СПОСОБ РЕМОНТА ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ ИЗДЕЛИЙ ГТД Российский патент 2006 года по МПК B23P6/00 B23K35/32 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение при ремонте сопловых и рабочих лопаток газотурбинных двигателей из никелевых литых жаропрочных сплавов.

Известен способ ремонта поверхностных дефектов турбинных лопаток, заключающийся в том, что поврежденную часть поверхности рабочей лопатки из трудносвариваемого высоколегированного сплава удаляют, например, путем механической обработки, затем этот участок лопатки наплавляют покрытием сплавом MCrAl, где М - сплавы системы никель-хром, никель-хром-железо с использованием плазмы низкого давления, после чего проводят диффузионную термообработку лопатки и ее чистовую механическую обработку в соответствии с профилем (патент Японии №6-35246).

Недостатком данного способа является то, что в процессе нанесения покрытия из-за окисления поверхности основного материала не обеспечивается гарантированное соединение покрытия с подложкой. Кроме того, применение сварки на трудносвариваемых литейных никелевых жаропрочных сплавах приводит к появлению трещин на литых деталях.

Известен также способ ремонта поверхности изделий композиционной пайкой, при котором нерастворяющийся в припое наполнитель в виде порошка образует разветвленный капилляр, удерживающий жидкий припой. В качестве припоя используют сплав системы никель-хром-кремний, а наполнитель представляет собой порошок железа, никеля или кобальта различной дисперсности (Справочник по пайке. М., "Машиностроение", 2003, стр.38).

Недостатками данного способа являются низкая жаростойкость покрытия и невозможность нанесения его на поверхности, располагающиеся под углом к горизонтальной поверхности.

Известен способ ремонта поверхностных дефектов лопатки, включающий очистку ремонтируемой поверхности, после которой на дефектные места наносят ремонтную смесь-пасту, состоящую из 20-60% летучего органического компонента, либо 20-60% водоосновного компонента, 3-8% плавкого реагента, 1-5% загущающего реагента, остальное - смесь двух компонентов металлических порошков. Первый компонент представляет собой никелевый жаропрочный сплав, второй - на той же основе, что и основной материал, но благодаря содержанию депрессантов, например бора, имеет температуру плавления меньшую, чем первый порошковый компонент. Соотношение первого и второго компонентов в смеси 60:40. После нанесения ремонтной смеси производятся нагрев в вакууме до температуры 525-555°С со скоростью 15°С в минуту с выдержкой около 15 минут, последующий нагрев до температуры 970-1000°С со скоростью 10°С в минуту и выдержка при этой температуре 10 минут, последующее увеличение температуры до начала плавления второго компонента для затекания его в места дефектов с выдержкой, при которой происходит диффузионное взаимодействие второго компонента с первым компонентом смеси, и затвердевания жидкой фазы. В дальнейшем производятся повышение температуры и увеличение времени выдержки для гомогенизации и восстановления свойств ремонтируемой детали. Второй компонент этой смеси исполняет роль припоя, основа которого совпадает с основой материала детали. Таким образом, очевидно, что этот способ тоже является композиционной пайкой (Патент США №5735448).

Недостатками способа являются невысокая толщина покрытия до 200 мкм. Рабочая температура покрытия не превышает 900°С, низкая прочность сцепления покрытия с основным материалом.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ ремонта поверхностных дефектов изделий газотурбинных двигателей (ГТД) композиционным наплавочным покрытием, включающий очистку ремонтируемой поверхности изделий, нанесение на нее наполнителя в виде пасты на основе металлического порошка с органическим связующим, высокотемпературную вакуумную пайку с последующей гомогенизацией изделия с композиционным наплавочным покрытием и окончательную механическую обработку изделий, в котором до нанесения наполнителя в виде пасты на ремонтируемую поверхность наносят гибкий наполнитель из никелевой сетки со спеченным слоем гранул, выполненных из жаропрочного никелевого сплава. После нанесения наполнителя в виде пасты производят спекание наполнителей с изделием в вакууме и последующее нанесение на слой наполнителей жаропрочного припоя на никелевой основе.

