Способ ремонта поверхностных дефектов деталей машин

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу ремонта поверхностных дефектов деталей машин, и может найти применение при ремонте деталей машин из высоколегированных жаропрочных сталей и сплавов, имеющих эксплуатационные дефекты: забоины, раковины, локальные износы трущихся поверхностей. Разделанные дефектные места заполняют расплавленным порошковым материалом, состоящим из припоя и наполнителя, путем напыления аргоновой микроплазмой. Герметизируют нанесенный материал напылением жаростойким материалом ВКНА толщиной 0,2-0,3 мм с температурой на ≥100°С выше температуры плавления наполнителя. Напыляют окись алюминия толщиной 0,1-0,2 мм в качестве барьерного слоя, исключающего облуживание припоем поверхности ремонтируемой детали. После этого осуществляют высокотемпературную пайку как в вакууме, так и в среде защитного газа и механообработку. Способ позволяет получать качественные паяные соединения без изменений формы нанесенного материала во всех пространственных положениях детали при ремонте с пористостью в паяных соединениях, не превышающей ≤1,5%. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области ремонта деталей, в частности к способам ремонта деталей из высоколегированных жаропрочных сталей и сплавов, и может найти применение в авиационной и судостроительной промышленности, а также в энергетическом машиностроении.

Известен способ исправления поверхностных дефектов на деталях из жаропрочных сплавов типа лопаток газовых турбин (Патент США №5735448, В23К 1/008, 228-119). Поверхность, на которой обнаружены дефекты, очищают и наносят на нее покрытие, содержащее: 2-6% летучего органического носителя; 20-60% носителя на основе воды; 3% флюсующей добавки, содержащей галогенидное соединение; 1-5% загустителя, остальное - металлический заполнитель, представляющий собой двухкомпонентную порошковую смесь. Первым компонентом смеси является тонкий порошок, химсостав которого соответствует химсоставу детали. Второй компонент содержит аналогичный металлический порошок, а также добавку, снижающую температуру плавления. Первый и второй компоненты тщательно перемешивают, в результате чего общий химсостав смеси приблизительно соответствует химсоставу детали. После нанесения покрытия деталь нагревают до 524-552°С. Затем деталь продолжают нагревать до температуры плавления второго компонента смеси, в то время как первый компонент остается в твердом состоянии. После этого деталь нагревают до 1193-1215°С, в результате чего депрессант температуры плавления диффундирует в деталь и первый компонент, вызывая повторное изотермическое затвердевание. После выдержки деталь охлаждают и подвергают минимальной механической обработке до исходных размеров.

Недостатки данного способа: невозможность получать качественные паяные соединения в любом пространственном положении детали; процесс пайки осуществляется только в вакууме.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ремонта поверхностных дефектов изделий ГТД (Патент РФ №2240214, В23Р 6/00). Способ включает очистку ремонтируемой поверхности изделий, нанесение на нее наполнителя в виде пасты на основе металлического порошка с органическим связующим, высокотемпературную вакуумную пайку с последующей гомогенизацией изделия с композиционным наплавочным покрытием и окончательную механическую обработку изделий. До нанесения наполнителя в виде пасты на ремонтируемую поверхность наносят гибкий наполнитель из никелевой сетки со спеченным слоем гранул, выполненных из жаропрочного никелевого сплава. После нанесения наполнителя в виде пасты производят спекание наполнителей с изделием в вакууме и последующее нанесение на слой наполнителей жаропрочного припоя на никелевой основе. Гранулы, спекаемые с никелевой сеткой, располагают в один слой и являются однородными по размеру. Наполнитель в виде пасты состоит из порошка жаропрочного никелевого сплава, имеющего размер частиц в 2,5-3 раза меньше чем размер гранул, спеченных с никелевой сеткой. Высокотемпературную вакуумную пайку осуществляют по режиму термовакуумной обработки основного материала с возможным проведением ее одновременно с гомогенизацией композиционного наплавочного покрытия.

