ПОВЫШЕНИЕ ЖАРОСТОЙКОСТИ КОМПРЕССОРНЫХ И ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК МЕТОДАМИ ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ И БЕЗАБРАЗИВНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ
Ледков Е.А. (ТОГУ, г. Хабаровск, РФ), Соколов Р.А. (Дальэнергомаш, г. Хабаровск, РФ), Давыдов В.М.(ТОГУ, г.Хабаровск, РФ), Никишечкин В.Л. (Дальэнергомаш, г. Хабаровск, РФ) Химухин С.Н. (ИМ ДВО РАН, г. Хабаровск, РФ)
There are research results, which concentrated at investigation and improvement of heat-resistance of blade faces and another surfaces by the method electro spark alloying and nonabrasive ultrasonic finishing machining.
В условиях рыночных отношений между различными участниками процесса создания машиностроительной продукции, производители столкнулись с проблемой дефицита и постоянно роста цен на высококачественные стали, в связи с этим, отечественное машиностроение вынужденно использовать технологии, позволяющие получать покрытия на сталях обыкновенного качества, что позволяет экономить дорогостоящие материалы. Отечественное турбо- и компрессорное машиностроение не является исключением. К числу электрофизических методов использующих концентрированные потоки энергии (КПЭ) для получения покрытий на металлах и сплавах относится электроискровое легирование (ЭИЛ). Метод электроискрового легирования основан на использовании эффекта электроэрозионного разрушения материала обрабатывающего электрода (анод) с последующим переносом его материала на обрабатываемый электрод - деталь (катод). При этом на поверхности детали формируется покрытие с измененной (вторичной) структурой и свойствами к которым относятся: толщина нанесенного слоя; текстура поверхности (шероховатость); микротвердость; сплошность и ряд других.
Важными и дорогостоящими элементами любого компрессора или турбины являются лопатки, которые изготавливаются из высоколегированной, а, следовательно, дорогой стали. На дальневосточном заводе энергетического машиностроения, для изготовления лопаток, используют широкую номенклатуру сталей, наиболее используемые из них: 20Х13, ХН65ВМТЮ, 15Х12ВНМФ и др. Несмотря на использование высококачественных сталей, лопатки, особенно турбинной части, являются быстроизнашивающимися деталями и постоянно входят в ремонтные комплекты, заказываемые потребителями.
Основными причинами выхода из строя турбинных лопаток, является высокая температура и агрессивная среда газов. В результате действия высоких температур и агрессивной среды рабочие поверхности лопаток активно выгорают, материал теряет свои свойства и форму, в результате производительность турбины падает.
В природных условиях большинство металлов находится в связанном состоянии – в виде окислов и солей, следовательно, данное состояние термодинамически наиболее устойчивое. В процессе получения конструкционных материалов затрачивается энергия, в результате чего, получаемые сплавы находятся в термодинамически неустойчивом состоянии. Стремление металлов перейти из металлического состояния в иное составляет сущность процесса окисления. Жаростойкость характеризует способность металла сопротивляется коррозионному воздействию газов при высокой температуре.
Для повышения жаростойкости использовался метод ЭИЛ, для чего на поверхность исследуемых образцов наносился Ni, Al, Cr, T15K6. В качестве исследуемых образцов использовались стали 20Х13, ХН65ВМТЮ, 15Х12ВНМФ. Для сравнения исследованию подвергались СЧ15, Сталь 30, Cu.
После получения покрытия образцы подвергались тепловому удару и выдерживались при высокой температуре (780°С) в течении 2 – 5 часов. Так же исследования жаростойкости проводились на дериватографе Q 1000. . Жаростойкость оценивалась по массе окислившегося материала. Результаты сравнительной жаростойкости для материалов без покрытий представлены на рисунке 1. Из диаграммы видно, что наибольшей жаростойкостью обладает сталь 20Х13. Что объясняется высоким содержанием хрома, в сравнении с другими образцами. Как показывает практика, столь высокие показатели стали 20Х13 не достаточны для стабильной и продолжительной работы. Стоит отметить, что сталь 20Х13 является не рекомендуемым материалом для производства лопаток, работающих при высоких температурах.
