СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРИРАБАТЫВАЕМОГО УПЛОТНЕНИЯ ТУРБИНЫ СО СТОЛБЧАТОЙ СТРУКТУРОЙ Российский патент 2012 года по МПК B22F7/04 B22F3/18 F01D11/12 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам изготовления уплотнений зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций.

Эффективность работы газотурбинных двигателей и установок, а также паровых турбин зависит герметичности уплотнения между вращающимися лопатками и внутренней поверхностью корпуса в вентиляторе, компрессоре и турбине. Одним из основных видов подобных уплотнений являются истираемые уплотнения, герметичность которых обеспечивается за счет прорезания выступами на торцах лопаток канавок в истираемом уплотнительном материале. Уплотнения турбин выполняют например, используя плетеные металлические волокна, соты [патент США N 5080934, МПК F01D 11/08, 427/271, 1991] или спеченные металлические частицы. Приработка этих уплотнений происходит за счет его высокой пористости и его низкой прочности. Последнее обуславливает невысокую эрозионную стойкость уплотнительных материалов, что приводит к быстрому износу уплотнения. В качестве прирабатываемых уплотнений в современных двигателях и установках используют также газотермические покрытия, имеющие, по сравнению с вышеописанными материалами, меньшую трудоемкость изготовления.

Известен способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4291089] методом газотермического напыления порошкового материала. При этом уплотнение формируется в виде покрытия, которое наносится непосредственно на кольцевой элемент корпуса турбомашины в зону уплотнения между корпусом и лопаткой.

Недостатком известного уплотнения является невозможность одновременного обеспечения высокой прирабатываемости и прочностных свойств уплотнения.

Известен также способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбомашины [патент США №4936745] путем его формирования в виде высокопористого керамического слоя с пористостью от 20 до 35 об.%.

Недостатком известного уплотнения является низкая эрозионная стойкость и прочность.

Известен также способ изготовления уплотнения турбомашин с прирабатываемым покрытием на статоре турбомашины (патент РФ №2033527, кл. F01D 11/08, опубл. 20.04.1995). Уплотнение формируют путем соединения со старым слоем сотовой структуры. Однако гребешки на роторе при взаимодействии с сотовой структурой притупляются, что снижает герметичность уплотнения. Ячейки сотовой структуры могут иметь различные форму и размер площади поперечного сечения, глубину и толщину стенок. Сотовая структура, может быть выполнена из стальной жаростойкой фольги, или сверлением, прожигом, травлением или литьем. При значительной толщине стенок ячеек сот условия работы гребешков ужесточаются. Сильный износ гребешков так или иначе связан с необоснованно высокой прочностью материалов, используемых для производства сот, а также методов их изготовления, вызывающих утолщение толщины стенок ячеек.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбины, включающий формирование элемента уплотнения заданной формы и размеров путем спекания в пресс-форме порошка прирабатываемого материала в вакууме или защитной среде [патент РФ №2039631, МПК B22F 3/10. Способ изготовления истираемого материала, 1995]. Однако наличие в элементе сотовой структуры, выполненной из прочного материала, ведет к износу или повреждению гребешков. Известный способ изготовления уплотнения предусматривает его выполнение в виде жестко соединенного со статором слоя сотовой структуры. При этом слой сотовой структуры может быть закреплен на элементе турбомашины методом сварки или пайки [например, патент РФ №2277637, МПК F01D 11/08, 2006 г.].

