Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из аустенитно-мартенситной стали Российский патент 2025 года по МПК B21K1/36 F04D29/22 B23K1/19 

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к способам изготовления рабочего колеса из аустенитно-мартенситной стали паяной конструкции, предназначенного для конструирования перспективных центробежных компрессорных установок.

Рабочие колеса являются наиболее важными и ответственными узлами центробежного компрессора. Наибольшее применение в компрессорных установках получили рабочие колеса закрытого типа, представляющие собой конструкцию из основного и покровного дисков и расположенных между ними лопаток. Создание конструкции данного типа возможно с помощью пайки, которая позволяет охватывать производство широкого ряда ступеней компрессора, как с малорасходными, так и с высокорасходными рабочими колесами.

Рабочие колеса работают в напряженно-деформированном состоянии в результате комплексного воздействия сил газового потока, центробежных сил и сил, возникающих в результате горячей посадки на вал. От эффективности рабочих колес зависит общая эффективность центробежной компрессорной установки. Указанные обстоятельства делают особенно важным обеспечение высокой надежности, запаса прочности и низкой чувствительности к концентраторам напряжений материала, из которого изготовлено рабочее колесо.

Известен способ изготовления рабочего колеса из аустенитно-мартенситной стали марки 07X16H6, заключающийся в сборке деталей рабочего колеса с использованием палладиевого припоя ПЖК-1000 под пайку, нагрев до температуры пайки в вакуумной печи и последующую термообработку. (Отчет «Исследование особенностей и разработка технологии пайки стали Х16Н6 применительно к изготовлению рабочих колес центробежных компрессоров», г. Сумы, 1976 г., 84 с, Всесоюзный научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт компрессорного машиностроения ВНИИкомпрессормаш).

Данный способ позволяет получить узел с равнопрочным основному металлу соединением дисков, обеспечивающих высокую прочность и повышенную износостойкость.

При использовании известного способа высокотемпературная вакуумная пайка при 1250°С припоем на основе палладия приводит к сильному росту зерна до G₀ балла и образованию карбидной сетки при охлаждении с печью, что в последующем приводит к повышению склонности металла к хрупкости. Для стабилизации структуры стали разработан и применяется длительный и трудоемкий термический цикл обработки после пайки (двухступенчатый отжиг, закалка с быстрым охлаждением в воду, обработка холодом и двухступенчатый отпуск). Данный цикл термообработки предназначен для образования новых центров кристаллизации, что приводит к измельчению зерна. Окончательная термообработка, заключающаяся в закалке с охлаждением на воду, обработке холодом и старении, позволяет исключить карбидную сетку.

Известен способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из аустенитно-мартенситной стали марки 07X16H6, заключающемся в нанесении припоя ПЖК-1000 на основе палладия на детали рабочего колеса, сборке этих деталей под пайку и их нагреве до температуры пайки в вакуумной печи, оснащенной системой закалки в среде инертного газа В данном техническом решении весь цикл «пайка-закалка» рабочих колес производится в одной форвакуумной печи с использованием азота в качестве охлаждающего газа, затем проводится обработка холодом и старение. При этом нагрев изделий под закалку производится только после их полного охлаждения с температуры пайки для обеспечения перекристаллизации структуры в целях измельчения выросшего в процессе пайке зерна. (И.А. Максименко, Л.В. Титова «Опыт решения современных задач повышения надежности рабочего колеса центробежных компрессоров». Сфера. Нефть и Газ, 5/2023, стр. 48-53).

Недостатком данного способа является высокая температура пайки (1250°С) и связанный с ней перегрев и рост зерна. Совместный цикл «пайка-закалка» приведет к незначительному измельчению зерна и не гарантирует отсутствие карбидной сетки. Также высокая стоимость припоя на основе драгоценного металла (палладия) приводит к значительным материальным затратам при производстве рабочих колес.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является снижение трудоемкости и стоимости процесса вакуумной пайки рабочего колеса центробежного компрессора при сохранении высокого качества паяного соединения деталей из аустенитно-мартенситной стали и получения требуемой структуры основного металла.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из аустенитно-мартенситной стали, заключающемся в нанесении припоя на детали рабочего колеса, сборке этих деталей под пайку и их нагреве до температуры пайки в вакуумной печи, оснащенной системой закалки в среде инертного газа, в качестве припоя используют припой системы никель-хром с температурой плавления, находящейся в интервале 950-1000°С, при этом пайку проводят при температуре на 50-100°С выше температуры плавления припоя с последующим изотермическим снижением температуры до температуры закалки, выдержкой при этой температуре и дальнейшим высокоскоростным охлаждением инертным газом.

Применение комплексного подхода, заключающегося в замене материала припоя на основе палладия на припой системы никель-хром с температурой плавления, находящейся в интервале 950-1000°С, и корректировке технологии термической обработки, заключающейся в закалке инертным газом после изотермического снижения температуры с температуры пайки до температуры закалки, позволяет обеспечить высокое качество паянного соединения деталей рабочего колеса из аустенитно-мартенситной стали и получить требуемую структуру основного металла, при этом использование припоя системы никель-хром существенно снижает стоимость процесса в сравнении с ранее использованием припоя на основе палладия.

