СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН ИЗ НИКЕЛЕВЫХ И КОБАЛЬТОВЫХ СПЛАВОВ Российский патент 1996 года по МПК C22F1/10 

Изобретение относится к способам ремонта деталей с помощью сварки и может быть использовано при ремонте механических повреждений лопаток газотурбинного привода, в дальнейшем газовых туpбин, преимущественно направляющих, изготовленных из кобальтовых сплавов.

Лопатки газовых турбин различного назначения (направляющие и рабочие) работают в потоке продуктов сгорания топлива, подвергаются значительным воздействиям динамических и статических нагрузок, коррозии и эрозии. Причем рабочие лопатки газовых турбин эксплуатируются в более жестких условиях. Исходя из предъявляемых требований, для изготовления лопаток газовых турбин применяются жаропрочные и жаростойкие никелевые и кобальтовые сплавы типа ЗМИ-ЗУ, ЖС-6, U-5000, Fsx-414, др. Структура сплава состоит из γ-матрицы и относительно равномерно распределенной в ней упрочняющей мелкодисперсной g′-фазы. В результате длительной наработки при высоких температурах на поверхности лопаток возникают различного рода дефекты (трещины, выбоины, эрозии и т. д. ). Кроме того, сплав претерпевает структурные превращения, выражающиеся, как правило, в коагуляции и изменении морфологии упрочняющей γ′-фазы и карбидов в теле и по границам зерен. В результате невозможна дальнейшая эксплуатация лопаток, хотя ресурс их работы не исчерпан, т.е. восстановив структуру сплава термической обработкой и устранив повреждения поверхности лопаток сваркой и последующей размерной обработкой, можно эксплуатировать лопатки еще достаточно значительное время. Например, рабочие лопатки турбины высокого давления газоперекачивающего агрегата ГТК-10И, установленного на магистральных газопроводах России, имеют наработку до ремонта не более половины моторесурса. Классическая схема ремонта лопаток газовых турбин следующая:
досварочная термообработка, нагрев выше температуры начала растворения упрочняющей γ′-фазы для обеспечения максимальной пластичности (свариваемости) сплава;
сварка и размерная обработка дефектных участков;
окончательная термообработка с целью придания сплаву комплекса заданных свойств.

Основным недостатком этой схемы является снижение механических свойств сварочного шва, околошовной зоны и, следовательно, лопатки в целом вследствие того, что сварное соединение не подвергается полному циклу термообработки (не формируется оптимальная структура).

Известен способ ремонта лопаток газовых турбин, при котором сначала выполняется сварка, а затем полный цикл термообработки, что позволяет избежать недостатков классической схемы, однако способ применим к ограниченному кругу никелевых сплавов типа V-500, практически не теряющих своих пластических свойств после длительной "горячей" наработки. Другие сплавы, особенно на основе кобальта (типа FSX-414 или S-8), практически полностью теряют пластические свойства после наработки 12 14 т.час при высокой температуре и не свариваются без предварительной термообработки (аустенизации), т.е. ремонт должен идти по классической схеме.

Целью предлагаемого изобретения является получение при ремонте сварного соединения и, следовательно, лопатки в целом с оптимальными микроструктурой и уровнем механических свойств.

По мнению авторов поставленная техническая задача (цель) достигается, если осуществить ремонт лопатки по следующей схеме:
локальная термообработка дефектного участка лопатки концентрированным источником тепла (пламенем газовой горелки) с выдержкой при температуре выше температуры начала растворения γ′-фазы и высокими скоростями нагрева и охлаждения. Причем площадь участка нагрева зависит от длины дефекта. При трещине на поверхности пера длиной L площадь нагрева участка вокруг дефекта должна быть не менее B х H (где B H 4L);
разделка, сварка и размерная мехобработка дефектного участка;
термообработка лопатки по полному стандартному режиму для конкретного сплава и контроль качества.

