Способ электроискрового легирования лопаток из титановых сплавов паровых турбин ТЭЦ и АЭС Российский патент 2021 года по МПК B23H9/10 B23H5/00 C22F1/02 C22F1/18 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к методам нанесения жаростойких покрытий или теплозащитных покрытий на лопатки энергетических и транспортных турбин, и, в особенности, паровых турбин ТЭЦ и АЭС. Для электроэнергетической отрасли на сегодняшний день является актуальной проблема повышения эксплуатационной надежности и ресурса двигателей, ответственные узлы и детали которых продолжительное время работают в условиях циклических нагрузок и повышенных температур. Один из путей решения данной проблемы - широкое внедрение в производство инновационных методов заключительной обработки.

В настоящее время развитие техники послужило толчком к широкому применению жаропрочных материалов, не теряющим своих прочностных свойств в процессе длительной эксплуатации обеспечивающих надежность, работоспособность и качество широкой номенклатуры деталей, узлов.

В компрессорах паротурбинных двигателей Российского производства титановые сплавы, в частности, используются для изготовления направляющих лопаток, прочностные характеристики которых оказывают значительное влияние на надежность, так как их разрушение может привести к отказу двигателя и катастрофе. В процессе эксплуатации лопатки подвергаются воздействию повышенных механических нагрузок, высоких температур и агрессивных сред. Результатом такого комплексного воздействия на деталь является ее быстрый выход из строя, что не обеспечивает требуемого ресурса изделия в целом. Наиболее часто встречающиеся, повреждения рабочих лопаток следующие: выработка наружных торцов при трении рабочих лопаток о корпус; эрозия передней кромки; повреждение посторонними предметами (изменение формы передней и задней кромок); существенное увеличение шероховатости поверхности. Поэтому для упрочнения и восстановления данных деталей широко применяются различные методы, в том числе термоциклическая обработка и электроискровое легирование, в результате воздействия которого образуется твердый износостойкий слой, обладающий требуемыми свойствами в зависимости от материала электрода, для обеспечения нужного значения параметра шероховатости используется поверхностно-пластическое деформирование (ППД).

Лопатки турбин из сплавов титана склонны к повышенной чувствительности к концентраторам напряжений. Следовательно, дефекты, возникающие в процессе эксплуатации, приводят к возникновению интенсивных процессов разрушения. Также при производстве или восстановлении деталей из титановых сплавов необходимо учитывать такие требования как повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим, поэтому для защиты и упрочнения лопаток используют защитные покрытия.

Традиционные способы повышения стойкости лопаток к влажно-паровой эрозии - припайка и приварка стеллитовых пластин, электроискровое и кластерное упрочнение, плазменное, детонационное напыление, ТВЧ-закалка (А.С. СССР №1278469 F01D 25/28. Гонсеровский Ф.Г. Упрочнение и ремонт стальных паротурбинных рабочих лопаток после эрозионного износа. // Электрические станции №8, 1998, с.37-41) - малоприемлемы или неприменимы для титановых сплавов из-за большой их склонности к окислению при нагреве и последующему растрескиванию, в результате чего появляются недопустимые дефекты покрытия и поверхности (Жаропрочные титановые сплавы. / О.П.Солонина, С.Г.Глазунов. - М.: Металлургия, 1976. - 447 с.).

Известны способы повышения усталостной прочности металлов методом ионной имплантации (Повышение циклической прочности металлов и сплавов методом ионной имплантации. Владимиров Б.Г., Гусева М.И., Иванов С.М. и др. // Поверхность. Физика, химия, механика, №7, 1982, с.139-147). Сущность метода ионной имплантации заключается в облучении поверхности металлов ионами различных химических элементов с энергий от 300 эВ до 300 кэВ и дозой от 10¹⁶ до 2·10¹⁹ ион/см².

Известен также способ модификации поверхности титановых сплавов (патент РФ №2117073, МПК С23С 14/48, 10.08.98, Бюл. №22), который включает в себя предварительную обработку ионами аргона с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см² и дозой (1-2)·10¹⁹ ион/см², имплантацию ионов азота с энергией 250-400 эВ, плотностью ионного тока 1-10 мА/см и дозой (1-2)·10¹⁹ ион/см² и последующий стабилизирующий отжиг.

Основным недостатком известного способа является малая глубина упрочняемого модифицируемого слоя поверхности (до 4 мкм), которая не может обеспечить необходимую долговечность изделия при его эксплуатации в условиях влажно-паровой эрозии. Кроме того, к недостаткам относится невозможность обработки в единицу времени всего изделия (например, всей поверхности пера лопатки) из-за ограниченной площади генерируемого пучка плазмы (не более 510 мм на указанном в прототипе ионно-плазменном ускорителе «Вита»), что значительно меньше площади поверхности турбинной лопатки (4,5·10⁵ мм²), а также необходимость проведения дополнительной термообработки, увеличивающей технологический цикл.

Известен способ обработки поверхности лопаток паровых турбин из титановых сплавов (патент РФ №2234556 МПК С23С 14/06, 2004.08.20), включающий в себя последовательное упрочнение поверхности изделия путем ионной имплантации азота и проведение стабилизирующего отжига, и проведение, после ионной имплантации ионно-плазменное нанесение покрытия нитрида титана при токе разряда от 90 до 110 А, напряжении разряда от 50 до 60 В и давлении азота от 10^-1 до 4·10^-1 Па, при этом ионную имплантацию, нанесение покрытия и стабилизирующий отжиг осуществляют в одном вакуумном объеме.

