Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Быбин, Андрей Александрович

• Быбин, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Быбин, Андрей Александрович

Введение. ц

Глава 1 Литературный обзор.

1.1 Анализ условий работы и повреждаемости лопаток турбины авиационных двигателей и промышленных газовых турбин.

1.1.1 Термоусталостное разрушение деталей ГТД и ГТУ.

1.1.2 Повреждение деталей ГТД и ГТУ в условиях высокотемпературного окисления и коррозии.

1.2 Анализ возможностей проведения эквивалентных ускоренных испытаний с целью создания искусственной наработки поверхности.

1.3 Состояние вопроса по восстановлению и повышению эксплуатационных свойств лопаток газовых турбин. 40,

1.3.1 Способы удаления дефектных покрытий с ремонтных лопаток турбины ГТД и ГТУ. 1.3.2 Анализ способов повышения служебных характеристик поверхности лопаток газовых турбин.

Выводы по литературному обзору. Пути решения поставленных задач

Глава 2 Изучаемые материалы и методы исследования.

2.1 Химический состав и свойства сплава ЦНК-7П.

2.2 Технология нанесения защитных покрытий Al-Si и ВСДП-11 на поверхность сплава ЦНК-7П.

2.3 Оборудование для ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П.

2.4 Методики определения жаростойкости и проведения ускоренных высокотемпературных коррозионных испытаний.

2.5 Методики определения микротвердости, длительной прочности,

Щ сопротивления усталости и термоусталости.

2.6 Методы анализа физико-химического и структурно-фазового состава поверхностного слоя исследуемых материалов. ф 2.7 Методика исследования процессов удаления покрытия с поверхности образцов химическим методом. Обработка результатов —

Глава 3 Изучение закономерностей процесса высокотемпературной коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием Al-Si.

3.1 Исследование влияния природы и концентрации компонентов синтетической золы и температуры испытаний на процесс ВТК. Выбор режима ускоренных высокотемпературных коррозионных ф испытаний.

3.2 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии поверхности сплава ЦНК7П.

3.3 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием ф Выводы к Главе 3.

Глава 4 Изучение механизма удаления дефектного алюмосилицидного покрытия со сплава ЦНК-7П химическим методом.

4.1 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего дефект «несоответствие толщины», с поверхности сплава ЦНК7П.

4.2 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего высокотемпературное коррозионное повреждение

Выводы к Главе 4.

Глава 5 Исследование влияния вакуумно-плазменного и ионно-плазменного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные характеристики.

5.1 Исследование влияния диффузионного вакуумного ионно-щ плазменного покрытия ВСДП-11 на эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П.

5.2 Изучение влияния ионной имплантации иттербия на долговечность и выносливость сплава ЦНК-7П. ф Выводы к Главе 5.

Глава 6 Изучение влияние комбинированной обработки поверхности ионно-плазменными методами на свойства сплава ЦНК-7П. Разработка ремонтной технологии лопаток турбины изделия АЛ-31СТ.

6.1 Исследование влияния ионного модифицирования поверхности сплава иттербием на состав и структуру диффузионного вакуумного ионно-плазменного покрытия ВСДП

6.2 Исследование влияния комбинированной обработки (ионное модифицирование + вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11) на эксплуатационные характеристики сплава ЦНК-7П.

6.3 Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины из сплава ЦНК-7П газотурбинного привода AJI-3 IGT

Выводы к Главе 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П»

Интенсивное развитие отечественного и зарубежного энергетического комплекса связано в настоящее время со значительными достижениями в авиационном двигателестроении. Энергоустановки наземного применения различной мощности, в состав которых входит газогенератор, нашли широкое применение как в установках для выработки тепла и электроэнергии, так и в агрегатах для транспортировки газа по территории России и за ее пределы. Такое целевое назначение энергоустановок и агрегатов обусловливает жесткие требования к их надежности в работе в течение длительного времени. Ресурс современных ГТУ и ГПА достигает 30.35 тысяч часов при межремонтном ресурсе ~ 10.15 тысяч часов. В данных условиях изделие должно обладать высокими коэффициентами готовности пуска и технического использования.