В этой связи задачей настоящего изобретения является создание уплотнения, выполненного из спеченного порошкового материала, имеющего столбчатую структуру с расположенной по границам этой столбчатой структуры армирующего сплошного каркаса, допускающего врезание в него выступов лопатки и снижающего их износ в процессе эксплуатации, что привело бы к дальнейшему повышению эффективности работы турбомашин.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижение трудоемкости его изготовления по сравнению с существующими сотовыми уплотнениями.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой, включающем формирование элемента уплотнения заданной формы и размеров путем спекания в пресс-форме порошка прирабатываемого материала в вакууме или защитной среде, в отличие от прототипа, спекание порошка прирабатываемого материала осуществляют поэтапно: вначале из порошка спеканием формируют ленты заданной ширины, затем спеканием формируют стержни заданной формы и размеров, формируют двухслойную ленту с закрепленными на ней стержнями, размещая между наложенными друг на друга лентами стержни параллельно друг другу с заданными шагом и промежутками между ними, располагая стержни поперек лент, закрепляют стержни, обжимая их с обеих сторон лентами, обеспечивая неразъемные соединения лент между собой в местах их контакта в промежутках между стержнями при расположении лент на одной ширине, затем помещают, складывая образованную двухслойную ленту со стержнями в пресс-форму, ориентируя оси стержней по высоте формируемого элемента уплотнения, и формируют элемент уплотнения, спекая двухслойную ленту со стержнями в пресс-форме до образования сплошного каркаса из лент.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой, в качестве прирабатываемого материала берут сплав состава, вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti или Cu или их комбинации - остальное или сплав состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0, 2 до 0,7%; Ni - остальное или сплав состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3% до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм в механической смеси с порошковым, с размерами частиц порошка менее 1 мкм, гексагональным нитридом бора - BN в количестве от 1,0 до 1,5% от общего объема смеси и фторидом кальция - CaF₂, с размерами частиц порошка от 1 мкм до 25 мкм, в количестве от 6,0 до 8,0% от общего объема смеси, причем спекание частиц порошка прирабатываемого материала проводят при температуре от 1100 до 1200°С либо в вакууме, либо в одной из следующих в газовых сред: либо в среде аммиака, либо в среде смеси аргона и аммиака, либо в среде смеси водорода и азота, либо в среде смеси водорода, аргона и азота, причем в качестве смеси водорода и азота используют смесь в об.%, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное азот, а в качестве смеси водорода, аргона и азота используют смесь, в об.%, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное аргон.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой дополнительно в механическую смесь добавляют BaSO₄ от 0,4 до 3% от общего объема смеси и/или Ca от 0,01 до 0,2% от общего объема смеси, в виде порошка, размерами частиц от 1 до 25 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой ленты формируют из металлического порошка, связующего материала и металлической сетки путем подачи их в межвалковый зазор и прокаткой через нагретые валки, причем металлическая сетка выполнена из проволоки диаметром от 0,2 до 0,4 мм, с размерами ячеек от 0,5 до 2 мм, а ленту выполняют толщиной от 0,3 до 0,5 мм.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой стержни формируют из смеси порошка прирабатываемого материала с добавками связующего материала, при этом одновременно формируют двухслойную ленту со стержнями путем подачи порошковой смеси для изготовления стержней и двух лент по обе стороны от формируемых стержней в межвалковый зазор и в формочки, выполненные на поверхности валков, при этом осуществляют совместное спекание стержней и лент при прокатке через нагретые валки с формочками, имеющими формы и размеры, соответствующие формируемым стержням и нагретые до температуры, обеспечивающей спекание порошка прирабатываемого материала, причем шаг расположения формочек на валках обеспечивает заданные промежутки между стержнями, а стержни формируются либо за счет совпадения формочек обоих валков в межвалковом зазоре, либо попеременно, при сдвиге формочек на валках, либо только от формочек одного валка.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой стержни располагают либо под углом 90 градусов к основанию элемента уплотнения, либо с наклоном, совпадающим с направлением движения контртела, под углом от 45 до 89 градусов к основанию элемента уплотнения, при этом стержни выполняют либо с круглым, либо с овальным сечениями, либо с сечением в виде многогранника, площадью сечения от 4 до 50 мм, высотой, обеспечивающей формирование элемента уплотнения, а ширину лент берут от 1,1 до 1,4 раза большей высоты формируемого элемента уплотнения, причем стержни в лентах размещают с промежутками между ними от 1 до 8 мм, а двухслойную ленту со стержнями складывают в пресс-форму, послойно, располагая стержни в шахматном порядке.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой элементы выполняют в виде брусков, размерами и формой обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины, причем размеры элемента составляют: длина от 20 до 700 мм, ширина от 10 до 70 мм, высота от 5 до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 до 2500 мм, а в поперечном сечении основание элемента выполняют в виде трапеции, а его верхнюю часть в виде прямоугольника.

Исследованиями авторов было установлено, что в определенных условиях возможно создание материала для уплотнений, обладающего, с одной стороны, достаточно высокими механической прочностью и износостойкостью, позволяющими изготавливать из него элементы уплотнений, не разрушающиеся в условиях эксплуатации, а с другой - обладать высокой прирабатываемостью. Совмещение высокой механической прочности и прирабатываемости в разработанном уплотнении, объясняется, в частности, тем, что сплошной каркас, образованный спеканием между собой лент, охватывающих стержни и образующих их оболочки и соединения между этими оболочками, полученными путем формирования из порошков лент, закрепления между двумя лентами стержней, также полученных методом предварительного спекания в ротационной пресс-форме. Каркас, полученный предлагаемым способом, обладает достаточно высокой прочностью, позволяющей удерживать внутри каркаса наполнитель, образованный также спеканием частиц порошка между собой. В то же время данный каркас способен прирабатываться, поскольку он также получен из прирабатываемого порошкового материала путем его спекания. Такое функциональное разделение прирабатываемого элемента на прирабатываемую (порошковый наполнитель с меньшей адгезией частиц) и несущую части (сплошной каркас, сформированный из спеченных лент) существенно увеличивают прочностные характеристики уплотнительного элемента. Трудоемкость способа получения прирабатываемого уплотнения с армирующим каркасом, полученным при спекании лент, по сравнению с традиционными способами получения сотовых уплотнений, значительно ниже поскольку армирующий каркас образуется в результате спекания порошкового материала в пресс-форме.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

