Способ алитирования поверхности внутренней полости лопатки турбины из жаропрочного сплава

Способ алитирования поверхности внутренней полости лопатки турбины из жаропрочного сплава

Реферат

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения алюминидных покрытий, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбиностроении для защиты от высокотемпературного окисления поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин из жаропрочных сплавов с карбидным упрочнением.

В промышленности широко известен способ алитирования поверхности лопаток турбин из жаропрочных сплавов насыщением поверхности в порошковой смеси, содержащей порошок сплава Fe-Al и галогенидный активатор, обычно хлористый аммоний (Тамарин Ю.А. Жаростойкие диффузионные покрытия лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1978).

Способ используется для получения алюминидного покрытия на внешней поверхности лопаток турбины и обеспечивает равномерность по толщине покрытия на криволинейных поверхностях лопатки, однако, известный способ непригоден для защиты поверхности внутренней полости лопатки турбины, что является недостатком этого способа.

Известен способ алитирования поверхности внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава, включающий заполнение внутренней полости лопатки порошковой смесью, нагрев и выдержку лопатки при температуре, достаточной для формирования на поверхности диффузионного алюминидного или хромоалюминидного покрытия, и удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки (патент США №5215785).

В известном способе рассматривается метод заполнения и удаления из внутренней полости лопатки порошковой смеси при помощи специального вибратора и сжатого воздуха, что позволяет формировать на внутренней поверхности лопатки диффузионный алюминидный или хромоалюминидный слой, обеспечивающий защиту этой поверхности от окисления.

Однако в известном способе не раскрыт состав порошковой смеси, что является его недостатком, так как состав порошковой смеси определяет ее сыпучесть из внутренней полости лопатки после проведения процесса алитирования.

Известен также способ алитирования поверхности внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава, включающий заполнение внутренней полости лопатки пастой на основе порошковой смеси, содержащей (мас.%) (2,5-7) АlF₃:(5-20) Cr-Al:(75-92,5) Аl₂O₃, нагрев и выдержку лопатки при температуре, достаточной для формирования на поверхности диффузионного покрытия, и удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки (патент США №5807428)).

В известном способе в качестве активатора в порошковой смеси используется АlF₃, что ограничивает использование этого способа по экологическим нормам.

Известны также способы алитирования поверхности внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочного сплава, включающие подготовку поверхности внутренней полости лопатки под покрытие, подготовку порошковой смеси, нагрев порошковой смеси и лопатки до температуры обработки и выдержку при этой температуре, либо при принудительной циркуляции газовой среды от источника насыщающего элемента из порошковой смеси к наружным и внутренним поверхностям деталей с периодическим изменением скорости, либо в газовой среде (патент РФ №1238597, патент США №4347267).

Эти способы позволяют сформировать на внутренней и на внешней поверхностях лопатки диффузионный алюминидный или хромоалюминидный слой (алюминидное покрытие), обеспечивающий защиту лопатки из жаропрочного сплава.

Однако известные способы имеют недостатки. При защите поверхности внутренней полости охлаждаемых лопаток турбин покрытие формируется и на внешней поверхности лопаток и на замковой части лопаток. Поэтому способ невозможно использовать для ремонта покрытия на поверхности внутренней полости лопаток, так как нанесение покрытия на замковую часть лопаток недопустимо. Также, в ряде случаев невозможно обеспечить внешнюю трактовую поверхность лопатки алюминидным покрытием. Для защиты этой поверхности требуется нанесение конденсированного покрытия одним из известных методов физического осаждения.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ алитирования поверхности внутренней полости лопатки турбины из жаропрочного сплава, содержащей входные каналы, выходную щель и/или перфорационные отверстия, включающий приготовление порошковой смеси, наполнение через входные каналы внутренней полости лопатки порошковой смесью, нагрев лопатки турбины с порошковой смесью, насыщение поверхности внутренней полости лопатки алюминием и удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки (Патент США №7094445).

Известный способ позволяет получать на поверхности внутренней полости лопаток из жаропрочного сплава с карбидным упрочнением диффузионный алюминидный слой, обеспечивающий длительную защиту этой поверхности от окисления.

Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает полной защиты поверхности внутренней полости лопатки турбины, имеющей выходную щель и/или перфорационные отверстия различного диаметра для истечения охлаждающего лопатку воздуха. Для предотвращения выхода порошковой смеси из перфорационных отверстий и из выходной щели в известном способе подбирается размер порошков таким образом, чтобы предотвратить их самопроизвольное вытекание из этих отверстий и щели. Кроме того, процесс алитирования проводится при высокой температуре от 955 до 1095°С. При этом на поверхности перфорационных отверстий, относящихся к поверхности внутренней полости лопаток, алюминидный слой практически не образуется, что ограничивает ресурс лопатки, так как обычно перфорационные отверстия являются концентраторами напряжения, и образование трещин термоусталости на лопатках турбин начинается с областей, примыкающих к этим отверстиям. С другой стороны, известный способ не позволяет алитировать поверхность внутренней полости лопаток турбины, имеющих ряды перфорационных отверстий, диаметры которых отличаются между собой в 2-3 раза и более, так как в этом случае не удается подобрать нужную фракцию порошков для предотвращения вытекания порошковой смеси из этих отверстий. Отметим, что современные лопатки турбин преимущественно имеют ряды перфорационных отверстий с диаметрами, отличающимися между собой в два-три раза и более.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа, обеспечивающего полную защиту поверхности внутренней полости лопатки турбины, включая поверхность перфорационных отверстий и выходной щели, и повышение ресурса охлаждаемых лопаток турбин, в том числе лопаток, подвергаемых межресурсному ремонту покрытия.

Для достижения технической задачи предложен способ алитирования поверхности внутренней полости лопатки турбины из жаропрочного сплава, содержащей входные каналы, выходную щель и/или перфорационные отверстия, включающий приготовление порошковой смеси, наполнение через входные каналы внутренней полости лопатки порошковой смесью, нагрев лопатки с порошковой смесью, насыщение поверхности внутренней полости лопатки алюминием и удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки, причем перед наполнением внутренней полости лопатки порошковой смесью выходную щель и/или перфорационные отверстия, а после заполнения и входные каналы закрывают пластичной металлической фольгой, насыщение поверхности внутренней полости лопатки алюминием проводят при температуре 560-640°С не более 8 ч, а после удаления порошковой смеси из внутренней полости лопатки проводят термическую обработку лопатки в вакууме.

Для насыщения поверхности внутренней полости лопатки алюминием используют порошковую смесь, содержащую компоненты при следующем соотношении, мас.%: алюминий - 10-30; оксид алюминия - 67-89; активатор NH₄Cl - 1-3

Максимальный поперечный размер частиц в порошковой смеси d_п выбирают из условия d_п≤d_мо/3, где d_мо минимальный поперечный размер выходной щели на лопатке и/или перфорационных отверстий.

В качестве пластичной металлической фольги предпочтительно использовать фольгу из алюминия или никеля.

Термическую обработку лопатки в вакууме проводят при максимальной рабочей температуре жаропрочного сплава лопатки в течение 3-4 ч.

Использование пластичной металлической фольги позволяет закрыть выходную щель и/или перфорационные отверстия на пере лопатки турбины. Использование при этом порошковой смеси с поперечным размером частиц, в три и более раз меньшим минимального поперечного размера выходной щели лопатки и/или перфорационного отверстия, обеспечивает полное или частичное заполнение порошковой смесью не только внутренней полости лопатки, но и выходной щели и перфорационных отверстий. Последующее закрытие входных каналов для подачи охлаждающего воздуха в лопатку той же фольгой обеспечивает герметичность внутренней полости для порошковой смеси и позволяет проводить насыщение поверхности внутренней полости лопаток алюминием, так как алитирование проходит из газовой фазы при помощи хлоридов алюминия, образующихся при взаимодействии алюминия с активатором. С другой стороны герметизация выходной щели и/или перфорационных отверстий при помощи пластичной фольги позволяет при насыщении создать во внутренней полости лопатки избыточное давление хлоридов и препятствует доступу атмосферного воздуха в полость лопатки. При этом предлагаемая порошковая смесь в течение времени процесса насыщения алюминием до 8 ч не успевает спечься и свободно высыпается из внутренней полости лопатки при ее удалении.

