Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Гонсалес, Луис Фернандо

• Гонсалес, Луис Фернандо
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Гонсалес, Луис Фернандо

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

1.1. Общие сведения об энергетических газотурбинных установках и их элементах

1.2. Причины аварий ГТУ и турбин

1.3. Восстановительный ремонт валов ГТУ

1.4. Лазерные технологии нанесения покрытий

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 1

Цель и задачи исследования

Глава2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ,

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ

2.1. Материалы подложки и наносимых покрытий

2.2. Экспериментальный стенд для нанесения покрытий

2.3. Оборудование и методики для исследования микроструктуры

2.4. Оборудование и методики механических испытаний полученных

покрытий

Глава 3. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ И ГЕОМЕТРИИ

СОПЛА ДЛЯ ПОДАЧИ ПОРОШКА ПРИ ЛАЗЕРНОМ НАНЕСЕНИИ

ПОКРЫТИЙ

3.1. Характеристика процесса нанесения покрытий лазерным излучением

3.2. Методика определения формы газового потока

3.3. Методика расчёта движения частиц порошка

3.4. Методика выбора конструкции сопла

3.5. Расчетное определение влияния параметров обработки на

газопорошковый поток

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 3

Глава 4. МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ НАНЕСЕНИЯ

ИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОЁВ ЛАЗЕРНЫМ МЕТОДОМ

4.1. Экспериментальная методика

4.2. Метод селективной обработки

4.3. Методика регрессивного анализа полученных экспериментальных

результатов

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 4

Глава 5. СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ПОКРЫТИЙ. ТЕХНОЛОГИЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВАЛОВ

5.1. Исследование твёрдости полученных покрытий

5.2. Исследование износостойкости покрытий

5.3. Исследование структуры полученных покрытий

5.4. Определение фазового состава полученных покрытий

5.5. Технологические рекомендации по наплавке Stellite 6 на валы из

стали AISI 4340

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 5

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок»

ВВЕДЕНИЕ

Развитие технологий нанесения покрытий происходит одновременно с развитием многих отраслей машиностроения. Предъявление высоких требований к деталям, работающих в агрессивных условиях, приводит технологов к все более трудным задачам восстановления деталей и создания функциональных покрытий. Одним из мало изученных направлений в технологиях наплавки является нанесение покрытий из кобальтовых сплавов типа 81еШ1е и изучение их свойств.

Кобальт придает сплавам ряд чрезвычайно важных свойств, таких, как износостойкость, сопротивление ползучести, усталостную прочность при высоких температурах, устойчивость к сульфидированию и другие. Эти свойства безусловно являются привлекательными для их промышленного применения в особо ответственных конструкциях и деталях энергетического машиностроения и в частности газотермических установок (ГТУ).

Ввиду содержания в кобальтовых сплавах большого количества легирующих элементов (>35%), наличия тугоплавких элементов и образования сложных карбидов создание покрытий из этих сплавов сопровождается возникновением трещин в процессе наплавки, высоким содержанием основного материала детали в покрытии, неоднозначностью поведения покрытий при различных температурах из-за изменения атомной структуры кобальта. Эти проблемы часто перекрывает преимущества кобальтовых сплавов перед производителем, поэтому необходимы глубокие исследования особенностей технологии нанесения покрытий из этих сплавов, выбор оптимальных методов и режимов обработки, которые обеспечат качество покрытий.

Из всех возможных методов нанесения покрытий в наибольшей степени указанным требованиям отвечает процесс газопорошковый лазерный процесс. Этот метод позволит наносить покрытия из кобальтового сплава не только с сохранением свойств исходного наносимого материала, но и улучшить его свойства за счет больших скоростей охлаждения, а также обеспечить гибкость

процесса.

Однако, до настоящего времени не проводилось систематических исследований технологии и оптимизации режимов процесса газопорошкового лазерного нанесения сплавов типа 81еШ1е на валы энергетического оборудования. В связи с этим тема данной работы является актуальной.

Цель и задачи исследования:

Цель работы - создание комплекса методик, обеспечивающих оптимизацию выбора материалов, оборудования, режимов обработки и испытаний для получения высококачественных износостойких покрытий при ремонте волов ГТУ.

Задачами исследования являются следующие:

1. Выбор вида и состава материала для нанесения на поверхность материала вала ГТУ лазерным методом.

2. Обоснование и выбор оборудования, необходимого для нанесения покрытий на поверхность валов ГТУ лазерным методом.

3. Разработка методики и выбор геометрии сопла для подачи порошка в зону нанесения покрытий соосно с лазерным лучом.

4. Разработка расчётно-селективной методики оптимизации параметров лазерного нанесения покрытий.

5. Определение по расчётно-селективной методике режимов нанесения покрытий лазерным методом порошка Б1еШ1 6 на материал вала Л]Ш 4340.

6. Получение по методикам регрессионного анализа расчётных зависимостей геометрических параметров валика от режимов обработки при нанесения покрытий лазерным методом порошка Б1еШ1 6 на материал вала Л1Б1 4340.

7. Выбор оптимальных режимов для получения покрытий, отвечающих требованиям восстановительного ремонта валов ГТУ.

8. Испытания механических свойств, износа и микроструктуры полученных покрытий на оптимальных режимах. Выбор лучшего режима.