на фигуре 1 - схема формирования ленты из порошкового прирабатываемого материала; на фиг.2 - схема формирования двухслойной ленты со стержнями; на фиг.3(а, б): фиг.3а - двухслойная лента со стержнями; фиг.3.б - двухслойная лента со стержнями сложенная перед спеканием с шахматным расположением стержней; на фиг.4 - структура уплотнения после спекания ленты в пресс-форме и образовании элемента прирабатываемого уплотнения; на фиг.5 - готовый элемент уплотнения со столбчатой структурой. На фигурах 1-5 обозначено: 1 - лента, полученная спеканием частиц порошка при использовании сетки; 2 - валки с нагревом; 3 - нагревательные элементы; 4 - сетка; 5 - бухты (рулоны) с сеткой; 6 - порошок прирабатываемого материала; 7 - питатель для подачи порошка; 8 - валки с формочками для получения стержней; 9 - формочки для стержней; 10 - стержни; 11 - двухслойная лента со стержнями; 12 - двухслойная лента со стержнями, сложенная перед спеканием с шахматным расположением стержней; 13 - каркас, полученный спеканием в пресс-форме двухслойной ленты со стержнями; 14 - структура материала уплотнения после спекания в пресс-форме в сечении, параллельном основанию элемента уплотнения; 15 - готовый элемент уплотнения; 16 - верхняя часть элемента в виде прямоугольника; 17 - основание элемента в виде трапеции.

Способ осуществляется следующим образом. Спекание порошка прирабатываемого материала осуществляют в несколько этапов. Вначале из порошка 6 (фиг.1) спеканием формируют ленты 1 заданной ширины. Для этого используют, например, двухвалковый 2 роторный пресс с нагревательными элементами 3, в котором порошок 6, поступая из питателя 7, попадает межвалковый зазор между валками 2. Для повышения надежности изготовления ленты в этот же межвалковый зазор с бухт 2 подается тонкая металлическая сетка 4. Попадая в межвалковый зазор, сетка 4 под действием температуры нагревателей 3 и давления вращающихся валков 2, спекается с подаваемым из питателя 7 порошком 6, в результате чего образуется спеченная из порошка прирабатываемого материала 6 лента 1. Нагрев валков 2 нагревателями 3, скорость их вращения и сила прижатия должны подбираться из условий, обеспечивающих спекание частиц порошка и образования ленты 1. После изготовления лент 1 проводят формирование спеканием стержней 10 заданной формы и размеров. При этом формирование стержней 10 проводят (фиг.2), одновременно формируя двухслойную ленту 11 с закрепленными на ней стержнями 10. Для этого (фиг.2) порошок прирабатываемого материала 6 подается из бункера-питателя 7 совместно с охватывающим порошок 6 с обеих сторон лентами 1 в межвалковый зазор, образованный валками 8 с формочками 9 и в формочки 9, выполненные на поверхности валков 8. При этом осуществляют совместное спекание стержней 10 и лент 1 при прокатке через нагретые валки 8 с формочками 9, имеющими формы и размеры, соответствующие формируемым стержням 10 и нагретые до температуры, обеспечивающей спекание порошка прирабатываемого материала 6. Шаг расположения формочек 9 на валках 8 обеспечивает заданные промежутки между стержнями 10, а стержни 10 могут формироваться либо за счет совпадения формочек 9 обоих валков 8 в их межвалковом зазоре, либо попеременно (с одного и другого валка 8), при сдвиге формочек 9 относительно друг друга на величину, равную половине шага. В последнем случае будут формироваться стержни, сечение которых будет равно сечению формочки 9. В двухслойной ленте 11 со стержнями 10 стержни 10 размещаются между наложенными друг на друга лентами 1. При этом стержни 10 располагаются на ленте 11 параллельно друг другу с заданными шагом и промежутками между ними. Стержни 10 располагают поперек лент 1, закрепляют стержни 10, обжимая их с обеих сторон лентами 1 с помощью валков 8, обеспечивая неразъемные соединения лент 1 между собой в местах их контакта в промежутках между стержнями 10 при расположении лент 1 на одной ширине. При этом неразъемные соединения лент 1 между собой в местах их контакта обеспечивается их спеканием между собой при прохождении через валки 8, обеспечивающих необходимое давление и температуру в межвалковой зоне валков 8. Сформированную двухслойную ленту 11 со стержнями (фиг.3а) помещают в пресс-форму, складывая образованную двухслойную ленту 11 (фиг.3б), ориентируя оси стержней 10 по высоте формируемого элемента уплотнения 15 (фиг.5), и формируют элемент уплотнения 15, спекая двухслойную ленту 11 со стержнями в пресс-форме до образования сплошного каркаса 13 (фиг.4) из лент 1. В результате спекания в пресс-форме образуется элемент уплотнения 15 (фиг.5) со столбчатой структурой по высоте элемента уплотнения 15 или сотовой структурой 14 (фиг.4), в сечении, параллельном основанию элемента 15. Элементы уплотнения 15 (фиг.5) могут быть выполнены в виде брусков, размерами и формой обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины. В поперечном сечении элемента 15 основание 17 элемента 15 выполняют в виде трапеции, а его верхнюю часть 16 - в виде прямоугольника.

