Способ ремонта пера охлаждаемых рабочих лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов методом лазерной порошковой наплавки Российский патент 2024 года по МПК B23K26/144 B23K26/342 B22D19/10 B23P6/00 

Изобретение относится к технологии ремонта охлаждаемых лопаток турбины газотурбинной установки, в частности, к восстановлению высоты реборды и геометрии входной кромки пера лопатки.

Известно, что в процессе эксплуатации рабочие лопатки газотурбинных двигателей подвергаются значительным температурным и механическим воздействиям, а также воздействию агрессивной среды (газо-воздушной смеси в проточной части газотурбинной установке). Износ реборды рабочей лопатки может достигать вплоть до износа торцовой перемычки пера лопатки, служащей для закрытия внутренних полостей лопатки. Дефекты входной кромки пера рабочей лопатки в виде трещин и забоин нарушают геометрию рабочей лопатки, а также контур охлаждения лопатки.

Реализация данного способа позволяет обеспечить восстановления реборды и входной кромки рабочих лопаток газотурбинных установок методом лазерной порошковой наплавки.

Известен способ восстановления торца пера рабочей лопатки первой ступени турбины высокого давления методом лазерной газопорошковой наплавки на лазерном центре TruLaser Cell 7020 (Исследование технологии восстановления торца пера рабочей лопатки первой ступени турбины высокого давления (ТВД) из сплава ЖС32-ВИ методом лазерной газопорошковой наплавки с применением металлического порошка сплава ЖС32-ВИ, изготовленного методом атомизации, авторы Неруш С.В., Ермолаев А.С., Рогалев А.М., Василенко С.А., Труды ВИАМ, 2016). С помощью данного метода обработки была восстановлена геометрия торца пера рабочей лопатки сплава ЖС32-ВИ металлическим порошком той же марки сплава, фракция которого составляла 40-80 мкм, однако микроанализ поперечных шлифов подтвердил наличие горячих трещин, протяженность которых составила от 0,3 до 1 мм. Для устранения данной проблемы был проведен дегазационный отжиг металлического порошка ЖС32-ВИ, осуществлен предварительный подогрев пера лопатки до 500°С, а также проведена термическая постобработка в вакуумной печи. В результате чего высота наплавленного пера составила 1,8 мм, не имеющая таких дефектов как непровары и трещины. Недостатком данного метода является наличие нескольких технологических процессов, которые приводят к увеличению трудоемкости процесса и снижению производительности ремонта детали.

Применение металлического порошка ЭП648 методом газопорошковой наплавки возможно также восстанавливать геометрию гребешков бандажных полок рабочих лопаток турбины высокого давления (Металлопорошковые композиции жаропрочного сплава ЭП648 производства ФГУП "ВИАМ" ГНЦ РФ в технологиях селективного лазерного сплавления, лазерной газопорошковой наплавки и высокоточного литья полимеров, наполненных металлическими порошками, Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016). После проведения наплавки был проведен люминесцентный контроль, в ходе которого не было выявлено несплавлений и трещин. Недостаток этого аналога заключается в обнаружении после восстановления пор внутри лопаток, размер которых достигает 70 мкм.

Также имеется случай восстановления лопаток турбин высокого давления из суперсплава на никелевой основе PWA 1484 после эксплуатации путем лазерной порошковой наплавки «Single-crystal repair of high-pressure single-crystal turbine blades for industrial conditions» (Ремонт монокристаллических лопаток турбин высокого давления для промышленных условий, Vurgun S., Dirk R., Robert B., 12th CIRP Conference on Photonic Technologies, 2022). С лопаток удаляются покрытия, химически очищаются, а их поврежденный наконечник удаляется шлифованием. После чего производится наплавка наконечника в среде защитного газа аргона, металлический порошок той же марки, что и обрабатываемая лопатка. Для анализа восстановленной геометрии, наплавленные слои разрезаются и анализируются на металлографии. Недостаток этого аналога заключается в обнаружении после восстановления ряда произвольных трещин, что является недопустимым.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности и выбранным за прототип является способ восстановления концевой части пера охлаждаемой лопатки турбины газотурбинного двигателя (патент RU2770156, опубл. 14.04.2022). Способ заключается в удалении защитного покрытия, шлифовке, нанесении пасты припоя для высокотемпературной пайки, после чего производится механическая обработка. Перед наплавкой осуществляется предварительный подогрев импульсным лазерным излучением без подачи порошка до температуры 600-650°С, после чего производится импульсная лазерная порошковая наплавка по контуру профиля торца в защитном газе. После этого производится отжиг в вакуумной печи, в результате чего восстановленная геометрия наплавленных слоев не содержит такие дефекты как трещины и несплавления.

