Введение к работе
Актуальность работы.
Рабочие лопатки последних ступеней цилиндров низкого давления (ЦНД) являются ответственными и дорогостоящими деталями паровой турбины, от которых во многом зависит её надёжность и экономичность. Основной повреждающий фактор, ограничивающий их ресурс - изнашивание входных кромок в результате капельной эрозии. Эта проблема, несмотря на применяющиеся противоэрозионные мероприятия, не решена в настоящее время. Для титановых лопаток, кроме того, характерно изнашивание при фреттинге контактных поверхностей бандажных полок, в результате которого образуются недопустимые зазоры в зацеплениях, приводящие к нарушению вибрационного состояния ступени.
Целесообразность ремонта изношенных лопаток обусловлена, с одной стороны, их высокой стоимостью, а с другой - тем, что к моменту наступления предельного состояния повреждения занимают на них относительно небольшие участки, а остальной материал находится в удовлетворительном состоянии.
Технологии ремонта стальных рабочих лопаток ЦНД активно разрабатываются и внедряются как в России (наиболее известны работы под руководством Ф.Г. Гонсеровского, А.Ф. Хромченко, В.Ф. Резинских, В.В. Ермолаева), так и за рубежом (фирмы Bergmann-Borsig, Turbine Blading, RWE npower, Dowding & Mills и др.), особенно в последние десять-двадцать лет, что объясняется высокой рентабельностью ремонта. В то же время для титановых лопаток паровых турбин это направление не развито, что объясняется высокой сложностью задачи, обусловленной физическими и технологическими свойствами сплавов титана. Известен небольшой опыт ОАО «НПО Центральный котлотурбинный институт» (Санкт-Петербург), которое восстанавливало лопатки из однофазного сплава ТС5 по технологии, аналогичной применяемой для стальных лопаток. Однако двухфазный титановый сплав ВТ6, который применяют для изготовления рабочих лопаток ЦНД в настоящее время (зарубежные производители применяют его аналоги типа Ti-6A1-4V), значительно сложнее с технологической точки зрения, чем однофазные сплавы.
Разработка технологии ремонта лопаток из сплава ВТ6 является актуальной задачей для современной тепловой и атомной энергетики в силу их высокой стоимости и возрастающего применения в паровых турбинах. Однако она требует проведения всесторонних исследований, так как имеющихся в настоящее время данных недостаточно для выбора технологических параметров, которые в совокупности обеспечили бы качество и долговечность отремонтированных лопаток.
Данная работа выполнялась при поддержке гранта Федерального агентства по образованию для аспирантов 2004 г (проект «Вакуумная ионно-плазменная обработка титановых сплавов после сварки и наплавки», шифр
A04-3.18-638), ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» 2005 г (тема «Разработка технологий восстановления титановых рабочих лопаток паровых турбин для тепловых и атомных электростанций», код 4060) и в рамках хоздоговоров (2006-2009 гг) с ведущим отечественным производителем паровых турбин ОАО «Силовые машины» филиал «Ленинградский металлический завод» (Санкт-Петербург).
Цель работы: продление ресурса рабочих лопаток ЦНД паровых турбин из сплава ВТ6 путём их ремонта с упрочнением.
Для достижения поставленной цели в работе решали следующие основные задачи:
-
Разработка технологии ремонта рабочих лопаток ЦНД паровых турбин из сплава ВТ6.
-
Разработка технологических параметров процессов сварки, наплавки и послесварочной термической обработки лопаток из сплава ВТ6.
-
Исследование влияния упрочняющей вакуумной ионно-плазменной обработки на механические характеристики материала с учётом наследования им свойств, сформированных на сварочной операции.
-
Исследование условий обеспечения долговечности контактных пар, работающих в условиях фреттинга, в связи с технологическими воздействиями при ремонте.
Объектом исследования является технология ремонта рабочих лопаток ЦНД из сплава ВТ6; предметом исследования - закономерности влияния технологических воздействий при ремонте на свойства лопаток, определяющие их долговечность.
Результаты работы, полученные лично соискателем и выносимые на защиту:
1. Разработанная технология ремонта рабочих лопаток ЦНД паровых
турбин из сплава ВТ6.
2. Параметры процессов сварки, наплавки и послесварочной термической
обработки и результаты исследования их влияния на структурно-фазовое
состояние, уровень остаточных напряжений и механические свойства материала
образцов из сплава ВТ6 и точность лопаток.
