Способ припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины (варианты) Российский патент 2021 года по МПК B23K1/19 F01D5/28 

Область техники

Изобретение относится к области паротурбиностроения и может быть использовано для повышения надежности работы и увеличения ресурса подверженных эрозионному износу рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин.

Уровень техники

Одним из распространенных способов повышения эрозионной стойкости рабочих лопаток последних влажнопаровых ступеней паровых турбин является припайка на входные кромки защитных накладок из твердосплавных материалов, таких как кобальтовый стеллит.

Из уровня техники известен принятый в качестве прототипа заявляемого изобретения способ припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины с использованием тугоплавкого припоя, при котором засыпают порошок припоя в смеси с противоокислительным флюсом между очищенными контактными поверхностями указанных спаиваемых деталей, нагревают соединение до температуры плавления припоя и прижимают накладки к лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева. При этом часть припоя предварительно наносят тонким слоем на обе спаиваемые поверхности методом электроискрового легирования (ЭИЛ) с использованием в качестве легирующего электрода прутка припоя, причем толщина наносимого на каждую из спаиваемых поверхностей слоя припоя составляет (40…190) мкм, а электроискровое легирование осуществляют с величиной энергии единичного импульса (0,3…0,7) Дж и удельным временем легирования (0,5…1,0) мин/см². Причем в качестве припоя используется порошок серебряного припоя, в состав которого входят: серебро - 45%, медь - 30% и цинк - 25% при допустимом содержании примесей не более 0,5% (патент RU 2544718 С1, опубл. 20.03.2015 г. (далее - [1])).

Недостатком известного из [1] способа припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки влажнопаровой ступени паровой турбины является относительно невысокая прочность паяного соединения стеллитовой накладки и стальной рабочей лопатки в виду использования для предварительного нанесения тонкого слоя на спаиваемые поверхности стеллитовой накладки и стальной рабочей лопатки части припоя, в котором содержится недостаточно высокое количество серебра.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение надежности работы и увеличение ресурса рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин, а достигаемым техническим результатом - повышение прочности паяного соединения стеллитовой накладки и стальной рабочей лопатки паровой турбины.

Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата в соответствии с первым объектом заявляемой группы изобретений, обеспечивается тем, что способ припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины с использованием тугоплавкого припоя заключается в том, что сначала засыпают порошок припоя в смеси с противоокислительным флюсом между предварительно сформированным методом ЭИЛ покрытием близким по химическому составу к основе припоя на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки. После чего включают нагрев до расплавления порошка припоя и затем прижимают стеллитовую накладку к рабочей лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева. При этом указанное покрытие формируют с использованием в качестве легирующего электрода прутка из чистого серебра. Причем толщина сформированного покрытия на каждой из спаиваемых поверхностей составляет 60-120 мкм, а электроискровое формирование покрытия осуществляют с величиной энергии единичного импульса 0,2-0,8 Дж и удельным временем легирования 1,2-1,5 мин/см².

Решение указанной задачи путем достижения указанного технического результата в соответствии со вторым объектом заявляемой группы изобретений, обеспечивается тем, что способ припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины с использованием тугоплавкого припоя заключается в том, что сначала размещают пластинку из припоя толщиной 0,6-0,8 мм между предварительно сформированным методом ЭИЛ покрытием близким по химическому составу к основе припоя на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки, порошок с противоокислительным флюсом разводят дистиллированной водой в соотношении 1:(0,8-1,0) и смачивают полученной смесью указанное покрытие на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки. После чего включают нагрев до расплавления пластинки из припоя и затем прижимают стеллитовую накладку к рабочей лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева. При этом указанное покрытие формируют с использованием в качестве легирующего электрода прутка из чистого серебра. Причем толщина сформированного покрытия на каждой из спаиваемых поверхностей составляет 60-120 мкм, а электроискровое формирование покрытия осуществляют с величиной энергии единичного импульса 0,2-0,8 Дж и удельным временем легирования 1,2-1,5 мин/см².

Причинно-следственная связь между отличительными признаками заявляемого изобретения и достигаемыми техническими результатами заключается в следующем.

