь поставленного технического результата.
Пример реализации способа.
-2
2
После дефектоскопии ремонтной лопатки, изготовленной из хромистой стали 20Х13, проводили удаление поверхностного дефектного слоя металла лопатки механическим способом, затем осуществлялся ее нагрев до температуры термической выдержки в вакууме (300°С, время выдержки 1,2 часа, вакуум 6·10 Па, электроимпульсную обработка при плотности электрического тока 80 МА/м), и охлаждение в вакууме в камере до температуры окружающей среды (28°С). В результате термической выдержки в вакууме произошла дегазация дефектных участков металла лопатки и восстановление дислокационной структуры металла, что сказалось на повышении эксплуатационных свойств детали.
4
2
19
2
Ионная имплантация. Обработку поверхности лопаток по предлагаемому способу проводят в следующей последовательности. После механической обработки и электролитно-плазменного полирования лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60° до 65°С. После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2-10 Па и проводят очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантацией хрома по режиму: имплантируемый ион Cr; энергия ионов 300-1000 эВ; плотность ионного тока 5-10 мА/см; доза имплантации ионов 3·10 ион/см.
После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400°С в течение 1 ч. Постимплантационный отпуск можно совмещать с нанесением ионно-плазменных покрытий. (Режимы при нанесении покрытия: ток I=140 А, напряжение U=140 В).