автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Повышение эрозионной стойкости лопаток паровых турбин модифицированием поверхностного слоя с применением высококонцентрированных источников энергии

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На^ правах рукописи Для служеб^рг^ пользования экз. р £ у 9 3

ДЕЦИК Владимир Николаевич

УДК 621.791,72

ПОВЫШЕНИЕ ЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРШН МОДИФИЦИРОВАНИЕ?-! ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ШСОКОКОНЦЕНТРИРОБАНШХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.03.06 - технология и машины

сварочного производства

Автореферат диссертации иа соискание ученей степени каздвдага технических наук

ЛЕНИНГРАД 1991

ЗхоД. 1931г.

Работа выполнена в Ленинградском государственном техническом университете.

Ноучний руководитель - доктор технических наук, профессор В.В.Башенке.

Научный консультант - кандидат технических наук, ст.научный сотр.>Н.Н.Децик.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Е.Л.Гплиханданов, кандидат технических наук Н.В.Смирнов.

Ведущая организация - Ленинградский завод турбинных лопаток им.50-летия СССР.

Защита состоится 1591 г. в IЬ часов

на заседании специализированного совета Д.065.36.17 в Ленинградском государственном 'техническом университете по адресу: 195251, Ленинград, Политехническая ул., 29, химический корпус, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке ЛГТУ.

Автореферат разослан О €'2, 1991 г. '

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических Наук В.А.Лопота

ПОВЫШЕНИЕ ЭРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ ТУРБИН М0ДО2ИЦИР03АНШ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЕЫСОКОКСНЦЕНГРИРОНАНШХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Общая характеристика работы

I

Актуальность работы. В настоящее время одним из приоритетных направлений научно-технического прогресса является ускорение развития ноеых, нетрадиционных методов обработки материалов, новых технологи-гических процессов. В настоящее десятилетие как в СССР, так и в других промыпленно развитых стр-лах особое внимание уделяется использования шсококонцектрированнь^- источников энергии (ВКИЭ) (лазер, электронный луч, плазма и др.) для поверхностной обработки, наплавки, сварки и др. Результаты многочисленных отечественных и зарубежных исследователей показали, что только при использовании ВКИЭ возможно • обеспечение наиболее высоких механических, коррозионных, эрозионных и других свойств поверхностного слоя для сплавов на основе Ре, Со и др.

В пгротурбостроении все острее становится проблема увеличения долговечности лопаток последних ступеней паровых турбин (ПТ). Это связано с тенденцией удорояьлия изготовления лопаток в связи с увеличением мощности ПТ, а следовательно, с ускорением эрозионного раз-руления поверхностного сло.т лопасэк, что заметно сникает прочность рабочих лопаток и экономичность турбин в целом. Несмотря на ужесточение условий работы лопаток, наиболее распространенным способом в . СССР, остается использование стеллитовой защиты в виде напачишх пластин на входной кроте лопаток. Они обладают удовлетворгггельноЯ эрозионной стойкостью, однако стеллитам присущ целый ряд существенных недостатков, не позволявши ;гх использовать в качестве унизер-сательной противоэрозионной защиты как для турбин ТЭС, так и !уиАХ. Поэтому в настоящее время в ведущих организациях, занимающихся вопросами паротурбостроения, ведутся интенсивные поиски материалов,обладающих более высокими эрозионными свойствами и свободных от недостатков, присущих стеллитам, а также способов нанесения ра. рабата-ваемых материалов на поверхность лопаток паровых турбин.

Целью данной работы я&гнзтся повышение эрозионной стойк-'сти лопаток паровых турбин воздейстьлем электронного и лазерного пучка на

I

поверхностный слой в зоне предполагаемой эрозии путем ее упрочнения в результате термообработки основного металла лопаток (сталь 20X13), а также создание с помощью электронного пучка эроэионностойких защитных покрытий из бескобальтовых материалов, стойкость которых оценивалась бы не ниже стойкости стеллитов.

Для достижения этой.цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовано влияние технологических параметров эл°ктронно-лучевой СЭЛО) и лазерной (ЛО) обработки на глубину зоны упрочнения, структуру, состав, шероховатость, • 'еханические и эрозионные свойства поверхностного слоя лопаточной стали 20X13.

2. Разработаны новые эрозионностойкие покрытия, полученные с использованием электронного пучка. Исследовано влияние ВКИЭ на механические и эксплуатационные свойства получаемых покрытий.