Одним из основных узлов газотурбинных установок и агрегатов является турбина, и к наиболее ответственным деталям, к которым предъявляются самые высокие требования в производстве и при эксплуатации, относятся рабочие лопатки. В процессе наработки в условиях повышенных температур, нагрузок и агрессивных сред в лопатках возникают различные дефекты, ограничивающие их ресурс.

В настоящее время доказано, что в условиях значительного парка эксплуатируемых ГТП и ГПА наиболее экономичным вариантом поддержания энергоустановок в рабочем состоянии является проведение регламентных ремонтных мероприятий. Основная цель таких работ сводится к тому, чтобы при сравнительно невысоких затратах обеспечить гарантированный ресурс как отдельных деталей, например, лопаток турбины, так и изделия в целом. В виду того, что ремонтные работы, как правило, осуществляются на тех же предприятиях, на которых производится выпуск того или иного типа энергоустановок, то данным организациям в целях обеспечения конкурентоспособности своих изделий приходится затрачивать средства на разработку и реализацию ремонтно-восстановительных технологий. В большинстве случаев этап создания и внедрения новых ремонтных технологий наступает лишь при выработке изделием своего межремонтного ресурса, что вызывает неоправданные простои энергооборудования. В связи с этим на многих предприятиях авиационной отрасли используется принцип опережающей отработки новых конструкторских и технологических решений, касающихся проблем ремонта и восстановления деталей и узлов изделия. Такой подход требует получения информации о степени повреждаемости деталей в процессе эксплуатации, а при решении задач, связанных с повышением качества и работоспособности деталей, использования новых научных достижений.

В данной работе в качестве объекта исследования выбрана рабочая лопатка турбины низкого давления привода АЛ-31СТ, входящего в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р «Уфа», выпускаемых ОАО УМПО. Ресурс изделия составляет 30 тысяч часов при межремонтном ресурсе 10 тысяч часов. В настоящее время привод в составе лидерного ГПА имеет наработку ~ 9 тысяч часов, т.е. информация об изменении состояния лопаток за межремонтный период времени отсутствует.

В тоже время опыт ряда предприятий, например ОАО «Волготрансгаза», ОАО НПК «Трибоника» и др., показывает, что лопатки данного типа при их эксплуатации в составе ГПА ГТК-25И не выдерживают гарантированного ресурса. При наработке в материале лопаток развиваются процессы старения, которые проявляются в виде деформационного упрочнения поверхностного слоя (на глубину ~ 100 мкм) и деградации микро- и субструктуры (распад фазы у'-№зА1, размельчение субзерен никеля и возрастание плотности дефектов на их границах). В результате дальнейшая эксплуатация турбинных лопаток будет продолжаться за счет уменьшения запаса пластичности, перехода поверхностного слоя в режим ускоренной стадии ползучести и увеличения вероятности хрупкого разрушения.

В отличие от лопаток, используемых в агрегате ГТК-25И, лопатки турбины привода АЛ-31СТ имеют защитное алюмосилицидное покрытие, предохраняющее материал деталей от высокотемпературного окисления и коррозии. Однако опыт эксплуатации лопаток турбины с данным покрытием в составе двигателя АЛ-31Ф, являющегося базовой частью привода АЛ-31 CT, показывает сравнительно невысокую долговечность покрытия. При наработке возникают термоусталостные трещины и коррозионные повреждения, распространяющиеся как на всю глубину покрытия, так и заходящие в основной материал на глубину до 10. 15 мкм.

В связи с вышеизложенным, уже на стадии эксплуатации изделия возникает проблема обеспечения и повышения ресурса лопаток турбины, что определяет необходимость разработки мероприятий по восстановительному ремонту. При разработке программы исследования для создания ремонтно-восстановительной технологии исходили из опыта предприятий авиационной отрасли и анализа большого объема данных патентной и научной литературы. Известно, что на первой стадии с целью выявления ремонтопригодных деталей проводится их дефектация. Отсутствие данных по повреждаемости Al-Si покрытия при эксплуатации лопаток из сплава ЦНК-7П вызывает необходимость проведения ускоренных испытаний и на базе полученной информации выбора стратегии построения ремонтной технологии.