В качестве прирабатываемого материала берут сплав состава, вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или, Ti, или Cu, или их комбинации - остальное или сплав состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное или сплав состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное, с размерами частиц порошка от 15 до 180 мкм в механической смеси с порошковым, с размерами частиц порошка менее 1 мкм, гексагональным нитридом бора - BN в количестве от 1,0 до 1,5% от общего объема смеси и фторидом кальция - CaF₂, с размерами частиц порошка от 1 до 25 мкм, в количестве от 6,0 до 8,0% от общего объема смеси, причем спекание частиц порошка прирабатываемого материала проводят при температуре от 1100 до 1200°С либо в вакууме, либо в одной из следующих в газовых сред: либо в среде аммиака, либо в среде смеси аргона и аммиака, либо в среде смеси водорода и азота, либо в среде смеси водорода, аргона и азота, причем в качестве смеси водорода и азота используют смесь в об.%, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное азот, а в качестве смеси водорода, аргона и азота используют смесь, в объемных %, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное аргон. Стержни 10 располагают либо под углом 90 градусов к основанию элемента уплотнения 15, либо с наклоном, совпадающим с направлением движения контртела, под углом от 45 до 89 градусов к основанию элемента уплотнения 15, при этом стержни 10 выполняют либо с круглым, либо с овальным сечениями, либо с сечением в виде многогранника, площадью сечения от 4 до 50 мм², высотой, обеспечивающей формирование элемента уплотнения 15, а ширину лент 1 берут от 1,1 до 1,4 раза большей высоты формируемого элемента уплотнения 15, причем стержни 10 в лентах 1 размещают с промежутками между ними от 1 до 8 мм, а двухслойную ленту 11 со стержнями 10 складывают в пресс-форму, послойно, располагая стержни в шахматном порядке (фиг 3б).

Пример. В качестве материалов для получения элемента прирабатываемого уплотнения использовался металлический порошок следующих составов: 1) [Cr - 9,0%, Мо - 0,6%, Fe - остальное] - неудовлетворительный результат (Н.Р.); 2) [Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Fe - остальное] - удовлетворительный результат (У.Р.); 3) [Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Fe - остальное] - (У.Р.); 4) [Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Fe - остальное] - (У.Р.); 5) [Cr - 8,0%, Мо - 0,7%, Ti - остальное] - (Н.Р.); 6) [Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Ti - остальное] - (У.Р.); 7) [Cr - 14,3%, Мо - 2,6%, Ti - остальное] - (У.Р.); 8) [Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Ti - остальное] - (У.Р.); 9) [Cr - 9,0%, Мо - 0,7%, Cu - остальное] - (Н.Р.); 10) [Cr - 10,0%, Мо - от 0,8%, Cu - остальное] - (У.Р.); 11) [Cr - 15,2%, Мо - 2,4%, Cu - остальное] - (У.Р.); 12) [Cr - 18,0%, Мо - 3,7%, Cu - остальное] - (У.Р.); 13) [Cr - от 16%; Al - 2,5%; Y - от 0, 1%; Ni - остальное] - (Н.Р.); 14) [Cr - от 18%; Al - 3%; Y - 0, 2%; Ni - остальное]- (У.Р.); 15) [Cr - 34%; Al - 16%; Y - 0,7%; Ni - остальное] - (У.Р.); 16) [Cr - 16%; Al - от 2%; Y - 0,1%; Со - 14%; Ni - остальное] - (Н.Р.); 17) Cr - 18%; Al - 3%; Y - 0, 2%; Co - 16%; Ni - остальное] - (У.Р.); 18) Cr - 34%; Al - 16%; Y - 0,7%; Co 30%; Ni - остальное] - (У.Р.).