9. Разработка технологической инструкции восстановительного ремонта валов ГТУ лазерным нанесением покрытий.

Научная новизна:

1. Разработан комплекс методик, позволяющий оптимизировать технологические режимы нанесения порошковых износостойких покрытий из сплава Stellit 6 на валы энергоустановок лазерным методом. Полученные покрытия на оптимальных режимах нанесения имеют наивысшие механические свойства.

2. Расчётом по регрессивным методикам определены основные критерии значимости параметров нанесённых слоев во взаимосвязи с режимами обработки и механическими свойствами покрытий. Установлено, что максимальный критерий значимости может достигать значений от 0,25 до 0,3.

3. Показано, что расчётные и экспериментальные значения параметров нанесённого слоя с коэффициентами, находящимися в установленном диапазоне, обеспечивают максимальную твёрдость и износостойкость после лазерной обработки, превышающие соответствующие значения материала валов от 1,7 до 3,7 раз.

4. Установлена взаимосвязь структурного и фазового состава покрытия с режимами обработки, параметрами покрытия и получаемыми механическими свойствами. Доказано, что наилучшая износостойкость достигается при содержании в покрытии фазы карбида Сг7С3 в количестве от 15,0 до 16,5% и создании мелкодисперсной структуры с расстоянием между осями дендритов второго порядка менее 1,8 мкм и шириной дендритов 1,41 мкм.

Практическая значимость работы:

1. Разработанные методики позволяют оперативно, с наименьшей затратой времени и материалов определять наилучшие режимы нанесения покрытий лазерно-порошковым методом.

2. Разработана технологическая инструкция проведения процесса восстановления валов ГТУ из стали AISI 4340 с использованием материала Stellit 6 лазерно - порошковым методом.

Методы исследования:

Поставленные задачи решались с использованием теоретических и экспериментальных методов исследований. Для математического моделирования тепловых процессов, проходящих при лазерном воздействии, использовали стандартный программный продукт MATLAB 7.11. Металлографические исследования проводили с применением следующего оборудования: отрезной станок Struers Discotom-6, установка для заливки образцов Struers CitoPress-20, установка для полировки и шлифовки образцов Struers Tegramin-30, микроскоп Olympus GX51. Для измерения температуры подогрева подложки поверхности в процессе лазерной обработки использовался тепловизор Testo 885. Скорость движения частиц в процессе лазерной инжекции измеряли высокоскоростной камерой Fastvideo-500M.

Достоверность:

Достоверность работы обеспечена корректным использованием общих положений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теплопереноса, массопереноса и т.д.), проверена по известным критериям изучаемых процессов и подтверждена экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» ФГБОУ ВПО МГТУ имени Н.Э. Баумана (Москва, 2015, 2016 гг.), Всероссийской научно -технической конференции «Студенческая весна: Машиностроительные технологии» (Москва, апрель 2014 г.), Международной научно - технической конференции «Фотоника 2016» (Москва, 2016 г.).

Публикации:

Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 3-х статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Объём работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и списка литературы из 76 наименований. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 52 таблиц.

Глава 1. МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

1.1. Общие сведения об энергетических газотурбинных установок и их элементах

Турбины являются высоконагруженными элементами энергетических газотурбинных установок (ГТУ), подвергающиеся значительному износу в процессе эксплуатации. В связи с этим значительное внимание уделяется их ремонту в процессе эксплуатации [1].

Одним из наиболее нагруженных элементов турбины является ротор. Ротором называется вращающаяся часть турбины, несущая на себе рабочий лопаточный аппарат, с помощью которого осуществляется преобразование кинетической и потенциальной энергии рабочей среди (пара, газа) в механическую работу путем вращения турбиной подсоединенного к ней ротора генератора или любой другой рабочей машины. Основными деталями ротора являются валы, диски и рабочие лопатки. Диски с насаженными на них лопатками называют также и рабочими колесами [2].

В условиях эксплуатации турбины ротор подвергается действию центробежных сил, крутящего и изгибающего моментов, растягивающих осевых сил и нагрузки от собственного веса. Лопатки и диски ротора при действии на них возмущающих сил как от рабочей среди (пара, газа), а также и по другим причинам, работают в условиях вибрации со знакопеременными нагрузками [3].

Основной и наиболее нагруженной деталью ротора является его вал. На вал ротора турбины действуют: крутящий момент, соответствующий передаваемой турбиной мощности; изгибающий момент от собственного веса и веса насаженных на него деталей; силы неуравновешенного давления пара вдоль оси.

Тяжелые условия работы валов и большая ответственность их, с точки зрения обеспечения надежности работы всей турбины, требуют особо

тщательного подхода к выбору материалов способов изготовления заготовок и последующей механической обработки, а также методики и средств контроля качества обрабатываемых валов на всех этапах технологического процесса. Кроме этого необходимо рассматривать технологии ремонта валов, так как замена их на новые весьма дорогостоящая задача.