Предварительное нанесение покрытия из чистого серебра, толщина которого составляет 60-120 мкм, на спаиваемые поверхности стеллитовой накладки и рабочей лопатки методом ЭИЛ с величиной энергии единичного импульса 0,2-0,8 Дж и удельным временем легирования 1,2-1,5 мин/см² позволяет увеличить прочность сцепления стеллитовой накладки с рабочей лопаткой за счет увеличения в зоне спая серебра, использование которого позволяет обеспечить высокую прочность и повышенную устойчивость к коррозии получаемого соединения.

Осуществление изобретения

Ниже приведены частные примеры осуществления вариантов способа припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины с использованием тугоплавкого припоя.

Способ припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки влажнопаровой ступени паровой турбины описан на примере припайки на входную кромку лопатки из хромистой коррозионностойкой стали 13Х11Н2В2МФ-Ш (ЭИ961-Ш) накладок из стеллита ВЗК. Для пайки использовался порошок припоя ПСр-45. В химический состав припоя входят серебро - 45%, медь - 30% и цинк - 25% при допустимом содержании примесей не более 0,5%. Температура плавления припоя составляет 720…740°С, т.е. пайка не должна повлиять на структуру материала лопатки. Это имеет большое значение для пайки особенно хромистых коррозионностойких сталей, так как такие стали при нагреве могут закаляться, и в них в зоне пайки могут образовываться трещины. При пайке использовался флюс марки ПВ209Х (ГОСТ 23178-78) состава: бор - 12,3…13,3%, фтор - 26,7…28,5%, калий - 33,5…36,4%, кислород - 21,8-27,5%. Стыкуемые поверхности лопатки и стеллитовой накладки перед пайкой тщательно зачищались механическим способом с использованием абразивно-лепестковых кругов. Предварительно с помощью портативной установки для электроискрового легирования типа ГБФ-5, КГБ-5М разработки ОАО «ВТИ» с использованием в качестве легирующего электрода прутка из чистого серебра диаметром 2-4 мм на спаиваемые поверхности наносился слой толщиной в пределах 60-120 мкм. Величина энергии единичного импульса в пределах 0,2-0,8 Дж и удельного времени легирования 1,2-1,5 мин/см² выбирались из расчета получения 100% покрытия на формируемой поверхности. Технологические параметры формирования покрытия из чистого серебра применительно к лопаточным сталям ферритно-мартенситного (12Х13-Ш, 15Х12ВНМФ-Ш) и мартенситного (20Х13-Ш, 15Х11МФ-Ш, 20Х12ВНМФ-Ш) классов не изменяются.

Созданные методом ЭИЛ покрытия из чистого серебра на стыкуемых поверхностях имеют высокую прочность сцепления с рабочей лопаткой из хромистой коррозионностойкой стали и накладкой из кобальтового стеллита за счет металлургического и диффузионного процессов при электроискровой обработке, что в сочетании с высоким уровнем сплошности ЭИЛ покрытий и повышенным содержанием серебра в зоне припайки обеспечивает высокую прочность паяного соединения.

Технология самого процесса пайки может быть осуществлена двумя вариантами способа.

Первый вариант способа

Сначала осуществлялось формирование покрытия на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки с использованием в качестве легирующего электрода прутка из чистого серебра с величиной энергии единичного импульса 0,2-0,8 Дж и удельным временем легирования 1,2-1,5 мин/см². Причем толщина сформированного покрытия на каждой из спаиваемых поверхностей составляла 60-120 мкм. Затем между стыкуемыми поверхностями покрытия рабочей лопатки и стеллитовой накладки засыпался порошок припоя ПСр-45 в смеси с противоокислительным флюсом марки ПВ209Х и включался индукционный нагрев до расплавления припоя. После чего осуществлялся прижим стеллитовой накладки к рабочей лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева. После остывания соединения оно зачищалось от остатков припоя и противоокислительного флюса.