Наиболее близким прототипом является способ нанесения покрытий на титан и его сплавы методом электроискрового легирования в водных растворах при повышенных давлениях, включающий микродуговое оксидирование (МДО) в электролите в герметичном сосуде путем создания разности потенциалов между обрабатываемой деталью в качестве анода и корпусом герметичного сосуда в качестве катода с инициированием анодных плазменных разрядов (Патент РФ № 2476627 МПК C25D 11/26).

Основным недостатком является низкая степень надежности защиты лопаток из титановых сплавав от пылевой и капельно-ударной эрозии и недостаточная выносливость и циклическая прочность, а также сложность процесса обработки и его высокая себестоимость.

Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости, коррозионной стойкости, микротвердости, износостойкости и ударной вязкости, а также снижение шероховатости поверхности.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается за счет того, что с помощью автоматизированной установки для электроискрового легирования на лопатки из титановых сплавов наносится покрытие из жаропрочного сплава с добавлением твердого сплава, причем на первом этапе покрытие наносят на оптимальном режиме электроискрового легирования, характеризующимся минимальной шероховатостью поверхности и максимальным коэффициентом переноса, применяют поверхностно-пластическое деформирование с целью снижения шероховатости и растягивающих напряжений, а также повышения микротвердости, а затем деталь с покрытием подвергают дополнительной термоциклической обработке (ТЦО) в вакууме в окрестности температуры полиморфного превращения с целью дополнительной стабилизации полигонизованной структуры.

Способ обработки осуществляется следующим образом:

- проводят подготовку поверхности детали к процессу электроискрового легирования;

- на деталь наносят электроискровое покрытие выбранным электродом;

- с помощью специальных инденторов осуществляют поверхностно-пластическую обработку поверхности;

- проводят термоциклическую обработку модифицированной детали в вакууме.

Конкретный пример реализации предложения.

Электроискровое покрытие наносилось электродом типа ПГ-12Н-03 с добавкой твердого сплава ВК8 на оптимизированном режиме с параметрами С=0,22мкФ; I=9,6A; n=4; η=890мин. Для ПП модификации поверхности в данной работе применялись ролики из минералокерамики ВОК60, (Аl₂О₃ 76 %; ТiС 20 %; (WСо) (3…5) %; Мg<1,0 %) рабочих поверхностей из стали на режиме: скорость (ν) (10…120) м/мин, подаче (s) (0,2…0,3) мм/об, сила (Р) (200…350) Н. Термоциклическая обработка в лабораторных условиях проводилась на установке ИМАШ-20-75 "АЛАТОО" путем прямого пропускания тока через ненагруженный образец в вакууме 1×10^-4мм.рт. столба остаточного давления. Скорость нагрева варьировалась от (3…5)°С/с, охлаждения - от (1-3)°С/с, соответственно, без изотермических выдержек при минимальной (800°С) и максимальной (1000°С) температурах. Длительность одного цикла изменялась от 100 до 250 сек.

Установлено снижение пористости и шероховатости, что в свою очередь ведет к повышению износостойкости в (1,5…2) раза, коррозионной стойкости в (1,5…1,7) раза, микротвердость увеличивается до 20000 МПа, т.е. в (1,4…1,7) раз по сравнению с исходными материалами в состоянии поставки и в (1,2...1,5) раз по сравнению с прототипом. Остаточные напряжения сжатия в покрытии равняются (140…160)МПа, что в 1,2 раза выше, чем в указанном прототипе (таблица 1).

Эффективность процесса по сравнению с прототипом выразится в повышении срока службы и надежности деталей и изделий из титана и его сплавов за счет увеличения коррозионной стойкости, ударной вязкости, микротвердости, снижения шероховатости.

Вид образца Микротвердость, МПа Остаточные напряжения сжатия, МПа Ударная вязкость, KCU, кДж/м² Скорость коррозии, г/м₂·ч Сплав в состоянии поставки 11764 - 400 >0,1 Прототип 17700 70 450 0,005 Техническое решение, представленное в данной заявке 20000 140 600 <0,001

Изобретение относится к обработке поверхности лопаток паровых турбин из титанового сплава, в особенности паровых турбин ТЭЦ и АЭС. Способ включает нанесение на поверхность лопатки покрытия из жаропрочного сплава с добавлением твердого сплава путем электроискрового легирования поверхности лопатки из титанового сплава и дальнейшее его поверхностно-пластическое деформирование. После лопатку с покрытием подвергают термоциклической обработке в вакууме, которую осуществляют при скорости нагрева 3-5 °С/с, скорости охлаждения 1-3 °С/с, при длительности одного цикла от 100 до 250 с с минимальной температурой 800 °С и максимальной температурой 1000 °С. Техническим результатом изобретения является увеличение жаростойкости, коррозионной стойкости, микротвердости, износостойкости и ударной вязкости, а также снижение шероховатости поверхности. 1 табл., 1 пр.

Способ обработки поверхности лопатки паровой турбины из титанового сплава, включающий нанесение покрытия путем электроискрового легирования поверхности лопатки из титанового сплава, отличающийся тем, что электроискровым легированием на поверхность лопатки наносят покрытие из жаропрочного сплава с добавлением твердого сплава, при этом далее проводят его поверхностно-пластическое деформирование, а затем лопатку с покрытием подвергают термоциклической обработке в вакууме, которую осуществляют при скорости нагрева 3-5 °С/с, скорости охлаждения 1-3 °С/с, при длительности одного цикла от 100 до 250 с с минимальной температурой 800 °С и максимальной температурой 1000 °С.