Гранулы, спекаемые с никелевой сеткой, располагают в один слой, и они являются однородными по размеру.

Наполнитель в виде пасты состоит из порошка жаропрочного никелевого сплава, имеющего размер частиц в 2,5-3 раза меньше, чем размер гранул, спеченных с никелевой сеткой.

Высокотемпературную вакуумную пайку осуществляют по режиму термовакуумной обработки основного материала и могут проводить одновременно с гомогенизацией композиционного наплавочного покрытия (Патент РФ №2240214).

Недостатками способа-прототипа являются невозможность нанесения покрытия на поверхности сложной кривизны (радиус кривизны менее 8 мм), трудность состыковки гибкого наполнителя на поверхностях сложной кривизны и пониженная рабочая температура покрытия.

Технической задачей изобретения является разработка способа ремонта изделий ГТД, обеспечивающего нанесение композиционного наплавочного покрытия на поверхности сложной кривизны, а также повышение рабочей температуры покрытия.

Поставленная задача достигается тем, что предложен способ ремонта поверхностных дефектов изделий ГТД из никелевых жаропрочных сплавов композиционным наплавочным покрытием, включающий очистку ремонтируемой поверхности, нанесение на нее пасты на основе металлического наполнителя с органическим связующим, спекание металлического наполнителя с изделием, последующее нанесение на слой спеченного металлического наполнителя жаропрочного припоя на никелевой основе и высокотемпературную вакуумную пайку, в котором используют металлический наполнитель в виде смеси, состоящей из гранул жаропрочного никелевого сплава, гранул интерметаллидного никель-алюминиевого сплава и порошка никеля.

Используют металлический наполнитель, содержащий, мас.%:

гранулы никелевого жаропрочного сплава70-75гранулы интерметаллидного никель алюминиевого сплава15-20порошок никеля5-10

Использование металлического наполнителя в виде смеси, состоящей из гранул жаропрочного никелевого сплава, гранул интерметаллидного никель-алюминиевого сплава и порошка никеля, обеспечивает способность наносить покрытие на поверхности со сложной кривизной, например места перехода от кромки лопаток к полкам, а также повышение рабочей температуры покрытия.

Примеры осуществления

Композиционные наплавочные покрытия по предлагаемому способу и способу-прототипу наносились на образцы сплава ЖС6У. В таблице 1 представлены составы покрытий.

Таблица 1№ п/пСоотношение припоя и наполнителя, %Наполнитель, мас.%ПрипойЖС6УВКНАНикель130:7070,020,0ОстальноеВПр24230:7073,517,5ОстальноеВПр24330:7075,015,0ОстальноеВПр24Прототип40:6085,0-Никелевая сетка-15ВПр47

Для нанесения покрытия по предлагаемому способу был выбран припой ВПр24, а при нанесении покрытия по способу-прототипу - припой ВПр47.

Нанесение покрытия по способу-прототипу проводили при нагреве в вакуумной печи толщиной 500 мкм. К никелевой сетке припекался слой гранул сплава ЖС6У толщиной 250-400 мкм. Для заполнения промежутков между крупными гранулами применялась паста на основе акриловой смолы с наполнителем из порошка сплава ЖС6У с размером частиц менее 166 мкм. При изготовлении гибкого наполнителя температура спекания при нагреве в вакуумной печи составляла 1200°С. Пайка припоем ВПр47 производилась при 1210°С, выдержка при этой температуре составляла 4 часа.