Лопатки, на которых в процессе дефектации обнаруживаются повреждения защитного покрытия без нарушения структуры материала подложки, подвергаются операции удаления дефектного покрытия с последующим перепокрытием деталей. Для обеспечения экологических требований производства требуется подобрать травильные растворы, не содержащие токсичной и не поддающейся утилизации плавиковой кислоты, входящей в состав электролитов, используемых в серийном производстве для удаления алюминидных покрытий.

Мероприятия по дефектации и удалению дефектных покрытий являются стандартными видами регламентных работ при ремонте деталей. Дальнейшее повышение ресурса лопаток турбины после удаления покрытия требует введения в ремонтную технологию операций обработки поверхности сплава более эффективными методами. Защитное Al-Si покрытие, наносимое на поверхность сплава ЦНК-7П, обладает рядом существенных недостатков, присущих шли-керной технологии. Анализ последних работ ВИАМа, института им. O.E. Пато-на и ряда других отраслевых НИИ показывает, что наиболее перспективными защитными покрытиями для никелевых жаропрочных сплавов являются ваку-умно-плазменные покрытия. Учитывая, что вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11, наносимое на лопатки из сплавов типа ЖС, обладает повышенным сроком службы, то для увеличения ресурса деталей необходимо исследовать целесообразность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11.

Работы, посвященные проблеме создания поверхности деталей со специальными свойствами, показывают, что одним из приоритетных направлений в данной области является имплантирование сплавов на никелевой основе рядом редкоземельных элементов, в частности иттербием, который повышает жаростойкость чистого никеля. Поэтому для более полного использования эксплуатационных свойств жаропрочного сплава ЦНК-7П требуется изучение влияния на его свойства ионной имплантации иттербием.

Предполагается далее, что в результате сочетания ионно-импланта-ционного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности может быть сформирована более эффективная композиция «поверхность сплава - покрытие», которая позволит в значительной мере повысить ресурс деталей.

Анализ проблемы позволили сформулировать цель и задачи работы. Цель исследования. Исследование возможности повышения эксплуатационных свойств лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П на стадии их восстановительного ремонта путем удаления дефектного Al-Si покрытия и комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.

Задачи исследования:

1. Разработка методики ускоренных испытаний турбинных лопаток для имитации коррозионной повреждаемости их поверхности.

2. Изучение закономерностей удаления Al-Si покрытия химическим методом. Выявление эффективных составов электролитов для удаления покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.

3. Исследование возможности повышения ресурса турбинных лопаток путем замены Al-Si покрытия на вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11.

4. Изучение влияния ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные свойства и определение эффективного режима обработки.

5. Исследование влияния комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности на эксплуатационные свойства лопаток турбины.

6. Разработка технологии ремонта рабочих лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П с целью обеспечения их ресурса.

Научная новизна

1. На основе анализа функционального действия компонентов различных синтетических зол и золовых отложений на лопатках из никелевых сплавов отечественного и зарубежного производства подобран состав синтетической золы и режим испытания, обеспечивающие совместное проявление сульфидно-оксидной и ванадиевой коррозии, позволяющей за минимальное время получить коррозионные повреждения покрытия аналогичные эксплуатационным.

2. Для решения проблемы удаления дефектного Al-Si покрытия со сплава ЦНК-7П на основе анализа процессов на межфазовой границе «электролит -поверхность детали» и физико-химического взаимодействия между компонентами травильного раствора впервые объяснен механизм удаления дефектного покрытия и последующая пассивация поверхности сплава.

3. Установлено, что увеличение жаростойкости и циклической термостойкости покрытия ВСДП-11 по сравнению с Al-Si покрытием обусловлено более благоприятным распределением элементов по глубине покрытия и снижением вероятности образования хрупкой мартенситной структуры между внешней и внутренней зонами покрытия ВСДП-11.

4. Установлен идентичный характер зависимости механических и физико-химических свойств поверхности сплава ЦНК-7П от дозы облучения ионами

1 (\ О иттербия, характеризующейся наличием экстремума при дозе 5-10 ион/см , обеспечивающей повышение выносливости, жаропрочности и жаростойкости сплава за счет тормозящего действия дислокационной структуры и фаз выделения на основе иттербия.