Валы роторов турбин изготовляют из поковок. Поковки для валов, работающих при температуре металла не свыше 450 °С, изготовляют из углеродистых и легированных сталей шести категорий (по прочности). Рекомендуемые марки стали согласно отраслевым техническим условиям (ОТУ 24-10-004-68) указаны в Таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Механические свойства поковок валов и цельнокованых роторов судовых и

стационарных паровых турбин

Категория Механические свойства продольных образцов1 Рекомендуемые стали2 для работы при температурах 400-450° С

Об 5 в % ¥ в % Угол загиба (в град) на оправке d = 40 мм (не менее)

в Н/мм2 б кг/мм2

I 520 52 19 40 180 35, 40

II 580 58 17 40 180 34ХМ1А

III 650 65 15 40 160 34ХМ1А

IV 720 72 15 40 160 34ХМ1А, 35ХМ,

V 820 82 14 40 150 34ХН1М, 34ХН3М

VI 870 87 13 40 150 34ХН1М, 34ХН3М

В паровых и газовых турбинах для валов и цельнокованых роторов, работающих при температурах свыше 500° С, где требуется высокий уровень жарапрочных свойств материала, применяют молибденосодержащие стали, например хромомолибденовые, хромомолибденованадиевые,

хромомолибденоволфрамованадиевые. При температурах свыше 700° С применяют сплавы на никелевой основе, а также на кобальтовой, молибденовой и смешанных основах [59, 60]. Некоторые из марок сталей, наиболее широко

применяемых для деталей роторов, работающих при температурах свыше 500° С, приведены в Таблице 1.2.

Таблица 1.2.

Механические свойства поковок валов и цельнокованых роторов паровых и

газовых турбин

Марка стали Механические свойства Температура рабочей среди в °С

Об 5 в % ¥ в % Термическая обработка

в Н/мм2 в кгс/ммм2

Р2МА 690 -740 69 - 74 15-19 41- 64 Двойная нормализация 970990° С и 930-950° С; отпуск при 680-700° С 535-540

20Х3МВФ 800 80 13 40 Закалка при 1050° С в масле, отпуск при 700° С До 550

1Х12ВНМФ 750 75 15 45 Закалка при 1050° С в масле, отпуск при 680-700° С До 580

1Х16Н13М2В 580 58 30 35 Закалка при 1100-1130° С в воздухе; старение при 750° С - 12 ч До 600

ХН35ВТ 650 65 15 35 Закалка при 1080° С в воде; старение при 850° С - 10 ч; при 700 ° С - 50 ч До 650

1.2. Причины аварий ГТУ и турбин

Большинство аварий на электростанциях являются повторяющимися, даже если конструкции станций отличаются [4,5,6].

Хотя типичные наиболее распространенные проблемы каждой электростанции логически зависят от моделей, специфических для каждой из установок, которые составляют электростанцию, можно обобщать ряд аварий, и считать их постоянными.

Большинство аварий газовых турбинных установок связаны с высокими температурами, которые используются в камере сгорания и в первых рядах лопаток турбины расширения. Другая большая группа относится к регулировке процесса горения, и таким образом производительность и стабильность

пламени, и оказываются, связанные с этими настройками. Другая часть аварий являются типичными вращающихся оборудований: вибрации, несоосности и т. д.

Происхождения аварий газовых турбинных установок (ГТУ) [7]:

- Проблемы материалов, связанных с высокими употребляющимися температурами.

- Типичные проблемы вращающихся оборудований.

- Несоблюдения инструкций по обслуживанию и эксплуатации.

Эти аварии связаны с высокими температурами, наличием химически агрессивной атмосферы, получаемой от сгорания топлива, а также различными проблемами износа трущихся частей. Износу способствует воздействие на материал высокоскоростного потока твердых сталкивающихся частиц, поступающих из внешней или внутренней стороны турбины, давлении дымовых газов на механические элементы или детали, динамическое длительное трение между различными вращающимися механическими элементами с различными поверхностными твердостями, среди других [5, 10].

На Рис. 1.1 [75] показаны процент аварий, возникающих от различных причин. Как видно на Рис.1.1 наиболее часто возникают аварии, связанные с износом элементов турбин.

20

18

16

14

12

10

8

6

4

0

— ■ Потеря системы охлаждения воздухом турбинных лопаток

Внутренний пожар или взрыв

Ползучесть вращающихся частей

■ Много цикловая усталостьтурбинных лопаток

■ Помпаж компрессора

Много цикловые усталости лопаток компрессора

Расход за повреждение (% общей суммы)

Рис. 1.1. Расход за повреждение (% общей суммы)

Для любого рассматриваемого типа машин, знание причин отказов и статистики простоя позволяет определить, какие компоненты заслуживают более пристального рассмотрения [2]. В Таблице 1.3 приведены статистические данные основных событий отдельных элементов турбин, которые приводят к остановке и аварии турбины.

Таблица 1.3.

Количественное отклонение от нормальной работы элементов энергетической

установки в год

Элемент установки Частота отказов Средний простой установки

Событий/год Часов/год

Ротор/вал 22% 0,44 54

Приборы 21% 0,42 2

Радиальные подшипники 13% 0,26 7

Лопасти 8% 0,16 18

Подшипники тяги 6% 0,12 3

Уплотнения компрессора 6% 0,12 6

Обмотки двигателя 3% 0,06 12

Диафрагмы 1% 0,02 7

Разные причины 20% 0,40 28

Все причины 100% 2.00 137 часов

Как видно из Таблицы 1.3, наибольшие простои наблюдаются для ремонта волов турбины. Поэтому технологии ремонта должны быть весьма производительными и высококачественными.