Недостаток прототипа заключается в необходимости проведения дополнительного подогрева восстанавливаемой поверхности, что включает дополнительную технологическую операцию в процесс ремонта. Также, в прототипе рассматривается ремонт только концевой части пера, то есть реборды пера лопаток газотурбинного двигателя, что является только лишь одной из распространенных дефектных областей лопаток турбины и что не исключает возможность образования трещин во входной кромке пера лопаток турбины.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, является расчет технологического окна параметров лазерной наплавки, при котором не требуется дополнительного подогрева, а также осуществление ремонта реборды и входной кромки пера лопаток турбины.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение производительности при ремонте рабочих лопаток из жаропрочного никелевого сплава, а также возможность осуществления ремонта входной кромки пера лопаток турбины с исключением возможности образования трещин в ней.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе ремонта пера охлаждаемых рабочих лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов методом лазерной порошковой наплавки, сначала осуществляют входной контроль и контроль основных размеров лопаток, удаляют термобарьерные подслои и керамическое покрытие, производят термическую обработку лопатки турбины, производят выборку дефектов в области реборды и входной кромки пера лопатки и производят установку и фиксацию лопатки в вертикальном положении, после чего восстанавливают реборду пера лопатки лазерную наплавку реборды пера лазерным лучом диаметром 0,8-1,5 мм с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала с расходом 2-8 г/мин, при мощность лазерного излучения составляет 200-500 Вт, скорость процесса лазерной наплавки – 3-10 мм/с, а расход защитного газа – 12 л/мин, затем лопатку наклоняют на 90º и восстанавливают входную кромку пера лопатки лазерной наплавкой в импульсном режиме лазерным лучом диаметром 1-2 мм, с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала с расходом 5-10 г/мин, при этом мощность лазерного излучения составляет 400-800 Вт, время импульса – 0,15-0,3 с, а расход защитного газа – 12 л/мин, после чего производят термическую и механическую обработку, наносят термобарьерные и керамические слои, открывают охлаждающие отверстия и проводят лазерное 3D-сканирование лопатки турбины.

Согласно изобретению, жаропрочным никелевым сплавом может являться сплав GTD 111-DS.

Согласно изобретению, наплавочным материалом для наплавки входной кромки и реборды может являться жаропрочный никелевый сплав, например, Rene 80.

Использование лазерной наплавки в непрерывном режиме лазерным лучом с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала с заданными параметрами процесса для восстановления реборды пера лопатки позволяет отказаться от дополнительного подогрева восстанавливаемой поверхности, что, с свою очередь, увеличивает производительность выполнения технологической операции лазерной наплавки, что, в целом, увеличивает скорость цикла ремонта лопатки турбины.

Использование лазерной наплавки в импульсном режиме лазерным лучом для восстановления входной кромки пера лопатки позволяет проводить ремонт входной кромки пера лопатки турбины при сохранении высокой производительности процесса.

В отличие от прототипа, жаропрочным никелевым сплавом является, например, сплав GTD 111-DS из системы легирования Ni-Cr-Co-Mo-W-Al-Ti-Ta-Nb.

В отличие от прототипа, наплавочным материалом для восстановления реборды и входной кромки пера лопатки является порошок жаропрочного сплава, например, Rene 80 из системы легирования Ni-Cr-Co-Mo-W-Al-Ti-Hf.

Способ осуществляется следующим образом.

Лопатка турбины очищается от загрязнений. Очищенная лопатка подвергается входному контролю, в рамках которого осуществляется люминесцентный контроль. С помощью лазерного 3D-сканера производится контроль основных размеров лопатки турбины для определения ее соответствия с исходными размерами. Для дальнейшего восстановления лопаток турбины производится удаление термобарьеных подслоев и керамического покрытия, следов оксидации и коррозии. Далее производят термическую обработку лопаток турбины. После проведения термической обработки лопатки турбины продуваются, проливаются и подвергаются визуальному и дополнительному люминесцентному контролю. Далее производят выборку дефектов в области реборды и входной кромки пера лопатки.

