СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК C23C4/18 

Изобретение относится к поверхностной обработке деталей с получением упрочненного слоя в процессе изменения физико-химических свойств и может быть использовано как при новом производстве двигателей летательных аппаратов, конструкций энергетики, в газовой, нефтяной, электронной промышленности, так и для восстановления изношенных деталей перечисленных агрегатов.

Известен способ обработки деталей типа лопаток ГТД, при котором лопатку в конце технологического цикла подвергают поверхностной чистовой обработке до шероховатости порядка ▿8 ÷ ▿10 (1).

Однако при работе в агрессивных средах эрозионно, коррозионная стойкость такой лопатки недостаточна, т.к. лопатка после чистовой обработки имеет незначительную толщину упрочненного слоя порядка 80 мкм.

Известен способ обработки деталей типа лопаток ГТД, при котором на поверхности окончательно обработанной лопатки посредством высокотемпературной импульсной плазмы (втип) образуют покрытие с толщиной слоя 5 - 20 мкм, затем проводят упрочнение поверхности путем виброшлифования (2).

Эрозионно, коррозионная стойкость обработанной по этому способу лопатки выше, чем у предыдущей, более чем в 2 раза за счет образования упрочненного слоя 5 - 20 мкм.

Однако методом втип можно получить покрытие с небольшой толщиной слоя до 20 мкм, что не может обеспечить надежной защиты от эрозионно, коррозионного износа деталей, длительно работающих в агрессивных средах.

Детали авиационных ГТД, эксплуатируемых в зоне повышенной запыленности, в морской или промышленной среде, подвержены интенсивному эрозионно, коррозионному износу, особенно рабочие лопатки компрессора вследствие относительно высоких скоростей набегания газоабразивного потока.

Рабочие лопатки последних ступеней тепловой турбины, как и детали запорной арматуры, работают в среде "острого пара" и в агрессивной среде; при этом они подвержены эрозионному износу вследствие ударного и кавитационного воздействия среды. Особенно эрозионный износ наблюдается на входной и выходной кромках лопаток тепловой турбины; в случае использования лопаток с упрочняющими стеллитовыми пластинами происходит как разрушение самой пластины, так и эрозионное разрушение основы лопатки на ее кромке.

На деталях запорной арматуры, в большинстве своем изготовленных из чугуна с латунными вставками, при длительной эксплуатации под давлением на тепловых, газовых, нефтяных магистралях происходит значительный износ по уплотнительным поверхностям, достигающий 3 - 5 мм.

Во всех перечисленных случаях наблюдаются локальные разрушения поверхности деталей.

Задачей изобретения является создание стойкого защитного слоя покрытия на деталях, длительно работающих в агрессивных средах при теплонапряженных условиях, а также в условиях высоких давлений, "острого пара" и т.д.

Эта задача решается за счет того, что на поверхности детали образуют путем напыления защитное покрытие с последующей чистовой обработкой поверхности не хуже ▿5 и окончательным упрочнением поверхности.

Для создания стойкого защитного покрытия на новых и ремонтных деталях типа компрессорных лопаток ГТД применяется напыление на основе карбидов, нитридов, оксидов до образования слоя с толщиной 30 - 100 мкм с последующей чистовой обработкой не хуже ▿6 и упрочнением поверхности виброшлифованием.

Для компрессорных лопаток, работающих в агрессивной среде, предусмотрена дополнительная операция - закрытие поверхностных пор; у лопаток высоких ступеней поры закрываются методом обработки высокотемпературной импульсной плазмой, у лопаток низких ступеней поры закрываются пропиткой термостойким лаком до образования сплошной пленки.

Для ремонта лопаток тепловой турбины применяется предварительное восстановление геометрии методом вварки вставок или наплавки с последующей числовой обработкой профиля. Далее производят напыление и все последующие операции как для новой лопатки, а именно напыление толщиной 500 - 900 мкм, чистовую обработку не хуже ▿5 и шлифование; для лопаток, работающих в агрессивной среде, производят закрытие пор. У лопаток тепловой турбины закрытие пор производят в основном пропиткой термостойким лаком до образования сплошной пленки, при этом допускается и обработка втип.

Восстановление деталей запорной арматуры с износом больших размеров производят напыление покрытия толщиной 30 - 5500 мкм до восстановления габаритов с последующей чистовой обработкой до ▿5 и упрочняющим шлифованием, как у новой детали.

При ремонте деталей штамповой оснастки по местам износа и растрескивания производят напыление покрытия толщиной до 500 мкм с последующей чистовой обработкой не хуже ▿5 и упрочняющим шлифованием.

Износостойкий слой покрытия на основе оксидов, карбидов, нитридов становится барьером для эрозионно, коррозионных процессов на границе поверхности детали - среда за счет свойств применяемых материалов.

Испытывалось три варианта предлагаемого способа на трех разных деталях.

