Способ упрочнения поверхности входных кромок турбинных лопаток

 

Использование: для восстановления и упрочнения лопаток паровых турбин последних ступеней, работающих в условиях каплеударной эрозии. Сущность изобретения: создание эрозионностойкого слоя на поверхности входных кромок для увеличения срока службы лопаток паровых турбин, которое ведется наплавкой плазменным методом, током обратной полярности. В качестве упрочняющего эрозионностойкого материала используют порошок, например, стеллита с размером частиц 100 - 200 мкм. Последний подают в плазменную дугу. Наплавку осуществляют без расплавления основного металла, при этом плазмотрон перемещают в поперечном направлении со скоростью 20 - 22 м/ч.

Изобретение относится к турбостроению, в частности к способам защиты поверхности входных кромок турбинных лопаток от каплеударной эрозии при работе на влажном паре, и может быть использовано для упрочнения деталей машин, работающих в условиях высокотемпературного нагрева.

Известен способ упрочнения поверхности входных кромок турбинных лопаток, включающий индукционный нагрев поверхностного слоя металла, механическую деформацию производят путем накатки на поверхности нагретого слоя канавок с наклонными стенками и последующее охлаждение (см. а. с. N 565993, кл. F 01 D 5/28, 25.07.77). Существенными недостатками известного способа являются невысокая эрозионная стойкость входных кромок турбинных лопаток при эксплуатации в результате охрупчивания слоя, образованного индукционным нагревом поверхностного слоя металла, и уменьшения сечения профиля лопатки, снижения усталостной прочности материала основы, повышение напряжения между закаленным слоем и основой. Кроме того, основной металл и наплавляемый имеют разные коэффициенты линейного расширения, что уменьшает конструктивную выносливость лопаток и приводит к эрозии входных кромок и, как результат, изменяется характеристика ступеней, что уменьшает эффективность турбины.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ упрочнения входных кромок турбинных лопаток, который включает напайку серебряным припоем стеллитовых пластин на перо лопатки, в процессе плавления припоя стеллитовые пластины прижимают так, чтобы растекание было равномерным по всей поверхности и по периметру, тщательно подгоняют пластины к лопатке и между собой, при этом клиновидные зазоры между стеллитовыми пластинами по стыкам на входной кромке не должны превышать 0,4 мм.

Недостатком известного способа является невысокая эрозионная стойкость входных кромок лопаток в местах зазоров между пластинами и кромкой лопаток и в результате эксплуатации, частицы конденсированной влаги, попадая в эрозии, постепенно углубляют их и в конечном итоге пластины отлетают с поверхности лопаток.

Эрозионные повреждения лопаток снижают их запас прочности, а искажение геометрии, вызванное износом, меняет формы и частоты собственных колебаний, может приблизить собственные частоты к возбуждающим и вместе с эрозионными повреждениями снижает запасы усталостной прочности. Износ изменяет характеристики ступеней, уменьшает эффективность турбины.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эрозионной стойкости входных кромок с одновременным исключением деформации лопаток.

Указанная цель достигается созданием следующей совокупности существенных признаков изобретения, при этом общим с прототипом является: наплавка слоя эрозионностойкого материала на поверхность основного металла (кромки турбинной лопатки), отличительными признаками являются: производят плазменную наплавку порошком с размером частиц от 100 до 200 мкм и осуществляют на токе обратной полярности с поперечными колебаниями, амплитуда которых равна ширине упрочняемого участка лопатки, при этом плазмотрон перемещают со скоростью, исключающей расплавление основного металла.

Наличие приведенных выше существенных признаков предлагаемого решения, отсутствующих у прототипа, обуславливает соответствие этого решения критерию "новизна".

Предлагаемое решение обладает существенными отличиями, так как заявителем не обнаружено решений со сходными признаками.

В результате использования предлагаемого изобретения получаем эрозионностойкий слой на поверхности входных кромок лопаток за счет плазменно-порошковой наплавки без оплавления поверхности кромок, которое исключается тем, что плазмотрон перемещают со скоростью, не допускающей оплавление поверхности кромок. За счет того, что наплавку осуществляют на токе обратной полярности с поперечными колебаниями, амплитуда которых равна ширине упрочняемого участка входных кромок лопаток, исключается перегрев и деформация лопаток.

Предлагаемый способ осуществляют на установке УПНС-304 с плазмотроном 6ДЭ. 394.485. ТО. Поверхность кромок лопаток очищают от масла и других загрязнений. Устанавливают ток обратной полярности, равный, например, для наплавки лопаток из сплава 15Х11МФШ 145-150А, применяют сухой порошок из эрозионностойкого сплава типа стеллит с размером частиц 100-200 мкм. Плазмообразующим является инертный газ аргон или его смеси. Плазмотрон устанавливают на расстоянии 10-12 мм над кромкой лопаток. Подвигают дежурную дугу и с появлением основной дуги подают в нее порошок, далее плазмотрон перемещают, с поперечными колебаниями, амплитуда которых равна ширине упрочняемого участка кромок лопаток со скоростью 20-22 м/час, чтобы не было оплавления поверхности кромки лопаток, а порошок, попавший в дугу, полностью расплавился. По окончании наплавки перекрывают подачу порошка, а потом дуги.

Размер частиц порошкового материала должен быть от 100 до 200 мкм, так как частицы менее 100 мкм невозможно направлять в центр дуги, так как частицы в основном сгорают в околодуговой зоне, не попадая в центр дуги, и неиспользованная на их расплавление энергия дуги идет на перегрев основного металла, что приводит к появлению трещин в наплавленном слое и пористости околошовной зоны.

Частицы крупнее 200 мкм не полностью расплавляются, что приводит к появлению пористости и трещин в шве.

Сохраняя размер частиц порошка в пределах 100-200 мкм и изменяя производительность подачи порошка (1,6-2,8 м/час), при этом сила тока должна изменяться в пределах 140-165А, что позволяет получить наплавленный слой без трещин, пор и других дефектов.

При больших токах (более 165 А) происходит расплавление основного металла, появляются деформации в основном металле и трещины в наплавленном слое.

В результате использования предлагаемого способа увеличивается срок службы лопаток паровых турбин за счет повышения эрозионной стойкости входных кромок с одновременным исключением деформации. Эрозионная стойкость лопаток, упрочняемых предложенным способом, увеличивается в 3-5 раз. Кроме того, способ обладает следующими преимуществами: наплавляемый слой во время эксплуатации обладает большей эрозионной стойкостью, чем основа, не возникают повышенные напряжения на границе "наплавка-основа", которые отрывают наплавку, в результате наплавки не ухудшаются усталостные характеристики лопатки, процесс наплавки обеспечивает бездефектный наплавленный слой.

Предлагаемый способ позволяет вести ремонт по упрочнению входных кромок лопаток на месте эксплуатации.

При использовании предлагаемого способа в ПО "ЛЗТЛ" сокращается потребление серебряного припоя в количестве 300 г и сокращается потребление электроэнергии в 6-8 раз.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ВХОДНЫХ КРОМОК ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК наплавкой слоя эрозионно-стойкого материала на поверхность основного металла, отличающийся тем, что, с целью повышения эрозионной стойкости входных кромок с одновременным исключением деформации, наплавку производят плазменным методом током обратной полярности, причем плазматрон перемещают в поперечном направлении со скоростью 20-22 м/ч, а эрозионностойкий материал применяют в виде порошка с размером частиц 100-200 мкм.