Способ восстановительного ремонта деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов

Способ восстановительного ремонта деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов

Реферат

Изобретение относится к области технологии восстановительного ремонта деталей из жаропрочных никелевых сплавов после определенного срока их эксплуатации, а именно к применению горячего изостатического прессования (ТИП) при этом ремонте.

В лопатках, дисках турбин и других деталях из жаропрочных никелевых сплавов газотурбинных авиационных двигателей и двигателей энергетических установок при эксплуатации образуются под воздействием высоких температур и напряжений нежелательные изменения структуры и повреждения их целостности.

Структурные изменения сплавов заключаются в укрупнении частиц упрочняющей γ'-фазы, видоизменении и укрупнении карбидов, появлении строчечных и ячеистых карбидных выделений, обеднении твердого раствора легирующими компонентами, образовании хрупких ТПУ-фаз и т.п.

Повреждениями целостности деталей являются как наружные трещины, так и внутренние несплошности типа микропор и микронадрывов в виде клиновидных трещин, зарождение и рост которых происходит по мере развития деформации ползучести (Суперсплавы-II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергетических установок. / Под ред. Симса Ч.Т. -М. Металлургия. 1995).

Подобные изменения структуры и повреждения целостности неизбежно приведут к преждевременному разрушению деталей при дальнейшей их эксплуатации. Во избежание аварийной ситуации по истечении определенного срока эксплуатации (наработки) детали подвергают восстановительному ремонту.

Восстановление структуры деталей заключается в стандартной термической обработке, которая приводит структуру материала деталей практически к первоначальному состоянию.

Ремонт наружных повреждений деталей состоит в механической зачистке таких мест и заварке с последующей механической обработкой до требуемых размеров детали (патент US 6532656 ВА, 7 В23Р 15/00, 10.10.2001). Другим способом ликвидации наружных повреждений деталей является заполнение трещин расплавленным припоем (патент ЕР 1312437 А1, 7 В23Р 6/00, 19.11.2001).

Известны способы устранения внутренних несплошностей, образовавшихся при эксплуатации, применением механико-термической или электроимпульсной обработки деталей (Баранов Ю.П., Троицкий О.А., Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы. - М.: Институт машиноведения РАН. 2001). Механическое или электроимпульсное воздействие в сочетании с постоянным или циклическим нагревом детали ускоряет диффузионные процессы в материале, что в итоге способствует исчезновению микропор и микротрещин. Недостатком данных способов является большая длительность процесса (десятки часов), а также то, что устраняются лишь мелкие несплошности (порядка 1 мкм и менее). Кроме того, в случае возникновения в месте расположения несплошностей растягивающих напряжений возможно образование пор крупных размеров за счет передвижения и слияния мелких.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ восстановительного ремонта лопаток с наработкой из сплава ЖС6У-ВИ, принятый за прототип и состоящий из удаления старого защитного покрытия, проведения ГИП при температуре 1210°С, давлении аргона 160 МПа и выдержки на рабочем режиме 3 часа, последующей термической обработки по стандартному режиму и нанесении нового защитного покрытия (В.Булатов, Ю.Быков, А.Душкин и др. ГИП-эффективная технология восстановления турбинных лопаток. - г.Рыбинск: Газотурбинные технологии. №2. 2004. с.16-18).

Однако после применения этого режима ГИП в лопатках остаются поры со средним размером 2,7 мкм, хотя до обработки средний размер пор составлял 21,2 мкм. Одной их причин присутствия в лопатках после ГИП остаточных пор является пониженная пластичность сплава вследствие структурных изменений, происшедших в процессе длительной эксплуатации. Очевидно, что для устранения пор необходимо или значительно увеличить время выдержки и давление аргона на рабочем режиме газостатирования, или предварительно улучшить пластичность материала лопаток.

Значительное увеличение времени выдержки при газостатировании (до 10 и более часов) и давления аргона (более 200 МПа) может сделать такую обработку экономически не выгодной.

Пластичность материала лопаток возможно повысить путем предварительного нагрева перед осуществлением рабочего режима ГИП. При этом нагреве произойдет «исправление» нежелательных изменений структуры, приобретенных при эксплуатации: растворение хрупких частиц ТПУ-фаз, исчезновение строчечных и ячеистых карбидных выделений, коагуляция и уменьшение размеров γ'-фазы и карбидов.

Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа ГИП, который обеспечивает уменьшение размера остаточных пор или полное их устранение без существенного увеличения времени выдержки и давления аргона на рабочем режиме газостатирования при восстановительном ремонте деталей с наработкой.

Для решения поставленной задачи лопатки или другие детали после длительной эксплуатации и удаления старого защитного покрытия обрабатывают ГИП по двухступенчатому режиму:

- первая ступень - нагрев деталей в газостате в среде аргона от комнатной температуры до температуры 1110-1150°С, выдержка деталей при данной температуре и давлении аргона 130-140 МПа в течение 1-2 часов,

- вторая ступень - дальнейший нагрев деталей до температуры их закалки и увеличение давления аргона до 150-160 МПа, выдержка деталей при этих значениях температуры и давления в течение 1,5-3 часов с последующим их охлаждением в газостате.