Данный способ не позволяет устранять эксплуатационные дефекты на ремонтируемых поверхностях типа раковин, забоин, локальных износов трущихся поверхностей, которые в процессе пайки могут располагаться в вертикальном и потолочном положениях, а также не обеспечивает получения стабильных паяных соединений со сплошностью ≤1,5%.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состояла в получении стабильных качественных паяных соединений во всех пространственных положениях не только в вакууме, но и в среде защитного газа со сплошностью, не превышающей ≤1,5%.

Для решения технической задачи предлагается следующий способ ремонта поверхностных дефектов деталей машин, изготовленных из высоколегированных сталей и сплавов, включающий подготовку поверхности детали, напыление порошковых материалов с использованием аргоновой микроплазмы с последующей высокотемпературной пайкой и механической обработкой. Напыление с использованием аргоновой микроплазмы состоит в следующем: дефекты на деталях заполняют расплавленным порошковым материалом, состоящим из припоя и наполнителя, который защищается от окисления кислородом воздуха струей аргона, истекающей из сопла плазмотрона; герметизируют нанесенный материал путем напыления жаростойкого материала ВКНА толщиной 0,2-0,3 мм с температурой на ≥100°С выше температуры плавления наполнителя, а в качестве барьерного слоя, исключающего облуживание припоем поверхностей ремонтируемой детали, напыляют окись алюминия толщиной 0,1-0,2 мм. Пайку осуществляют как в вакууме, так и в среде защитного газа. Сущность напыления порошковых материалов с использованием аргоновой микроплазмы заключается в том, что напыляемый порошок вводят на начальном участке плазменной дуги под углом к плазменному потоку. При этом нагрев и ускорение частиц напыляемого материала происходит непосредственно в плазменной дуге, где температура достигает 8000-9000°С. Это позволяет значительно повысить эффективность процесса напыления. Следует также отметить, что поток напыляемых частиц имеет малый угол расходимости (≈3-5 градусов) при диаметре выходного сопла-анода 2,0-3,0 мм, что позволяет наносить плотные локальные покрытия, а влияние теплового потока на деталь незначительно.

Аргоно-микроплазменная установка обеспечивает стабильный процесс нанесения порошковых материалов. Частицы расплавленного материала в виде мелкодисперсных капель при нанесении на дефектную поверхность детали деформируются при ударе и практически полностью исключается образование пористости в нанесенном материале. Заполнение разделанных дефектов на деталях расплавленным материалом, состоящим из припоя и наполнителя, обеспечивает пористость ≤1,5%. Снижение жидкотекучести припоя, а также повышение прочности паяных соединений достигается добавлением в припой определенного количества наполнителя. Работу начинали с соотношения припой 40% - наполнитель 60%. При этом соотношении происходило частичное вытекание при пайке нанесенного материала из разделанных дефектов. По мере увеличения процентного содержания наполнителя в смеси (припой-наполнитель) жидкотекучесть напыленного материала снижалась и при процентном соотношении припоя 20% - наполнителя 80% жидкотекучесть напыленной смеси практически отсутствует, что дает возможность получать качественные паяные соединения во всех пространственных положениях при высокотемпературной пайке, при этом пористость в нанесенном материале практически отсутствует и не превышает 1,5%. Данные были получены в результате проведенных металлографических исследований. Наносимый аргоно-микроплазменной установкой жаростойкий материал ВКНА с температурой на ≥100°С выше температуры наполнителя создает достаточно прочный и герметичный каркас по наружной поверхности нанесенного материала (припой + наполнитель), что препятствует вытеканию припоя в процессе пайки и позволяет получать качественные паяные соединения при пайке в защитных газах. Отсутствие облуженной зоны обеспечивает барьерный слой, состоящий из окиси алюминия; наружная поверхность материала сохраняет первоначальный вид с характерными неровностями, образующимися при плазменном напылении.

