автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П

На правах рукописи

БЫБИН Андрей Александрович

РАЗРАБОТКА РЕМОШНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТД ИЗ СПЛАВА ЦНК-7П

Специальности:

05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической

обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2005

Работа выполнена в Уфимском государственном авиационном техническом университете на кафедре технологии машиностроения и на ФГУП «Hi111 «Мотор»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Смыслов Анатолий Михайлович Научный консультант:

Кандидат химических наук, доцент Невьянцева Римма Рахимзяновна Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юрьев Виктор Леонидович кандидат технических наук, доцент Сафин Эдуард Вилардович

Ведущее предприятие:

ОАО Уфимское моторостроительное производственное объединение

Защита состоится « 21 » декабря 2005 г. в 10-00 час на заседании диссертационного совета Д-212.288.05 Уфимского государственного авиационного технического университета по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного авиационного технического университета.

Автореферат разослан

»

2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

^^^^ Ф.Г. Бакиров

1SG.20

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное развитие энергетического комплекса связано с использованием достижений в области моторостроения. Одним из основных узлов энергоустановок является газовая турбина с рабочими лопатками, определяющими в целом ряде случаев ресурс изделия. В настоящее время лопатки турбины из сплава ЦНК-7П с Al-Si покрытием в составе установки AJI-31CT производства ОАО «УМПО» находятся в стадии эксплуатации и имеют наработку порядка 9 тыс. час. Назначенный межремонтный ресурс изделия составляет 10 тыс. час, после которого лопатки поступят на ремонт. Однако ремонтная технология данных деталей в серийном производстве отсутствует, и ее разработка является актуальной задачей. Отсутствие информации о состоянии лопаток требует проведения специальных исследований по моделированию повреждаемости их поверхности для решения проблемы удаления дефектного покрытия и ускоренной оценки эффективности ремонтных мероприятий.

Опыт ООО «Волготрансгаз», ЗАО НПК «Трибоника» и др., показывает, что лопатки данного типа не выдерживают гарантированного ресурса. Поэтому в ремонтную технологию необходимо включать более перспективные методы обработки, такие как ионно-имплантационное и вакуумно-плазменное модифицирование поверхности, а также их комбинирование, позволяющие в значительной мере увеличить ресурс рабочих лопаток.

Цель работы. Исследование возможности повышения эксплуатационных свойств лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П на стадии их восстановительного ремонта путем удаления дефектного Al-Si покрытия и комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.

Достижение цели исследования связано с решением следующих задач.

1. Разработка методики ускоренных испытаний турбинных лопаток для имитации коррозионной повреждаемости их поверхности.

2. Изучение закономерностей удаления Al-Si покрытия химическим методом. Выявление эффективных составов электролитов для удаления покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку, и без наработки.

3. Исследование возможности повышения ресурса турбинных лопаток

путем замены Al-Si покрытия на вакуумно-г

ЩП-11.

4. Изучение влияния ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные свойства и определение эффективного режима обработки.

5. Исследование влияния комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности на эксплуатационные свойства лопаток турбины.

6. Разработка технологии ремонта рабочих лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П с целью обеспечения их ресурса.

Научная новизна

1. На основе анализа функционального действия компонентов различных синтетических зол и золовых отложений на лопатках из никелевых сплавов отечественного и зарубежного производства подобран состав синтетической золы и режим испытания, обеспечивающие совместное проявление сульфидно-оксидной и ванадиевой коррозии, позволяющей за минимальное время получить коррозионные повреждения покрытия, аналогичные эксплуатационным.

2. Для решения проблемы удаления дефектного Al-Si покрытия со сплава ЦНК-7П на основе анализа процессов на межфазовой границе «электролит -поверхность детали» впервые объяснен механизм удаления дефектного покрытия и последующей пассивации поверхности сплава.

3. Установлено, что увеличение жаростойкости и циклической термостойкости покрытия ВСДП-11 по сравнению с Al-Si покрытием обусловлено более благоприятным распределением элементов по глубине покрытия и снижением вероятности образования хрупкой мартенситной структуры между внешней и внутренней зонами покрытия ВСДП-11.

4. Установлен идентичный характер зависимости механических и физико-химических свойств поверхности сплава ЦНК-7П от дозы облучения ионами иттербия, характеризующийся наличием экстремума при дозе 51016 ион/см2, обеспечивающей повышение выносливости, жаропрочности и жаростойкости сплава за счет тормозящего действия дислокационной структуры и фаз выделения на основе иттербия.

5. Впервые показана возможность значительного повышения жаростойкости сплава ЦНК-7П при сохранении требуемого уровня усталостной и длительной прочности за счет использования комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.

Методы исследования. В работе использовались специально разработанные методы ускоренных коррозионных тигельных испытаний, оценки циклической термостойкости, определения съема покрытия, измерения электродного потенциала поверхности, стандартные методики измерения жаростойкости (ГОСТ 6130-71), усталостной (ГОСТ 25.502-81) и длительной прочности (ГОСТ 10145-81), металлографического (микроскоп META VAL®), рентгеност-руктурного (дифрактометр PW-1800, Philips) и микрорентгеноспектрального анализа (электронный микроскоп JXA-6400, JEOL), микротвердости (микротвердомер ПМТ-ЗМ) и шероховатости поверхности (профилометр 283), изучения масс-спектров вторичных ионов (масс-спектрометр МС-7201М).

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработана и запатентована методика ускоренных испытаний поверхности никелевых сплавов с защитными покрытиями, позволяющая за 8-10 час получить коррозионные повреждения, аналогичные эксплуатационным, за 10-15 тыс. час наработки в составе изделия (патент РФ № 2247359). Данный способ может быть использован для ускоренной оценки коррозионной стойкости защитных покрытий на никелевых сплавах и выбора эффективных растворов для удаления дефектного покрытия.

2. Разработаны составы травильных электролитов для удаления дефектного Al-Si покрытия, имеющего наработку, и без наработки, позволяющие обеспечить приемлемое качество поверхности при снижении экологической нагрузки на производство и увеличении загрузки мощностей серийного гальванического участка.

3. Показана возможность использования покрытия ВСДП-11 для длительной защиты поверхности сплава ЦНК-7П от окисления при дополнительном повышении термостойкости в 1,2 раза и долговечности материала в 1,5 раза в сравнении с Al-Si покрытием и сохранении предела выносливости на уровне исходного состояния сплава.

4. Разработаны режим и технология имплантации иттербием поверхности лопаток турбины из никелевых сплавов, обеспечивающие повышение предела выносливости материала на 11 % и жаростойкости в 1,4 раза. На ФГУП НЛП «Мотор» проведена обработка партии рабочих лопаток И ступени свободной турбины ГТП-10/953 на базе ТРД Р95Ш, которые прошли без замечаний приемо-сдаточные испытания в составе изделия в КЦ-5 ОАО «Башкирэнерго».

5. Разработана ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7Т1, включающая удаление дефектного покрытия и комбинированную ионно-имплантационную и вакуумно-плазменную обработку поверхности деталей и позволяющая увеличить жаростойкость в 2,5 раза, коррозионную стойкость в 1,9 раз, жаропрочность в 1,6 раз и выносливость в 1,2 раза, в результате чего достигается увеличение ресурса деталей в 1,2 раза Данный техпроцесс принят к внедрению в ОАО «УМНО»

На защиту выносятся:

1. Методика ускоренных испытаний лопаток для имитации коррозионной повреждаемости их поверхности.

2. Закономерности и режимы химического удаления Al-Si покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку, и без наработки.

3. Результаты сравнительных испытаний сплава ЦНК-7П с серийным Al-Si покрытием и вакуумно-плазменным покрытием ВСДП-11.

