СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ АНТИВИБРАЦИОННЫХ ПОЛОК ТИТАНОВЫХ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД Российский патент 2020 года по МПК B23P6/00 B23K26/342 B23K26/144 C23C4/10 B82B3/00 

Изобретение относится к области сварки и наплавки металлических изделий и может быть использовано в отрасли авиастроения для ремонта и упрочения как бывших в эксплуатации, так и новых титановых лопаток компрессора ГТД.

Уровень техники

Известен способ восстановления бандажных полок лопаток турбомашин из титановых сплавов (RU 2586191 С1, МПК В23Р 6/00, Опубликовано: 16.12.2014, Патентообладатель(и): Акционерное общество «Научно-производственный центр газотурбостроения «Салют» (АО «НПЦ газотурбостроения «Салют»), (RU). Известный способ включает в себя удаление поврежденных участков покрытия и поверхностного слоя, наплавку поврежденных участков в среде нейтрального газа или в вакууме, механическую обработку наплавленных участков до восстановления заданных геометрических размеров и формы, термообработку лопаток после наплавки для снятия остаточных напряжений, нанесение износостойкого покрытия на восстановленные участки путем напыления.

Основными недостатками данного способа являются:

- наличие остаточных напряжений после наплавки, что требует проведения термообработки титановой лопатки;

- длительный процесс производства, обусловленный большим количеством операций по обработке деталей.

- интенсивный износ покрытия, нанесенного методом детонационного напыления.

Известен способ ремонта и изготовления лопатки (СА 2735302 A1, F01D 5/28, Опубликовано: 25.09.2012, Патентообладатель(и): Liburdi Engineering Limited, (СА). Известный способ заключается в восстановительном ремонте титановых лопаток методом лазерной наплавки порошкового материала Ti-6Al-4V. Способ также включает механическую обработку повреждений и наплавленного слоя, лазерную наплавку, термообработку титановых лопаток.

Основным недостатком данного способа является отсутствие упрочняющего защитного покрытия для снижения уровня износа титановых лопаток.

Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи восстановления и упрочнения антивибрационных полок титановых лопаток компрессора ГТД с обеспечением высокого качества наплавленного слоя и полной автоматизации разработанной технологии, обеспечивающей защиту поверхности полок от эрозионного износа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является достигаемая экономическая выгода за счет повышения стойкости и межремонтного интервала рабочих лопаток компрессора ГТД, а также увеличение технологичности с минимизацией влияния человеческого фактора на производстве.

Технический результат достигается тем, что в качестве порошкового материала на основе титана, используется специальная композитная смесь порошков титанового сплава и карбида титана с фракцией 20-200 мкм и 10-70 мкм соответственно.

Применение данной смеси порошков в процессе лазерной наплавки лопаток позволяет сформировать покрытие с равномерной структурой и высоким содержанием частиц карбида титана, обеспечивающих высокую износостойкость деталей па протяжении всего цикла эксплуатации. Данные фракционные интервалы выбраны с учетом технологических особенностей оборудования, экономической целесообразности и доступности на рынке РФ порошковых материалов, а также на основании достижения максимально возможных защитных свойств покрытия на основе проведенных исследований и испытаний. При применении такой фракции сформированное покрытие методом лазерной наплавки обладает исключительной износостойкостью.

На рисунке 1 представлен эскиз покрытия. Полная автоматизация процесса лазерной обработки достигается за счет применения промышленного робототехнического комплекса с возможностью моделирования траекторного перемещения оптической системы над поверхностью детали по конструкторским 3D моделям. После лазерной наплавки проводится финишная механическая обработка полок титановых лопаток компрессора ГТД с целью достижения чистовых геометрических размеров согласно конструкторской документации.

Высокий уровень износостойкости покрытия полок титановых лопаток и отсутствие дефектов при производстве достигается за счет однородности свариваемых материалов титанового сплава, свойств карбида титана с микротвердостью выше 3000 HV_0,5 и рабочей температурой удовлетворяющей среде эксплуатации титановых лопаток.

На рисунке 2 представлен эскиз титановой лопатки компрессора ГТД с указанием зоны лазерной наплавки композиции порошковых материалов.

