Способ лазерной обработки поверхности стальных лопаток турбин энергетических установок Российский патент 2021 года по МПК B23K26/342 B23P6/00 B23K26/70 

Изобретение относится к области обработки металла лазерным лучом, в частности к обработке поверхности стальных лопаток турбин энергетических установок при их изготовлении и ремонте.

Рабочие лопатки - наиболее напряженные и ответственные части проточной части турбины и самый дорогой ее элемент. Разрушение лопаточного аппарата турбины приводит к неблагоприятным последствиям для всего турбоагрегата в целом и вынужденному останову турбины.

По мере охлаждения пара в ходе работы турбины в нем конденсируются капли воды. Лопатки паровых турбин подвергаются атаке этих капель, что ведет к парокапельной эрозии. Общепринятым способом защиты лопаток считалась высокотемпературная вакуумная напайка стеллитовых пластин (Демин Ф.И. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей. [Электронный ресурс: учебник] / Ф.И. Демин, Н.Д. Проничев, И.Л. Шитарев; под. общ. ред. проф. Ф.И. Демина. - 2-е изд. - Самара: Изд-во СГАУ, 2012. - 324 с.). Однако у этого решения есть серьезные недостатки. Во-первых, процесс пайки стеллитовых пластин, является чрезвычайно трудоемким и длительным. Во-вторых, использование напаянных пластин снижает КПД турбины за счет искажения геометрии лопаток и ненужного их утяжеления. В-третьих, напаянные лопатки имеют тенденцию к преждевременному отслоению, причем отлетевшие пластины могут повредить другие лопатки. И, наконец, потеря пластин нарушает балансировку турбины.

Исключить стеллитовые пластины позволяет порошковая наплавка на поверхностный слой и (или) кромки лопатки с использованием энергии лазерного излучения. При этом лазерная порошковая наплавка используется как при изготовлении, так и при ремонте лопаток.

Известна лопатка паровой турбины (патент РФ №140966, F01D 5/12, С23С 4/12, В23К 26/342, опубл. 20.05.2014), содержащая защитное покрытие, выполненное лазерной наплавкой толщиной не менее 1000 мкм из сплава на основе кобальта, которое повышает качество поверхности лопатки, защищает от парокапельной эрозии и упрочняет рабочие поверхности лопатки без ухудшения ее усталостной прочности. Однако качество поверхностного покрытия определяется не только его толщиной, но и сцепленностью и перемешиванием материала покрытия с металлом основы. Для обеспечения высокой сцепляемости при малом перемешивании материалов покрытия и основы необходимо обеспечить в процессе наплавки требуемый термический цикл нагрева и охлаждения лазерным лучом поверхности лопатки.

Поскольку толщина пера лопатки является переменной, то для обеспечения постоянства термического цикла, а также в случае переменности толщины наплавляемого слоя в процессе лазерной наплавки необходимо изменять величину мощности излучения и скорости перемещения луча, определяя их оптимальное соотношение, а также объем наплавочного материала.

Наиболее близким по существу предлагаемого технического решения является способ ремонта лопаток энергетических установок (патент РФ №2545877, В23Р 6/00, В23К 26/342, С23С 26/00, опубл. 27.11.2014), который включает восстановление предварительно подготовленных поверхностей лопатки, нанесение покрытия с применением лазерного излучения и одновременной подачей порошкообразного присадочного материала в ванну расплава, причем управление процессом наплавки и величиной припуска осуществляют путем изменения мощности излучения Р в пределах от 300 до 2500 Вт, и/или скорости перемещения источника излучения V в пределах от 0,1 до 0,01 м/с, и/или количеством подаваемого порошкового материала G в пределах от 3 до 15 г/мин. При этом покрытие наносится с минимальным припуском под последующую обработку либо процесса наплавки проводится в размер.

Несмотря на управляемость процесса, в предлагаемом способе, заключающемся в нанесении однородного поверхностного слоя покрытия при подаче порошкообразного присадочного материала в ванну расплава поверхности лопатки, полученную воздействием лазерного излучения, сложно обеспечить высокое качество покрытия, заключающееся в одновременном выполнении совокупности достаточно противоречивых требований по трещиностойкости и прочности в условиях циклических нагрузок, высокую износостойкость и сцепляемость наплавленного слоя с основным материалом. Кроме этого в процессе выполнения операции наплавки сложно выдержать высокие требования к геометрической форме и чистоте поверхности, вследствие чего приходится выполнять операции механической обработки.

Задачей изобретения является повышение качества лазерного нанесения порошкового покрытия на рабочую поверхность стальных лопаток турбин энергетических установок при их изготовлении и ремонте.