Наиболее часто валы получают дефекты по следующим причинам. Под переменными и динамическими нагрузками могут возникнуть усталостные трещины, которые могут привести к разрушению вала. Эти дефекты в основном возникают при некачественном изготовлении и термической обработки.

Из-за перегрузки и других экстремальных ситуаций возможно искривление вала или деформации в результате ползучести материала.

Так как валы получают некоторые деформации при нагрузках (деформации под нагрузками на поперечный изгиб и кручение вала) в процессе вращения в них возникают собственные частоты колебаний. Когда скорость

вращения вала приближается или совпадает с одной из критических скоростей (при наличии собственных частот) вал входит в резонанс, за счёт чего возникают высокие колебания и вибрации, которые могут привести к авариям.

Наиболее часто появляющимися причинами аварий является износ валов в зоне контакта с подшипниками.

Изнашивание - это процесс удаления или разрушения материала на поверхности детали при трении. В свою очередь трение - это процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде [8].

Результатом изнашивания является износ, выраженный в установленных единицах (длины, объема или массы). Величина износа, отнесенная к единице пути трения, называется интенсивностью изнашивания. Часто процесс изнашивания описывают именно интенсивностью.

Величина, обратная интенсивности изнашивания, называется износостойкостью. Она и является мерой сопротивления поверхностных слоев деталей разрушению при трении скольжения, трении качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций [8, 9].

Изнашивание деталей сопровождается сложными физико -химическими явлениями. Скорость изнашивания зависит от материала и качества трущихся поверхностей, характера контакта и скорости их взаимного перемещения, вида и значения нагрузки, вида трения и смазки, качества смазочного материала и от многих других факторов.

Выделяют основные виды изнашивания: механическое, которое возникает в результате механических воздействий (абразивное, гидроабразивное, гидроэрозионное, усталостное, кавитационное, при фреттинге) и коррозионно-механическое (электроэрозионное, окислительное, при фретпитг-коррозии ). Коррозионно-механическое представляет собой превращения механического когда агрессивная среда: почва, грунт, руда, уголь и природа, зола, пыль, металлическая стружка, нагар и продукты изнашивания,

вызывает электрохимические процессы на поверхности детали, интенсифицируя изнашивание.

В данном конкретном случае валов ГТУ, в результате их обычной работы могут появляться один или несколько из этих механизмов аварии. Преобладание какого-либо из них будет зависеть от зоны, в ГТУ, в которой находится сегмент вала так, что каждая из них имеет свои механические и физико-химические особенности.

Таким образом, авария, наиболее часто происходит в зонах, которые поддерживаются опорными и упорными подшипниками, и проявляется, как износ, возникающий из-за динамического осциллирующего трения малой амплитуды между поверхностями контакта вала и подшипниками скольжения (обычно около 1-100 мкм). Иногда износ ускоряется из - за недостаочной, смазки, образования продуктов коррозии, при вибрациях ГТУ. Неправильное установка вала на подшипниках, также способствует ускорению процесса износа. В конце концов, любой фактор, который влияет на увеличение вибраций, содействует этому механизму аварии, который называется фреттинг.

Важно заметить, что износ деталей ГТУ приводит к потере точности; понижению коэффициента полезного действия (КПД); снижению прочности; увеличению динамических нагрузок, которые являются следствием увеличения зазоров в сопряжениях; повышению уровня шума. Износ является причиной выхода из строя подавляющего большинства машин (до 80%) и их деталей. Создание узлов с минимальными потерями на трение способствует высвобождению огромных ресупов рабочей силы и снижению различных материальных затрат, в этом числе ремонтных предприятий, которые в среднем по машиностроению составляют не менее 60-80 % основного производства.

Износ инструмента и рабочих органов машин, помимо снижения производительности, повышает расход электроэнергии. Например, с износом втулки вала установок происходит увеличение зазора промежуточных подшипников скольжения, что приводит к искривлению вала и, как следствие, локальному износу втулки подшипника. Для вращения такого подшипника

требуется больший расход энергии, что объясняется увеличением коэффициента трения за счет уменьшения площади контакта.

Износ и повреждение поверхностей снижают сопротивление усталости деталей и могут служить причиной их разрушения даже при незначительных концентраторах напряжений и весьма низких номинальных напряжениях. Повышенный износ нарушает нормальное взаимодействие деталей в узлах, может вызвать значительные дополнительные нагрузки, удары в сопряжениях и вибрации, стать причиной внезапных разрушений. С повышенным износом нередко связан недопустимый шум в подшипниковых узлах машин [4, 6, 11].

Таким образом, очевидно, что вал является основной деталью и высокого риска для функционирования ГТУ. 1.3. Восстановительный ремонт валов ГТУ

Возникновение аварий, в следствии износа, ставит перед инженерами задачу ремонта валов и всей машины в целом. Возможно два основных варианта - это замена на новый вал или ремонт путём восстановления изношенного. Эти вопросы решаются, помимо технических проблем, исходя из финансовых затрат на замену или ремонт. В большинстве случаев ремонт изношенного вала является более дешёвым процессом, чем замена на новый [12, 62]. Это ещё связано с тем, что уже существует достаточное количество восстановительных технологий, позволяющих снижать затраты на ремонт волов [13, 53, 54, 58, 73].