Пример

Перед проведением ремонта с упрочнением деталей проводится предварительная механическая обработка рабочей поверхности полок титановых лопаток для удаления старого покрытия и поверхностного слоя материала основы. Подготовленная поверхность полки титановой лопатки обрабатывается в соответствии с подобранными технологическими параметрами лазерной наплавки порошкового материала на основе титана и карбида титана. Для этого используется волоконный источник лазерного излучения с оптической системой доставки сфокусированного излучения до поверхности зоны восстановления. Подача порошковых материалов осуществляется коаксиально в среде инертного газа аргона или гелия. Первым проходом проводится восстановление рабочей поверхности полки методом лазерной наплавки порошкового материала на основе титана с толщиной слоя от 0,5 до 2 мм в зависимости от отклонений геометрических размеров согласно конструкторской документации. Затем наносится твердосплавное покрытие методом лазерной наплавки композиции порошков титанового сплава и карбида титана. Особенность данного процесса заключается в непрерывной дозированной подаче композиции порошка в пропорциях 3/17-1/4 (титановый сплав/карбид титана) и постепенного охлаждения зоны обработки для предотвращения локального перегрева на границах рабочей поверхности. При этом лазерная наплавка проводится в два прохода для достижения двухслойного покрытия толщиной 0,6 мм. Лазерная наплавка композиции титановый сплав с карбидом титана проводится по следующим технологическим параметрам:

1. Тип лазерного излучения: непрерывное

2. Максимальная мощность лазерного излучения: 550-650 Вт

3. Скорость наплавки: 0.01-0.0125 м/сек

4. Перекрытие валиков: 40-60%

5. Диаметр пятна лазерного излучения: 0.6-0.7 мм

6. Подача инертного газа: 70-80 л/мин

7. Дистанция от подложки до среза сопла: 10.5-11.5 мм

8. Количество слоев: 2

Преимущества и особенности:

- полностью автоматизированный процесс с минимальным вмешательством рабочего персонала в технологический цикл производства и ремонта деталей;

- минимизация последующей механической обработки, равномерность структуры, малая зона термического влияния, отсутствие внутренних и внешних дефектов, отсутствие деформаций изделия, вызванных в процессе восстановления и упрочнения;

- максимально точное соблюдение геометрических форм и размеров детали;

- получение покрытия с уменьшенным размером зерна кристаллической решетки;

- больший коэффициент использования материала, что ведет к значительной экономии производства;

- высокое сопротивление износу при эксплуатации деталей после упрочнения;

- больший уровень производственный безопасности и экологии окружающей среды.

Описание технологии:

- предварительная механическая обработка дефектов рабочей поверхности полки титановой лопатки компрессора ГТД до чистого металла основы по шаблонам;

- восстановительный ремонт и упрочнение полки методом лазерной наплавки композиции порошкового материала титанового сплава и карбида титана в пропорциях 3/17-1/4;

- финишная механическая обработка твердосплавного покрытия полки для достижения необходимых геометрических размеров и чистоты поверхности.

Изобретение относится к способу восстановления и упрочнения антивибрационных полок титановых лопаток компрессора ГТД и может быть использовано в отрасли авиастроения для ремонта и упрочения как бывших в эксплуатации, так и новых титановых лопаток компрессора ГТД. Методом лазерной наплавки осуществляют нанесение порошкового материала на основе титана. В качестве порошкового материала используют композитную смесь порошков титанового сплава и карбида титана с фракцией 20-200 мкм и 10-70 мкм соответственно в пропорциях 3/17-1/4. Техническим результатом изобретения является достигаемая экономическая выгода за счет повышения стойкости и межремонтного интервала рабочих лопаток компрессора ГТД, а также увеличение технологичности с минимизацией влияния человеческого фактора на производстве. 2 ил., 1 пр.

Способ восстановления и упрочнения антивибрационных полок титановых лопаток компрессора ГТД, включающий нанесение методом лазерной наплавки порошкового материала на основе титана, отличающийся тем, что в качестве порошкового материала используют композитную смесь порошков на основе титана и карбида титана с фракцией 20-200 мкм и 10-70 мкм соответственно в пропорциях 3/17-1/4.