Способ ремонта лопаток газовых турбин из никелевых и кобальтовых сплавов

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при ремонте деталей горячего тракта газовой турбины: сегментов соплового аппарата, сопловых и рабочих лопаток авиационных, корабельных и энергетических газотурбинных двигателей. Для получения зон наплавки и наплавленного материала с минимальными дефектами за счет улучшения свариваемости, а также повышения эксплуатационных свойств лопатки способ включает термообработку с нагревом до температуры выдержки, выдержку при этой температуре, охлаждение, восстановление разрушенных участков лопатки наплавкой металла или сваркой, при этом нагрев производят в вакууме до температуры 200-950°С, а выдержку при этой температуре осуществляют в вакууме в течение не менее 2 ч до окончания дегазации и восстановления дислокационной структуры металла. После сварки проводят механическую обработку, после чего упрочняют микрошариками, затем проводят ионную имплантацию и постимплантационную термообработку. В качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr или их комбинацию. После имплантации наносят защитное покрытие с использованием MeCrAlY, где Me - Ni, Со, NiCo или Ni-Pt-Al, ионно-плазменным методом или электронно-лучевым испарением в вакууме. Слой керамического материала толщиной 20-300 мкм наносят на слой покрытия; в качестве материала керамического слоя используют ZrO₂-Y₂O₃, причем ZrO₂-Y₂O₃ может быть использован в соотношении Y₂O₃ - 5...9 вес.%, ZrO₂ - остальное. 19 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при ремонте деталей горячего тракта газовой турбины авиационных, корабельных и энергетических газотурбинных двигателей: рабочих и сопловых лопаток, в том числе сегментов соплового аппарата, изготовленных из никелевых и кобальтовых сплавов.

Направляющие и рабочие лопатки турбин ГТД и ГТУ в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, высоких и быстросменяющихся температур, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых требований, для изготовления лопаток газовых турбин применяются жаропрочные и жаростойкие никелевые и кобальтовые сплавы типа ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 и др.

Структура таких сплавов состоит из матрицы и относительно равномерно распределенной в ней упрочняющей карбидной, мелкодисперсной γ'-фазы. При длительной эксплуатации в условиях высоких температурах на поверхности лопаток образуются различного рода дефекты, а в сплаве - коагуляция и изменение морфологии упрочняющей γ'-фазы и карбидов в теле и по границам зерен, а также насыщение газом. В этой связи, дальнейшая эксплуатация таких лопаток становится невозможна. Однако, восстановив физико-химическое состояние сплава и устранив повреждения поверхности лопаток сварочными методами и размерной обработкой, эксплуатацию лопаток можно продолжить.

Известны следующие способы ремонта лопаток газовых турбин. Досварочная термообработка, нагрев выше температуры начала растворения упрочняющей γ'-фазы для обеспечения максимальной пластичности и свариваемости сплава; сварка и размерная обработка дефектных участков; окончательная термообработка с целью придания сплаву комплекса заданных свойств [Патент РФ № 2143011, МПК C 22 F 1/10, 1999].

Известен также способ ремонта лопаток газовых турбин, включающий наплавку с последующим выполнением полного цикла термообработки [Патент РФ № 2179915, МПК В 23 Р 6/00, 2002]. Это позволяет улучшить механические свойства наплавленной зоны и зоны на границе "наплавка-основной металл". Однако этот способ применим к ограниченному кругу лопаток, имеющему небольшую наработку на двигателе и не потерявших свою пластичность в результате окисления и деградации структуры. Другие же сплавы, особенно на основе кобальта, после длительной наработки при высокой температуре теряют свои пластические свойства и без предварительной термообработки не свариваются.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ термообработки лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе после эксплуатации [А.С. СССР № 531379, МПК С 22 F 1/10, 1978], включающий нагрев, изотермическую выдержку и охлаждение на воздухе, причем нагрев производят до 840-860°С с выдержкой при температуре 3-6 ч. Этот способ позволяет упростить технологию термоообработки при ремонте лопаток.