5. Впервые показана возможность значительного повышения жаростойкости никелевых сплавов при сохранении требуемого уровня усталостной и длительной прочности за: счет использования комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Разработана и запатентована методика ускоренных испытаний поверхности никелевых сплавов с защитными покрытиями, позволяющая за 8-10 час получить коррозионные повреждения аналогичные эксплуатационным за 10-15 тыс. час наработки в составе изделия (патент РФ № 2247359). Данный способ может быть использован для ускоренной оценки коррозионной стойкости защитных покрытий на никелевых сплавах и выбора эффективных растворов для удаления дефектного покрытия.

2. Разработаны составы травильных электролитов и режимы химического удаления дефектного, алюмосилицидного покрытия, имеющего наработку и без наработки. Данные составы позволяют обеспечить приемлемое качество поверхности при значительной экономии материальных ресурсов, снижении экологической нагрузки на производство и увеличении загрузки мощностей серийного гальванического участка.

3. Показана возможность использования вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11 для длительной защиты поверхности лопаток из сплава ЦНК-7П от коррозии и окисления при дополнительном повышении термостойкости в 1,2 раза и долговечности материала в 1,5 раза в сравнении с Al-Si покрытием и сохранении предела выносливости на уровне исходного состояния сплава.

4. Разработаны режим и технология имплантации иттербием поверхности лопаток турбины из никелевых сплавов, обеспечивающие повышение предела выносливости материала на 11;% и жаростойкости в 1,4 раза. На ФГУП НИИ «Мотор» проведена обработка партии рабочих лопаток II ступени свободной турбины ГТП-10/953 на базе ТРД Р95Ш, которые прошли без замечаний приемо-сдаточные испытания в составе изделия в КЦ-5 ОАО «Башкирэнерго».

5. Разработана ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П, включающая удаление дефектного покрытия и проведение комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки поверхности деталей. Данный технологический процесс позволяет на стадии ремонта лопаток увеличить жаростойкость в 2,35 раза, коррозионную стойкость в 1,9 раз, жаропрочность в 1,6 раз и выносливость в 1,2 раза, в результате чего достигается увеличение ресурса деталей в 1,2 раза. Данный техпроцесс принят к внедрению на ОАО УМПО.

На защиту выносится:

1. Методика ускоренных испытаний по моделированию коррозионной повреждаемости поверхности лопаток.

2. Закономерности и режимы химического удаления Al-Si покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.

3. Результаты сравнительных испытаний на жаростойкость, циклическую термостойкость и выносливость сплава ЦНК-7П с серийным Al-Si покрытием и вакуумно-плазменным покрытием В СДП-11.

4. Закономерности влияния дозы облучения иттербием на физико-химические, механические и эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П.

5. Результаты исследований жаростойкости, длительной прочности и сопротивления усталости сплава ЦНК-7П после комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки его поверхности.

6. Ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П по повышению их эксплуатационной надежности.

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Уфимского государственного авиационного технического университета с привлечением мощностей серийных участков и лабораторного оборудования ОАО УМПО, ФГУП Н1Ш «Мотор» и кафедры общей химии УГАТУ.

По результатам получен 1 патент на изобретение, опубликовано 7 статей в центральной печати. Работа докладывалась на 10 международных и 5 Всероссийских конференциях и семинарах.

В работе использованы следующие методы исследований: специально разработанные и усовершенствованные методы ускоренных коррозионных тигельных испытаний, оценки циклической; термостойкости, определения съема покрытия, измерения электродного потенциала поверхности, а также стандартные методики измерения жаростойкости (ГОСТ 6130-71), усталостной прочности (ГОСТ 25.502-81), длительной прочности (ГОСТ 10145-81), металлографического (микроскоп METAVAL®), рентгеноструктурного (дифрактометр PW-1800, Philips) и микрорентгеноспектрального анализа (электронный микроскоп JXA-6400, JEOL), микротвердости (микротвердомер ПМТ-ЗМ) и шероховатости поверхности (профилометр 283), изучения масс-спектров вторичных ионов (масс-спектрометр «Полюс-4» (МС-7201М). Обработка данных проводилась с использованием методов математической статистики на ЭВМ.