4. Закономерности влияния дозы облучения иттербием на физико-химические, механические и эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П

5. Результаты исследований жаростойкости, длительной прочности и сопротивления усталости сплава ЦНК-7П после комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки его поверхности

6. Ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П, обеспечивающая повышение их эксплуатационной надежности.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях 6-ой Международной конференции «Пленки и покрытия '2001» (С -Петербург, 2001); Ш Международном научно-практическом семинаре «Современные электрохимические технологии в машиностроении» (Иваново, 2001); Международной конференции «Авиация и космонавтика - 2003» (Москва, 2003); Международной научно-технической конференции «Электрохимические и электролит-но-плазменные методы модификации металлических поверхностей» (Кострома, 2003); 7th International Conference on Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Томск, 2004); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы современного машиностроения» (Уфа, 2004).

Публикации. Результаты исследований отражены в 25 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, заключения и 3 приложений, включает 249 страниц машинописного текста, содержит 72 рисунка, 31 таблицу и библиографический список из 184 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее задачи, отмечается новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе проводится обзор научной и патентной литературы, отражающий современное состояние вопроса. Указывается, что при отсутствии информации об изменении состояния материала рабочих лопаток и покрытия в процессе эксплуатации, необходимым становится проведение моделирования процессов накопления наиболее значимых повреждений и на основе полученной информации определения эффективного способа удаления дефектного покрытия. Отмечается, что увеличение ресурса деталей может быть достигнуто с использованием перспективных методов обработки материалов, к которым относятся ионно-имплантационное и вакуумно-плазменное модифицирование поверхности. Анализ научной и патентной литературы, а также опыта производства, позволяет наметить пути решения поставленных задач.

1. В работах Л.Б. Гецова, A.C. Гишварова, Б.Н. Гузанова, В.П. Кузнецова, В.И. Никитина, И.В. Орыпшча, Ч.Т. Симса и др. моделирование повреждаемости поверхности деталей осуществлялось с применением методов ускоренных испытаний. Анализ показал, что наиболее значимым фактором, лимитирующим долговечность покрытия, являются его жаро- и коррозионная стойкость, зависящие от максимальной температуры газа и агрессивности среды, более полно проявляющиеся при использовании тигельного метода испытаний. Однако существующие методики ускоренных испытаний тигельным методом характеризуются рядом недостатков: не отражается в полной мере состав газовоздушного тракта двигателя, время испытания колеблется от 40 до 100 часов, используется несколько операций. Поэтому необходимо было разработать наиболее эффективный состав агрессивной среды и обеспечить минимальное время при более простой технологии данных испытаний.

2. Анализ работ H.A. Амирхановой, Г.Н. Ковалевой, П.Т. Коломыцева, P.P. Невьянцевой, H.A. Ночовной, С.П. Павлинича и др., а также опыт авиаци-

б

онных предприятий, показали, что для удаления дефектных покрытий в условиях серийного производства наиболее приемлемым является химический метод. Однако удаление Al-Si покрытия химическим методом проводится при температуре 40-50 °С с использованием растворов плавиковой кислоты, которая обладает высокой токсичностью и не поддается утилизации. С целью снижения экологической нагрузки на производство необходимо выявить эффективные растворы с менее токсичными компонентами, позволяющие производить съем дефектных покрытий при комнатной температуре.

3. Наносимое в серийном производстве шликерное Al-Si покрытие обладает радом существенных недостатков: не обеспечивается однородность по толщине покрытия, имеют место инородные включения и мелкие рассеянные поры. По данным работ Н.В. Абраимова, В.В. Будилова, П.Т. Коломыцева, С.А. Мубояджяна, Г.Б. Строганова, Ю.А. Тамарина, В.М. Чепкина и др. устранение указанных недостатков может быть достигнуто использованием вакуумно-плазменных жаростойких покрытий. Так на двигателе AJT-31Ф для защиты рабочих лопаток ТВД успешно применятся покрытие ВСДП-11, наносимое методом ВГТГВЭ. Покрытие имеет элементный и фазовый состав подобный Al-Si покрытию, однако, за счет дополнительного легирования иттрием и меньшего содержания алюминия обладает большей пластичностью и адгезионной прочностью, обеспечивая повышение жаростойкости и долговечности материала сплава. Однако из литературы известно о применении покрытия для материалов лопаток авиатурбин, и практически отсутствуют данные об использовании покрытия ВСДП-11 для материалов энергоустановок наземного применения.

4. Повышение эксплуатационных свойств материалов за счет имплантации их поверхности изложено в работах A.B. Белого, А.М. Смыслова, А.М. Сулимы, Г.Е. Ремнева, В.А. Шулова и др. По данным М.И. Гусевой большое влияние на свойства материала оказывает сорт имплантируемого элемента. А.Н. Диденко с соавторами отмечает, что наибольшая жаростойкость титана достигается при имплантации в его поверхность ряда редкоземельных элементов, в частности иттербия. Ю.Д. Ягодкин также указывает, что Yb+ в значительной мере снижает окисляемостъ никеля. Рассмотренные данные свидетельствуют о перспективности применения иттербия в качестве микролегирующей добавки. Однако в литературе отсутствуют сведения о влиянии имплантации иттербием поверхности никелевых сплавов на их эксплуатационные свойства.

Достижение необходимого уровня легирования поверхности материала обеспечивается за счет выбора эффективной дозы облучения. Однако не существует единого подхода к выбору эффективной дозы имплантации. Так по данным И.П. Семеновой, В.А. Шулова, Ю.Д. Ягодкина и др. оптимальной дозой для имплантации сплава ЖС32 лантаном является доза 1017, чистого никеля иттербием - 6x1017, церием - 2хЮ16 ион/см2. Поэтому для имплантации иттербием сплава ЦНК-7П выбор режима обработки является важной задачей.

5. В работах В.В. Будилова, Ю.М. Дыбленко, С.А. Мубоядасяна, B.C. Мухина, A.M. Смыслова и др. показано, что наиболее перспективным методом повышения ресурса высоконагруженных деталей является комбинированная ионно-имплантационная и вакуумно-плазменная обработка поверхности. Так для титановых сплавов ВТ6 и ТС-5 и сталей 20X13 и 15X11МФ использование комбинированной обработки (имплантация N* с последующим нанесением покрытия Ti-TiN) позволило повысить фреттинг-стойкость до 4 раз и предел выносливости на 9-14 %, а при имплантации В+ в сплав ЖС6У и La+ в покрытие NiCrAlY увеличить жаростойкость. Однако в литературе недостаточно освещены вопросы использования комбинированной обработки материалов из никелевых сплавов, используемых в энергоустановках наземного применения.

Во второй главе рассмотрен химический и фазовый состав сплава ЦНК7П, описаны методики экспериментальных исследований и использованное оборудование. Представлены методики определения жаростойкости и коррозионной стойкости, микротвердости и сопротивления термоусталости, длительной и усталостной прочности, скорости химического травления покрытия и измерения растравливания поверхности сплава, электродного потенциала поверхности, проведения металлографического, ренттенофазового и микрорент-геноспектрального анализа, вторично-ионной масс-спектрометрии.

В третьей главе представлены результаты исследований по разработке методики ускоренных испытаний для создания коррозионных повреждений в Al-Si покрытии на сплаве ЦНК-7П.

При выборе эффективного состава синтетической золы по литературным данным был проанализирован состав синтетических зол и золовых отложений на никелевых сплавах. Установлено, что наиболее характерными компонентами большинства зол являются сульфаты и хлориды щелочных и щелочноземельных металлов, а также оксиды некоторых металлов. С учетом диаграмм состоя-

ния и температур плавления выявлено функциональное действие каждого из компонентов золы с учетом их процентного содержания. На основе полученных данных определен состав синтетический золы: Na2S04 - 48 %; MgS04 - 15 %; NaCl - 17 %; СаС12 - 5 %; Fe2C>3 - 10 %; V205 - 5 %. Испытания проводились по усовершенствованному методу Дина, в отличие от которого образцы размещались в том же тигле, где находилась синтетическая зола.