Основными задачами при создании восстановительных и ремонтных технологий являются следующие: 1 - выбор наносимого материла; 2- выбор технологии нанесения покрытия.

Для правильного выбора материала покрытия необходимо рассмотреть их виды и основные характеристики.

Среди всего многообразия функциональных покрытий по способности воспринимать нагрузку со стороны окружающей среды необходимо выделить следующие:

- износостойкие;

- антифрикционные;

- жаропрочные;

- жаростойкие;

- коррозионностойкие;

- термостойкие;

- эрозионностойкие;

- вибрационностойкие.

Необходимо заметить, что одно и то же покрытие может удовлетворять ряду требований из перечисленных, а может соответствовать одному и абсолютно не удовлетворять другим. Так, покрытия с высоким содержанием карбидов могут являться и термостойкими, и износостойкими, однако будут слабо противостоять вибрационным нагрузкам. Так как валы ГТУ подвергаются практически всем из перечисленных воздействий, необходимо выбирать композиционные материалы для покрытий, удовлетворяющие сразу нескольким характеристикам.

Износостойкие покрытия. Износостойкость - это свойство материала противостоять разрушению от нагрузок, получаемых в результате остаточных напряжений при трении.

Износостойкие покрытия обладают повышенными значениями механических свойств и пониженным коэффициентом трения.

При создании износостойких покрытий широко используют такой класс композиционных материалов, как твердые дисперсно-упрочняемые сплавы, при нагрузках прочность и твердость таких сплавов возрастает, как от термомеханической обработки [47]. Данный эффект необходим, чтобы в процессе приработки поверхность приняла за счет деформаций оптимальную форму с максимальной площадью контакта и в дальнейшем сохраняла эту форму при больших нагрузках. Для создания износостойких покрытий такого типа используют различные карбиды тугоплавких элементов, таких как вольфрам ^С), хром (Сг23С6, Сг7С3, Сг3С2), титан (ТЮ), бор (В12С3), заключенные в вязкую пластичную матрицу из менее твердого материала. Так,

карбиды хрома нашли весьма широкое применение в технике в связи с тем, что они обладают рядом ценных свойств: стойкость к окислению у карбидов хрома почти в 20 раз выше, чем у карбида титана и более чем в 1500 раз выше, чем у карбида вольфрама, благодаря такому набору свойств у карбидов хрома наблюдается высокая стойкость против абразивного износа и коррозии [15] .

Среди неметаллов для создания износостойких покрытий активно используется марганец. Сталь Гадфилда, обладающая высокой твердостью и износостойкостью, не поддается механической обработке. Основной легирующий элемент в ней - именно марганец (11.. .15%). Сталь используется для производства ковшей экскаваторов, щитов грейдеров - деталей, работающих при ударно-абразивных нагрузках.

Для создания износостойких покрытий широко используются матрицы А1 и Т с внедрением в них боридов, силицидов и карбидов различных металлов [47]. Была исследована износостойкость наплавленных покрытий систем 81С/А1-8Б1, WC/Ti-6A1-4V и ГПБ2/ГП-6А1-4У. Была получена структура с нерастворенными и распределенными в матрице частицами - карбидами алюминия и карбидами вольфрама и титана , устойчивая при износе и обладающая низкими значениями коэффициента трения.

При соответствующих добавках Т и А1 никелевые и никельхромовые сплавы становятся дисперсно-твердеющими (сплавы типа нимоник). Использование этих сплавов в создании покрытий оправдывается также прочностными качествами этих металлов.

Кроме нитрида титана, в износостойких сплавах широко используются его бориды и силициды.

Для создания тяжелонагруженных поверхностей также используют составы на основе кобальта.

Жаропрочность характеризуется комплексом свойств, включающих сопротивление ползучести, длительному разрушению и жаростойкость. Жаропрочными являются материалы с высокими механическими характеристиками при значительных температурах. Среди жаропрочных

сплавов выделяют класс суперсплавов - жаропрочных сплавов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок. Никель, благодаря уникальному набору механических свойств, является основой для создания большинства из них.

Кобальт, в свою очередь, также, как и никель, используют при создании суперсплавов. Основное направление использования кобальтовых суперсплавов - в наплавочных порошках типа Stellite. В этих составах содержание кобальта может составлять более 50%. Используются они при производстве ножевых изделий, токарных резцов и при восстановлении поверхностей [57], подверженных интенсивному изнашиванию при высоких температурах.

Хром широко применяется при создании жаропрочных и коррозионностойких сталей в качестве легирующего элемента, так как даже при незначительном количестве заметно изменяет свойства сплава.

Для создания композиционных жаропрочных сплавов применяются тяжелые тугоплавкие металлы и их карбиды, такие как молибден и вольфрам. Благодаря высокой температуре плавления и высокой коррозионной стойкости их широко используют при производстве твердых сплавов, быстрорежущих и броневых сталей и в составе смесей для наплавки. В качестве легирующих элементов вольфрам и молибден применяют для повышения жаропрочности, коррозионной стойкости и прочности сплавов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гонсалес, Луис Фернандо, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение, 1988. 189 с.

2. Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2002. 376 с.

3. Heinz P. Improving machinery reliability, volume 1 of practical machinery management for process plants. Gulf Professional Publishing, 1998. 680 р.

4. Тополянский П.А. Износо- и коррозионностойкие сплавы для нефтегазовой промышленности // Арматуростроение. 2007. № 1. С. 40-44.

5. Giampaolo T. Gas turbine handbook: principles and practice. 4th Edition -The Fairmont Press, Inc., 2009. Р. 193-197.

6. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Бабель В.Г. Трибология на основе самоорганизации. Lap lambert academic publishing, 2015. 245 с.

7. Fimmm J.C. Laser processing of engineering materials. Principles, procedure and industrial application // JEuropin Inginiring Ceng. 2005. №5. P. 48-59.

8. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. 368 с.

9. Балдаев, С.Л. Повышение эксплуатационных характеристик тяжело нагруженных подшипниковых узлов путем нанесения газотермических покрытий. М.: Машиностроение, 2010. 182 с.

10. Guijin B., Gasser A. Restoration of nickel-base turbine blade knife-edges with controlled laser aided additive manufacturing // Physics Procedia. 2011. Vol. 12, № 10. Р. 402-409.

11. Advanced laser cladding application for oil and gas components / A. Andolfi [et al.]. Technology Insights. 2012. № 5. Р. 165-173.

12. Переплетчиков Е.Ф., Рябцев И.А. Плазменно-порошковая наплавка деталей запорной арматуры различного назначения // Арматуростроение . 2007. № 4. С. 57-61.

13. Пузряков, А. Ф. Теоретические основы технологии плазменного напыления: учебное пособие для вузов. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 357 с.

14. Marcel S. Laser cladding with powder, effect of some machining parameters on clad properties. Netherlands: University of Twente, 1998. 177 р.

15. Толстов И.А. Износостойкие наплавочные материалы и высокопроизводительные методы их обработки. М.: Машиностроение, 1992. 224 с.

16. Davis J.R. Nickel, cobalt and their alloys: ASM specialty handbook. USA: ASM International, 2000. 422 p.

17. Shi H.Z. Microstructure and corrosion resistance of Ni-based alloy laser coatings with nanosize CeO2 addition // Secins Technolodgi Material. 2008. №9. Р. 2-8.

18. Tucker T.R., Ayers J.D. TiC - hardened steel surface by laser melt // Thin Solid films, 1980. V. 73. Р. 201-202.

19. Effects of chemical composition on solidification, microstructure and hardness of Co-Cr-W-Ni and Co-Cr-Mo-Ni alloy systems /R. Liu [et. al.]. IJRRAS, 2010. №5. Р. 110-122.

20. Вайнерман А.Е. Плазменная наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1969. 192 с.

21. Семенов С.А. Лазерная наплавка и нанесение покрытий. Л.: ЛДНТП, 1990. 89 с.

22. Тополянский П.А., Тополянский А.П. Прогрессивные технологии нанесения покрытий — наплавка, напыление, осаждение // Арматуростроение. 2011. № 4. С. 63-68.

23. Navas C. Laser coatings to improve wear resistance of mould steel // Surface & Coatings Technology. 2005. № 194. Р. 136-142.

24. Технологические процессы лазерной обработки /А.Г. Григорьянц [ и др.]. М.: 2008. 650 с.

25. Чижская, Т.Г. Лазерная наплавка порошков сплава системы Ni - Cr -B - Si на медь и ее сплавы // Автоматическая сварка. 1997. № 8. С. 3035.

26. Третьяков Р.С., Ставертий А.Я., Шишов А.Ю. Методы и применения лазерной наплавки // РИТМ. 2012. № 2. С. 34-36.

27. Pan H., Liou F. Numerical simulation of metallic powder flow in a coaxial nozzle for the laser aided deposition process //Material Process Technology. 2005.№ 168. Р. 230-244.

28. Kim J.D., Peng Y. Plunging method for Nd:YAG laser cladding with wire feeding // Optics and Lasers in Engineering. 2005. № 33. Р. 299-309.

29. Sun S., Durandet Y., M. Brandt. Parametric investigation of pulsed Nd: YAG laser cladding of stellite 6 on stainless steel // Surface & Coatings Technology. 2005. № 194. Р. 225- 237.

30. Третьяков Р.С. Технологические особенности процесса лазерной модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов: дис. ... канд.тех.наук. Москва. 2014. 161 с.

31. Оптимизация формы сопел для лазерной коаксиальной наплавки /Григорьянц А. Г. [ и др.] // Сварочное производство. 2014. №8. С.24-27.

32. Pinkerton A.J., Li L. Modelling powder concentration distribution from a coaxial deposition nozzle for laser-based rapid tooling // ASME Journal Manufact Scins Enginiring. 2004. № 126. Р. 33-41.

33. Yang N. Concentration model based on movement model of powder flow in coaxial laser cladding // Optic Laser Technology. 2009. № 41. Р. 94-98.