Диссертационная работа выполнена на 249 страницах, содержит 72 рисунка, 31 таблицу и 3 приложения.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Генеральному директору, Генеральному конструктору ФГУГТ НПП «Мотор» А.Ф. Иваху, техническому директору ОАО УМПО, к.т.н. С.П. Павлиничу, нач. бюро имплантации ОАО УМПО Н.Ф.Измайловой, к.т.н. М.К.Смысловой, к.т.н. И.П. Семеновой, к.т.н. Е.В. Парфенову, вед. инженеру ОАО УМПО P.P. Мухамет-шину, к.ф.-м.н. Ю.М. Юмагузину, инженеру ОАО УМПО H.H. Кузюре, О.Г. Смольниковой, A.A. Багаутдинову за помощь, оказанную в работе.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Быбин, Андрей Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые для опережающей разработки ремонтных мероприятий и оценки их эффективности создана методика ускоренных испытаний сплава ЦНК-7П с Al-Si покрытием (патент РФ № 2247359), позволяющая за время 8-10 часов получить коррозионные повреждения поверхности лопаток, аналогичные их повреждениям за 10 тысяч часов наработки в составе изделия.

2. На основе анализа физико-химических процессов взаимодействия компонентов травильного раствора и гетерофазных процессов на границе «поверхность детали - электролит» установлено ускоряющее действие добавок (NH4)6Mo7024 и К2Сг207 на съем дефектного Al-Si покрытия и пассивирующее влияние бихромата калия на поверхность сплава ЦНК-7П.

Для организации ремонтной технологии выявлены эффективные составы электролитов, позволяющие удалять покрытия с производственными и эксплуатационными дефектами при комнатной температуре за время 60-65 мин.

3. Установлено, что повышение жаростойкости покрытия ВСДП-11, в сравнении с Al-Si покрытием, обусловлено снижением доли хрупкой мартен-ситной составляющей в результате более благоприятного перераспределения элементов, а увеличение термостойкости и выносливости связано с блокирующим действием иттриевых фаз во внешней зоне покрытия. Показана эффективность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11 толщиной 50-55 мкм.

4. Впервые разработан режим ионно-имплантационного модифицирования иттербием поверхности сплава ЦНК-7П, обеспечивающий, вследствие протекания в поверхностном слое дислокационного, твердорастворного и дисперсионного механизмов упрочнения, повышение микротвердости на 40-45 % на глубинах до 60 мкм и образование фаз выделения, содержащих иттербий и его оксиды, что способствует повышению жаростойкости в 1,4 раза, выносливости на 11 % и жаропрочности сплава до 10%.

5. Установлено, что комбинированное модифицирование поверхности сплава ЦНК-7П путем имплантации иттербием и последующим нанесением покрытия ВСДП-11 приводит к повышению его жаростойкости в 2,35 раза с обеспечением выносливости и жаропрочности в соответствии с требованиями технических условий на лопатки турбины ГТД.

6. Разработана и внедрена на ОАО УМПО ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины из сплава ЦНК-7П, позволяющая повысить ресурс деталей в 1,2 раза при обеспечении затрат на ремонтные работы не более 10 % от стоимости изготовления новой лопатки.

223

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Необходимость разработки ремонтно-восстановительной технологии рабочих лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П с Al-Si покрытием связана с отсутствием ее в серийном производстве, так как данные детали находятся в стадии эксплуатации и в настоящее время еще не выработали межремонтный ресурс. Проблема разработки такой технологии обусловлена не только отсутствием данных об изменении состояния поверхности в результате наработки, но и тем, что, как показывает опыт ряда предприятий, лопатки не выдерживают свой гарантированный ресурс. Поэтому ключевой задачей настоящего исследования является моделирование повреждаемости поверхности деталей, эквивалентной наработке, полученной при эксплуатации, и разработка ремонтных мероприятий по увеличению уровня эксплуатационных характеристик и, соответственно, ресурса лопаток. С этой целью был проанализирован большой объем данных по различным дефектам в поверхностных слоях деталей, возникающих как в процессе их производства, так и при эксплуатации. Изучено состояние вопроса по удалению дефектных, алюминидных покрытий со сплавов на никелевой основе, а также по возможности повышения эксплуатационных характеристик поверхности за счет применения новых современных методов обработки. Полученная информация позволила разработать стратегию создания ремонтно-восстановительной с отсутствием информации о состоянии поверхности после эксплуатации для организации процесса дефектации ремонтных деталей осуществлено моделирование наиболее значимых коррозионных повреждений поверхности за счет разработанной агрессивной среды, приближенной по своему составу к составу среды газовоздушного тракта двигателя. В отличие от других способов по созданию искусственной наработки поверхности предложенный способ характеризуется более простым техническим исполнением и позволяет получить эквивалентную наработку за более короткое время ~ 8-10 часов. Изучение состояния системы «покрытие-сплав» после наработки позволяет не только выявить механизм исчерпания защитных свойств покрытия в условиях высокотемпературной коррозии и решать дальнейшую задачу удаления дефектного покрытия, но и оценивать эффективность мероприятий по восстановительному ремонту.