Размеры частиц составляли величины: 10 мкм; 30 мкм; 63 мкм; 100 мкм; 160 мкм; 180 мкм. Наилучшие результаты при содержании фракций порошка размерами: менее 40 мкм - от 30 до 40%, от 40 мкм до 70 мкм - от 40 до 50%, от 70 мкм до 140 мкм - от 10 до 20%, более 140 мкм - остальное. Механическая смесь из металлического порошка состава, вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti, или Cu, или их комбинации - остальное или из сплава состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное или из сплава состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное, содержала гексагональный нитрид бора (BN) размерами частиц порошка менее 1 мкм в количестве: 0,5% - (Н.Р.); 1,0% - (У.Р.); 1,5% - (У.Р.); 1,8% - (Н.Р.) и фторид кальция - CaF₂, с размерами частиц порошка от 1 до 25 мкм, в количестве от общего объема смеси: 5% - (Н.Р.); 6,0% - (У.Р.); 8,0% - (У.Р.); 9% - (Н.Р.). Кроме того, были использованы порошковые материалы вышеуказанных составов с дополнительными добавками следующих компонентов: 1) BaSO₄: 0,4%; 1,2%; 3%. 2) Ca: 0,01%; 0,2%.

При формировании ленты из порошка использовалась металлическая сетка из нержавеющей стали (X18H10T). Использовалась сетка выполненная из проволоки диаметрами: 0,1 мм - (Н.Р.); 0,2 мм - (У.Р.); 0,3 мм - (У.Р.); 0,4 мм - (У.Р.); 0,5 мм - (Н.Р.), с размерами ячеек: 0,4 мм - (Н.Р.); 0,5 мм - (У.Р.); 1,2 мм - (У.Р.); 2,0 мм - (У.Р.);. 2,5 мм - (Н.Р.). Ленту выполняли толщинами: 0,2 мм - (Н.Р.); 0,3 мм - (У.Р.);. 0,5 мм - (У.Р.); 0,8 мм - (Н.Р.).

Стержни выполняли сечениями: круглым, овальным, в виде многогранника, площадью сечения: 2 мм² - (Н.Р.); 4 мм² - (У.Р.); 24 мм - (У.Р.); 50 мм² - (У.Р.); 70 мм² - (Н.Р.). Высота во всех случаях обеспечивала формирование элемента уплотнения. Ширина лент бралась от 1,1 до 1,4 раза большей высоты формируемого элемента уплотнения. Стержни в лентах размещали с промежутками между ними от 1 до 8 мм (0,5 мм - (Н.Р.); 1,0 мм - (У.Р.); 4,0 мм - (У.Р.); 8,0 мм - (У.Р.); 10,0 мм - (Н.Р.). При формировании элемента уплотнения двухслойную ленту со стержнями укладывали в пресс-форму, обеспечивая как шахматное, так и коридорное расположение стержней. Стержни располагали под углами 45, 60, 70, 89 и 90 градусов к основанию элемента уплотнения (углы менее 45 градусов - (Н.Р.)). При этом наклон стержней совпадал (кроме угла 90 градусов) с направлением движения контртела (лопатки).

Размеры элемента прирабатываемого уплотнения составляли: длина: 20 мм; 50 мм; 100 мм; 200 мм; 500 мм; 700 мм; ширина: 10 мм; 20 мм; 40 мм; 70 мм; высота: 5 мм; 10 мм; 30 мм; 50 мм; радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности: 200 мм; 400 мм; 1200 мм; 2300 мм; 2500 мм.

Элемент прирабатываемого уплотнения был изготовлен спеканием в вакууме, при остаточном давлении в камере не хуже 10^-2 мм рт.ст., а также в газовых средах смеси водорода и азота состава: водород 55% - (Н.Р.); 65% - (У.Р.); 70% - (У.Р.); 75% - (У.Р.); 85% - (Н.Р.).; атомарный азот: 0,5% - (Н.Р.); 2% - (У.Р.); 4% - (У.Р.); 5% - (У.Р.); 7% - (Н.Р.), остальное - азот и газовых смесях водорода, аргона и азота состава: водород - 55% - (Н.Р.); 65% - (У.Р.); 70% - (У.Р.); 75% - (У.Р.); 85% - (Н.Р.).; атомарный азот: 0,5% - (Н.Р.); 2% - (У.Р.); 4%-(У.Р.); 5% - (У.Р.); 7% - (Н.Р.), остальное аргон. Спекание лент и стержней производилось при температуре от 1100 до 1200°С, [(от 1100 до 1200°С)±100°С], в двухвалковых роторных пресс-формах. Давление прессования при изготовлении заготовок прирабатываемого уплотнения было равным: 40 кгс/мм²; 50 кгс/мм²; 60 кгс/мм²; 70 кгс/мм². Механические свойства полученного материала составили: твердость НВ от 135 до 144; σ_в=28,7…36,5 кгс/мм²; σ_т,=17,6…25,4 кгс/мм²; ударная вязкость 1,16…1,59 кгм/см². Результаты испытаний образцов уплотнений из разработанного материала в условиях эксплуатации показали сочетание высоких прочностных характеристик уплотнений, с хорошей прирабатываемостью.