3. Исследованы процессы испарения легирующих элементов (ЛЭ) из зоны воздействия ВКИЭ, созданы расчетные методики убыли легирующих йлементов в зависимости от режимов обработки с целью прогнозирования и управления химическим составом материала эроэионностойкого покрытия.

4. Разработана технология создания эроэионностойких покрытий на лопатках паровых турбин с использованием ВКИЭ.

Автор зазщщ- ■-■т

- Результаты экспериментальных исследований по установлению влияния воздействия ВКИЭ на основное функциональные характеристики упрочненной поверхности стали 20X13 и эрозионностойкюс покрытий.

- Экспериментально-расчетные методики определения пубиш оплавленной зоны и протяженности ЗТВ в зависимости от технологических параметров электронного пучка при его воздействии на лопаточную сталь 20X13 и покрытия.

- Методики расчета убыли легирующих элементов из различных сплавов при ЭЛО, позволяющие прогнозировать и управлять химическим составом материалов в зависимости от режимов обработки.

- Разработанную технологию создания эроэионностойких покрытий на лопатках паровых турбин с- использованием электронного пучка.

Методы исследования. В работе для исследования структуры модифицированного поверхностного слоя, химического и фазового состава использовалась оптическая и электронная микроскопия, микрорентгено-спектральный и ре тгеноструктурный анализы. Исследование теплового

г

состояния проводилось методом математического моделирования с ишсль-эованием ЭВМ.

Научная новизна. Впервые установлено, что эрозионная стойкость лопаток паровых турбин из стали 20X13 может быть значительно повышена и приближена к уровню наиболее эроэионностойких материалов (стеллитов) , использующихся в паротурбостроении, путем оплавления поверхностного слоя лопаток сканирующим электронным пучком по всей ширине зоны обработки. Для достижения максимальной эрозионной 'стойкости глубина зоны оплавления должна находиться на уровне 500 мкм при частоте сканирования электронного луча не менее 600 Гц и скорости охлалдения при кристаллизации расплава 1/охл порядка (1-5) *104 К/с.

- Показано, что в качестве эроэионностойких покрытий на лопатках паровых турбин как для АХ, так и обычных ТЭС наиболее целесообразно использование материалов типа Ге-Сг- Ми- /- С- А- и нити-нолов, образующих в условиях оплавления электронным пучком и высокоскоростной кристаллизации расплава упрочняющие карбоборвдные эвтектики или интерметалледные соединения с дисперсностью структуры 1,53,0 мкм, округлой формы, обладающие наиболее высокими эксплуатационными свойствами. Установлена взаимосвязь мевду химическим, фазовым составом, структурой покрытий, порученных с использован:1.ем электронного пучка, и их эрозионной стойкостью.

- Установлено, что на процесс испарения легирующих элементов из зоны расплава при ЗЛО сплавов существенное влияние оказшзазт гидродинамические эффекты в жидкой ванне. Предложена методика расчета убыли легирующих элементов при ЗЛО различных сплавов, показавшая ' расхождение расчетных и экспериментальных результатов не более 15%.

Практическая ценность работы.

Созданы прикладные методики и прографи расчета на 33'.! глубины оплавленной зоны на лопатках турбин при варьировании параметров режима в условиях сканирования электронного луча поперек зоны обработки.

На основании экспериментальных исследований получены эрозионно-стойкие материалы, эауенитеди стеллитов, для защиты лопаток, используемых как на АЭС, так я на ТЭС.

- Предлэжекк инженерные методики расчета убыли легирующих элементов при ЗЛО.

Разработаны устройства для предотвращения дефектов в зоне ЭЛО в условиях воздействия внешних магнитных полей.

Разработанную технологию упрочнения поверхности лопаток с использованием электронного пучка предполагается внедрить в 1992 г. в ЛПП. "Лензнергоремсьт".

Огидаешй экономический эффект от внедрения указанных разработок составит 75 тыс.руб. в год.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на IX и X Всесоюзных конференциях по электронно-лучевой сварке в 1986 г. в Москве и в 1988 г. в Ленинграде; на семинарах "Поверхностный слой, точность, эксплуатационные свойства и надежность деталей малин и приборов" ЦЩШ1 (1989, 1990 гг.); на научно-технической конференции "Радиационная физика твердого тела" (1989 г.) Минск; на конференции "Металло- и энергосберегающая технология термической и химико-термической обработки" (1990 г.); на 2-й конференции молодых специалистов ШИМАШ АН СССР (1988 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 3 авторских свидетельства на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы, включающего 182 наименования, и приложений. Общий объем составляет 251 с. сквозной нумерации, £ том числе 80 иллюстраций.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной теш диссертационной- работы, сформулирована ее цель.