Для оценки температуры испытания учитывались данные В.М. Чепкина и В.И. Никитина по ограничению работоспособности материала лопаток за счет высокотемпературной коррозии и конструктивно назначенный диапазон температур эксплуатации. На основе сопоставления указанных данных была выбрана температура испытаний 900 °С.

При изучении динамики удельной массы образцов (рис. 1) установлено наличие инкубационного периода, этапов ускоренной и катастрофической коррозии. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что при коррозии образцов без покрытия инкубационный период связан с первоначальным окислением поверхности с образованием защитных слоев. После данного периода начинается процесс ванадиевой коррозии. Соединения ванадия, разрушая оксидную пленку на сплаве, способствуют активизации процесса коррозии. Появление значительного количества оксидов никеля после 15 часов испытания свидетельствует о наступлении этапа катастрофической коррозии.

При испытании образцов с Al-Si покрытием продолжительность отдельных этапов коррозии увеличивается в 1,5-2 раза. В данном случае инкубационный период также связан с наличием защитных оксидных слоев, но уже

через 5 ч испытания проявляется сульфидно-оксидная коррозия. Повреждение поверхности покрытия способствует проникновению в него оксихлоридов ванадия и протеканию ванадиевой коррозии. Наличие двух видов коррозии способствует значительному увеличению массы образцов и отражается на кривой в виде экстремума. Постепенно ванадиевая коррозия подавляет сульфидно-оксидную

Рисунок 1 - Кинетика коррозии образцов из сплава ЦНК7П в синтетической золе: 1 - с Al-Si покрытием; 2 - без покрытая.

коррозию, что приводит к сильному разрыхлению поверхностных слоев и последующему сколу продуктов коррозии, в результате чего масса образцов резко снижается. Исследованиями установлено отсутствие покрытия в данный момент времени, в результате чего далее на этапе катастрофической коррозии процесс протекает аналогично образцам из сплава ЦНК-7П, на которые защитное покрытие не наносилось. Результаты металлографического анализа подтвердили высказанные предположения и показали, что за 8-10 ч коррозия проникает на всю глубину покрытия, не затрагивая поверхности сплава. Сопоставление фазового состава продуктов коррозии, полученных в течение указанного времени, с данными В.И. Никитина по коррозионной повреждаемости натурных лопаток газовых турбин после их наработки в течение 10-15 тыс. ч, позволяет установить аналогичность коррозионных процессов при искусственной наработке и процессов, протекающих в условиях реальной эксплуатации деталей в составе изделия.

В четвертой главе приведены результаты исследования по химическому удалению Al-Si покрытия с производственными и эксплуатационными дефектами в травильном растворе, содержащем НС1 и HN03 с добавками К2Сг207 и (NH4)6Mo7024, который используется в ОАО «УМПО» для съема покрытия NiCr/CrAlY со сплава ЖС6У при температуре 40 °С.

На рисунке 2 представлены диаграммы скоростей съема покрытия в зависимости от концентрации добавок. Аналогичные диаграммы были получены и для глубины растравов по поверхности сплава после удаления покрытий. Установлено, что скорость удаления покрытий в растворах без добавок имеет минимальное значение, и отмечается значительное растравливание поверхности сплава. Введение отдельных добавок способствует ускорению процесса съема покрытий за счет их окислительных свойств, а бихромат калия пассивирует поверхность сплава вследствие образования тонких слоев оксохроматов никеля. При совместном использовании обеих добавок проявляется синергети-ческий эффект, заключающийся в постоянной регенерации молибдат-ионов, которые инициируют процесс пополнения в растворе дополнительных ионов Сг* , усиливающих эффект пассивации поверхности покрытия и сплава.

Показано, что закономерности, свойственные для образцов с наработкой и без наработки, в основном аналогичны. Однако среднее значение скоростей травления покрытия с наработкой оказывается ниже в связи с наличием хими-

Рисунок 2 - Зависимость скорости удаления покрытия с производственными (д) и эксплуатационными (б) дефектами (мг/см^мин) от концентрации добавок

чески стойких продуктов коррозии. Результаты исследований подтверждены измерениями электродных потенциалов поверхности в ходе процесса травления. Установлено, что момент резкого спада величины электродного потенциала поверхности отвечает времени полного удаления покрытия и может быть использован в качестве критерия останова процесса химического травления.

Объем проведенных исследований позволил установить эффективные составы травильных растворов: для покрытия с производственными дефектами - раствор с добавкой 145-160 г/л К2Сг207, а с эксплуатационными дефектами -раствор с дополнительным введением 55-65 г/л (NH^MotOm- Рекомендованные растворы позволяют осуществить съем покрытия при комнатной темпера- | туре за время 60-65 минут с обеспечением требуемого качества поверхности.

В пятой главе представлены результаты по изучению физико-химических и механических свойств поверхности сплава ЦНК-7П с покрытием ' ВСДП-11 и влиянию имплантации поверхности сплава иттербием.

В связи с необходимостью оценки возможности замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11 проведены сравнительные испытания образцов с указанными покрытиями на жаростойкость, термостойкость и выносливость. Установлено, что Al-Si покрытие толщиной 50 мкм повышает жаростойкость сплава на 30 %, а покрытие ВСДП-11 толщиной 55 мкм - на 50 % (рис. 3). Анализ данных по элементному составу и измерению микротвердости по глубине покрытий показал, что в обоих случаях при окислении формируется защитный

100

200

слой AljOj. Так как покрытие ВСДП-11 легировано иттрием, то —12 при его окислении образуются также и оксиды YzOj, которые являются дополнительными центрами зарождения оксидного слоя, ускоряют его рост и обеспечивают повышение адгезии защитного оксид-

Рисунок 3 - Изменение массы образцов в ного слоя к покрытию. Анализ дан-процессе испытания на жаростойкость при

850 °С: 1 - сплав ЦНК-711; 2 - с покрытием ных ° хаРактеРе перераспределения Al-Si; 3 -с покрытием ВСДП-11 элементов в покрытиях в процессе

испытания показал, что в связи со встречной диффузией кремния в сплав и никеля в покрытие в обоих случаях формируется хрупкая мартенсиггная структура. Установлено, что в Al-Si покрытии такая структура образуется как под оксидным слоем у поверхности, так и на границе внешней и внутренней зон покрытия. В случае покрытия ВСДП-11 формирование мартенситной структуры обнаружено только под оксидным слоем у поверхности образца, что предотвращает сколы внешней зоны и обеспечивает сохранение защитных свойств покрытия.

Исследовано влияние толщины покрытия ВСДП-11 на жаростойкость и циклическую термостойкость сплава. Показано, что с увеличением толщины от 30 до 70 мкм жаростойкость увеличивается в 1,4 раза, что связано с большим запасом алюминия в покрытии, а термостойкость уменьшается в 1,2 раза вследствие снижения пластичности более толстых покрытий. Исходя из этого, эффективной толщиной покрытия ВСДП-11 следует считать 50-55 мкм.

Целесообразность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11 доказана также результатами усталостных испытаний образцов при 600 "С. Установлено, что при оа=180 МПа среднее число циклов до разрушения образцов с Al-Si покрытием составляет 2,2-Ю7 циклов, а с покрытием ВСДП-11 - 2,5-Ю7 циклов. Фрактографическим анализом усталостных изломов установлено, что увеличение выносливости образцов с покрытием ВСДП-11 обусловлено наличием в нем иттриевых фаз, снижающих температуру хрупко-пластического перехода и повышающих пластичность покрытия. При 600 °С в Al-Si покрытии в

условиях повышенной хрупкости фазы ß-NiAl образуются микротрещины, инициирующие ускорение усталостного разрушения образцов.