Основным недостатком аналогов и прототипа является снижение механических свойств, околошовной зоны (границы зоны наплавки) и, следовательно, лопатки в целом. Кроме того, к недостаткам аналогов можно отнести и возможность коробления при полном цикле термообработки. При этом термообработка на воздухе не позволяет повысить весь комплекс физико-механических и технологических свойств (особенно лопаток с дефлектором и тонкостенными элементами).

Техническим результатом заявляемого способа является получение при ремонте лопаток газовых турбин бездефектных границ зон наплавки и наплавленного материала за счет улучшения свариваемости материала детали, а также повышение эксплуатационных свойств лопатки после восстановления.

Технический результат достигается тем, что в способе ремонта лопаток газовых турбин из никелевых и кобальтовых сплавов, включающем нагрев до температуры термообработки, выдержку при температуре термообработки, охлаждение, восстановление разрушенных участков лопатки наплавкой металла или сваркой, в отличие от прототипа нагрев производят в вакууме до температур, выбранных из диапазона 200°C...950°C, а выдержку при выбранной температуре осуществляют в вакууме в течение не менее 2 ч до окончания дегазации восстанавливаемых участков лопатки и перед термообработкой лопатки, при необходимости, производят удаление дефектного слоя материала лопатки, а перед сваркой трещин на лопатке производят их разделку под сварку и после сварки - размерную механическую обработку лопатки. Скорость охлаждения после термообработки может составлять 10...50°С/мин. Кроме того, после механообработки можно произвести упрочняющую обработку микрошариками, а также ионную имплантацию и постимплантационную термообработку, в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, C, B, Zr или их комбинацию. После имплантации производят нанесение защитного покрытия, в качестве материала покрытия используют MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а нанесение покрытия осуществляют ионно-плазменным методом или электронно-лучевым испарением в вакууме. Кроме того, в качестве материала покрытия может быть использован NiPtAl. Покрытия могут наносится также шликерными методами. (После нанесения покрытия можно произвести диффузионный отжиг лопатки.) После нанесения покрытия наносят слой керамического материала толщиной 20...300 мкм; нанесение покрытия и керамического слоя осуществляют газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением в вакууме; в качестве материала керамического слоя используют ZrO₂-Y₂O₃, причем ZrO₂-Y₂O₃ может быть использован в соотношении Y₂O₃ - 5...9 вес.%, ZrO₂ - остальное. Таким образом, осуществление температурной выдержки в вакууме позволяет произвести дегазацию дефектной зоны, подвергаемой наплавке, что приводит к улучшению свариваемости материала лопатки.

Для исследования стойкости лопаток газовых турбин, восстановленных по известному и предлагаемому способам были проведены следующие исследования. Режимы и условия восстановления лопаток из кобальтовых и никелевых сплавов приведены в таблице 1.

Табл.1
№	Сплав	Режимы восстановления лопаток
варианта		Существующий способ (Вариант А)	Предлагаемый способ (Вариант В)
		Т, °С	Среда	τвыд	Vохл	Т, °С	Среда	τвыд, час	Vохл, °С/мин
1	ЦНК-7	950		3	30	950		3	30
2	ЦНК-21	950		3	30	950		3	30
3	FSX-414	950	Воздух	3	30	950	Вакуум	3	30
4	ЖС-6	950		3	30	950		3	30
5	ЖС-6У,	950		3	30	950		3	30
6	ЭИ-893	950		3	30	950		3	30
7	U-5000	950		3	30	950		3	30

В таблице 2 приведены дополнительные режимы восстановления лопаток по предлагаемом у способу, охватывающие предлагаемый диапазон режимов термообработки.

Табл.2
№	Сплав	Режимы восстановления лопаток
варианта		Предлагаемый способ (Вариант С)	Предлагаемый способ (Вариант D)
		Т, °С	Среда	τвыд	Vохл	Т °с	Среда	τвыд, час	Vохл, °С/мин
1	ЦНК-7	650	Вакуум	4	20	200	Вакуум	7	10
2	ЦНК-21	650		4	20	200		7	10
3	FSX-414	650		4	20	200		7	10
4	ЖС-6	650		4	20	200		7	10
5	ЖС-6У	650		4	20	200		7	10
6	ЭИ-893	650		4	20	200		7	10
7	U-5000	650	4	20	200	7	10

Во всех случаях восстановления лопаток производилось удаление дефектного слоя металла механической обработкой.