Существенное упрощение технологии ремонта на стадии удаления дефектных покрытий в условиях серийного производства достигается за счет максимального использования наиболее освоенных методов обработки, в частности, химического метода. Вместе с тем, использование имеющихся на производстве травильных растворов, содержащих токсичную и неподдающуюся утилизации плавиковую кислоту, не отвечает экологическим требованиям современного производства. На основе специальных исследований были подобраны эффективные растворы для удаления покрытий с дефектами производственного и эксплуатационного характера, не содержащие плавиковую кислоту и позволяющие удалять покрытие при комнатной температуре. Изучение процессов, происходящих в растворе и на границе раздела «деталь-электролит», позволяет сформировать подходы к выбору эффективного электролита травления в зависимости от элементного и фазового состава алюминидных покрытий на жаропрочных никелевых сплавах и степени повРе>1^?гЩ9Ш]^й8в§1ШШт&Оздания ремонтно-восстановительной технологии являлась разработка мероприятий по повышению эксплуатационных характеристик поверхности за счет замены шликерного Al-Si покрытия на вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11, успешно используемого для защиты лопаток турбины авиационных двигателей 4-го поколения. Существенным результатом данной части исследования является установление взаимосвязи между распределением элементов и структурно-фазовым составом покрытий ВСДП-11 и Al-Si и эксплуатационными характеристиками поверхности. Блокирование процессов диффузионного обмена между покрытием и подложкой за счет образования иттриевых фаз, уменьшение вероятности формирования мартенситной структуры на границе между внешней и внутренней зонами покрытия, повышение адгезионной прочности защитной оксидной пленки и пластичности покрытия определяет большую долговечность вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11 и эффективность его использования на стадии проведения ремонтных работ по перепокрытию деталей.

Более полное использование эксплуатационных свойств поверхности самого жаропрочного сплава ЦНК-7П в ремонтно-восстановительной технологии реализуется за счет применения ионно-имплантационного модифицирования поверхности иттербием. Обоснованный выбор эффективной дозы облучения проведен путем предварительного теоретического расчета профиля распределения имплантируемого элемента по глубине подложки и подтвержден результатами изучения физико-химических и механических характеристик поверхности сплава. Данный подход к решению поставленной задачи необходим для выбора той дозы облучения, которая обеспечивает более равномерное распределение легирующего элемента на максимально возможную глубину. Важным выводом данной серии исследований является целесообразность введения в технологию ремонта лопаток операции ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава. В результате предлагаемого метода обработки создаются предпосылки для торможения процессов старения при эксплуатации деталей за счет сохранения необходимого запаса пластичности и снижения вероятности хрупкого разрушения материала вследствие проявления механизма дислокационного, твердорастворного и дисперсионного упрочнения поверхности.

Положительные результаты, полученные при использовании ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П, позволили подойти к решению ключевой проблемы ремонтно-восстановительной технологии - повышение ресурса рабочих лопаток турбины за счет сочетания указанных методов обработки. Благодаря диффузионному взаимодействию легированного иттербием поверхностного слоя сплава с компонентами покрытия ВСДП-11 в процессе его формирования и наличию под покрытием развитой дислокационной структуры в подложке создается композиция «покрытие - поверхностный слой сплава», увеличивающая срок службы деталей при эксплуатации в агрессивной коррозионной среде в условиях статических и знакопеременных нагрузок.