При исследовании влияния модифицирования поверхности сплава ЦНК7П ионами иттербия с использованием теории Линхарда, Шарфа и Шиотта с дополнительным учетом параметров, характеризующих распыление поверхности подложки при облучении, был рассчитан теоретический профиль распределения иттербия по глубине поверхностного слоя никеля. Установлено, что максимальная глубина проникновения ионов составляет 18 нм, а эффективной дозой облучения является D=5 1016 ион/см2, выше которой происходит интенсивное распыление поверхности, а ниже - не достигается ее насыщение. Учитывая результаты теоретического расчета и различия в химическом и фазовом составе никеля и сплава ЦНК-7П, для исследования был выбран диапазон доз от 1016 до 2* 1017 ион/см2.

Исследования по изучению масс-спектров вторичных ионов, микротвердости, ее распределения по глубине, жаростойкости сплава, электродного потенциала поверхности при дозах облучения 10,6...2-1017 ион/см2 (рис. 4) показали, что при D=5-1016 ион/см2 достигается максимальное содержание иттербия и его оксида в поверхностном слое, степень и глубина упрочнения, минимальная скорость окисления при 850 °С и наибольшая пассивация поверхности.

Установлено также, что при данной дозе облучения физический предел усталостной прочности повышается на 11 %, а жаропрочность сплава - до 10 % по сравнению с исходным состоянием. Улучшение физико-химических и эксплуатационных характеристик сплава ЦНК-7П при имплантации в его поверх-

Рисунок 4 - Зависимость содержания иттербия (/) и его оксидов (2), микротвердости

поверхности (3), глубины упрочнения (4), величины электродного потенциала поверхности (5) и скорости окисления при 850 °С (б) от дозы облучения сплава ЦНК-7П ионами иттербия при Е=30 кэВ

ность УЬ+ обусловлено действием в поверхностном слое дислокационного, твердорастворного и дисперсионного механизмов упрочнения.

Положительные результаты по им плантационному модифицированию иттербием поверхности никелевого сплава позволили разработать соответствующую технологию и внедрить ее на ФГУП «НЛП «Мотор» для рабочих лопаток П ст. силовой турбины изд. ГШ-10/953 на базе ТРД Р95Ш.

В шестой главе приведены результаты исследований по влиянию комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные свойства.

Установлено, что комбинированная обработка поверхности, включающая на первом этапе имплантацию иттербием (Е=30 кэВ, ЕИ5-1016 ион/см2), а на втором - нанесение покрытия ВСДП-11 толщиной 55 мкм, в совокупности обеспечивает, в сравнении с покрытием ВСДП-11, повышение жаростойкости в 2,35 раза, увеличение выносливости в 1,2 раза и жаропрочности в 1,6 раза.

Металлографические исследования и фракто графический анализ изломов показали, что при комбинированной обработке создается композиция «покрытие - поверхностный слой сплава», характеризующаяся оптимальным содержанием легирующих элементов и дислокационным упрочнением поверхностных слоев сплава. Такая композиция обеспечивает увеличение пластичности покрытия и торможение взаимной диффузии элементов сплава и покрытия, обусловливая повышение жаростойкости. Формирование развитой дислокационной структуры в поверхностных слоях сплава вызывает наведение остаточных напряжений сжатия и упрочнение межзеренных границ, что способствует снижению скорости распространения усталостных трещин.

Положительные результаты исследований позволили разработать ре-монтно-восстановительную технологию для лопаток турбины из сплава ЦНК-7П, обеспечивающую повышение ресурса в 1,2 раза по сравнению с ресурсом серийных лопаток. В ОАО «УМПО» опытная партия лопаток, прошедшая обработку по данной технологии, признана годными к постановке на длительные испытания в составе серийного изделия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые для опережающей разработки ремонтных мероприятий и оценки их эффективности создана методика ускоренных испытаний сплава ЦНК-7П с Al-Si покрытием (патент РФ № 2247359), позволяющая за время 8-10 часов получить коррозионные повреждения поверхности лопаток, аналогичные их повреждениям за 10 тысяч часов наработки в составе изделия.

2. На основе анализа физико-химических процессов взаимодействия компонентов травильного раствора и гетерофазных процессов на границе «поверхность детали - электролит» установлено ускоряющее действие добавок (NH4)6Mot024 и К2Сг207 на съем дефектного Al-Si покрытия и пассивирующее влияние бихромата калия на поверхность сплава ЦНК-7П.

Для организации ремонтной технологии выявлены эффективные составы электролитов, позволяющие удалять покрытия с производственными и эксплуатационными дефектами при комнатной температуре за время 60-65 мин.

3. Установлено, что повышение жаростойкости покрытия ВСДП-11, в сравнении с Al-Si покрытием, обусловлено снижением доли хрупкой мартен-ситной составляющей в результате более благоприятного перераспределения элементов, а увеличение термостойкости и выносливости связано с блокирующим действием иттриевых фаз во внешней зоне покрытия. Показана эффективность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11 толщиной 50-55 мкм.

4. Впервые разработан режим ионно-имплантационного модифицирования иттербием поверхности сплава ЦНК-7П, обеспечивающий, вследствие протекания в поверхностном слое дислокационного, твердорастворного и дисперсионного механизмов упрочнения, повышение микротвердости на 40-45 % на глубинах до 60 мкм и образование фаз выделения, содержащих иттербий и его оксиды, что способствует повышению жаростойкости в 1,4 раза, выносливости на 11 % и жаропрочности сплава до 10 % соответственно.

5. Установлено, что комбинированное модифицирование поверхности сплава ЦНК-7П путем имплантации иттербием и последующим нанесением покрытия ВСДП-11 приводит к повышению его жаростойкости в 2,35 раза с обеспечением выносливости и жаропрочности в соответствии с требованиями технических условий на лопатки турбины ГПА.

6. Разработана и внедрена в ОАО «УМГТО» ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины из сплава ЦНК-7П, позволяющая повысить ресурс деталей в 1,2 раза при обеспечении затрат на ремонтные работы не более 10 % от стоимости изготовления новой лопатки.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Быбин A.A. Влияние фазового состава жаростойкого покрытия на скорость его удаления при ремонте лопаток ГТД / И.П. Семенова, P.P. Невьян-цева, A.A. Быбин, Е.В. Парфенов, О.Г. Смольникова // Пленки и Покрытия: Сб. трудов 6-ой Междунар. конф. - С.-Петербург: С.-ПбГТУ, 2001. - С. 544 - 546.

2. Быбин A.A. Некоторые аспекты высокотемпературной коррозии литейного сплава ЦНК-7П с алюмосилицированным покрытием / A.A. Быбин, Е.В. Парфенов // XXIX Гагаринские чтения: Тезисы докл. Междунар. науч. конф. - М.: Изд. МАТИ-РГТУ, 2003. - Т. 1. - С. 6 - 7.

3. Быбин A.A. Об удалении алюминидного покрытия с лопаток ГТД / H.A. Амирханова, P.P. Невьянцева, A.A. Быбин, И.П. Семенова, О.Г. Смольникова // Защита металлов, 2003. - Т. 39. - № 5. - С. 538 - 541.

4. Быбин A.A. Роль электродного потенциала поверхности при изучении процесса удаления алюминидного покрытия с рабочих лопаток турбины ГПА / H.A. Амирханова, P.P. Невьянцева, А.А Быбин, О.Г. Смольникова // Вестник УГАТУ, 2003. - Т. 4. - № 2. - С. 143 - 146.

5. Быбин A.A. Разработка ремонтной технологии рабочих лопаток газовых турбин / А.М. Смыслов, Р.Р. Невьянцева, A.A. Быбин И Авиация и космонавтика — 2003: Материалы международной конференции - М.: Изд-во МАИ, 2003.-С. 173-174.