Насыщение поверхности внутренней полости лопатки алюминием в области температур 560-640°С обеспечивает легкое удаление смеси из внутренней полости лопатки, позволяет использовать для закрытия выходной щели и перфорационных отверстий не только никелевую, но и алюминиевую фольгу, что не только экономически более целесообразно, но и способствует, как и при использовании никелевой фольги, качественному алитированию поверхности перфорационных отверстий и выходной щели на лопатке, так как алюминиевая фольга частично участвует в образовании хлоридов в области этих отверстий и выходной щели на лопатке.

При насыщении поверхности внутренней полости лопатки алюминием на поверхности внутренней полости лопатки из никелевого жаропрочного сплава с карбидным упрочнением, поверхности выходной щели и поверхности перфорационных отверстий образуется богатая алюминием фаза NiAl₃ и α-Аl. После термической обработки лопатки в вакууме при максимальной рабочей температуре жаропрочного сплава лопатки в течение 3-4 ч на поверхности внутренней полости, включая поверхность перфорационных отверстий и выходной щели лопатки, формируется качественный и пластичный диффузионный алюминидный слой с внешней зоной из NiAl (β-фаза) с содержанием алюминия ~22-23 (% по массе). Этим достигается повышение в 1,5-2 раза ресурса лопатки, так как при защите поверхности перфорационных отверстий и поверхности выходной щели на лопатке повышается сопротивление жаропрочного сплава лопатки к образованию трещин термоусталости и высокая жаростойкость всех поверхностей внутренней полости лопатки.

Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет создать на поверхности внутренней полости лопатки пластичное жаростойкое алюминидное покрытие, предохраняющее от высокотемпературного окисления эту поверхность и повышающее ресурс лопатки.

Сущность изобретения поясняется следующими примерами.

Пример. Для осуществления предлагаемого способа алитирования поверхности внутренней полости лопатки турбины использовали контрольные образцы и серийные лопатки из жаропрочного сплава ЖС6У, имеющие перфорационные отверстия на радиусе входной кромки лопатки с минимальным поперечным размером 0,5 мм, выходную щель с минимальным поперечным размером 0,8 мм и два входных канала размерами 2,8×5 мм, расположенных на нижнем торце замка лопатки. Порошковую смесь состава 20% Аl, 78% Аl₂О₃, 2% NH₄Cl и поверхности внутренней полости, выходной щели и перфорационных отверстий подготавливали к алитированию по серийной технологии и просеивали порошковую смесь через сито с размером ячейки 100 мкм. Выходную щель на лопатке и перфорационные отверстия закрывали лентой из алюминиевой фольги путем ее обжатия на внешней поверхности лопатки по радиусу входной кромки лопатки и по выходной кромке лопатки. Затем проводили наполнение внутренней полости лопатки порошковой смесью через входные каналы для охлаждающего лопатку воздуха. Затем, после окончательного заполнения внутренней полости лопатки порошковой смесью, закрывали алюминиевой фольгой входные каналы лопатки и размещали лопатки в коробе для алитирования. В том же коробе размещали алундовые тигли с крышками и контрольными образцами, погруженными в порошковую смесь. Затем устанавливали контейнер в предварительно нагретую термическую печь и проводили процесс насыщения поверхности внутренней полости лопаток алюминием при температурах 560; 600 и 640°С в течение 2, 5 и 8 ч. Затем контейнер извлекали из печи и охлаждали на воздухе, извлекали из него лопатки и тигли и удаляли порошковую смесь из тиглей и внутренних полостей лопатки, продували внутреннюю полость лопатки чистым сжатым воздухом, после чего проводили термическую обработку в вакууме при 1000°С 4 часа. Контроль процесса осуществляли по степени насыщения поверхности алюминием (взвешивание контрольных образцов до и после алитирования) и глубине насыщенного слоя. Полученные данные приведены в таблице 1. Там же приводятся данные по прототипу, взятые из патента (проведение алитирования из предлагаемой смеси по режимам, используемым в прототипе невозможно из-за сильного спекания этой смеси и невозможности ее удаления из внутренней полости лопатки).

