Способ изготовления лопатки турбины из сплава на основе титана

 

Использование: в турбомашиностроении. Сущность изобретения: по способу изготовления лопатки турбины из сплава на основе титана производят обработку входной кромки пера циклически перемещающимся лазером большой мощности, образуя защитный слой. Защитный слой толщиной 0,1 - 0,7 мм получают путем легирования переплавкой сплава на основе титана, осуществляемого в атмосфере газа. Газ образует со сплавом бориды, карбиды и/или нитриды. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ используется для изготовления лопаток, применяемых в ступенях низкого давления паровых турбин. В диапазоне рабочих температур конденсируется поступающий в турбину водяной пар, и капли воды с большой скоростью попадают на незащищенные поверхности лопаток турбины, например на входные кромки лопаток и примыкающие со стороны всасывания к входным кромкам лопаток части поверхности лопаток. При этом водяные капли могут вызвать эрозионные повреждения. При этом особенно нагружаются участки, находящиеся в зоне вершины лопаток, так как там окружная скорость лопаток наибольшая.

Способ изготовления лопатки турбины упомянутого типа известен. Известная лопатка турбины имеет в зоне вершины лопатки охватывающий входную кромку лопатки участок, который изготавливается путем напаивания содержащего карбид титана защитного элемента с помощью серебряного или медного припоя на свободную от защитного элемента лопатку турбины из сплава на основе титана. Защитный элемент должен предохранять от эрозийных повреждений особенно поврежденные опасным воздействиям зоны лопатки турбины. Изготовление и нанесение защитного элемента на незащищенный материал пера лопатки турбины дорогостоящи. К тому же при этом нельзя исключать трудности обеспечения сцепляемости защитного слоя с поверхностью пера из сплава на основе титана незащищенной части лопатки турбины.

Цель изобретения разработка способа изготовления таких лопаток, обладающего наибольшей экономичностью и пригодного для массового производства.

У лопатки турбины согласно изобретению за одну единственную технологическую операцию, а именно путем обработки незащищенной поверхности пера из сплава на базе титана, с помощью энергии высокой мощности достигается упрочнение поверхности обработанного участка лопатки и тем самым эффективная защита от капельной эрозии. Эта защита от эрозии особенно надежна, так как благодаря обработке поверхности пера вследствие диффузионных процессов, с одной стороны, образуется прочно соединенный со сплавом на базе титана защитный слой. С другой стороны, этот защитный слой при небольшой толщине отличается также небольшой трещиностойкостью, сравнимой со свойством сплава на основе титана.

На чертеже схематически показано устройство для изготовления лопатки турбины способом согласно изобретению.

Устройство содержит перемещаемый в горизонтальной плоскости опорный стол 1 с поддерживающей лопатку 2 турбины опорной плитой 3, которая может перемещаться в направлении оси х координат, и с подпирающей опорную плиту 3 опорной плитой 4, которая может перемещаться вдоль оси y координат, перпендикулярной оси х. Лазер 5 излучает свет с длиной волны λ Излучаемый лазером свет фокусируется в обрабатывающей головке 6 и направляется на лопатку турбины. При необходимости вместо лазера может использоваться другой источник энергии большой мощности, например устройство для генерации плазменного или электронного пучка. Обрабатывающая головка 6 может смещаться перпендикулярно опорной плите 3 в направлении оси Z координат и одновременно поворачиваться при необходимости вокруг осей х и y. Координация перемещений жестко соединенной с источником энергии большой мощности обрабатывающей головки 6 и опоpного стола 1 может осуществляться с помощью блока управления с программным управлением от ЗУ (не показан), который воздействует на исполнительные двигатели, вызывающие движения сдвига и поворота.

На обрабатывающей головке 6 закреплены трубки 7, которые направляют газовую смесь из азота и аргона, при необходимости смесь или азота с одним или несколькими любыми инертными газами, от резервуара для хранения запасов (не показан) к точке 8 свечения источника энергии большой мощности на поверхности со стороны 9 всасывания или на входной кромке 10 лопатки 2 турбины. Поданный газ свободен от кислорода и омывает образующую следы точку 8 свечения таким образом, что кислород окружающего воздуха проникнуть не может. В частности, в зоне входной кромки 10 лопатки трубки 7 расположены так, что точка 8 свечения омывается с нескольких сторон, например со стороны всасывания и со стороны нагнетания лопатки 2 турбины, газом. Благодаря этому точка 8 свечения даже в зоне входной кромки 10 лопатки остается свободной от кислорода. Наряду с этим благодаря увеличенной подаче газа достигается лучшее охлаждение прилегающей облучаемой зоны.