6. Быбин A.A. Особенности удаления дефектного покрытия Al-Si со сплава ЦНК7П химическим методом / A.M. Смыслов, P.P. Невьянцева, A.A. Быбин, H.A. Амирханова, О.Г. Смольникова // Известия вузов. Авиационная техника: КГТУ, 2004. - № 2. - С. 79 - 80.

7. Быбин A.A. Некоторые особенности высокотемпературного окисления алюминидных покрытий на сплаве ЦНК7П / А.М. Смыслов, P.P. Невьянцева, A.A. Быбин // Металловедение и термическая обработка металлов, 2004. -№8.-С. 31 -36.

8. Быбин A.A. Высокотемпературная коррозия сплава ЦНК7П с защитным алюминидным покрытием / A.M. Смыслов, P.P. Невьянцева, A.A. Быбин, Е.В. Парфенов // Защита металлов, 2004.-Т. 40. - № 5. - С. 553 - 556.

9. Быбин A.A. Влияние ионной имплантации иттербием на некоторые свойства сплава ЦНК-7П / A.M. Смыслов, P.P. Невьянцева, A.A. Быбин, Н.Ф. Измайлова, Е.В. Парфенов // Модифицирование материалов заряженными частицами и плазменными потоками: Материалы 7-й международной конференции - Томск, 2004. - С. 381 - 383. (опубл. на англ.).

10. Быбин A.A. Роль поверхности при разработке ремонтной технологии лопаток турбины ГПА // Проблемы современного машиностроения: Материалы Всероссийской научной конференции - Уфа.: Изд. УГАТУ, 2004. - С. 71.

11. Патент 2247359 (РФ). Способ ускоренного испытания алюминидного покрытия на высокотемпературную коррозионную долговечность / А.М. Смыслов, P.P. Невьянцева, A.A. Быбин, Е.В. Парфенов, И.П. Семенова, О.Г. Смольникова. МПК7 G 01N 17/00. Опубл. 27.02.2005. Бюл. № 6.

БЫБИН Андрей Александрович

РАЗРАБОТКА РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТД ИЗ СПЛАВА ЦНК-7П

Специальности 05.07.05 - Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов и 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработай

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 11.11.2005 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная № 1. Печать плоская. Гарнитура Times. Усл. печ. л. 1,0. Усл. кр.-отт 1,0. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ 510'

Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

»22 132

РЫБ Русский фонд

2006-4 18620

Введение. ц

Глава 1 Литературный обзор.

1.1 Анализ условий работы и повреждаемости лопаток турбины авиационных двигателей и промышленных газовых турбин.

1.1.1 Термоусталостное разрушение деталей ГТД и ГТУ.

1.1.2 Повреждение деталей ГТД и ГТУ в условиях высокотемпературного окисления и коррозии.

1.2 Анализ возможностей проведения эквивалентных ускоренных испытаний с целью создания искусственной наработки поверхности.

1.3 Состояние вопроса по восстановлению и повышению эксплуатационных свойств лопаток газовых турбин. 40,

1.3.1 Способы удаления дефектных покрытий с ремонтных лопаток турбины ГТД и ГТУ. 1.3.2 Анализ способов повышения служебных характеристик поверхности лопаток газовых турбин.

Выводы по литературному обзору. Пути решения поставленных задач

Глава 2 Изучаемые материалы и методы исследования.

2.1 Химический состав и свойства сплава ЦНК-7П.

2.2 Технология нанесения защитных покрытий Al-Si и ВСДП-11 на поверхность сплава ЦНК-7П.

2.3 Оборудование для ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П.

2.4 Методики определения жаростойкости и проведения ускоренных высокотемпературных коррозионных испытаний.

2.5 Методики определения микротвердости, длительной прочности,

Щ сопротивления усталости и термоусталости.

2.6 Методы анализа физико-химического и структурно-фазового состава поверхностного слоя исследуемых материалов. ф 2.7 Методика исследования процессов удаления покрытия с поверхности образцов химическим методом. Обработка результатов —

Глава 3 Изучение закономерностей процесса высокотемпературной коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием Al-Si.

3.1 Исследование влияния природы и концентрации компонентов синтетической золы и температуры испытаний на процесс ВТК. Выбор режима ускоренных высокотемпературных коррозионных ф испытаний.

3.2 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии поверхности сплава ЦНК7П.

3.3 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием ф Выводы к Главе 3.

Глава 4 Изучение механизма удаления дефектного алюмосилицидного покрытия со сплава ЦНК-7П химическим методом.

4.1 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего дефект «несоответствие толщины», с поверхности сплава ЦНК7П.

4.2 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего высокотемпературное коррозионное повреждение

Выводы к Главе 4.

Глава 5 Исследование влияния вакуумно-плазменного и ионно-плазменного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные характеристики.

5.1 Исследование влияния диффузионного вакуумного ионно-щ плазменного покрытия ВСДП-11 на эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П.

5.2 Изучение влияния ионной имплантации иттербия на долговечность и выносливость сплава ЦНК-7П. ф Выводы к Главе 5.

Глава 6 Изучение влияние комбинированной обработки поверхности ионно-плазменными методами на свойства сплава ЦНК-7П. Разработка ремонтной технологии лопаток турбины изделия АЛ-31СТ.

6.1 Исследование влияния ионного модифицирования поверхности сплава иттербием на состав и структуру диффузионного вакуумного ионно-плазменного покрытия ВСДП

6.2 Исследование влияния комбинированной обработки (ионное модифицирование + вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11) на эксплуатационные характеристики сплава ЦНК-7П.

6.3 Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины из сплава ЦНК-7П газотурбинного привода AJI-3 IGT

Выводы к Главе 6.

Интенсивное развитие отечественного и зарубежного энергетического комплекса связано в настоящее время со значительными достижениями в авиационном двигателестроении. Энергоустановки наземного применения различной мощности, в состав которых входит газогенератор, нашли широкое применение как в установках для выработки тепла и электроэнергии, так и в агрегатах для транспортировки газа по территории России и за ее пределы. Такое целевое назначение энергоустановок и агрегатов обусловливает жесткие требования к их надежности в работе в течение длительного времени. Ресурс современных ГТУ и ГПА достигает 30.35 тысяч часов при межремонтном ресурсе ~ 10.15 тысяч часов. В данных условиях изделие должно обладать высокими коэффициентами готовности пуска и технического использования.

Одним из основных узлов газотурбинных установок и агрегатов является турбина, и к наиболее ответственным деталям, к которым предъявляются самые высокие требования в производстве и при эксплуатации, относятся рабочие лопатки. В процессе наработки в условиях повышенных температур, нагрузок и агрессивных сред в лопатках возникают различные дефекты, ограничивающие их ресурс.

В настоящее время доказано, что в условиях значительного парка эксплуатируемых ГТП и ГПА наиболее экономичным вариантом поддержания энергоустановок в рабочем состоянии является проведение регламентных ремонтных мероприятий. Основная цель таких работ сводится к тому, чтобы при сравнительно невысоких затратах обеспечить гарантированный ресурс как отдельных деталей, например, лопаток турбины, так и изделия в целом. В виду того, что ремонтные работы, как правило, осуществляются на тех же предприятиях, на которых производится выпуск того или иного типа энергоустановок, то данным организациям в целях обеспечения конкурентоспособности своих изделий приходится затрачивать средства на разработку и реализацию ремонтно-восстановительных технологий. В большинстве случаев этап создания и внедрения новых ремонтных технологий наступает лишь при выработке изделием своего межремонтного ресурса, что вызывает неоправданные простои энергооборудования. В связи с этим на многих предприятиях авиационной отрасли используется принцип опережающей отработки новых конструкторских и технологических решений, касающихся проблем ремонта и восстановления деталей и узлов изделия. Такой подход требует получения информации о степени повреждаемости деталей в процессе эксплуатации, а при решении задач, связанных с повышением качества и работоспособности деталей, использования новых научных достижений.