В первой главе приведен критический анализ методов упрочненш и восстановления поверхностного слоя лопаток ПТ, использующихся I мировой практике современного паротурбостроения.

Рассмотрен механизм разрушения поверхностного слоя лопаток 1 результате каплеударного воздействия. Показано, что эрозионный изно< рабочих лопаток - это сложный процесс, являющийся результатов одновременного действия механического и, в меньшей степени, химическое воздействия среды на металл. При этом установлено, что разрушена поверхности лопаток носит усталостный характер, которому предшеству-

:т инкубационш;:: период накопления деформаций предельного значения в юверхностном слое материала без его разрушения.

3 связи с тенденцией увеличения мощности ИТ, а следовательно жорости соударения капель с поверхностью, й быстроточностьп процес-:ов разрушения поверхностного слоя лопаток, проведено значительное :оличество исследований по подбору материалов лопаток. Установлено, гто эрозионная стойкость монет быть повышена увеличением твердости юверхкостного слоя материала лопаток.

Однако в практике паротурбострсения наиболее широкое распрост->анеш:е получили метода, с помощью которых возможно создание на по-¡ерхности лопаток эрозионностойких покрытий. Наиболее часто исполь-¡увтея такие методы как припаивание стеллитозых пластин к поверхнос-■и лопаток, значительно рене - плазменное напыление, электроискровое шгированкз поверхностного слоя. Наряду с достоинствами, данные ■оды обладапт существенные недостатками, в свяси с этим в практике отрового паротурбостроекия в настоящее время не существует предпоч-■ительного метода защиты поверхности лопаток и их восстановления пос-1е выработки определенного ресурса.

Как показали исследования последних лет, одним из наиболее эф-)ективных вариантов модифицирования поверхностного слоя с целью по-¡кшения его эрозионной стойкости является обработка материалов ЭКЗ. !ысокие скорости нагрева и охлавдения обрабатываемой поверхности обес~ [ечиваит более высока твердость в зонз обработки по срааненизэ, ка^-[ример с закалкой ТЗЧ. Достоинствами обработки ВНИЗ являются меньпше ■ернические деформации изделия, возможность обрабатывать хокализо-¡аннче участки поверхности сложной конфигурации, кг;с например лопат-:и ПТ.

В настоящее время получили достаточно широкое распространение •ехнологии, связанные с созданием на поззрхнссти изделий покрытий с ¡спользованием ЕКИЗ. Анализ литературы показал, что одним из нанбо-шв предпочтительных вариантов соэданнч защитных покрш'иЯ в условиях юздействип каплоударчоЯ нагрузки мо.~е? быть ссчетанпз методов плаз— [еякого ианесения материалов с их последующей обработкей ЁКИЭ. Одно-:о как технологические, так и металлургический аспекта данного во-[роса в литературе освещены недостаточно полно. Поэтов' необходимы (ополнитольгше детальные исследования по установлении елиякид ВКИЭ

Я

на структуру, состав, свойства и, связанную с ними, эрозионную стойкость исследуемых материалов.

Во второй главе приводятся описания методик исследования покрытий и упрочненных зон. Исследования в зонах обработки проводили стандартными методами на микроскопе "УеорЛо1-21,"» растровом электронном михроскопе Com Scan с приставкой для проведения микрорентгеноспект-рального анализа, рентгеноструктурный анализ проводился на установке "ДРОВ-3". Микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 по ГОСТ 9450-75. Исследование адгезионных и усталостных характеристик покрытий проводили по методике ЦНИИ "Прометей" и ЦКТИ им.И.И.Ползунова.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния электронно-лучевой и лазерной обработки на структуру, состав, механические свойства и эрозионную стойкость стали.20X13 в зависимости от режимов обработки.