Температура пайки данным припоем близка к температуре закалки стали 07X16H6, из которой изготовлены рабочие колеса, что позволяет одновременно совмещать нагрев под пайку с нагревом под закалку стали. Это снижает трудоемкость процесса.

На фиг. 1 представлена фотография микроструктуры основного металла рабочего колеса, изготовленного заявленным способом (Фотография микроструктуры выполнена на металлографическом микроскопе Meiji IM 7400L при увеличении х500).

На фиг. 2 представлена фотография микроструктуры основного металла рабочего колеса, изготовленного заявленным способом (Фотография микроструктуры выполнена на металлографическом микроскопе Meiji IM 7400L при увеличении х100).

Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из аустенитно-мартенситной стали осуществляют следующим образом.

Предварительно термообработанные и механообработанные диски рабочих колес из аустенитно-мартенситной стали, преимущественно стали 07X16H6, перед укладкой припоя тщательно осматривают на наличие дефектов и обезжиривают. Между паяемыми поверхностями деталей в виде ленты размещают припой системы никель-хром с температурой плавления, находящейся в интервале 950-1000°С.

Пайка с последующей закалкой осуществляется в вакуумных печах, оснащенных системой закалки инертным газом, при степени разрежения не менее 10^-4 мм рт. ст.Пайка выполняется при температуре на 50-100°С выше температуры плавления припоя. Время выдержки в процессе пайки выбирают достаточным для расплавления припоя и взаимодействия его с паяемыми поверхностями деталей. Затем производится изотермическое снижение до температуры закалки 100°С, после чего изделие выдерживается при этой температуре в течение 20-40 минут с последующим высокоскоростным охлаждением инертным газом.

Далее рабочее колесо подвергается обработке холодом с использованием криогенного оборудования не более чем, через 24 часа после закалки. Термический цикл обработки рабочего колеса завершается процессом старения при температуре 350-400°С.

Готового рабочее колесо, произведенное предлагаемым способом оценивалось визуальным осмотром, механическими испытаниями на прочность и металлографическими исследованиями. При визуальном осмотре наблюдалось хорошее смачивание припоем паяемого металла, затекание в капиллярные зазоры и формирование полных галтелей. Анализ механических испытаний паяных образцов показал, что полученные характеристики соответствуют требованиям для их работы в заданных условиях эксплуатации. Прочность паяных соединений достигала значений 920±20 МПа.

Металлографический анализ указал на отсутствие в паяных соединениях дефектов и непропаев. Микроструктурный анализ показал, что в основном металле после пайки с сопутствующей термообработкой карбидная сетка отсутствует (см. фиг. 1), а величина зерна основного металла соответствует эталонам шкалы G5-G6 по ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна» (см. фиг. 2).

Предлагаемый способ пайки рабочего колеса из аустенитно-мартенситной стали марки 07X16H6 обеспечивает высокую прочность паяного соединения и требуемую структуру основного металла, способствует гарантированному заполнению припоем зазоров, также снижает трудоемкость процесса за счет сокращения количества термических операций. Применение припоя на основе системы никель-хром существенно удешевляет процесс изготовления изделия.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к изготовлению рабочего колеса паяной конструкции, выполненного из аустенитно-мартенситной стали и предназначенного для конструирования перспективных центробежных компрессорных установок. Пайка осуществляется в вакуумных печах припоем на основе системы никель-хром с последующим изотермическим снижением до температуры закалки, выдержкой при этой температуре и дальнейшим высокоскоростным охлаждением инертным газом. Режим пайки совмещен с режимом закалки. После закалки рабочее колесо подвергается обработке холодом. Термический цикл обработки рабочего колеса завершается процессом старения при температуре 350-400°С. Изобретение обеспечивает высокую прочность паяного соединения и требуемую структуру основного металла, способствует гарантированному заполнению припоем зазоров, также снижает трудоемкость процесса за счет сокращения количества термических операций. Применение припоя на основе системы никель-хром существенно удешевляет процесс изготовления изделия. 2 ил.

Способ изготовления рабочего колеса центробежного компрессора из аустенитно-мартенситной стали, включающий нанесение припоя на детали рабочего колеса, сборку этих деталей под пайку и их нагрев до температуры пайки в вакуумной печи, оснащенной системой закалки в среде инертного газа, отличающийся тем, что пайку осуществляют припоем системы никель-хром с температурой плавления, находящейся в интервале 950-1000°С, при этом пайку проводят при температуре на 50-100°С выше температуры плавления припоя с последующим снижением температуры до температуры закалки и выдержкой при этой температуре в течение 20-40 минут, производят его охлаждение инертным газом, а затем рабочее колесо подвергают обработке холодом и последующему старению при температуре 350-400°С.