Таким образом, использование в предлагаемом способе изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой следующих признаков: формирование элемента уплотнения заданной формы и размеров путем спекания в пресс-форме порошка прирабатываемого материала в вакууме или защитной среде; при этом осуществление спекания порошка прирабатываемого материала поэтапно: формирование вначале из порошка спеканием ленты заданной ширины, затем формирование спеканием стержней заданной формы и размеров, затем формирование двухслойной ленты с закрепленными на ней стержнями при размещении между наложенными друг на друга лентами стержней параллельно друг другу с заданными шагом и промежутками между ними, располагая стержни поперек лент, закрепление стержней, их обжатием с обеих сторон лентами, обеспечивая неразъемные соединения лент между собой в местах их контакта в промежутках между стержнями при расположении лент на одной ширине, затем помещение образованной двухслойной ленты со стержнями в пресс-форму, складывая ее и ориентируя оси стержней по высоте формируемого элемента уплотнения, и формирование элемента уплотнения путем спекания двухслойной ленты со стержнями в пресс-форме до образования сплошного каркаса из лент; использование в качестве прирабатываемого материала сплава состава, вес.%: Cr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti, или Cu, или их комбинации - остальное или сплава состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Ni - остальное или сплава состава, вес.%: Cr - от 18 до 34%; Al - от 3 до 16%; Y - от 0,2 до 0,7%; Со - от 16 до 30%; Ni - остальное, с размерами частиц порошка от 15 до 180 мкм в механической смеси с порошковым, с размерами частиц порошка менее 1 мкм, гексагональным нитридом бора - BN в количестве от 1,0 до 1,5% от общего объема смеси и фторидом кальция - CaF₂, с размерами частиц порошка от 1 до 25 мкм, в количестве от 6,0 до 8,0% от общего объема смеси, причем спекание частиц порошка прирабатываемого материала проводят при температуре от 1100 до 1200°С либо в вакууме, либо в одной из следующих в газовых сред: либо в среде аммиака, либо в среде смеси аргона и аммиака, либо в среде смеси водорода и азота, либо в среде смеси водорода, аргона и азота, причем в качестве смеси водорода и азота используют смесь в об.%, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное азот, а в качестве смеси водорода, аргона и азота используют смесь, в об.%, состава: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное аргон; добавление дополнительно в механическую смесь BaSO₄ от 0,4 до 3% от общего объема смеси и/или Ca от 0,01 до 0,2% от общего объема смеси, в виде порошка, размерами частиц от 1 до 25 мкм; формирование ленты из металлического порошка, связующего материала и металлической сетки путем подачи их в межвалковый зазор и прокаткой через нагретые валки, при выполнении металлической сетки из проволоки диаметром от 0,2 до 0,4 мм, с размерами ячеек от 0,5 до 2 мм, при выполнении ленты толщиной от 0,3 до 0,5 мм; формировании стержней из смеси порошка прирабатываемого материала с добавками связующего материала, при одновременном формировании двухслойной ленты со стержнями путем подачи порошковой смеси для изготовления стержней и двух лент по обе стороны от формируемых стержней в межвалковый зазор и в формочки, выполненные на поверхности валков, при осуществлении совместного спекания стержней и лент при прокатке через нагретые валки с формочками, имеющими формы и размеры, соответствующие формируемым стержням и нагретые до температуры, обеспечивающей спекание порошка прирабатываемого материала, при шаге расположения формочек на валках, обеспечивающем заданные промежутки между стержнями при формировании стержней либо за счет совпадения формочек обоих валков в межвалковом зазоре, либо попеременно, при сдвиге формочек на валках, либо только от формочек одного валка; расположение стержней либо под углом 90 градусов к основанию элемента уплотнения, либо с наклоном, совпадающим с направлением движения контртела, под углом от 45 до 89 градусов к основанию элемента уплотнения; выполнении стержней либо с круглым, либо с овальным сечениями, либо с сечением в виде многогранника, площадью сечения от 4 до 50 мм², высотой, обеспечивающей формирование элемента уплотнения; использование лент шириной от 1,1 до 1,4 раза большей высоты формируемого элемента уплотнения; размещение стержней в лентах с промежутками между ними от 1 мм до 8 мм; складывание в пресс-форму двухслойной ленты со стержнями, послойно, располагая стержни в шахматном порядке; выполнение элементов в виде брусков, размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины; использование размеров элемента: длина от 20 до 700 мм, ширина от 10 70 мм, высота от 5 до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности от 200 до 2500 мм; выполнение в поперечном сечении основание элемента в виде трапеции, а его верхнюю часть в виде прямоугольника позволяют достичь технического результата заявляемого изобретения, которым является одновременное обеспечение высокой прирабатываемости, механической прочности и износостойкости уплотнения, а также снижения трудоемкости его изготовления по сравнению с существующими сотовыми уплотнениями.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к уплотнениям зазоров проточной части турбомашин, длительно работающих в условиях повышенных температур и высокочастотных вибраций. Элемент прирабатываемого уплотнения формируют путем спекания в два этапа порошка прирабатываемого материала в пресс-форме в вакууме или защитной среде. На первом этапе из порошка формируют ленты заданной ширины, затем спеканием формируют стержни заданной формы и размеров. Формируют двухслойную ленту с закрепленными на ней стержнями, размещая между наложенными друг на друга лентами стержни параллельно друг другу с заданными шагом и промежутками между ними, располагая стержни поперек лент. Закрепляют стержни, обжимая их с обеих сторон лентами, обеспечивая неразъемные соединения лент между собой в местах их контакта в промежутках между стержнями при расположении лент на одной ширине. Двухслойную ленту со стержнями помещают в пресс-форму, ориентируя оси стержней по высоте формируемого элемента уплотнения, и формируют элемент уплотнения спеканием. Полученный элемент обеспечивает одновременно высокую прирабатываемость, механическую прочность и износостойкость уплотнения. 23 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