Второй вариант способа

Сначала осуществлялось формирование покрытия на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки с использованием в качестве легирующего электрода прутка из чистого серебра с величиной энергии единичного импульса 0,2-0,8 Дж и удельным временем легирования 1,2-1,5 мин/см². Причем толщина сформированного покрытия на каждой из спаиваемых поверхностей составляла 60-120 мкм. Затем между стыкуемыми поверхностями покрытия рабочей лопатки и стеллитовой накладки размещалась пластинка из припоя толщиной 0,6-0,8 мм, а порошок с противоокислительным флюсом разводился дистиллированной водой в соотношении 1:(0,8-1,0), осуществлялось смачивание полученной смесью указанного покрытия на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки и включался индукционный нагрев до расплавления припоя. После чего осуществлялся прижим стеллитовой накладки к рабочей лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева. После остывания соединения оно зачищалось от остатков припоя и противоокислительного флюса.

Промышленная применимость

Варианты способа припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины с использованием тугоплавкого припоя согласно патентуемой группе изобретений отвечают условию «промышленная применимость». Сущность технического решения раскрыта в формуле и описании достаточно ясно для понимания и промышленной реализации соответствующими специалистами на основании современного уровня техники в области паротурбиностроения.

Группа изобретений может быть использована для повышения надежности и увеличения ресурса рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин путем припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины. Предварительно на каждой из спаиваемых поверхностях формируют электроискровым методом покрытие с использованием в качестве легирующего электрода прутка из чистого серебра, толщиной 60-120 мкм. В соответствии с первым вариантом реализации способа размещают между спаиваемыми поверхностями порошок тугоплавкого припоя в смеси с порошком противоокислительного флюса. Нагревают до расплавления порошка припоя и затем прижимают стеллитовую накладку к рабочей лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева. В соответствии с другим вариантом - порошок противоокислительного флюса разводят дистиллированной водой в соотношении 1,0:(0,8-1,0) и наносят его путем смачивания сформированного на спаиваемых поверхностях серебряного покрытия, а припой между спаиваемыми поверхностями размещают в виде пластинки толщиной 0,6-0,8 мм. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности паяного соединения стеллитовой накладки и стальной рабочей лопатки паровой турбины. 2 н. и 2 з.п. ф-лы.

1. Способ припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины, включающий предварительное формирование на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки покрытия методом электроискрового легирования, размещение между спаиваемыми поверхностями тугоплавкого припоя на основе серебра и противоокислительного флюса с последующим нагревом до расплавления припоя, при этом прижимают стеллитовую накладку к рабочей лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева, отличающийся тем, что покрытие на каждой из спаиваемых поверхностей формируют из чистого серебра с использованием серебряного прутка в качестве легирующего электрода, причем используют порошкообразный припой, который засыпают между спаиваемыми поверхностями в смеси с порошком противоокислительного флюса, при этом указанное покрытие на каждой из спаиваемых поверхностей формируют толщиной 60-120 мкм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электроискровое формирование покрытия на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки осуществляют с величиной энергии единичного импульса 0,2-0,8 Дж и удельным временем легирования 1,2-1,5 мин/см².

3. Способ припайки износостойкой стеллитовой накладки на входную кромку стальной рабочей лопатки паровой турбины, включающий предварительное формирование на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки покрытия методом электроискрового легирования, размещение между спаиваемыми поверхностями тугоплавкого припоя на основе серебра и противоокислительного флюса с последующим нагревом до расплавления припоя, при этом прижимают стеллитовую накладку к рабочей лопатке до отвердения припоя после отключения нагрева, отличающийся тем, что покрытие на каждой из спаиваемых поверхностей формируют из чистого серебра с использованием серебряного прутка в качестве легирующего электрода, причем порошок противоокислительного флюса разводят дистиллированной водой в соотношении 1,0:(0,8-1,0) и наносят его путем смачивания сформированного на спаиваемых поверхностях серебряного покрытия, а припой между спаиваемыми поверхностями размещают в виде пластинки толщиной 0,6-0,8 мм, при этом указанное серебряное покрытие на каждой из спаиваемых поверхностей формируют толщиной 60-120 мкм.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что электроискровое формирование покрытия на спаиваемых поверхностях стеллитовой накладки и рабочей лопатки осуществляют с величиной энергии единичного импульса 0,2-0,8 Дж и удельным временем легирования 1,2-1,5 мин/см².