Для оценки результатов сравнительных испытаний проводился визуальный осмотр, а также приготавливались микрошлифы различных зон (участков) наплавки лопаток на предмет обнаружения трещин, пор и других дефектов. (Результаты приведены в табл.3).

Кроме того, были проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) образцов в исходном состоянии составляет: по известному способу - никелевые сплавы в среднем 260 МПа, кобальтовые - 240 МПа; по предлагаемому способу - никелевые сплавы в среднем 280 МПа, кобальтовые - 270 МПа.

Табл.3
№	Сплав	Режимы восстановления лопаток
варианта		Существующий способ (Вариант А)	Предлагаемый способ (Вариант В)	Предлагаемый способ (Вариант С)	Предлагаемый способ (Вариант D)
		Кол-во трещин на см2	Максим. длина трещ, мм	Кол-во трещин на см2	Максим. длина трещ, мм	Кол-во трещин на см2	Максим. длина трещ, мм	Кол-во трещин на см2	Максим. длина трещ, мм
1	ЦНК-7	13	7	-	-	-	-	-	-
2	ЦНК-21	16	8	-	-	1	0,4	1	1,0
3	FSX-414	14	9	-	-	-	-	-	-
4	ЖС-6	16	11	-	-	1	0,4	2	0,7
5	ЖС-6У	18	10	-	-	1	0,5	2	0,8
6	ЭИ-893	12	8	-	-	-	-	-	-
7	U-5000	11	6	-	-	-	-	1	1,0

Таким образом, анализ результатов сравнительных испытаний показал, что наилучшие свойства восстановленных лопаток из кобальтовых и никелевых сплавов обеспечивает предлагаемый способ восстановления деталей. Образцы, обработанные по предлагаемому способу, характеризуются лучшими эксплуатационными свойствами и наименьшим количеством дефектов в наплавленной и приграничной с ней зонах (табл.3).

Были также проведены испытания на выносливость и циклическую прочность лопаток из никелевых и кобальтовых сплавов ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У,ЭИ-893, U-5000 в условиях высоких температур (при 870-950°С) на воздухе. В результате эксперимента было установлено следующее: условный предел выносливости (σ_-1) лопаток (после ремонта) составляет:

1) по известному способу - никелевые сплавы в среднем 210-220 МПа, кобальтовые - 210-215 МПа;

2) по предлагаемому способу:

- (после механической обработки) - никелевые сплавы в среднем 230 МПа, кобальтовые - 220 МПа;

- (после обработки микрошариками) - никелевые сплавы в среднем 240 МПа, кобальтовые - 230 МПа;

- (после имплантации ионов Cr, Y, Yb, C, B, Zr) - никелевые сплавы в среднем 230-250 МПа, кобальтовые - 230-240 МПа;

- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr) - никелевые сплавы в среднем 240-253 МПа, кобальтовые - 233-244 МПа;

- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, а также покрытия NiPtAl) - никелевые сплавы в среднем 256 МПа, кобальтовые - 248 МПа;

- (после обработки микрошариками и имплантации ионов Cr, Y, Yb, С, В, Zr и нанесения жаростойкого покрытия - MeCrAlY, где Me - Ni, Co, NiCo, a также покрытия NiPtAl, и нанесения слоя ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5...9 вес.%, ZrO₂ - остальное при охлаждении лопаток) - никелевые сплавы в среднем 270 МПа, кобальтовые - 254 МПа;