После этого для наплавки реборды пера лопатки производят установку и фиксацию лопатки в вертикальном положении. По обрабатываемой поверхности разрабатывается управляющая программа, соответствующая траектории перемещения рабочего инструмента. После этого восстанавливают реборду пера лопатки лазерной наплавки в непрерывном режиме лазерным лучом с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала в следующих диапазонах технологических параметров: диаметр лазерного пятна – 0,8-1,5 мм, мощность лазерного излучения – 200-500 Вт, скорость процесса лазерной наплавки – 3-10 мм/с, расход наплавочного материала – 2-8 г/мин., расход защитного газа – 12 л/мин. Далее зафиксированную лопатку наклоняют с помощью осевого позиционера на 90º, чтобы обеспечить доступ к входной кромке пера лопатки. Затем также разрабатывается управляющая программа, соответствующая траектории перемещения рабочего инструмента. После этого восстанавливают входную кромку пера лопатки лазерной наплавкой в импульсном режиме лазерным лучом с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала для формирования потолочного перекрытия со следующим диапазонам технологических параметров: диаметр лазерного пятна – 1-2 мм, мощность лазерного излучения – 400-800 Вт, время импульса – 0,15-0,3 с, расход наплавочного материала– 5-10 г/мин., расход защитного газа – 12 л/мин.

После лазерной наплавки реборды и входной кромки осуществляют термическую обработку всей лопатки турбины для снятия остаточных напряжений наплавки, например, в вакуумной печи. Далее производят механическую обработку лопатки турбины механическим способом для придания необходимой геометрии. Для обеспечения защиты от окисления и коррозии производится нанесение термобарьерных и керамических слоев. Следующим этапом производится открытие охлаждающих отверстий, например, с помощью электроэрозионного прошивного станка. Заключительной операцией являлось проведение лазерного 3D-сканирования лопатки турбины.

Способ восстановления реборды и входной кромки лопатки турбины успешно прошел экспериментальные испытания в опытном производстве предприятия и в настоящее время внедряется в ремонтном производстве лопаток газотурбинного двигателей.

Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет повысить производительность процесса ремонта лопаток турбины, а также обеспечить исключение образования трещин в реборде и входной кромке пера лопатки турбины.

Изобретение относится к технологии ремонта охлаждаемых рабочих лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов методом лазерной порошковой наплавки. Осуществляют входной контроль и контроль основных размеров лопаток. Удаляют термобарьерные подслои и керамическое покрытие, а затем производят термическую обработку лопатки турбины. Производят выборку дефектов в области реборды и входной кромки пера лопатки и производят установку и фиксацию лопатки в вертикальном положении. Восстанавливают реборду пера лопатки лазерной наплавкой реборды пера лазерным лучом диаметром 0,8-1,5 мм с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала с расходом 2-8 г/мин, при этом мощность лазерного излучения составляет 200-500 Вт, скорость процесса лазерной наплавки 3-10 мм/с, а расход защитного газа 12 л/мин. Затем лопатку наклоняют на 90° и восстанавливают входную кромку пера лопатки лазерной наплавкой в импульсном режиме лазерным лучом диаметром 1-2 мм, с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала с расходом 5-10 г/мин, при этом мощность лазерного излучения составляет 400-800 Вт, время импульса 0,15-0,3 с, а расход защитного газа 12 л/мин. Производят термическую и механическую обработку, наносят термобарьерные и керамические слои, открывают охлаждающие отверстия и проводят лазерное 3D-сканирование лопатки турбины. Обеспечивается повышение производительности при ремонте рабочих лопаток из жаропрочного никелевого сплава, а также возможность осуществления ремонта входной кромки пера лопаток турбины с исключением возможности образования трещин в ней. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ ремонта пера охлаждаемых рабочих лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов методом лазерной порошковой наплавки, заключающийся в том, что сначала осуществляют входной контроль и контроль основных размеров лопаток, удаляют термобарьерные подслои и керамическое покрытие, производят термическую обработку лопатки турбины, производят выборку дефектов в области реборды и входной кромки пера лопатки и производят установку и фиксацию лопатки в вертикальном положении, после чего восстанавливают реборду пера лопатки лазерной наплавкой реборды пера лазерным лучом диаметром 0,8-1,5 мм с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала с расходом 2-8 г/мин, при этом мощность лазерного излучения составляет 200-500 Вт, скорость процесса лазерной наплавки 3-10 мм/с, а расход защитного газа 12 л/мин, затем лопатку наклоняют на 90° и восстанавливают входную кромку пера лопатки лазерной наплавкой в импульсном режиме лазерным лучом диаметром 1-2 мм, с одновременной подачей газопорошковой струи наплавочного материала с расходом 5-10 г/мин, при этом мощность лазерного излучения составляет 400-800 Вт, время импульса 0,15-0,3 с, а расход защитного газа 12 л/мин, после чего производят термическую и механическую обработку, наносят термобарьерные и керамические слои, открывают охлаждающие отверстия и проводят лазерное 3D-сканирование лопатки турбины.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что жаропрочным сплавом является сплав GTD 111-DS.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что наплавочным материалом для наплавки входной кромки и реборды является жаропрочный никелевый сплав, например, Rene 80.