После ГИП лопатки или детали подвергают стандартной термической обработке и нанесению нового защитного покрытия.

Пример конкретного выполнения

Практическая проверка предлагаемого изобретения осуществлялась на партии лопаток из сплава ЖС6У-ВИ с наработкой 2369 часов (50 шт.) и с наработкой 4951 час (40 шт.) в процессе их эксплуатации в составе авиационных двигателей.

Одна часть этих лопаток исследовалась в исходном состоянии (без ГИП), вторая часть лопаток подвергалась обработке ГИП по режиму прототипа, а третья часть лопаток обрабатывалась ГИП по предлагаемому режиму:

- первая ступень - нагрев в газостате от комнатной температуры до температуры 1140±5°С, подъем давления аргона до 135±5 МПа, выдержка 1,5 часа;

- вторая ступень - подъем температуры до 1210±10°С и давления аргона до 160±5 МПа, выдержка 2,5 часа;

- охлаждение в газостате.

Газостатическая обработка лопаток осуществлялась в газостате марки HIRP 70/150-200-1300.

Лопатки из партии с наработкой 4951 час в исходном состоянии (без ГИП), после обработки ГИП по режиму прототипа и после обработки ГИП по предлагаемому режиму подвергались металлографическому анализу пористости. Исследования проводились под оптическим микроскопом при увеличении 200 крат на шлифах, выполненных поперек пера лопатки на одинаковом расстоянии (20 мм) от замка лопаток.

Результаты анализа пористости лопаток представлены в табл.1.

Таблица 1
Результаты металлографического анализа пористости лопаток из сплава ЖС6У-ВИ с наработкой 4953 ч
Состояние лопаток	Суммарная доля пор, %	Средний размер пор, мкм
Исходный (без ГИП)	0,84	11,10
ГИП по режиму прототипа	0,27	1,68
ГИП по предлагаемому режиму	0,13	0.68

Лопатки с наработкой 2369 ч и 4951 ч трех состояний (исходное, после ГИП по режиму прототипа и после ГИП по предлагаемому режиму) были термически обработаны по стандартному режиму (температура 1210±10°С, выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе) и испытаны на усталостную прочность. Испытания проводились при комнатной температуре на пьезокерамическом вибростенде по изгибной форме колебаний до появления первой трещины. База испытаний составляла 20 миллионов циклов.

Результаты усталостных испытаний лопаток приведены в табл.2.

Таблица 2
Результаты усталостных испытаний лопаток из сплава ЖС6У-ВИ с наработкой 2369 и 4951 часов
Продолжительность наработки, час	Состояние лопаток	Количество испытанных лопаток, шт	Напряжение, (σа, кгс/мм2	Число циклов N×106	Результат испытания
2369	Исходное (без ГИП)	6	16	20	Без разрушения
	5	18	10,1-14,3	Разрушение
ГИП по	4	18	20	Без разрушения
режиму	5	20	20	Без разрушения
прототипа	3	20	14,1-16,9	Разрушение
	4	22	7,6-10,2	Разрушение
ГИП по	5	18	20	Без разрушения
предлагаемому	7	20	20	Без разрушения
режиму	5	22	20	Без разрушения
	2	22	15,4-17,8	Разрушение
	4	24	12,4-14,6	Разрушение
4951	Исходное	6	16	20	Без разрушения
	(без ГИП)	5	18	5,9-6,5	Разрушение
ГИП по	6	18	20	Без разрушения
	режиму прототипа	4	20	8,5-9,4	Разрушение
ГИП по	5	18	20	Без разрушения
предлагаемому	6	20	20	Без разрушения
режиму	1	22	20	Без разрушения
	4	22	6,4-8,1	Разрушение

Данные таблиц 1 и 2 свидетельствуют о том, что применение предлагаемого режима ГИП без увеличения времени обработки, как элемента технологии восстановительного ремонта, эксплуатировавшихся лопаток из сплава ЖС6У-ВИ по сравнению с известным режимом ГИП способствует уменьшению количества и размера остаточных пор в лопатках и увеличению усталостной прочности лопаток.

Суммарная доля пор в лопатках с наработкой 4951 ч снизилась с 0,27 до 0,13% при уменьшении среднего размера пор с 1,68 до 0,68 мкм.

Предел выносливости лопаток с наработкой 4951 ч увеличился с 18 до 20 кгс/мм. Предел выносливости лопаток в исходном состоянии (без ГИП) составляет 16 кгс/мм².

Способ восстановительного ремонта деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов, включающий удаление старого защитного покрытия деталей, обработку последних горячим изостатическим прессованием, их термическую обработку и нанесение на них нового защитного покрытия, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование деталей осуществляют по двухступенчатому режиму, на первой ступени производят нагрев деталей в газостате в среде аргона от комнатной температуры до 1110-1150°С и выдержку деталей при данной температуре и давлении аргона 130-140 МПа в течение 1-2 ч, на второй ступени производят дальнейший нагрев деталей до температуры их закалки, увеличение давления аргона до 150-160 МПа и выдержку деталей в течение 1,5-3 ч с последующим их охлаждением в газостате.