Электронно-лучевая и лазерная обработка стали 20X13 проводилась как на режимах без оплавления, так и с оплавлением поверхностного ела В результате обработки с помощью ВКИЭ стали без оплавления поверхности глубина зоны термического влияния составила 50-65 мкм. Не отмечено существенного увеличения твердости поверхностного слоя, изменения структуры и фазового состава по сравнению с основным металлом, прошедшим штатную для лопаток ГХТ термообработку. В случае оплавления поверхностного слоя при высокоскоростной кристаллизации металла (lioxtI = I04...5-I04 К/с) происходит формирование дендритной структуры дисперсностью на уровне I,5-3,0 мкм (в основном металле перед поверхностной обработкой 10-15 мкм). При этом глубина оплавленной зоны варьировалась в пределах 0,05-0,5 мм. Из-за кратковременности процесса 'нагрева и охлаждения расплава на оптимальнее режимах, размер зерна в ЗТВ остался практически на уровне исходного металла. Измерение распределения микротвердости, проведенное по глубине зон обработки показало, что как для ЭЛО, так и ЛО уровень твердости в верхней части зоны оплавления был примерно одинаков и составлял 66006800 Ша. Отмечено плавное снижение твердости от максимального значения в зоне оплавления до уровня твердости основного металла (Нм = « 1900...2300 Ша). Качественного изменения фазового состава в зоне оплавления не обнаружено. Однако количество карбидной фазы снижено с 10-1256 в основном металле до уровня 5%. Отмечено также повышение дефектности структуры, связанное с изменением блочной струхтуры и б

увеличением микроискаженной кристаллической решетки, что свидетельствует, вероятно, о переходе"углерода из растворенных карбвдов в мартенсит. Уменьшение количества карбидной фазы способствовало более равномерному распределению легирующих элементов в зоне оплавления по сравнению с о снов; мм металлом. Среднее содержание легирующих элементов в зоне оплавления находилось на уровне содержания их в исходном материале, что свидетельствует о незначительном испарении ЛЭ из зоны оплавления на обследованных режимах обработки.

Указанные изменения структуры и свойств стали 20X13 в поверхностном слое оказали существенное влияние на ее эрозионную стойкость. Произведенное сравнение эрозионной стойкости образцов, обработанных ВНИЗ на различных режимах, со стойкостью образцов после закалки поверхностного слоя ТВЧ и стойкостью стеллита марки ВЗК показало, что эрозионная стойкость образцов, обработанных электронным лучом с глубиной оплавленной зона 500-1000 мкм в 6,5 раз выше стойкости не-упрочненного материала, в 3 раза выше стойкости стали после закалки ТВЧ и незначительно отличается от уровня стойкости стеллита ВЗК. Образцы с меньшей глубиной упрочнения, а также образца после лазерной обработки имеют более низкую эрозионную стойкость (рис.1).

Замедление скорости эрозионного разрушения связано с повышением предела выносливости стали в зоне оплавления. Установлено, что зависимость имеет экспоненциальный характер, причем начиная с глубин оплавления поверхностного слоя 400-450 мкм практически горизонтальна оси абсцисс, что свидетельствует о нецелесообразности увеличения глубины оплавленной зоны более 450-500 мкм.

Вследствие того, что при переходе к серийному производству лопаток с упрочнением их поверхности ВКИЭ обязательным является сте>-бильное получение одинаковой глубины упрочнения, было произведено исследование влияния параметров обработки на глубину оплавленной зоны в условиях сканирования электронного пучка.

На основании результатов исследований получена расчетная формула для определения глубины оплавленной зоны Н опц в условиях сканирования электронного пучка поперек зоны обработки.

Для сталей и сплавав на железной основе эта зависимость имеет

ВВД: г, Г /_г2 .

I -2С. /г1, -2/ , (а/сх/г'пер)

¡1 спя-- Н-10 ■ и (Р/М-Ю Сх ор-ы)

где /ск -ширина зоны и частота сканирования луча; Р - мощноот! луча; 1Гпер - скорость перемещения изделия; о , ^ ,1пл - температуропроводность, плотность и удельная теплота плавления материала.

Расхождение расчетных и экспериментальных данных-не более 15$.

Для получения температурных поле? под зоной оплавления, с целью установления глубины ЗТЗ, разработана методика расчета на ЭВМ ЕС 1061. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не более 20%.

Известно, что при оплавлен.;» изменяется шероховатость поверхност! материалов, которая в ряде случаи монет -превышать допустимую, что требует проведения финишной поверхностной механической обработки. Проведенные исследования изменения высоть микронеровностей при варьированиг частоты сканирования в диапазоне 100-1000 Гц показали, что с увеличением частоты сканирования происходит выравнивание поверхности в зоне расплава как в поперечном, так и в продольном, по отношению к зоне обрат ботки, направлении. "Чешуйчатость" поверхностного слоя снижается с 2440 мкм при §ск = 100...200 Гц дс 5 мкм при частотах 500-600 Гц и г случае дальнейшего увеличения частоты сканирования практически не изменяется. Таким образом, частоту порядка 600 Гц, вероятно, можно считать минимально допустимой для получения наименьшей шероховатости при ЭЛО.