В данной работе в качестве объекта исследования выбрана рабочая лопатка турбины низкого давления привода АЛ-31СТ, входящего в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р «Уфа», выпускаемых ОАО УМПО. Ресурс изделия составляет 30 тысяч часов при межремонтном ресурсе 10 тысяч часов. В настоящее время привод в составе лидерного ГПА имеет наработку ~ 9 тысяч часов, т.е. информация об изменении состояния лопаток за межремонтный период времени отсутствует.

В тоже время опыт ряда предприятий, например ОАО «Волготрансгаза», ОАО НПК «Трибоника» и др., показывает, что лопатки данного типа при их эксплуатации в составе ГПА ГТК-25И не выдерживают гарантированного ресурса. При наработке в материале лопаток развиваются процессы старения, которые проявляются в виде деформационного упрочнения поверхностного слоя (на глубину ~ 100 мкм) и деградации микро- и субструктуры (распад фазы у'-№зА1, размельчение субзерен никеля и возрастание плотности дефектов на их границах). В результате дальнейшая эксплуатация турбинных лопаток будет продолжаться за счет уменьшения запаса пластичности, перехода поверхностного слоя в режим ускоренной стадии ползучести и увеличения вероятности хрупкого разрушения.

В отличие от лопаток, используемых в агрегате ГТК-25И, лопатки турбины привода АЛ-31СТ имеют защитное алюмосилицидное покрытие, предохраняющее материал деталей от высокотемпературного окисления и коррозии. Однако опыт эксплуатации лопаток турбины с данным покрытием в составе двигателя АЛ-31Ф, являющегося базовой частью привода АЛ-31 CT, показывает сравнительно невысокую долговечность покрытия. При наработке возникают термоусталостные трещины и коррозионные повреждения, распространяющиеся как на всю глубину покрытия, так и заходящие в основной материал на глубину до 10. 15 мкм.

В связи с вышеизложенным, уже на стадии эксплуатации изделия возникает проблема обеспечения и повышения ресурса лопаток турбины, что определяет необходимость разработки мероприятий по восстановительному ремонту. При разработке программы исследования для создания ремонтно-восстановительной технологии исходили из опыта предприятий авиационной отрасли и анализа большого объема данных патентной и научной литературы. Известно, что на первой стадии с целью выявления ремонтопригодных деталей проводится их дефектация. Отсутствие данных по повреждаемости Al-Si покрытия при эксплуатации лопаток из сплава ЦНК-7П вызывает необходимость проведения ускоренных испытаний и на базе полученной информации выбора стратегии построения ремонтной технологии.

Лопатки, на которых в процессе дефектации обнаруживаются повреждения защитного покрытия без нарушения структуры материала подложки, подвергаются операции удаления дефектного покрытия с последующим перепокрытием деталей. Для обеспечения экологических требований производства требуется подобрать травильные растворы, не содержащие токсичной и не поддающейся утилизации плавиковой кислоты, входящей в состав электролитов, используемых в серийном производстве для удаления алюминидных покрытий.

Мероприятия по дефектации и удалению дефектных покрытий являются стандартными видами регламентных работ при ремонте деталей. Дальнейшее повышение ресурса лопаток турбины после удаления покрытия требует введения в ремонтную технологию операций обработки поверхности сплава более эффективными методами. Защитное Al-Si покрытие, наносимое на поверхность сплава ЦНК-7П, обладает рядом существенных недостатков, присущих шли-керной технологии. Анализ последних работ ВИАМа, института им. O.E. Пато-на и ряда других отраслевых НИИ показывает, что наиболее перспективными защитными покрытиями для никелевых жаропрочных сплавов являются ваку-умно-плазменные покрытия. Учитывая, что вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11, наносимое на лопатки из сплавов типа ЖС, обладает повышенным сроком службы, то для увеличения ресурса деталей необходимо исследовать целесообразность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11.

Работы, посвященные проблеме создания поверхности деталей со специальными свойствами, показывают, что одним из приоритетных направлений в данной области является имплантирование сплавов на никелевой основе рядом редкоземельных элементов, в частности иттербием, который повышает жаростойкость чистого никеля. Поэтому для более полного использования эксплуатационных свойств жаропрочного сплава ЦНК-7П требуется изучение влияния на его свойства ионной имплантации иттербием.

Предполагается далее, что в результате сочетания ионно-импланта-ционного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности может быть сформирована более эффективная композиция «поверхность сплава - покрытие», которая позволит в значительной мере повысить ресурс деталей.

Анализ проблемы позволили сформулировать цель и задачи работы. Цель исследования. Исследование возможности повышения эксплуатационных свойств лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П на стадии их восстановительного ремонта путем удаления дефектного Al-Si покрытия и комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.

Задачи исследования:

1. Разработка методики ускоренных испытаний турбинных лопаток для имитации коррозионной повреждаемости их поверхности.

2. Изучение закономерностей удаления Al-Si покрытия химическим методом. Выявление эффективных составов электролитов для удаления покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.

3. Исследование возможности повышения ресурса турбинных лопаток путем замены Al-Si покрытия на вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11.

4. Изучение влияния ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные свойства и определение эффективного режима обработки.

5. Исследование влияния комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности на эксплуатационные свойства лопаток турбины.

6. Разработка технологии ремонта рабочих лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П с целью обеспечения их ресурса.

Научная новизна

1. На основе анализа функционального действия компонентов различных синтетических зол и золовых отложений на лопатках из никелевых сплавов отечественного и зарубежного производства подобран состав синтетической золы и режим испытания, обеспечивающие совместное проявление сульфидно-оксидной и ванадиевой коррозии, позволяющей за минимальное время получить коррозионные повреждения покрытия аналогичные эксплуатационным.

2. Для решения проблемы удаления дефектного Al-Si покрытия со сплава ЦНК-7П на основе анализа процессов на межфазовой границе «электролит -поверхность детали» и физико-химического взаимодействия между компонентами травильного раствора впервые объяснен механизм удаления дефектного покрытия и последующая пассивация поверхности сплава.

3. Установлено, что увеличение жаростойкости и циклической термостойкости покрытия ВСДП-11 по сравнению с Al-Si покрытием обусловлено более благоприятным распределением элементов по глубине покрытия и снижением вероятности образования хрупкой мартенситной структуры между внешней и внутренней зонами покрытия ВСДП-11.

4. Установлен идентичный характер зависимости механических и физико-химических свойств поверхности сплава ЦНК-7П от дозы облучения ионами

1 (\ О иттербия, характеризующейся наличием экстремума при дозе 5-10 ион/см , обеспечивающей повышение выносливости, жаропрочности и жаростойкости сплава за счет тормозящего действия дислокационной структуры и фаз выделения на основе иттербия.

5. Впервые показана возможность значительного повышения жаростойкости никелевых сплавов при сохранении требуемого уровня усталостной и длительной прочности за: счет использования комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработана и запатентована методика ускоренных испытаний поверхности никелевых сплавов с защитными покрытиями, позволяющая за 8-10 час получить коррозионные повреждения аналогичные эксплуатационным за 10-15 тыс. час наработки в составе изделия (патент РФ № 2247359). Данный способ может быть использован для ускоренной оценки коррозионной стойкости защитных покрытий на никелевых сплавах и выбора эффективных растворов для удаления дефектного покрытия.

2. Разработаны составы травильных электролитов и режимы химического удаления дефектного, алюмосилицидного покрытия, имеющего наработку и без наработки. Данные составы позволяют обеспечить приемлемое качество поверхности при значительной экономии материальных ресурсов, снижении экологической нагрузки на производство и увеличении загрузки мощностей серийного гальванического участка.