Таблица 1
Температура процесса алитирования	Степень насыщения поверхности сплава ЖС6У алюминием, г/м2	Глубина алитированного слоя, мкм
Время процесса, ч	Время процесса, ч
2	5	8	2	5	8
560°С	2,2	10,8	26,6	<1	~4	20
600°С	8,7	30,2	42,4	~3	24	36
640°С	15,9	49,5	78,3	11	41	62
Прототип 955-1095°С	Данных нет	Время процесса 1-12 ч, глубина слоя 15-17 мкм, глубина перфорационных отверстий ≤5 мкм.

Для эффективной защиты поверхности внутренней полости лопатки от высокотемпературной газовой коррозии толщина алюминидного покрытия должна быть в диапазоне 20-50 мкм. Причем нижний предел толщины покрытия ограничивается ресурсом лопатки, а верхний - пределом выносливости композиции сплав-покрытие. Из таблицы видно, что выбор температуры алитирования в диапазоне 560-640°С и времени процесса в диапазоне от ~2 до 8 ч обеспечивает возможность получения толщины диффузионного покрытия в требуемых пределах, в том числе и в перфорационных отверстиях.

Металлографический анализ показал качественное покрытие поверхности выходной щели лопатки со стороны внутренней полости лопатки и поверхности перфорационных отверстий, что обеспечивает увеличение ресурса лопатки и выполнение технической задачи.

Аналогичные результаты получены при использовании порошковой смеси следующего состава (мас.%): Аl - 10, Al₂O₃ - 89, NH₄Cl - 1; Аl - 30, Аl₂O₃ - 67, NН₄Сl - 3.

Проверка гранулометрического состава на качество алитирования поверхности перфорационных отверстий показала, что в случае, когда выполняется условие d_п≤d_мо/3, где d_мо - минимальный поперечный размер выходной щели лопатки и/или перфорационных отверстии на лопатке, а d_п - максимальный поперечный размер частиц в порошковой смеси, имеет место заполнение порошком перфорационных отверстий и их качественное алитирование.

Металлографические исследования полученных защитных покрытий на контрольных образцах и лопатках показали, что во всех случаях на поверхности внутренней полости формируются алюминидные диффузионные покрытия с характерной двухзонной структурой - внешним жаростойким слоем на основе фазы NiAl и внутренним переходным диффузионным слоем на основе карбидов из тугоплавких карбидообразующих элементов сплава ЖС6У.

Проведены исследования полученных покрытий на жаростойкость при выдержке новых и ремонтных лопаток и образцов на воздухе в течение 1000 ч при температуре 1000°С, характерной для внутренней поверхности охлаждаемых лопаток турбин, и повторные металлографические исследования лопаток после испытаний. Исследования показали, что покрытие обеспечивает защиту сплава ЖС6У и поверхностей внутренней полости, выходной щели и перфорационных отверстий лопаток из этого сплава.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает длительную защиту внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины из жаропрочных сплавов и может найти применение в промышленности для защиты внутренней полости новых и ремонтных лопаток турбины с конвективным охлаждением.

1. Способ алитирования поверхности внутренней полости лопатки турбины из жаропрочного сплава, содержащей входные каналы, выходную щель и/или перфорационные отверстия, включающий приготовление порошковой смеси, наполнение внутренней полости лопатки порошковой смесью через входные каналы, нагрев лопатки с порошковой смесью, насыщение поверхности внутренней полости лопатки алюминием и удаление порошковой смеси из внутренней полости лопатки, отличающийся тем, что перед наполнением внутренней полости лопатки порошковой смесью выходную щель и/или перфорационные отверстия, а входные каналы после заполнения порошковой смесью закрывают пластичной металлической фольгой, насыщение поверхности внутренней полости лопатки алюминием проводят при температуре 560-640°С не более 8 ч, а после удаления порошковой смеси из внутренней полости лопатки проводят термическую обработку лопатки в вакууме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение поверхности внутренней полости лопатки алюминием осуществляют из порошковой смеси, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: алюминий 10-30, оксид алюминия 67-89, активатор NH₄Cl 1-3.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальный поперечный размер частиц в порошковой смеси d_п выбирают из условия d_п≤d_мо/3, где d_мо - минимальный поперечный размер выходной щели на лопатке и/или перфорационных отверстий.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластичной металлической фольги используют фольгу из алюминия или никеля.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую обработку в вакууме проводят при максимальной рабочей температуре жаропрочного сплава лопатки в течение 3-4 ч.