В четвертой глава обоснован выбор материалов для 'легирования поверхностного слоя лопаток паровых турбин, с целью повышения его эрозионной стойкости, исследовано влияние ЭЛО на структуру, состав к эксплуатационные свойства получающихся покрытий,, проведено исследо-8

10 <?,ц

о ■ 5 10 ** Рис.1. Результаты эрозионных испытаний образцов из стали 20X13: I - ст.20X13 без ЭЛО; 2- ст.20X13 с ЭЛО без опла&-ления поверхности; 3-3 - закалка ТВЧ; 4 - ЛО на глубину 0,5 мм; 5 ~ ЭЛО на глубину 0,1 мм; 6 - ЭЛО на глубину 0,5им; 7- стеллит ВЗК; дм -изменение массы образцов;

<С - время испытаний; // -количество циклов соударения капель с поверхность» образцов

ванкс процесса испарения легирующих элементов кз зоны расплава при ЭЛО и предложена методика расчета убыли легирующих элементов гри электронно-лучевом оплавлении материалов.

Анализ литературных данных показал, что к покрытиям-заменителям стеллита для лопаток ПТ должны предъявляться следующие основные требования.

1. При создании универсальных покрытий для лопаток паровых турбин АЭС и обычных ТЗС в материале покрытий не должен присутствовать кобальт, образующий долгоживущий изотоп в условиях повышенной рациа-ции.

2. Уровень эрозионной стойкости покрытий не должен быть ниже стойкости стеллита.

3. Уровень адгезионной прочности сцепления покрытия с основой должен быть визе прочности сцепления припаяных стеллитов пластин с поверхностью лопаток.

Известно, что в настоящее время для упрочнения материалов и получения высоких эксплуатационных свойств наиболее целесообразно создание в покрытии структур, имеющих в своем составе эвтектические или ннтерметаллидные фазы. Причем наиболее значительная степень упрочнения имеет место при наличии в покрытии карбидной, боридной или кар-боборццной эвтектик. В литературе не обнаружено данных о влиянии структуры и морфологии эвтектики на эрозионную стойкость покрытий. Также отсутствуют результаты исследований об эрозионной стойкости покрытий с интернеталлидным упрочнением, полученных с использованием ВКИЭ, поэтому были исследованы все названные типы структур.

В качестве объектов исследования были выбраны следующие нате-

Создание покрытий осуществляли комбинированным методом, включающим плазменное напыление порошков указанных систем на поверхность образцов и лопаток, с последующим их оплавлением электронным пучком при его сканировании по всей требуемой ширине зоны обработки. Толщина напыленного слоя 450-500 мки, глубина оплавленного слоя «• 50С -550 мкм.

риалы:

1. //¿-71

2. Ре-0-Мч-У-С-Ь-5с

3. М - й-- В - 21

4. Ге-Мо- V/- V- С

(интерметаллидное упрочнение); (карбоборидное упрочнение); (борвдное упрочнение); (яарбвдноэ упрочнение).

Для оплавленного электронным пучком напыленного слоя характерно некоторое расслоение областей, обогащенных по М. и "П . Верхняя часть оплавленной зоны, глубиной до 100 мкм, образована соединением близким по составу к Л^ 71 с высокодисперсными вкраплениями А^зТ:. Промежуточная зона ( 200 мкм) в основном представлена

МзТь с вкраплениями //IЯ . Зона, примыкающая к подложке, образована соединениями типа УЩ с прослойками оксидов ЪгО$ , ЪО Зафиксировано упорядочение кристаллической структуры в результате оплавления, выразившееся в уменьшении уширения дифракционных линий на дифрактограммах. Наибольший урочень твердости получен в поверхностной области оплавленной зоны и составляет П000-12000 МПа, что почти в два раза выше твердости в зоне напыления.

При оплавлении системы с карбоборидным упрочнением типа Ре - О- -Ми- V- С • Ь - Ы происходит формирование высокодисперсной эв-

тектической структуры с размером зерна на уровне 2 мкм. В литой зоне отсутствуют поры, трещины и другие дефекты, имеющиеся в напыленном слое. Зафиксировано более равномерное распределение легирующих элементов по глубине зоны оплавления по сравнению с напыленным слоем. Фазовый состав оплавленного слоя составляют: мартенсит и аусте-нит, карбоборвды типа Мг^С.б) } М}(С, В) и также соединения типа Mi (¡1 иЬ) : Размеры вкраплений эвтектики, расположенной по границам дендритов, на уровне I мкм. Микротвердость в зоне оплавления возрастает до 9500-9800 МПа по сравнению с твердостью порядка ^000-6500 МПа в зоне напыления.