При облучении используемый в качестве источника энергии лазер 5 большой мощности циклически перемещается относительно лопатки 2 турбины. Циклическим движением может быть происходящее вдоль оси y координат возвратно-поступательное движение, причем в месте изменения направления движения происходит незначительное продвижение в направлении оси х координат благодаря повороту облучающей головки 6 вокруг оси х координат при одновременном перемещении облучающей головки вдоль оси Z координат, при этом во время возвратно-поступательного движения одновременно может облучаться входная кромка 10 пера лопатки на стороне всасывания и на стороне нагнетания. При этом расположенная в точке свечения 8 часть поверхности из сплава на основе титана расплавляется, и в расплав водятся легирующие элементы из поданного по трубкам 7 газа. На чертеже показан вариант, когда в качестве легирующего элемента вводится азот, который образует с титаном расплавленного базового сплава экстремально твердый нитрид титана. Однако при определенном составе поданного газа соответственно могут образовываться также борид титана и/или карбид титана.

Образованный при такой обработке поверхности путем легирования переплавкой защитный слой обладает во много раз большей стойкостью к эрозии вследствие падения капель воды, чем незащищенная поверхность пера лопатки из сплава на основе титана. Защитный слой должен иметь толщину, по меньшей мере, 0,1 мм, так как в противном случае в результате неравномерностей, которые нельзя исключить, в процессе перелегирования еще могут оставаться незащищенные участки поверхности. С другой стороны, толщина защитного слоя не должна превышать 1 мм, так как только тогда обеспечивается особенно хорошая трещиностойкость и тем самым особенно хорошая защита от эрозии. Образование нежелательных трещин с высокой надежностью предотвращается при толщине защитного слоя от 0,4 до 1 мм, если при перелегировании параметры лазера устанавливаются такими, что образованный защитный слой имеет твердость по Виккерсу максимум 900, предпочтительно от 500 до 700.

Выбираемые при получении защитного слоя лазером 5 в сплаве на основе титана траектории 11 должны пролегать таким образом, чтобы они перекрывались на 50-90% предпочтительно на 75-85% так как в этом случае может быть обеспечено особенно хорошее вплавление легирующих элементов, например азота, при образовании нитрида титана.

При применении сплава на основе титана с 6 мас. алюминия и 4 мас. ванадия получают эрозиестойкий защитный слой толщиной 0,6 0,7 м с твердостью по Виккерсу 500 700.

Типичными являются следующие рабочие параметры лазера: мощность 1-10 кВт, продвижение в направлении следа 1-2 м/мин, покрытие следов 75-85% диаметр точки свечения около 2 мм, состав газа: объемные доли N₂:Ar примерно 3: 2, количество газа около 50 л/мин.

Достаточно, если участок пера лопатки 2 турбины имеет защитный слой, который расположен в зоне вершины пера лопатки и охватывает входную кромку 10 пера лопатки и находящуюся на стороне всасывания поверхность. Эта поверхность ограничена в общем случае входной кромкой 10 пера лопатки и вершиной пера лопатки и простирается максимум на две трети ширины или длины лопатки от входной кромки пера лопатки или вершины пера лопатки до выходной кромки пера лопатки или от вершины пера лопатки до выходной кромки пера лопатки.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ТИТАНА, включающий образование защитного слоя, расположенного в зоне вершины пера лопатки, охватывающего его входную кромку и обладающего большей, чем материал пера, эрозионной стойкостью, путем обработки пера источником энергии, отличающийся тем, что защитный слой получают путем легирования переплавкой сплава на основе титана, легирование осуществляют в атмосфере газа, образующего со сплавом бориды, карбиды и/или нитриды, а толщина защитного слоя 0,1 0,7 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа используют смесь азота и инертного газа.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве источника энергии используют циклически перемещающийся лазер, рабочие параметры которого определяют из условия, что защитный слой имеет толщину 0,1 0,7 мм и твердость по Виккерсу максимум 600.

4. Слой по п.3, отличающийся тем, что в процессе образования защитного слоя соседние траектории перемещения луча лазера по поверхности пера перекрывают одна другую на 70 90% преимущественно на 75- 85% 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что поверхности легирования пера обдувают газом с нескольких сторон.

РИСУНКИ

Рисунок 1