Повышение предела выносливости у восстановленных и обработанных лопаток как из никелевых, так и кобальтовых сплавов во всех видах проведенных испытаний указывает на то, что при применении одного из следующих вариантов проведения дополнительной упрочняющей обработки восстановленной лопатки и нанесения покрытия: упрочняющая обработка микрошариками; ионная имплантация ионами одного из следующей группы химических элементов: Cr, Y, Yb, С, В, Zr или их комбинации; постимплантационный отпуск; нанесение покрытия MeCrAlY, (где Me - Ni, Co, NiCo), полученного либо ионно-плазменным методом, либо электронно-лучевым испарением в вакууме; покрытие NiPtAl; нанесенный слой керамического материала толщиной 20...300 мкм, в качестве материала которого используют ZrO₂-Y₂O₃ в соотношении Y₂O₃ - 5...9 вес.%, ZrO₂ - остальное, позволяют достичь технического результата заявляемого способа - получение при ремонте деталей наплавленного материала и границы зоны наплавки с минимальными дефектами за счет улучшения свариваемости материала детали, а также повышение эксплуатационных свойств лопатки после восстановления.

Таким образом, проведенные исследования показали, что применение предлагаемого способа восстановления лопаток газовых турбин из никелевых и кобальтовых сплавов при использовании различных комбинаций упрочняющей обработки и нанесения покрытий (обработка микрошариками, имплантация ионов, нанесение жаростойкого и теплозащитного покрытий) позволяет увеличить по сравнению с прототипом условный предел выносливости (σ_-1) с 260 МПа до 280 МПа (никелевые сплавы) и с 240 МПа до 270 МПа (кобальтовые сплавы), а также при применении дополнительных вариантов упрочняющей обработки и нанесения покрытий при высокотемпературных испытаниях с 210-220 МПа до 270 МПа (никелевые сплавы) и с 210-215 МПа до 254 МПа (кобальтовые сплавы), что подтверждает заявленный технический результат (получение при ремонте деталей наплавленного материала и границы зоны наплавки с минимальными дефектами за счет улучшения свариваемости материала детали, а также повышение эксплуатационных свойств лопатки после восстановления.).

Пример конкретной реализации способа. После дефектации ремонтной лопатки, изготовленной из жаропрочного материала ЭИ-893, производилось фрезерование дефектных мест на пере лопатки (удаление дефектного материала и разделка кромок под сварку). Затем осуществлялся нагрев до температуры термической выдержки в вакууме (850°С, время выдержки 3 часа, вакуум 6·10^-2 Па) и охлаждение в вакууме в камере до температуры окружающей среды (27°С). В результате термической выдержки в вакууме произошла дегазация дефектных участков металла лопатки и восстановление дислокационной структуры металла, что сказалось на повышении качества наплавки на этих участках. Далее осуществлялась наплавка подготовленных дефектных участков аргонодуговой сваркой, в качестве присадочного материала использовалась проволока из сплава ЭП-367 ГОСТ 2246-70 или ЭП-533 ТУ 14-1-20-48. (При восстановлении лопаток из жаропрочного сплава ЖС-6У в качестве присадочного металла можно использовать литейный сплав ВЖЛ-2 в виде отлитого и отшлифованного прутка диаметром 2,5-3,0 мм. Наплавку производят с помощью источника постоянного тока ДС200. Процесс наплавки можно производить как в стационарном, так и в импульсном режиме: сварочный ток 40...120 А; время импульса - 0,2...0,3 с; время паузы - 0,1 с; диаметр электрода - 2...3 мм; расход аргона на горелку - 5...8 л/мин; расход аргона через полость лопатки - 2...3 л/мин.)

Затем наплавленные участки подвергались механообработке до получения необходимой геометрии пера. Термообработка лопатки производилась в контролируемой атмосфере в электропечи при температуре (840+10)°С с выдержкой 5 часов с охлаждением на воздухе.

Нанесение покрытия. Детали жаропрочного сплава подвергают предварительной обработке под нанесение покрытия (обезжиривание, пескоструйная обработка шлифпорошком 25А на пескоструйной установке) с целью удаления окалины и других загрязнений и обеспечения шероховатой поверхности. После окончания подготовительной обработки на деталь газотермическим способом (плазменное напыление на установке УПУ-ЗД) наносят первый слой жаростойкого покрытия из никелевого сплава, содержащего: Cr (18%); Со (5%); Al (14%); Y (0,6%), толщиной 100 мкм (сплавы могут быть дополнительно легированы такими элементами, как Та, Re, Hf, W, С, Si и др.). Затем деталь с покрытием обдувается чистым сжатым воздухом от остатков загрязнений для обеспечения лучшей адгезии керамического слоя.