Упрочнение, достигаемое при электронно-лучевом оплавлении плаз-менно напыленных слоев системы Ре-С--Мн-V-С-Ь-Не является результатом суммарного действия нескольких факторов; измельчения зерна, насыщение матрицы легирующими элементами, формирования высЙко-дисперсной упрочняющей карбоборидной эвтектики. Очевидно, образующаяся эвтектика, вызывая значительный упрочняющий эффект, благодаря округлой форме объемов входящих в нее фаз, не является сильным внутренним концентратором напряжений.

Сравнительный металлографический анализ был проведен также на образцах с плазменно-напыленными покрытиями состава АЛ - Г<- - В -(П.ГСр-4), Гс- Но- IV- V■ С (Р6М5) до и после их оплавления электронным пучком. Для обеих систем характерным является, резкое измельчение зерна, некоторое изменение фагового состава, связанное с высо-10

кими скоростями охлаждения расплава, снижение химической неоднородности и незначительное повышение твердости в зоне оплавления по сравнению с напиленным слоем.

Все исследуемые материалы были подвергнуты испытаниям на эрозионную стойкость (рис.2). Анализ результатов показал, что наибольшей сопротивляемостью эрозионному разрушению в условиях каплеударного кагру-жения обладает материал состава

Ми-V-С-В • 5 с. Установлено, что эрозионная стойкость' покрытия состава Ре-С--Нч-У-Сй-3£ в 58 раз выше стойкости оттого стеллита ВЗК. Стойкость покрытия из //С-Тс находится на уровне стойкости литого стеллита. Все остальные исследуемые материалы имеют эрозионную стойкость значительно ниже стойкости стеллита ВЗК.

Так как скорость охлаждения исследуемых материалов находилась на уровне Ю4-5-Ю4 К/с (расстояние между вторичными осями дендритов практически одинаково для исследуемых сплавов), следовательно наиболее существенное влияние на эрозионную стойкость поверхностного слоя оказывает химический состав, морфология упрочняющей фазы и дисперсность структуры. При этом Экспериментально установлено, что наибольшей сопротивляемостью против эрозионного разрушения обладает карбоборидная упрочняющая фаза дисперсностью I мкм при общем уровне дисперсности структуры 2-3 мкм.

С целью установления уровня эксплуатационных свойств покрытий были проведены адгезионные и усталостные испытания покрытий.

Испытания на прочность сцепления плазменного покрытия после ЭЛО с ссювое (ст.20X13) проводились с использованием штифтового метода на специальных образцах. Наибольшую адгезионную прочность сцепления покрытия с основой показал материал Ре-О- ■ Мч-У-С- 8- Г< . При этом

II

ю %ц

ю

15//-Ю5, Ц

Рис.2. Результаты эрозионных испытаний покрытий: I -

М-й-В- 3( ; 2- Ре - м> -IV- V- с ; 3 - V» -Ть ; 4 - стеллит ВЗК; 5~7-Ре-0-- Ми-

величина временного сопротивления на разрыв соединения находилась на уровне^ б'/ = 596. „ .630 МПа. Для нитинола, величина временного сопротивления бТ = 408...414 МПа. Разрушение наблюдалось по материалу покрытия. Для случаев припаивания стеллитовых пластин серебряным припоем не выше 220 Ша. Разрушение в этих случаях имело место по припою.

Испытания, проведенные на усталостную прочность комбинаций "покрытие - основной металл" для сплавов Ре-Сь-мк- и-С-й- и пластин ВЗК, на образцах при симметричном цикле нагру:кения и числе циклов порядка 10 показали, что предел выносливости для покрытия Ге-С-- мк -находится на уровне 6н = 125...130 Ша, для покрытия ВЗК 6м = 85...90 Ша.

Известно, что в ряде случаев более высоким комплексом механических, химических, электрических и других свойств по сравнению с кристаллическими обладают металлические аморфные материалы.

Проведены эксперименты по амортизации материала Ре - С-- Ни- V-•С- В • 2с с целью установления практически максимального уровня его механических свойств. Аморфное состояние было зафиксировано методом закалки из жидкого состояния данного материала в форме ленты при его разливе на вращающейся медный диск.

Исследуемый сплав практически весь находился в аморфном состоянии и имел четкое гало на дифрактограммах. М:жротвердость сплава в аморфном состоянии 1180012450 Ша, что в 1,2-1,4 раза выше твердости этого же материала в кристаллическом состоянии. При этом есть основания предполагать, что аморфный поверхностный слой будет обладать более высокими эрозионными свойствами, чем слой, имеющий высокодисперсную кристаллическую структуру того же химического состава. Однако выяснение количественного уровня эрозионной стойкости аморфного слоя требует создания аморфного покрытия на образцах для эрозионных испытаний, что вызывает необходимость проведения дальнейших исследований в этом направлении.