1 вариант. На лопатку компрессора из ЭИ 961 плазменным методом напылялось покрытие толщиной 30 - 60 мкм на основе оксида алюминия. После чистовой обработки и упрочняющего виброшлифования класс шероховатости на поверхности составил ▿6. Закрытие пор производилось методом втип. Исследования показали, что толщина покрытия, полученного предлагаемым способом, составляет 30 - 60 мкм. Микротвердость покрытия H_μ= 680-990 ед. , HRC = 59 - 70 ед. Сжимающие напряжения распределены на всю толщину покрытия и основу лопатки на глубину до 200 мкм. Величина остаточных напряжений на поверхности - σ = 70-80 кгс/мм² .

Для сравнения испытывалось такая же лопатка компрессора, обработка которой проводилась высокотемпературной импульсной плазмой с последующим упрочняющим виброшлифованием.

По результатам исследований толщина упрочненного таким способом слоя 10 - 15 мкм, что в 3 раза меньше предлагаемого способа, величина остаточных напряжений на поверхности порядка - σ = 70-80 кгс/мм², микротвердость H_μ = 390 ед., HRC = 39 ед.

II вариант. Лопатка тепловой турбины одной из последних ступеней изготавливается из материала 2Х13. При работе в условиях "острого пара" на стеллитовой пластине входной кромки наблюдается износ или разрушение. Восстановление такой лопатки производят вначале наплавкой до геометрии или без наплавки (при незначительном износе), напыляют покрытие на основе металлов, карбидов, оксидов толщиной 500 - 600 мкм. На основе карбидов, на основе оксидов. Затем выполняют чистовую обработку до ▿5 и последующую упрочняющую обработку шлифованием. После этого производят закрытие пор пропиткой термостойким лаком (до 350^oC) до образования сплошной пленки. Твердость покрытия HRC = 59 - 70 ед, H_μ= 733-1366 ед .

Стеллитовые пластины из ВКЗ, напаянные на лопатки, имеют твердость HRC = 40 - 50 ед. Пластины припаиваются с технологическим зазором около 1 мм и при работе в условиях "острого пара" пластины отлетают, поверхность входной кромки остается незащищенной, ускоряется эрозионно-коррозионный износ, образуя "гребенку".

Для лопаток тепловой турбины предлагаемый способ имеет большие преимущества: исключается процесс пайки стеллитовых пластин серебросодержащим припоем и обеспечивается полная защита как входной, выходной кромок, так и пера лопатки. Кроме того, применение предлагаемого способа позволяет обрабатывать лопатки в сборе без демонтажа ротора турбины, что значительно снижает трудоемкость восстановительного процесса.

III вариант.

На деталях запорной арматуры из чугуна с латунной вставкой вследствие значительного износа (порядка 3 - 5 мм) нарушается герметичность и часто запирающий клин "проваливается". Для восстановления изношенных деталей выполнялось плазменное напыление уплотнительного покрытия толщиной, превышающей износ, до 5,5 мм из материала на основе меди. Затем производилась чистовая обработка и упрочнение притиркой с получением необходимой толщины 5,1 мм и твердостью слоя H_μ= 280-350 ед .

Таким образом, предлагаемый способ обработки деталей, включающий напыление покрытия, чистовую обработку не хуже ▿5 и последующее упрочнение, позволяет получить износостойкий слой с повышенной твердостью, который при эксплуатации становится барьером для эрозионно, коррозионных процессов на границе поверхность детали - среда, что способствует повышению ресурса изделия в среднем в 2 - 3 раза.

Методом втип поры закрываются на глубину - 20 мкм, с термостойким лаком поры можно закрыть на глубину упрочненного слоя 30 - 60 мкм для компрессорных лопаток и 600 - 900 мкм для лопаток тепловой турбины.

Изобретение может быть использовано для получения упрочненного слоя на деталях, используемых в двигателях летательных аппаратов, энергетике, газовой, нефтяной и электронной промышленности, а также для восстановления изношенной поверхности деталей. Способ включает напыление защитного покрытия, чистовую обработку поверхности не хуже ▿ 5 и окончательное упрочнение поверхности. 5 з.п.ф-лы.

1. Способ обработки деталей, при котором на поверхности детали образуют защитное покрытие с последующим упрочнением поверхности, отличающийся тем, что покрытие образуют путем напыления, а перед упрочнением дополнительно проводят чистовую обработку поверхности не хуже ▿5.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на детали типа лопаток, работающих в агрессивных средах, напыление образуют с толщиной слоя 30 - 900 мкм. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на деталях типа запорной арматуры напыление образуют с толщиной слоя 30 - 5500 мкм. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что после упрочнения проводят поверхностное закрытие пор. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что закрытие пор проводят оплавлением высокотемпературно-импульсной плазмой. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что закрытие пор проводят пропиткой поверхности термостойким лаком до образования сплошной пленки.