Таким образом, впервые разработана и внедрена в серийное производство комбинированная технология ремонта лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П, включающая наряду с удалением дефектного Al-Si покрытия в специально разработанном травильном растворе дополнительную ионно-имплантационную обработку поверхности сплава иттербием с последующим нанесением вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11. Данная технология позволяет достичь увеличения ресурса деталей не менее, чем в 1,2 раза при уровне затрат на ремонтно-восстановительные работы не более 10 % от стоимости изготовления новой лопатки.

227

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Быбин, Андрей Александрович, 2005 год

1. Никитин В.И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. Л.: Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1987. 272 с.

2. Ртищев В.В., Храброе П.В., Корсов Ю.Г. Исследования в области служебных характеристик материалов основа повышения надежности и ресурса газовых турбин // Энергомашиностроение, 1986. — № 6. — С. 25-30.

3. Авиадвигателестроение: Энциклопедия / Под ред. В.М. Чуйко. М.: Изд. дом «Авиамир», 1999. 300 с.

4. Асосков В.А., Кругов В.Б., Шестаков Н.С. Сжигание тяжелых жидких то-плив в камерах сгорания ГТУ // Энергетическое машиностроение, 1980. — №5.-С. 3-44.

5. Исследование характера свечение люминифора на лопатках ТВД с изделия АЛ-31Ф после наработки в течение 500 ч. Отчет № 181-91 БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1991.-15 с.

6. Исследование рабочих лопаток турбины из сплава ВЖЛ-12У после наработки в составе изделия в течение 500 часов. Технический отчет № 245-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1990. 5 с.

7. Исследование рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У, имеющих различную наработку в составе изделия. Технический отчет № 190-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1990.-6 с.

8. Исследование рабочих лопаток турбины из сплава ЭП220вд с алитирова-нием после длительных испытаний в течение 500 часов. Технический отчет № 7-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1990. 5 с.

9. Исследование рабочих лопаток турбины из сплава ЭП220вд с алитирова-нием после длительных испытаний в течение 750 часов. Технический отчет № 92-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1989. 8 с.

10. Исследование причин обрыва пера рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У после наработки в составе изделия в течение 370 часов. Технический отчет № 138-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1988. 5 с.

11. Исследование причин обрыва пера рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У с алитированием после наработки в составе изделия в течение 480 часов. Технический отчет № 129-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1988. 7 с.

12. Исследование причин термоусталостного разрушения рабочих лопаток ТВД из сплава ВЖЛ-12У, имеющих наработку 545 часов. Технический отчет № 47-ЦЛ. Уфа: УМПО, 1988. 6 с.

13. Металлургическое исследование рабочих лопаток ТВД из сплава ЖС6У с комплексным двухстадийным покрытием NiCr/CrAl после длительных испытаний в течение 550 часов. Технический отчет № 375-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1987.- 14 с.

14. Исследование причин коррозионного повреждения комплексного покрытия NiCr/CrAl на лопатках ТВД из сплава ЖС6У после эксплуатации в составе двигателя в течение 300 часов. Технический отчет № 43-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1991. -15 с.

15. Исследование причин появления темных пятен по спинке рабочей лопатки ТНД из сплава ЖС6У с алюмосилицированным покрытием после сдаточных испытаний изделия. Технический отчет № 15-БЧМ-2. Уфа: УМПО, 1990.-21 с.

16. Тарасенко Ю.П., Леванов Ю.К., Царева И.Н. и др. Оценка эксплуатационного состояния лопаток ТНД агрегата ГТК-25И и технология продления их ресурса // Газотурбинные технологии, 2004. № 10. — С. 26-29.

17. Моверман Т.С., Радчик И.И. Ремонт импортных газоперекачивающих агрегатов. М.: Недра, 1986. 156 с.

18. Отчет НИР. Отработка технологии ремонта и восстановления работоспособности турбинных лопаток ГТК-25И. Н.-Новгород: 111 111 «Трибоника», 1999.-60 с.

19. Андриенко А.Г., Олъшанецкий В.Е., Скляревская В.Н., Шмырко В.И. Оценка повреждаемости и прогноз долговечности рабочих лопаток ГТУ // Технологические системы, 2001. -№ 3. С. 71-74.

20. Кузнецов В., Лесников В. Критерии ремонтопригодности и технологии восстановительного ремонта рабочих лопаток турбин ГТД // Газотурбинные технологии, 2004. -№1-2. С. 26-30.21