Рисунок 1 – Относительная жаростойкость исследуемых образцов при 750°С в течении 2 часов
На рисунке 2 представлены сравнительные результаты испытаний на жаростойкость стали 20Х13 с никелевым покрытием и без него, а так же с покрытием, нанесенным с использованием предварительной термической активацией поверхности.
Повышение жаростойкости образца с никелевым покрытие по отношению к образцу без покрытия объясняется тем, что измененный поверхностный слой образца представляет собой белый слой (БС), который имеет резкую границу с материалом основы или переходной зоны, состоящей из диффузионной зоны и зоны термического влияния. БС образуется как непосредственным переносом материала легирующего электрода на подложку, так и в результате химического взаимодействия материалов электродов друг с другом и с окружающей средой. Белый слой, полученный в результате ЭИЛ на подложке из сталей имеет в своем составе аустенитную и мартенситные фазы, карбиды, нитриды, интермиталлиды, оксиды основы и легирующего электрода. Покрытия, сформированные Ni и Cr, образуют с подложкой неограниченные твердые растворы и отличаются высокой толщиной, сплошностью и низкой пористостью. А самое главное, БС, образованный этими металлами и подложкой, после высокотемпературного воздействия, остается практически неизмененным.
Рисунок 2 – Относительная жаростойкость стали 20Х13 при 750°С в течении 2 часов
Применение предварительной (перед ЭИЛ) термической активации поверхности позволяет увеличить адгезию покрытия к основе и повысить однородность его структурного строения. В результате этого, увеличение прироста массы за счет окисления минимально. Данный факт позволяет сделать вывод о том, что активация поверхности является важной частью в технологическом процессе получения покрытий методом ЭИЛ.
Кроме множества достоинств метода ЭИЛ, существует и ряд недостатков, к которым можно отнести плохое качество поверхности (шероховатость), а так же остаточные напряжения, которые в дальнейшем способствуют охрупчиванию, и как следствие, преждевременному разрушению покрытия. В производстве лопаток, качество поверхности и остаточные напряжению играют огромную роль, именно поэтому лопатки подвергаются полировке и термической обработке. И именно поэтому технология ЭИЛ до сих пор не нашла широкого применения в данной отрасли производства.
Как решение данной проблемы, в работе предложен метод безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО). Этот метод не требует применения абразивов или режущих инструментов – вместо них используется сила удара излучателя ультразвука, при помощи которой сглаживаются вершины микронеровностей. Данная технология, применительно к ЭИЛ, позволяет уменьшить шероховатость обработанной поверхности с 12,5 до 0,2 мкм (до 0,025 мкм) без снятия части слоя. Повышение качества микрорельефа получаемого покрытия так же увеличивает его жаростойкость и коррозионную стойкость за счет уменьшения площади поверхности контактирующей с агрессивной средой. Кроме того, при использовании этого метода, происходит дополнительное упрочнение поверхности. Так же стоит отметить, что БУФО решает проблему растягивающих напряжений в слое, образующихся при ЭИЛ, компенсируя их сжимающими напряжениями, возникающими в процессе обработки БУФО. Микрошлифы поверхности полученной методом БУФО после ЭИЛ представлены на рис.3.
Рисунок 3 – Белый слой, полученный методом ЭИЛ + БУФО
В результате работы была разработана и предложена технология: термическая активация + ЭИЛ + термическая активация + БУФО позволяющая получать высокотехнологичные покрытия на поверхностях деталей машин, тем самым, улучшая их свойства, такие как: жаростойкость, коррозионную стойкость, износоустойчивость, твердость, электропроводность и др., а так же нейтрализовать основные негативные стороны присущие процессу ЭИЛ. Кроме того данная технология не требует высоких капитальных затрат, а так же затрат на электроэнергию и расходные материалы. Процесс получения покрытий прост и не требует специально обученных кадров.
Данная технология применительно к производству турбинных лопаток позволяет повысить жаростойкость в 2-12 раз, а так же заменить дорогостоящие и редкие материалы более доступными, что несомненно приведет к повышению срока службы существующих лопаток и снизит затраты на производство новых.