34. US Patent US2006/0065650 Coaxial nozzle for laser cladding/ W. Guo (US); опубл.30.03.2006.

35. US Patent W0199520458 Laser powdered metal cladding nozzle/ A. Buongiorno, опубл.03.08.1995.

36. US Patent US4724299 Laser spray nozzle and method/ W. Albert , Pennsauken N.J.; опубл .09.02.1988.

37. US2006/0266740 Powder metal cladding nozzle / S. Akio,Yoshinori I.; опубл.30.11.2006.

38. US Patent W02005/028151Coaxial nozzle design for laser cladding/welding process / Y.Hu опубл .31.03.2005.

39. US20080308538 Powder delivery nozzle / J. G. Harris, M. Brandt; опубл.18.12.2008.

40. Гибридные технологии лазерной наплавки / А.М. Забелин [и др.]. М.: Издательство МГОУ, 2007. 132 с.

41. Григорьянц А.Г., Мисюров А.И., Третьяков Р.С. Анализ влияния параметров коаксиальной лазерной наплавки на формирование валиков // Технология машиностроения. 20. № 11. С. 19-21.

42. Pereira J.C. [et al.]. Análisis geométrico y microestructural de recubrimientos de NiCoCrAlYTa proyectados por laser sobre laminas de acero inoxidable AISI 316L // Rev. LatinAm. Metal. Mat. 2014. Vol. 34, № 2. P. 209217.

43. Третьяков Р.С., Ставертий А.В., Шишов А. Ю. Исследование влияния режима генерации лазерного излучения на структуру и свойства инструментальной стали при газопорошковой наплавке // Наука и образование. 2012. №7. С. 28-33.

44. Шиганов И.Н., Гонсалес Л.Ф., Третьяков Р.С. Восстановление деталей энергетических установок лазерной наплавкой // Технология машиностроения. 2015. № 10. С. 27-31.

45. Гонсалес Л.Ф., Шиганов И.Н. Оптимизация процесса нанесения стеллита на сталь лазерным методом // Сварочное производство. 2017. №3. С. 35-41.

46. Шиганов И.Н., Гонсалес Л.Ф., Базалеева К.О. Исследование структуры и свойств износостойких покрытий из стеллита,

нанесённых на сталь лазерным излучением // Сварочное производство. 2017. №10. С. 18-23.

47. Самарин П.Е. Получение композиционных покрытий с внедрением частиц SiC в поверхность алюминиевых сплавов: дис. ... канд.тех.наук. Москва. 2015. 135 с.

48. Новиченко Д.Ю. Разработка и исследование процесса прямого лазерного изготовления детали из композиционного материала на основе стали и карбида титана: дис. ... канд.тех.наук. Москва. 2011. 135 с.

49. Солдатенко И.Г. Математические модели динамики некоторых гироскопических систем: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Москва. 2006. 100 с.

50. URL.https://istina.msu.ru/media/conferences/conferencepresentation/ 962/fd4/9277244/ISUZHT-2014.pdf (дата обращения 19.04.2017).

51. URL.https://istina.msu.ru/media/publications/article/260/1fd/9382604/ ISUJT_2014_Print_part_1.pdf (дата обращения 19.04.2017).

52. Синани И.Л., Федосеева Е.М., Береснев Г.А. Методы нанесения покрытий. 2008. 110 с.

53. Laser dadding repair of turbine blades in power plantas: from research to commercialization /M. Brandt [et al.]. International Heat Treatment and Surface Engineering. 2009. Vol. 3, № 3. 10 p.

54. Remanufacture of turbine blades by laser cladding, machining and in-process scanning in a single machine /J. Jones [et al.]. 2012. P. 821-827.

55. Direct laser cladding, current status and future scope and application /A. Weisheit [et al.]. Laser-Assisted Fabrication of Materials. 2013. P. 221240.

56. Problematica de los recubrimientos superficiales realizados con laser e influencia de los parametros del proceso /M. Cadenas [et al.]. Revista de Metalurgia. Madrid. 1998. Vol. 34, № 2. P. 120-125.

57. Comparative study of Co-based alloys in reparing low Cr-Mo steel components by laser cladding /E. Diaz [et al.]. Physics Procedia. 2012. Vol. 39. P. 368-375.

58. Kathuria Y.P. Some aspects of laser surface cladding in the turbine industry. Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 132. P. 262-269.

59. Huda Z. Recent advances in energy material for hot sections of modern gas-turbine engines. World Academy of Science, Engineering and Technology. 2012. Vol. 6. P. 787-789.

60. Muktinutalapati N.R. Materials for gas turbines - an overview // Muktinutalapati N.R., Benini E. Advances in Gas Turbine Technology. 2011. P. 293-314.

61. Estudio comparativo de tecnicas de laser cladding para la reparacion de moldes de acero de herramienta 1.2379 /J. Leunda [et al.]. Actas del IV Taller Nacional - Procesado Materiales con Laser. Valencia. 2007. 6 p.

62. La confiabilidad, la disponibilidad y la mantenibilidad, disciplinas modernas aplicadas al mantenimiento /D.H. Mesa Grajales [et al.]. Scientia e Technica. 2006. № 30. P. 155-160.