При ЭЛО практически веке исследованных сплавов была отмечена убыль легирующих элементов в процессе оплавления. На основании результатов исследований механизма испарения разработана методики рас~ ;ета убыли ЛЗ в зависимости от релшмов обработки при сканировании электронного пучка поперек зоны оплавления. Концентрацию легирующих элементов после эдехтронно-лучевого оплавления рекомендовано спреде-12

лять по формуле Лэнгмвра:

-г--'/г. ч

С- Со-ехр-^ЬРоХс-Мосн-Тпа ■ ^ ' Т ,

° 1

где Р - площадь поверхности ванны расплава, ее объем V и ЯГ -время нахождения в жидком состоянии в случае сканирования пучка поперек зоны обработки. Эти параметры необходимо определят:- по формулам:

с1п ёх ; V-- РЬглл ; с- °1п/Упер

где с1п - диаметр пучка; & - ширина зоны сканирования; Ь - глубина оплавленной зоны; %ер - скорость перемещения изделия.

Проведенные расчеты убыли легирующих элементов для всех исследованных сплавов, использованных в работе, дали расхождение с экспериментальными результатами не более 15%, что удовлетворительно для инженерных расчетов.

На основании полученных результатов разработана промышленная технология упрочнения поверхности лопаток ПТ с использованием комбинированного метода, включающего плазменное напыление и последующее электронно-лучевое оплавление эрозионностойкого покрытия. 1

Для проведения процесса плазменного напыления и электронно-лучевого оплавления отработана оптимальная последовательность технологических операций.

Технико-экономическая эффективность разработанной технологии получения эрозионностойких покрытий на лопатках паровых турбин при сравнении с традиционными технологиями заключается в высоком качестве получаемых покрытий, меньшей стоимости эрозионностойких материаг-лов, снижении общих трудозатрат, в возможности автоматизации технологического процесса получения покрытий.

При расширении номенклатуры лопаток, упрочненных с использоваг-нием предлагаемого комбинированного метода, ояидаешй экономический эффект при внедрении разработанной технологии только в ЛПП "Ленэнер-горемонг" составит 75 тыс.руб. в год.

/

^шовнив •результаты работы

1. В результате проведенных экспериментов показано, что при обработке с использованием ВКИЭ лопаточных сталей типа Х13 эрозионная стойкость поверхности может быть значительно приближена к стойкости стеллитов - наиболее эрозионностойких материалов, использующихся с настоящее время в паротурбостроении.

2. Установлено, что для стали 20X13 наибольший уровень эрозионной стойкости достигается при сканировании электронного пучка поперек всей зоны обработки в условиях оплавления поверхностного поя. Толщина оплавленного слоя должна быть не менее 500 мкм. Режим ЭЛО должен обеспечивать скорость охлаждения расплава на уровне (1-5)К/с для получения высокодисперсной структуры с высоким комплексом механических свойств.

3. Предложенные экспериментально-расчетные методики позволяют расчитать глубину оплавленной зоны и протяженность ЗТВ в зависимост1 от технологических параметров при сканировании электронного пучкг поперек всей зоны обработки. Расховдение расчетных и экспериментальных величин на уровне 15-20%.

4. Разработанные новые эрозионностойкие покрытия сравнимы с< стойкостью стеллита (материал состава л^-ТС ), а также в 5-8 ра: превышают стойкость стеллита (материал состава Ге-0--м»- И-С-А-5(1 ) Рекомендуемые материалы не имеют в своем составе кобальта и могу быть использованы для лопаток турбин АХ и ТЭС.

5. Экспериментально установлено, что материал состава Ге-С--Ми

может быть получен в аморфном состоянии. Однако разра ботка технологии получения аморфных покрытий на лопатках требуе' проведения дополнительных экспериментов и исследований.

6. Проведенные исследования основных характеристик покрытий и //¿•Тс и Ге-£-Ми- У-с-Б-З; _ усталостные, адгезионные и эроэион

ные испытания показали, что полученные покрытия обладают комплексе высоких функциональных свойств, необходимых для нормальной работ лопаток паровых турбин.