Предлагаемый способ осуществляли следующим образом. Пасту на основе металлического наполнителя, с органическим связующим (10% раствор акриловой смолы в растворителе Р-5) наносили на поверхность образцов и высушивали при комнатной температуре. В качестве наполнителя использовали смесь трех компонентов: гранулы ЖС6У (100-300 мкм), гранулы ВКНА размером менее 50 мкм и порошок никеля размер частиц менее 20 мкм. Спекание наполнителя производилось при нагреве в вакуумной печи при температуре 1200-1210°С с выдержкой 1 час. Затем на наполнитель наносился припой ВПр24 в виде пасты и производилась пайка по тому же режиму, что и спекание наполнителя.

Прочность сцепления и рабочая температура покрытия определялись на стыковых образцах из сплава ЖС6У. Покрытия наносилось на торцевую поверхность цилиндрических образцов. После нанесения покрытия эти поверхности обрабатывались шлифовкой таким образом, чтобы толщина покрытия составляла не менее 400 мкм, а у прототипа не более 200 мкм. Образцы с покрытиями запаивались между собой припоями, с помощью которых они наносились. Поверхности с покрытиями спаивались между собой и находились в средней части паяного образца перпендикулярно оси образца. Выдержка при пайке составляла 60 минут. Из таких заготовок вытачивались образцы для определения прочности сцепления покрытия с подложкой при различных температурах испытания. Диаметр рабочей части образца составлял 5 мм.

Оценка способности нанесения покрытия на поверхности с различным радиусом кривизны определялась при нанесении покрытия на цилиндрические поверхности образцов из сплава ЖС6У диаметром 8, 16 и 20 мм по наличию на поверхности образцов сплошного покрытия без местных вздутий, характеризующих отслоение наполнителя от основного материала.

Свойства покрытия по предлагаемому способу и способу-прототипу представлены в таблице 2.

Таблица 2№ п/пОтслоение наполнителя от основного материала на цилиндрических поверхностях образцов, %Температура испытания, °СПрочность сцепления на отрыв, кгс/мм²диаметр образцов, в мм8162010002084-86    90075-78    105041-4520002082-85    90076-78    105040-4530002084-87    90072-78    105042-47Прототип301002022-29   90013-15   9500

Из таблицы 2 видно, что покрытие по предлагаемому способу имеет более высокую рабочую температуру и его возможно наносить на поверхности с радиусом кривизны менее 8 мм без отслаивания от основного материала.

Использование предлагаемого способа позволит существенно повысить ресурс и снизить материалоемкость ремонта рабочих и сопловых лопаток ГТД.

Изобретение может быть использовано при ремонте сопловых и рабочих лопаток газотурбинных двигателей из литых жаропрочных сплавов. После очистки ремонтируемой поверхности на нее наносят пасту на основе металлического наполнителя в виде смеси, состоящей из гранул жаропрочного никелевого сплава, гранул интерметаллидного никель-алюминиевого сплава и порошка никеля с органическим связующим, и проводят спекание с изделием. На слой спеченного металлического наполнителя наносят жаропрочный припой на никелевой основе и производят высокотемпературную вакуумную пайку. Используют металлический наполнитель, содержащий, мас.%: гранулы никелевого жаропрочного сплава 70-75, гранулы интерметаллидного никель-алюминиевого сплава 15-20, порошок никеля 5-10. Способ обеспечивает ремонт поверхности сложной кривизны и повышение рабочей температуры покрытия. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ ремонта поверхностных дефектов изделий ГТД из никелевых жаропрочных сплавов композиционным наплавочным покрытием, включающий очистку ремонтируемой поверхности, нанесение на нее пасты на основе металлического наполнителя с органическим связующим, спекание металлического наполнителя с изделием, последующее нанесение на слой спеченного металлического наполнителя жаропрочного припоя на никелевой основе и высокотемпературную вакуумную пайку, отличающийся тем, что используют металлический наполнитель в виде смеси, состоящей из гранул жаропрочного никелевого сплава, гранул интерметаллидного никель-алюминиевого сплава и порошка никеля.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют металлический наполнитель, содержащий, мас.%:

Гранулы никелевого жаропрочного сплава70-75Гранулы интерметаллидного никель-алюминиевого сплава15-20Порошок никеля5-10