Пример осуществления

По данному способу ремонтировались сопловые лопатки I, II и III ступеней ГТД, имеющие эксплуатационные поверхностные дефекты: забоины, раковины, износы трущихся поверхностей и т.д. Лопатки изготовлены из сплавов ЖС6У и ЧС70. Механическим путем производили разделку дефектных мест с полным удалением дефектных участков. Контроль разделки производили методом капиллярной дефектоскопии. Затем лопатки обезжиривали. Напыление проводили с применением аргоно-микроплазменной установки типа УГНП. Разделанные дефекты на лопатках заполняли расплавленным порошковым материалом, состоящим из припоя ВП_р50 и наполнителя ВП_р36 при процентном соотношении припоя и наполнителя 20%+80%. Затем напыляли жаростойкий материал ВКНА толщиной 0,2-0,3 мм с температурой на ≥100°С выше температуры плавления наполнителя для герметизации нанесенного материала. Жаростойкий материал ВКНА создавал прочный и герметичный каркас по наружной поверхности напиленного материала. В качестве барьерного слоя, исключающего облуживание припоем поверхности лопатки, напыляли окись алюминия толщиной 0,1-0,2 мм.

Собранные лопатки подвергали высокотемпературной пайке в вакууме по режиму:

Температура Т_обр - 1190^+10°С;

Время выдержки - 10-15 мин;

Среда разрежение - (1-4)·10^-4 мм рт.ст.

Часть лопаток с напыленными материалами подвергали высокотемпературной пайке в среде Ar по режиму:

Температура пайки - 1200^+10°С;

Время выдержки - 15 мин;

Защитная среда

Ar с расходом - 1-2 л/мин.

Контроль качества паяных соединений производили визуально и с использованием оптических приборов с увеличением 4 крат.

Проводили механическую обработку лопаток до получения заданных геометрических размеров. Запаянные места после механической обработки подвергали рентгеноконтролю и капиллярному методу. Металлографический анализ показал, что после пайки в нанесенном материале пористость не превышает 1%, структура материала мелкозернистая, размеры и форма нанесенного материала практически не изменились.

Отремонтированные лопатки были признаны пригодными для дальнейшей эксплуатации в составе изделия.

Таким образом, предлагаемый способ ремонта поверхностных дефектов деталей машин обеспечивает полное восстановление конструктивных размеров деталей, получение качественных паяных соединений во всех пространственных положениях детали, позволяет получать значительный экономический эффект при ремонте деталей и увеличивать их ресурс.

1. Способ ремонта поверхностных дефектов деталей машин, включающий подготовку поверхности детали, нанесение материала на дефектную часть поверхности, высокотемпературную пайку и механообработку, отличающийся тем, что в качестве материала используют порошковый материал, состоящий из припоя и наполнителя, и наносят его напылением аргоновой микроплазмой в виде расплавленного порошкового материала и герметизируют нанесенный материал путем напыления жаростойкого материала ВКНА с температурой на ≥100°С выше температуры плавления наполнителя, а перед высокотемпературной пайкой на поверхность ремонтируемой детали напыляют барьерный слой из окиси алюминия для исключения облуживания поверхности припоем.

2. Способ ремонта по п.1, отличающийся тем, что жаростойкий материал ВКНА напыляют толщиной 0,2-0,3 мм.

3. Способ ремонта по п.1, отличающийся тем, что окись алюминия напыляют толщиной 0,1-0,2 мм.

4. Способ ремонта по п.1, отличающийся тем, что высокотемпературную пайку осуществляют в вакууме или в среде защитного газа.

5. Способ ремонта по п.1, отличающийся тем, что для осуществления высокотемпературной пайки во всех пространственных положениях и получения паяных соединений с пористостью, не превышающей ≤1,5%, без изменения формы нанесенного материала используют материал, состоящий из 20% припоя и 80% наполнителя.