Прототипом и аналогом предлагаемого изобретения является способ восстановления лопаток на никелевой основе по кл. C 22 F 1/10, N 531379, 1978 (колонка 1). В процессе работ авторами было выяснено, что сплавы некоторых типов лопаток турбин газоперекачивающих агрегатов (ГПА) теряют пластичность в процессе эксплуатации и не свариваются даже с применением специальных сварочных материалов и технологических приемов (образуются трещины по линии сплавления), в частности направляющие лопатки турбины высокого давления (ТВД) ГПА ГТК-10И (ГТК-25И), изготовленные из кобальтового сплава (FSX-414), после наработки на агpегате 12,0 14,0 т.час при температуре 900 950^oC. По мнению авторов потеря пластичности (охрупчивание) сплава лопатки вызвана изменением микроструктуры в процессе эксплуатации (коагуляция и грубление формы упрочняющей γ′-фазы и различного типа карбидов по ограницам и в теле зерна), поэтому локальная термообработка дефектного участка (участка с трещиной) позволит получить в нем благоприятную структуру с максимальной пластичностью и, следовательно, свариваемость. В ходе проведения опытных работ для сплава FSX-414 было определено следующее:
a) нагрев необходимо вести пламенем горелки с использованием пропанбутановой смеси, продукты сгорания которой достаточно близки к продуктам сгорания топлива турбин и обеспечивают достаточно быстрый нагрев дефектного участка лопатки;
б) температура нагрева лопатки в зоне дефекта должна на 15 70^oC превышать температуру растворения γ′-фазы (1150^oC), скорости нагрева и охлаждения должны быть не менее 25 30^oC/мин;
в) время выдержки при максимальной температуре должно составлять 20 40 мин.

Химический состав сплава FSX-414 приведен в таблице.

Пример осуществления способа.

Направляющие лопатки ТВД ГТК-10И из сплава FSX-414 после наработки 13760 час, имеющие повреждения в виде трещин длиной до 10 мм в районе выходных кромок и галтелей перо-полка, были отремонтированы в следующей последовательности:
локальная термообработка участка по обе стороны от трещины площадью B х H (где B H 4L) до температуры 1200 1250^oC, выдержка 25 35 мин, охлаждение, причем скорость нагрева и охлаждения 30 50^oC/мин;
аргонодуговая наплавка дефектного участка с применением проволоки ЭП-532;
размерная механическая обработка ленточными шлифовальными машинками наплавленных участков;
стандартная термообработка для этого типа сплава при ремонте лопаток по технологии фирмы "ЭЛЬБАР": нагрев до 1165 1185^oC, выдержка в течение 4 часов, охлаждение до температуры 970 990^oC, выдержка в течение 4 часов, причем скорости нагрева и охлаждения 10 20^oC/мин.

Анализ микроструктуры показал, что в наплавленном металле и околошовной зоне образовалась структура, близкая к структуре сплава FSX-414.

По предлагаемому авторами способу был отремонтирован комплект направляющих лопаток ТВД ГТК-10И. Способ обеспечивает повышение механических свойств сплава лопаток и сокращает сроки ремонта лопаток по сравнению с базовой технологией фирмы "ЭЛЬБАР," Голландия.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при ремонте механических повреждений лопаток газотурбинного привода. Способ предусматривает следующие операции: нагрев до температуры 1165 - 1185^oC, выдержку в течение 4 часов, охлаждение до температуры 970 - 990^oC, выдержку при этой температуре в течение 4 часов и охлаждение. Перед нагревом проводят термическую обработку дефектного участка площадью B х H с расположенным на нем дефектом длиной L, где B = H = 4L, концентрированным источником тепла до температуры 1200 - 1250^oC в течение 25 - 35 минут. Скорости нагрева и охлаждения составляют 10 - 20^oC/мин. После локальной термообработки проводят размерную механическую обработку и наплавку. 1 табл.

Способ восстановления лопаток газовых турбин из никелевых и кобальтовых сплавов, включающий нагрев до температуры первой изотермической выдержки, выдержку в течение 4 ч, охлаждение, вторую изотермическую выдержку и окончательное охлаждение, отличающийся тем, что нагрев и охлаждение ведут со скоростями 10 20^oС/мин, первую изотермическую выдержку осуществляют при 1165 1185^oС, охлаждение ведут до температуры второй изотермической выдержки, которую проводят при 970 990^oС в течение 4 ч, а перед нагревом дополнительно осуществляют локальную термообработку участка лопатки площадью В•Н с расположенным на нем дефектом длиной L, где B H 4L, путем нагрева концентрированным источником тепла до температуры 1200 - 1250^oС, выдержки 25 35 мин и охлаждения со скоростями нагрева и охлаждения 30 50^oС/мин, последующую размерную механическую обработку и наплавку.