Поставленная задача решается за счет того, что в отличие от известного технического решения процесс нанесения покрытия осуществляется в несколько стадий, а покрытие выполняется многослойным.

Стадиями технологического процесса лазерного нанесения порошкового покрытия, направленного на повышения его качества путем создания многослойной структуры поверхностного слоя, являются:

1. Десорбция (очистка) поверхности после механической обработки от органических и неорганических соединений и инородных частиц лазерным лучом в среде защитного газа для получения бездефектной структуры поверхностного слоя материала основы.

2. Управляемый лазерный переплав на глубину до 2 мм с одновременным структурированием материала лопатки путем изотермического отжига для получения однородной сорбитной структуры.

3. Лазерная закалка поверхностного слоя до HRC 40-45 на глубину 0,3-1 мм с высокотемпературным отпуском для получения прочной базовой основы процесса легирования.

4. Легирование рабочей поверхности лопатки с использованием, например, кобальтоникелевых порошков, с высокотемпературным отпуском с целью создания гетерогенного слоя, обладающего требуемой вязкостью и пластичностью.

5. Прямой лазерный синтез рабочей поверхности лопатки, включая кромки, путем управляемого твердожидкого фазного спекания с использованием полиметаллических композиционных порошковых материалов, армированных керамическими волокнами с усами на глубину до 30% от основного слоя.

6. Формирование макро геометрии поверхности лопатки путем грубого лазерного полирования.

7. Получение микрогеометрии финишным лазерным полированием.

Стадии 1-5 технологического процесса должны осуществляться в среде защитного газа, а по завершении переходов 1-4 поверхность лопатки должна покрываться временной защитной пленкой, например, оксидной микронной толщины.

Изобретение относится к способу обработки поверхности стальных лопаток турбин энергетических установок. Покрытие выполняют многослойным. Сначала осуществляют десорбцию поверхности после механической обработки от органических и неорганических соединений и инородных частиц лазерным лучом в среде защитного газа. После этого выполняют управляемый лазерный переплав на глубину до 2 мм с одновременным структурированием материала лопатки путем изотермического отжига с последующей закалкой поверхностного слоя до HRC 40-45 на глубину 0,3-1 мм и высокотемпературного отпуска для получения прочной базовой основы процесса легирования. Легирование рабочей поверхности лопатки выполняют с использованием кобальтоникелевых порошков и с высокотемпературным отпуском. В процессе лазерного легирования осуществляют изменение мощности излучения Р в пределах от 300 до 2500 Вт, и/или скорости перемещения источника излучения V в пределах от 0,1 до 0,01 м/с, и/или количества подаваемого порошкового материала G в пределах от 3 до 15 г/мин. Прямой лазерный синтез рабочей поверхности лопатки, включая кромки, выполняют путем управляемого твердожидкого фазного спекания с использованием полиметаллических композиционных порошковых материалов, армированных керамическими волокнами с усами на глубину до 30% от основного слоя. Технический результат заключается в получении качественного порошкового покрытия, обладающего высокой трещиностойкостью и прочностью в условиях циклических нагрузок, высокой износостойкостью и сцепляемостью наплавленного слоя с основным материалом. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ лазерной обработки поверхности стальных лопаток турбин энергетических установок, включающий восстановление предварительно подготовленных поверхностей лопатки, нанесение покрытия с применением лазерного излучения и одновременной подачей порошкообразного присадочного материала в ванну расплава, при этом управляют процессом наплавки и величиной припуска путем изменения мощности излучения Р от 300 до 2500 Вт, и/или скорости перемещения источника лазерного излучения от 0,1 до 0,01 м/с, и/или количества подаваемого порошкового материала от 3 до 15 г/мин при нанесении покрытия с минимальным припуском под последующую обработку, или наплавкой в размер, отличающийся тем, что покрытие выполняют многослойным, при этом восстановление предварительно обработанных поверхностей лопатки осуществляют лазерной десорбцией, после которой выполняют управляемый лазерный переплав на глубину до 2 мм с одновременным структурированием материала лопатки путем изотермического отжига, затем осуществляют лазерную закалку поверхностного слоя до HRC 40-45 на глубину 0,3-1 мм с легированием рабочей поверхности лопатки и высокотемпературный отпуск, после чего осуществляют прямой лазерный синтез рабочей поверхности лопатки, включая кромки, путем управляемого твердожидкого фазного спекания с использованием полиметаллических композиционных порошковых материалов, армированных керамическими волокнами с усами на глубину до 30% от основного слоя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что легирование осуществляют с использованием кобальтоникелевых порошков.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после прямого лазерного синтеза выполняют грубое и финишное лазерное полирование рабочей поверхности лопатки, включая кромки.