1. Способ изготовления прирабатываемого уплотнения турбины со столбчатой структурой, включающий формирование элемента уплотнения заданной формы и размеров путем спекания в пресс-форме порошка прирабатываемого материала в вакууме или защитной среде, отличающийся тем, что спекание порошка прирабатываемого материала осуществляют поэтапно, при этом вначале из порошка спеканием формируют ленты заданной ширины, затем спеканием формируют стержни заданной формы и размеров, формируют двухслойную ленту с закрепленными на ней стержнями, размещают между наложенными друг на друга лентами стержни параллельно друг другу с заданными шагом и промежутками между ними, располагают стержни поперек лент, закрепляют стержни, обжимают их с обеих сторон лентами с обеспечением неразъемных соединений лент между собой в местах их контакта в промежутках между стержнями, при расположении лент на одной ширине, затем помещают образованную двухслойную ленту со стержнями в пресс-форму, ориентируя оси стержней по высоте формируемого элемента уплотнения, и формируют элемент уплотнения путем спекания двухслойной ленты со стержнями в пресс-форме до образования сплошного каркаса из лент.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве прирабатываемого материала берут сплав состава, вес.%: Сr - от 10,0 до 18,0%, Мо - от 0,8 до 3,7%, Fe или Ti или Сu или их комбинации - остальное, или сплав состава, вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Ni - остальное, или сплав состава, вес.%: Сr - от 18% до 34%; Аl - от 3% до 16%; Y - от 0,2% до 0,7%; Со - от 16% до 30%; Ni - остальное, с размерами частиц порошка от 15 мкм до 180 мкм в механической смеси с порошковым, с размерами частиц порошка менее 1 мкм, гексагональным нитридом бора (BN) в количестве от 1,0% до 1,5% от общего объема смеси и фторидом кальция (CaF₂), с размерами частиц порошка от 1 мкм до 25 мкм, в количестве от 6,0% до 8,0% от общего объема смеси, причем спекание частиц порошка прирабатываемого материала проводят при температуре от 1100 до 1200°С в вакууме или в одной из следующих газовых сред: аммиака, смеси аргона и аммиака, смеси водорода и азота, смеси водорода, аргона и азота.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве смеси водорода и азота используют смесь состава, об.%: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное - азот, а в качестве смеси водорода, аргона и азота используют смесь состава, об.%: водород - от 65 до 75%, атомарный азот - от 2 до 5%, остальное - аргон.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно в механическую смесь добавляют BaSO₄ от 0,4% до 3% от общего объема смеси в виде порошка с размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно в механическую смесь добавляют BaSO₄ от 0,4% до 3% от общего объема смеси в виде порошка с размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно в механическую смесь добавляют Са от 0,01 до 0,2% от общего объема смеси в виде порошка с размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно в механическую смесь добавляют Са от 0,01 до 0,2% от общего объема смеси в виде порошка с размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно в механическую смесь добавляют Са от 0,01 до 0,2% от общего объема смеси в виде порошка с размерами частиц от 1 мкм до 25 мкм.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что ленты формируют из металлического порошка, связующего материала и металлической сетки путем подачи их в межвалковый зазор и прокаткой через нагретые валки, причем металлическая сетка выполнена из проволоки диаметром от 0,2 до 0,4 мм, с размерами ячеек от 0,5 мм до 2 мм, а ленту выполняют толщиной от 0,3 до 0,5 мм.

10. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что стержни формируют из смеси порошка прирабатываемого материала с добавками связующего материала, при этом одновременно формируют двухслойную ленту со стержнями путем подачи порошковой смеси для изготовления стержней и двух лент по обе стороны от формируемых стержней в межвалковый зазор и в формочки, выполненные на поверхности валков, при этом осуществляют совместное спекание стержней и лент при прокатке через нагретые валки с формочками, имеющими формы и размеры, соответствующие формируемым стержням и нагретые до температуры, обеспечивающей спекание порошка прирабатываемого материала, причем шаг расположения формочек на валках обеспечивает заданные промежутки между стержнями, а стержни формируют за счет совпадения формочек обоих валков в межвалковом зазоре или за счет попеременного сдвига формочек на валках, или только за счет формочек одного валка.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что стержни формируют из смеси порошка прирабатываемого материала с добавками связующего материала, при этом одновременно формируют двухслойную ленту со стержнями путем подачи порошковой смеси для изготовления стержней и двух лент по обе стороны от формируемых стержней в межвалковый зазор и в формочки, выполненные на поверхности валков, при этом осуществляют совместное спекание стержней и лент при прокатке через нагретые валки с формочками, имеющими формы и размеры, соответствующие формируемым стержням и нагретые до температуры, обеспечивающей спекание порошка прирабатываемого материала, причем шаг расположения формочек на валках обеспечивает заданные промежутки между стержнями, а стержни формируют за счет совпадения формочек обоих валков в межвалковом зазоре или за счет попеременного сдвига формочек на валках, или только за счет формочек одного валка.

12. Способ по любому из пп.1-8, 11, отличающийся тем, что стержни располагают под углом 90° к основанию элемента уплотнения или с наклоном, совпадающим с направлением движения контртела, под углом от 45 до 89° к основанию элемента уплотнения.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что стержни располагают под углом 90° к основанию элемента уплотнения или с наклоном, совпадающим с направлением движения контртела, под углом от 45 до 89° к основанию элемента уплотнения.

14. Способ по п.10, отличающийся тем, что стержни располагают под углом 90° к основанию элемента уплотнения или с наклоном, совпадающим с направлением движения контртела, под углом от 45 до 89° к основанию элемента уплотнения.

15. Способ по любому из пп.1-8, 11, 13, 14, отличающийся тем, что стержни выполняют с круглым или с овальным сечениями или с сечением в виде многогранника, площадью сечения от 4 до 50 мм², высотой, обеспечивающей формирование элемента уплотнения, а ширину лент берут от 1,1 до 1,4 раза большей высоты формируемого элемента уплотнения, причем стержни в лентах размещают с промежутками между ними от 1 мм до 8 мм, а двухслойную ленту со стержнями складывают в пресс-форму послойно, располагая стержни в шахматном порядке.

16. Способ по п.10, отличающийся тем, что стержни выполняют с круглым или с овальным сечениями или с сечением в виде многогранника, площадью сечения от 4 до 50 мм², высотой, обеспечивающей формирование элемента уплотнения, а ширину лент берут от 1,1 до 1,4 раза большей высоты формируемого элемента уплотнения, причем стержни в лентах размещают с промежутками между ними от 1 мм до 8 мм, а двухслойную ленту со стержнями складывают в пресс-форму послойно, располагая стержни в шахматном порядке.

17. Способ по п.12, отличающийся тем, что стержни выполняют с круглым или с овальным сечениями или с сечением в виде многогранника, площадью сечения от 4 до 50 мм², высотой, обеспечивающей формирование элемента уплотнения, а ширину лент берут от 1,1 до 1,4 раза большей высоты формируемого элемента уплотнения, причем стержни в лентах размещают с промежутками между ними от 1 мм до 8 мм, а двухслойную ленту со стержнями складывают в пресс-форму послойно, располагая стержни в шахматном порядке.

18. Способ по любому из пп.1-8, 11, 13, 14, 16, 17, отличающийся тем, что элементы выполняют в виде брусков размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины.

19. Способ по п.12, отличающийся тем, что элементы выполняют в виде брусков размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины.

20. Способ по п.15, отличающийся тем, что элементы выполняют в виде брусков размерами и формой, обеспечивающими, при их соединении в кольцо, формирование полного торцевого уплотнения турбомашины.

21. Способ по любому из пп.1-8, 11, 13, 14, 16, 17, 19, 20, отличающийся тем, что размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности, от 200 мм до 2500 мм.

22. Способ по п.12, отличающийся тем, что размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности, от 200 мм до 2500 мм.

23. Способ по п.18, отличающийся тем, что размеры элемента составляют: длина от 20 мм до 700 мм, ширина от 10 мм до 70 мм, высота от 5 мм до 50 мм и радиус кривизны по длине элемента, по его притираемой поверхности, от 200 мм до 2500 мм.

24. Способ по любому из пп.1-8, 11, 13, 14, 16, 17, 19, 20, 22, 23, отличающийся тем, что в поперечном сечении основание элемента выполняют в виде трапеции, а его верхнюю часть - в виде прямоугольника.