3. Показана возможность использования вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11 для длительной защиты поверхности лопаток из сплава ЦНК-7П от коррозии и окисления при дополнительном повышении термостойкости в 1,2 раза и долговечности материала в 1,5 раза в сравнении с Al-Si покрытием и сохранении предела выносливости на уровне исходного состояния сплава.

4. Разработаны режим и технология имплантации иттербием поверхности лопаток турбины из никелевых сплавов, обеспечивающие повышение предела выносливости материала на 11;% и жаростойкости в 1,4 раза. На ФГУП НИИ «Мотор» проведена обработка партии рабочих лопаток II ступени свободной турбины ГТП-10/953 на базе ТРД Р95Ш, которые прошли без замечаний приемо-сдаточные испытания в составе изделия в КЦ-5 ОАО «Башкирэнерго».

5. Разработана ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П, включающая удаление дефектного покрытия и проведение комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки поверхности деталей. Данный технологический процесс позволяет на стадии ремонта лопаток увеличить жаростойкость в 2,35 раза, коррозионную стойкость в 1,9 раз, жаропрочность в 1,6 раз и выносливость в 1,2 раза, в результате чего достигается увеличение ресурса деталей в 1,2 раза. Данный техпроцесс принят к внедрению на ОАО УМПО.

На защиту выносится:

1. Методика ускоренных испытаний по моделированию коррозионной повреждаемости поверхности лопаток.

2. Закономерности и режимы химического удаления Al-Si покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.

3. Результаты сравнительных испытаний на жаростойкость, циклическую термостойкость и выносливость сплава ЦНК-7П с серийным Al-Si покрытием и вакуумно-плазменным покрытием В СДП-11.

4. Закономерности влияния дозы облучения иттербием на физико-химические, механические и эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П.

5. Результаты исследований жаростойкости, длительной прочности и сопротивления усталости сплава ЦНК-7П после комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки его поверхности.

6. Ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П по повышению их эксплуатационной надежности.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Уфимского государственного авиационного технического университета с привлечением мощностей серийных участков и лабораторного оборудования ОАО УМПО, ФГУП Н1Ш «Мотор» и кафедры общей химии УГАТУ.

По результатам получен 1 патент на изобретение, опубликовано 7 статей в центральной печати. Работа докладывалась на 10 международных и 5 Всероссийских конференциях и семинарах.

В работе использованы следующие методы исследований: специально разработанные и усовершенствованные методы ускоренных коррозионных тигельных испытаний, оценки циклической; термостойкости, определения съема покрытия, измерения электродного потенциала поверхности, а также стандартные методики измерения жаростойкости (ГОСТ 6130-71), усталостной прочности (ГОСТ 25.502-81), длительной прочности (ГОСТ 10145-81), металлографического (микроскоп METAVAL®), рентгеноструктурного (дифрактометр PW-1800, Philips) и микрорентгеноспектрального анализа (электронный микроскоп JXA-6400, JEOL), микротвердости (микротвердомер ПМТ-ЗМ) и шероховатости поверхности (профилометр 283), изучения масс-спектров вторичных ионов (масс-спектрометр «Полюс-4» (МС-7201М). Обработка данных проводилась с использованием методов математической статистики на ЭВМ.

Диссертационная работа выполнена на 249 страницах, содержит 72 рисунка, 31 таблицу и 3 приложения.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Генеральному директору, Генеральному конструктору ФГУГТ НПП «Мотор» А.Ф. Иваху, техническому директору ОАО УМПО, к.т.н. С.П. Павлиничу, нач. бюро имплантации ОАО УМПО Н.Ф.Измайловой, к.т.н. М.К.Смысловой, к.т.н. И.П. Семеновой, к.т.н. Е.В. Парфенову, вед. инженеру ОАО УМПО P.P. Мухамет-шину, к.ф.-м.н. Ю.М. Юмагузину, инженеру ОАО УМПО H.H. Кузюре, О.Г. Смольниковой, A.A. Багаутдинову за помощь, оказанную в работе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые для опережающей разработки ремонтных мероприятий и оценки их эффективности создана методика ускоренных испытаний сплава ЦНК-7П с Al-Si покрытием (патент РФ № 2247359), позволяющая за время 8-10 часов получить коррозионные повреждения поверхности лопаток, аналогичные их повреждениям за 10 тысяч часов наработки в составе изделия.

2. На основе анализа физико-химических процессов взаимодействия компонентов травильного раствора и гетерофазных процессов на границе «поверхность детали - электролит» установлено ускоряющее действие добавок (NH4)6Mo7024 и К2Сг207 на съем дефектного Al-Si покрытия и пассивирующее влияние бихромата калия на поверхность сплава ЦНК-7П.

Для организации ремонтной технологии выявлены эффективные составы электролитов, позволяющие удалять покрытия с производственными и эксплуатационными дефектами при комнатной температуре за время 60-65 мин.

3. Установлено, что повышение жаростойкости покрытия ВСДП-11, в сравнении с Al-Si покрытием, обусловлено снижением доли хрупкой мартен-ситной составляющей в результате более благоприятного перераспределения элементов, а увеличение термостойкости и выносливости связано с блокирующим действием иттриевых фаз во внешней зоне покрытия. Показана эффективность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11 толщиной 50-55 мкм.

4. Впервые разработан режим ионно-имплантационного модифицирования иттербием поверхности сплава ЦНК-7П, обеспечивающий, вследствие протекания в поверхностном слое дислокационного, твердорастворного и дисперсионного механизмов упрочнения, повышение микротвердости на 40-45 % на глубинах до 60 мкм и образование фаз выделения, содержащих иттербий и его оксиды, что способствует повышению жаростойкости в 1,4 раза, выносливости на 11 % и жаропрочности сплава до 10%.

5. Установлено, что комбинированное модифицирование поверхности сплава ЦНК-7П путем имплантации иттербием и последующим нанесением покрытия ВСДП-11 приводит к повышению его жаростойкости в 2,35 раза с обеспечением выносливости и жаропрочности в соответствии с требованиями технических условий на лопатки турбины ГТД.

6. Разработана и внедрена на ОАО УМПО ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины из сплава ЦНК-7П, позволяющая повысить ресурс деталей в 1,2 раза при обеспечении затрат на ремонтные работы не более 10 % от стоимости изготовления новой лопатки.

223

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость разработки ремонтно-восстановительной технологии рабочих лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П с Al-Si покрытием связана с отсутствием ее в серийном производстве, так как данные детали находятся в стадии эксплуатации и в настоящее время еще не выработали межремонтный ресурс. Проблема разработки такой технологии обусловлена не только отсутствием данных об изменении состояния поверхности в результате наработки, но и тем, что, как показывает опыт ряда предприятий, лопатки не выдерживают свой гарантированный ресурс. Поэтому ключевой задачей настоящего исследования является моделирование повреждаемости поверхности деталей, эквивалентной наработке, полученной при эксплуатации, и разработка ремонтных мероприятий по увеличению уровня эксплуатационных характеристик и, соответственно, ресурса лопаток. С этой целью был проанализирован большой объем данных по различным дефектам в поверхностных слоях деталей, возникающих как в процессе их производства, так и при эксплуатации. Изучено состояние вопроса по удалению дефектных, алюминидных покрытий со сплавов на никелевой основе, а также по возможности повышения эксплуатационных характеристик поверхности за счет применения новых современных методов обработки. Полученная информация позволила разработать стратегию создания ремонтно-восстановительной с отсутствием информации о состоянии поверхности после эксплуатации для организации процесса дефектации ремонтных деталей осуществлено моделирование наиболее значимых коррозионных повреждений поверхности за счет разработанной агрессивной среды, приближенной по своему составу к составу среды газовоздушного тракта двигателя. В отличие от других способов по созданию искусственной наработки поверхности предложенный способ характеризуется более простым техническим исполнением и позволяет получить эквивалентную наработку за более короткое время ~ 8-10 часов. Изучение состояния системы «покрытие-сплав» после наработки позволяет не только выявить механизм исчерпания защитных свойств покрытия в условиях высокотемпературной коррозии и решать дальнейшую задачу удаления дефектного покрытия, но и оценивать эффективность мероприятий по восстановительному ремонту.