7. На основании изучения механизма испарения металла при ЭЛ разработана методика расчета убыли легирующих элементов из различны сплавов, показавшая расхождение расчетных и экспериментальных ре зультатов не более 15%. \

0. Разработала промышленная технология создания эрозионностой-ких покрытий на лопатках паровых турбин. Предлагаемая технология планируется к внедрению в ЛИЛ "Ленэнергоремонт" в 1992 г.

Основные положения диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Децик H.H., Децик В.И., Нестеренков В.М. Проблемы борьбы с остаточной намагниченностью при ЭЛС ротора газового нагнетателя// Электронно-лучевая сварка: Тез.докл. IX Всесоюзн, конф. 1-2 апреля 1966 г. - М., 1986. - С.36-3-.

2. Лесков Г.И., Нестеренков В.М., Децик В.Н., Новиков Д.Ю. Размагничивание роторов турбомашин перед ЭЛС// Автоматически сварка. -I9ö?. 6. - С.74-76.

3. A.c. 1459101, МКИ^З К 15/00. Устройство для электронно-лучевой сварки/ Башенко Б.В., Децик H.H., Децик В.Н. и др. (СССР). -Заявлена 15.10.68. (ДСП).

4. Децик H.H., Децик В.Н., Волков Ю.И. Испарение легирующих элементов при электронно-лучевой сварке// Электронно-лучевая сварка: Тез.докл. X Всесоюзн. конф. 22-24 ноября, 1988. - Л., 1988.

С.27-29.

5. Децик H.H., Децик В.Н., Буричин Г.А.// Электронно-лучевая сварка: Тез. докл. X Всесоюзн. конф. 22-24 ноября, 1988. - Л., 1988.-

С.^2-93.

6. Деш с В.Н., Песков О.Г. Повышение кавитационной стойкости рабочих лопаток турбин// Научные проблемы современного малиноведе-ния: Тез. докл. научн.-техн.конф., 5-6 ноября, 1988. -Л.: ЛФИМАШ им.А.А.Благонравова АН СССР, 1988. - С.19.

7. Децик В.Н. Использование защитных экранов при электроннолучевой поверхностной обработке изделий с остаточной намагниченностью// Научные проблемы современного машиноведения: Тез.докл.науч.-техн.конф., 5-6 ноября, 1988. - Л.: ЛФИМАШ им.А.А.Благонравова АН СССР, 1966. С.20.

6. Песков О.Г., Децик В.Н., Пахомова H.A. Влияние электроннолучевой и лазерной обработки на эрозионную стойкость стали 20X13// Поверхностный слой, точность, эксплуатационные свойства и наде*-ность деталей малин и приборов: Тез. докл. Всесоюзн. семинара, 1920 июня, 1989. - М., 1989. - С.89-90.

f

\

.9. Башенко В.В., Децик В.Н., Песков О.Г. и др. Использование высококонцентрированных источников энергии для повышения эрозионных свойств материалов// Радиационная физика твердого тела: Тез. докл. научн.-техн.конф., 23-24 мая, 1989. - Минск, 1989. - С.129.

10. Дёцик В.Н., Башенко В.В., Децик H.H. и др. Повышение эрозионной стойкости материала лопаток турбин с использованием концентрированных источников нагрева// Металло- и энергосберегающая технология термической и химико-термической обработки: Тез. докл. научн<-техн.конф., 4-7 марта, 1990. - М., - С.31-36.

11. Децик В.Н., Пахомова H.A., Башенко В.В. Влияние электроннолучевой обработки на структуру, состав и свойства плазменно-напылен-ных покрытий систем А'i-Ti и Fe-Cr-Ми- V- С- Б- St //Металло- и энергосберегающая технология термической и химико-термической обработки: Тез.докл. научн.-техн.конф., 4-7 марта, 1990.- М.,-С.22-25.

12. Децик В.Н., Столярова H.A., Башенко В.В. Структура и свойства плазменных покрытий после электронно-лучевого модифицирования// Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин и приборов: Тез.докл. Всесоюзн. семинара, 20-21 июня, 1990. -

4 М., 1990. - С.95.

13. Способ упрочнения металлических изделий/ Децик H.H., Децик В.Н., Макравцов М.В. и др. Положительное решение по заявке № 4488796/02/142329. Приоритет 04.10.88.

14. Устройство для электронно-лучевой сварки/ Децик H.H., Децик В.Н., Матюшин И.В. и др. Положительное решение по заявке № 4469564/27/121310. Приоритет 02.08.88. (ДСП).

Подписано к печати ttc&Si. Тираж 100 экз.

Заказ S, Бесплатно

Отпечатано на ротапринте ЛГГУ

I9525I, Ленинград, Политехническая ул., 29