На очищенную поверхность образцов и деталей наносят газотермическим способом второй (керамический слой) следующего состава, мас.%: Y₂O₃ - 9, ZrO₂ - остальное. После нанесения слоя керамики лопатки с покрытием подвергают финишной обработке (керамический слой на образцах имел толщину 120 мкм). В качестве финишной обработки проводят виброшлифовку поверхности керамического слоя, а затем вакуумную термообработку детали с покрытием при температуре 1000-1050°С в течение 1 ч.

Ионная имплантация. Обработку поверхности лопаток газовых турбин по описываемому способу проводят в следующей последовательности, после всех формообразующих механических обработок, включая полирование. Лопатку тщательно обезжиривают в ультразвуковой ванне и протирают бензино-ацетоновой смесью. Для удаления остатков влаги лопатку подвергают термообработке в сушильном шкафу при температуре от 60 до 65°С.После сушки лопатку устанавливают в вакуумную камеру, где создают вакуум не ниже 2-10⁴ Па и проводят очистку ионами аргона в течение 12 мин с последующей ионной имплантацией хрома по режиму: имплантируемый ион Cr; энергия ионов 300-1000 эВ; плотность ионного тока 5-10 мА/см²; доза имплантации ионов 3·10¹⁹ ион/см².

После этого в том же рабочем пространстве проводят вакуумный постимплантационный отпуск при температуре 400°С в течение 1 ч. Постимплантационный отпуск можно совмещать с нанесением ионно-плазменных покрытий. (Режимы при нанесении покрытия: ток I=140 А, напряжение U=140 В).

Далее проводят контроль и упаковку готового изделия.

1. Способ ремонта лопаток газовых турбин из никелевых и кобальтовых сплавов, включающий термообработку с нагревом до температуры термической выдержки, выдержку при этой температуре, охлаждение, восстановление разрушенных участков лопатки наплавкой металла или сваркой, отличающийся тем, что нагрев производят в вакууме до температуры 200 - 950°С, выдержку при которой осуществляют в вакууме в течение не менее 2 ч до окончания дегазации и восстановления дислокационной структуры металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед термообработкой лопатки производят удаление дефектного слоя материала лопатки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед сваркой трещин на лопатке производят их разделку под сварку.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после сварки производят размерную механическую обработку лопатки.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение ведут со скоростью, составляющей 10...50°С/мин.

6. Способ по п.4, отличающийся тем, что после механообработки производят упрочняющую обработку микрошариками.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что после механообработки производят ионную имплантацию и постимплантационный отпуск.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что после упрочняющей обработки микрошариками производят ионную имплантацию и постимплантационный отпуск.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr или их комбинацию.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве ионов для имплантации используют ионы Cr, Y, Yb, С, В, Zr или их комбинацию.

11. Способ по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что после имплантации производят нанесение защитного покрытия.

12. Способ по п.11 отличающийся тем, что в качестве материала покрытия используют MeCrAlY, где Me - Ni, Со, NiCo.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что в качестве материала покрытия используют Ni-Pt-Al.

14. Способ по п.12, отличающийся тем, что после нанесения покрытия наносят слой керамического материала толщиной 20-300 мкм.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что после нанесения покрытия наносят слой керамического материала толщиной 20-300 мкм.

16. Способ по любому из пп.12-15, отличающийся тем, что нанесение покрытия и керамического слоя осуществляют газотермическим и/или ионно-плазменным методами и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

17. Способ по п.14, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя используют ZrO₂-Y₂O₃.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что в качестве материала керамического слоя используют ZrO₂-Y₂O₃, в соотношении Y₂O₃ - 5...9 вес.%, ZrO₂ - остальное.

19. Способ по п.12, отличающийся тем, что нанесение покрытия осуществляют шликерным, и/или газотермическим, и/или ионно-плазменным методами, и/или электронно-лучевым испарением и конденсацией в вакууме.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что после нанесения покрытия производят диффузионный отжиг лопатки.