Существенное упрощение технологии ремонта на стадии удаления дефектных покрытий в условиях серийного производства достигается за счет максимального использования наиболее освоенных методов обработки, в частности, химического метода. Вместе с тем, использование имеющихся на производстве травильных растворов, содержащих токсичную и неподдающуюся утилизации плавиковую кислоту, не отвечает экологическим требованиям современного производства. На основе специальных исследований были подобраны эффективные растворы для удаления покрытий с дефектами производственного и эксплуатационного характера, не содержащие плавиковую кислоту и позволяющие удалять покрытие при комнатной температуре. Изучение процессов, происходящих в растворе и на границе раздела «деталь-электролит», позволяет сформировать подходы к выбору эффективного электролита травления в зависимости от элементного и фазового состава алюминидных покрытий на жаропрочных никелевых сплавах и степени повРе>1^?гЩ9Ш]^й8в§1ШШт&Оздания ремонтно-восстановительной технологии являлась разработка мероприятий по повышению эксплуатационных характеристик поверхности за счет замены шликерного Al-Si покрытия на вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11, успешно используемого для защиты лопаток турбины авиационных двигателей 4-го поколения. Существенным результатом данной части исследования является установление взаимосвязи между распределением элементов и структурно-фазовым составом покрытий ВСДП-11 и Al-Si и эксплуатационными характеристиками поверхности. Блокирование процессов диффузионного обмена между покрытием и подложкой за счет образования иттриевых фаз, уменьшение вероятности формирования мартенситной структуры на границе между внешней и внутренней зонами покрытия, повышение адгезионной прочности защитной оксидной пленки и пластичности покрытия определяет большую долговечность вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11 и эффективность его использования на стадии проведения ремонтных работ по перепокрытию деталей.

Более полное использование эксплуатационных свойств поверхности самого жаропрочного сплава ЦНК-7П в ремонтно-восстановительной технологии реализуется за счет применения ионно-имплантационного модифицирования поверхности иттербием. Обоснованный выбор эффективной дозы облучения проведен путем предварительного теоретического расчета профиля распределения имплантируемого элемента по глубине подложки и подтвержден результатами изучения физико-химических и механических характеристик поверхности сплава. Данный подход к решению поставленной задачи необходим для выбора той дозы облучения, которая обеспечивает более равномерное распределение легирующего элемента на максимально возможную глубину. Важным выводом данной серии исследований является целесообразность введения в технологию ремонта лопаток операции ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава. В результате предлагаемого метода обработки создаются предпосылки для торможения процессов старения при эксплуатации деталей за счет сохранения необходимого запаса пластичности и снижения вероятности хрупкого разрушения материала вследствие проявления механизма дислокационного, твердорастворного и дисперсионного упрочнения поверхности.

Положительные результаты, полученные при использовании ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П, позволили подойти к решению ключевой проблемы ремонтно-восстановительной технологии - повышение ресурса рабочих лопаток турбины за счет сочетания указанных методов обработки. Благодаря диффузионному взаимодействию легированного иттербием поверхностного слоя сплава с компонентами покрытия ВСДП-11 в процессе его формирования и наличию под покрытием развитой дислокационной структуры в подложке создается композиция «покрытие - поверхностный слой сплава», увеличивающая срок службы деталей при эксплуатации в агрессивной коррозионной среде в условиях статических и знакопеременных нагрузок.

Таким образом, впервые разработана и внедрена в серийное производство комбинированная технология ремонта лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П, включающая наряду с удалением дефектного Al-Si покрытия в специально разработанном травильном растворе дополнительную ионно-имплантационную обработку поверхности сплава иттербием с последующим нанесением вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11. Данная технология позволяет достичь увеличения ресурса деталей не менее, чем в 1,2 раза при уровне затрат на ремонтно-восстановительные работы не более 10 % от стоимости изготовления новой лопатки.

227

1. Никитин В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. Л.: Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1987. 272 с.

2. Ртищев В.В., Храброе П.В., Корсов Ю.Г. Исследования в области служебных характеристик материалов основа повышения надежности и ресурса газовых турбин // Энергомашиностроение, 1986. — № 6. — С. 25-30.

3. Авиадвигателестроение: Энциклопедия / Под ред. В.М. Чуйко. М.: Изд. дом «Авиамир», 1999. 300 с.

4. Асосков В.А., Кругов В.Б., Шестаков Н.С. Сжигание тяжелых жидких то-плив в камерах сгорания ГТУ // Энергетическое машиностроение, 1980. — №5.-С. 3-44.

5. Исследование характера свечение люминифора на лопатках ТВД с изделия АЛ-31Ф после наработки в течение 500 ч. Отчет № 181-91 БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1991.-15 с.

6. Исследование рабочих лопаток турбины из сплава ВЖЛ-12У после наработки в составе изделия в течение 500 часов. Технический отчет № 245-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1990. 5 с.

7. Исследование рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У, имеющих различную наработку в составе изделия. Технический отчет № 190-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1990.-6 с.

8. Исследование рабочих лопаток турбины из сплава ЭП220вд с алитирова-нием после длительных испытаний в течение 500 часов. Технический отчет № 7-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1990. 5 с.

9. Исследование рабочих лопаток турбины из сплава ЭП220вд с алитирова-нием после длительных испытаний в течение 750 часов. Технический отчет № 92-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1989. 8 с.

10. Исследование причин обрыва пера рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У после наработки в составе изделия в течение 370 часов. Технический отчет № 138-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1988. 5 с.

11. Исследование причин обрыва пера рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У с алитированием после наработки в составе изделия в течение 480 часов. Технический отчет № 129-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1988. 7 с.

12. Исследование причин термоусталостного разрушения рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У, имеющих наработку 545 часов. Технический отчет № 47-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1988. 6 с.

13. Металлургическое исследование рабочих лопаток ТВД из сплава ЖС6У с комплексным двухстадийным покрытием NiCr/CrAl после длительных испытаний в течение 550 часов. Технический отчет № 375-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1987.- 14 с.

14. Исследование причин коррозионного повреждения комплексного покрытия NiCr/CrAl на лопатках ТВД из сплава ЖС6У после эксплуатации в составе двигателя в течение 300 часов. Технический отчет № 43-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1991. -15 с.

15. Исследование причин появления темных пятен по спинке рабочей лопатки ТНД из сплава ЖС6У с алюмосилицированным покрытием после сдаточных испытаний изделия. Технический отчет № 15-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1990.-21 с.

16. Тарасенко Ю.П., Леванов Ю.К., Царева И.Н. и др. Оценка эксплуатационного состояния лопаток ТНД агрегата ГТК-25И и технология продления их ресурса // Газотурбинные технологии, 2004. № 10. — С. 26-29.

17. Моверман Т.С., Радчик И.И. Ремонт импортных газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра, 1986. 156 с.

18. Отчет НИР. Отработка технологии ремонта и восстановления работоспособности турбинных лопаток ГТК-25И. Н.-Новгород: 111 111 «Трибоника», 1999.-60 с.

19. Андриенко А.Г., Олъшанецкий В.Е., Скляревская В.Н., Шмырко В.И. Оценка повреждаемости и прогноз долговечности рабочих лопаток ГТУ // Технологические системы, 2001. -№ 3. С. 71-74.

20. Кузнецов В., Лесников В. Критерии ремонтопригодности и технологии восстановительного ремонта рабочих лопаток турбин ГТД // Газотурбинные технологии, 2004. -№1-2. С. 26-30.21