63. URL.http://exocor.com/downloads/product-datasheets/Stellite-6-Datasheet.pdf (дата обращения 10.12.2016)

64. URL.http ://www. stellite. com/content/dam/kennametal/stellite/literature/Bro chures7B-13-03219_KMT_Stellite_Wrought_Brochure_EN_REVISED.pdf (дата обращения 19.01.2017)

65. Analysis of coaxial laser cladding processing conditions /U. de Olivera [et al.]. Surface and Coatings Technology. 2005. Vol. 197. P. 127-136.

66. Analysis of the laser-cladding process for stellite on steel /A. Frenk [et al.]. Metallurgical and Materials Transactions B. 1997. Vol. 26B. P. 501-508.

67. Design of experiments for laser metal deposition in maintenance, repair and overhaul applications /B. Graf [et al.]. Procedia CIRP 11. 2013. P. 245-248.

68. Microstructure and mechanical properties of laser cladding repair of AISI 4340 steel /28th International Congress of the Aeronautical Sciencies. 2012. 9 p.

69. The effect of localized dynamic surface preheating in laser cladding of stellite 1 /M. Alimardani [et al.]. Surface & Coatings Technology. 2010. Vol. 204. P. 3911-3919.

70. Dubourg L., St-Georges L. Optimization of laser cladding process using Taguchi and EM methods for MMC coating production //Journal of Thermal Spray Technology. 2006. Vol. 15, № 4. P. 790-795.

71. Potential for laser-clad repairs in high strength steel for aircraft applications /G. Clark [et al.]. Aircraft Airworthiness and Sustainment (Australia) Conference. Brisbane. 2010. 6 p.

72. Bagci E., Aykut, S. A study of Taguchi optimization method for identifying optimum surface roughness in CNC face milling of cobalt-based alloy (satellite 6) //Int. Adv. Manuf. Technol. 2006. Vol. 29. P. 940-947.

73. Лазерная наплавка на лопатки газотурбинных двигателей /Е.А. Морозов [ и др.]. Проблемы Энергетического Машиностроения. 2012. Том 14, № 1. С. 665-668.

74. Laser poder welding with a Co-based alloy for repairing steam circuit components in thermal power stations /E. Diaz [ et al.]. Physics Procedia. 2010. Vol. 5. P. 349-358.

75. Dundas R.E. A statiscal study of gas turbine losses and analysis of causes and optimum methods of prevention. International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. The Hague, Netherlands. 1994. 7 p.

76. Маранц А.В. Разработка и исследование процессов лазерной обработки композиционных материалов сталь СПН14А7М5-TiС: дис. ... канд.тех.наук. Москва. 2013. 120 с.

В диссертационный совет Д 212.141.06 при МГТУ им. Н.Э. Баумана

105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д.5. стр.1

ОТЗЫВ

научного руководителя, д.т.н, профессора Шиганова Игоря Николаевича о работе Гонсалеса Луиса Фернандо над диссертацией «Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок», представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Актуальность работы определяется тем, что детали газотурбинных установок, работающие в агрессивных средах, значительно изнашиваются и требуют частого их восстановления. Одним из решений этой задачи является нанесение на эти детали функциональных покрытий из кобальтового сплава типа Stellite 6 лазерным методом. Этот метод позволяет наносить покрытия из кобальтового сплава не только с сохранением свойств исходного наносимого материала, но и улучшить его свойства за счет больших скоростей охлаждения, а также обеспечить гибкость процесса. Однако сам метод, а особенно методики оптимизации технологических режимов, являются мало изученными. В связи с этим тема данной работы является актуальной.

Автор диссертации Гонсалес Луис Фернандо разработал комплекс методик, позволяющий оптимизировать технологические режимы нанесения порошковых износостойких покрытий из сплава Stellitе 6 на валы газотурбинных установок лазерным методом. Им получены покрытия на оптимальных режимах нанесения, имеющие лучшие значения по 9 геометрическим параметрам и механическим свойствам.

Методами планирования экспериментов, регрессионных анализов, металлографических исследований и испытаний свойств ему удалось определить область режимов, в которых достигается наибольшая производительность, наилучшая структура и самые высокие свойства.

В ходе работы над диссертацией Гонсалес Луис Фернандо показал устойчивые и высокие навыки экспериментатора, достаточное владение методами научных исследований, в том числе математическим аппаратом. На основе полученных результатов диссертации Гонсалесом Луисом Фернандо разработаны методики, позволяющие сократить время определения оптимальных параметров обработки, а также технологические рекомендации по восстановлению валов газотурбинных установок.

В целом он проявил себя как грамотный специалист в области лазерных технологий. Будучи иностранным аспирантом, он хорошо освоил русский язык и специальность, показал высокую инициативность и работоспособность.

Гонсалесом Луисом Фернандо в соавторстве опубликовано 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, по материалам работы сделаны доклады на семинарах кафедры и на международных научных конференциях.

С учётом активности работы и достижения практических результатов, приведших к решению актуальной научной задачи разработки методик оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок, а также квалификационного уровня соискателя, рекомендую присвоить Гонсалесу Луису Фернандо учёную степень кандидата технических наук по специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Шиганов И.Н.

кафедры лазерных технологий в

машиностроении МГТУ им. Н.Э. Баумана

г. Москва, 2-я Бауманская ул. д.5. стр.1.

т. 8 [phone]

Эл. почта: [e-mail]