3. Результаты сравнительного исследования упрочняемое
поверхностного слоя основного и наплавленного материалов при
низкоэнергетическом ионном модифицировании.
-
Закономерности влияния комплексной вакуумной ионно-плазменной обработки (КВИПО) на сопротивление усталости образцов из основного материала и образцов с наплавкой.
-
Подход к технологическому обеспечению долговечности деталей, работающих в условиях фреттинга, заключающийся в сочетании в контактной
паре участков материала с отличающимися друг от друга состояниями кристаллической решетки, которые возникают на этапе сварочной и наследуются поверхностным слоем на последующих операциях. Результаты сравнительного исследования фреттинг-стойкости материалов наплавки и зоны термического влияния в различных комбинациях контактных пар.
Научная новизна:
-
Впервые установлено, что в процессе низкоэнергетического ионного модифицирования наплавленный материал проявляет большую, по сравнению с основным, упрочняемость поверхностного слоя, что объясняется повышенной плотностью дефектов его кристаллической решётки, которая формируется на сварочной и наследуется на последующих операциях, обуславливая интенсификацию диффузионных процессов.
-
Впервые установлено, что влияние КВИПО на снижение сопротивления усталости для образцов с наплавкой проявляется в меньшей степени, чем для образцов из основного материала, что объясняется повышенной упрочняемостью поверхностного слоя наплавленного материала при низкоэнергетическом ионном модифицировании.
3. Впервые показана возможность технологического обеспечения
долговечности деталей, работающих в условиях фреттинга, за счёт сочетания в
контактной паре участков материала с отличающимися друг от друга
состояниями кристаллической решётки, которые возникают на этапе сварочной
и наследуются поверхностным слоем на последующих операциях.
Долговечность при этом обуславливается пониженной склонностью
разнородных материалов к схватыванию друг с другом.
Достоверность полученных результатов обеспечена хорошей согласованностью ранее известных и разработанных автором теоретических положений с полученными в работе экспериментальными данными; применением современного экспериментального оборудования, прошедшего своевременную поверку, и апробированных экспериментальных методик; достаточным количеством опытов, дающим статистически значимые результаты.
Праіггическая значимость работы:
1. Разработан директивный технологический процесс ремонта рабочих
лопаток паровых турбин из сплава ВТ6.
2. Полученные результаты позволяют создавать технологические
процессы ремонта и изготовления деталей из титанового сплава ВТ6 с
применением операций аргонодуговой сварки и наплавки, обеспечивающие
низкие объёмные остаточные напряжения, стабильное структурно-фазовое
состояние и высокий уровень механических свойств. В частности, они могут
быть использованы при разработке технологий ремонта титановых лопаток газотурбинных двигателей.
-
Обосновано применение упрочняющей обработки методами ионного модифицирования и КВИПО для изделий после сварки и наплавки.
-
Предложен подход к технологическому обеспечению долговечности деталей, работающих в условиях фреттинга, на основании которого разработаны способы повышения фреттинг-стойкости контактных пар, заключающиеся в создании разнородности материала контактирующих участков путём наплавки или нагрева электрической дугой (патент РФ №2390581).
Практическая реализация результатов работы:
1. Результаты работы внедрены в ОАО «Силовые машины» филиал
«Ленинградский металлический завод» в виде технологических рекомендаций
для перспективных процессов ремонта титановых рабочих лопаток паровых
турбин.
2. Материалы диссертации использованы в учебном процессе УГАТУ при
курсовом и дипломном проектировании по специальностям «Технология
машиностроения» и «Реновация средств материального производства».
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на 10 конференциях, в т.ч. 5 международных: международной НТК «Сварка. Контроль. Реновация» (Уфа, 2003); международной НТК «Надёжность и ремонт машин» (Гагра, 2004); международной НТК «Рабочие процессы и технология двигателей» (Казань, 2005); международных практических конференциях-выставках «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» (Санкт-Петербург, 2005 и 2006); НТК «Сварка. Контроль. Реновация» (Уфа, 2005); Всероссийских НТК молодых специалистов, посвященных годовщине образования ОАО «УМПО» (Уфа, 2006 и 2008), на Слёте молодых энергетиков Республики Башкортостан (Уфа, 2008), на республиканской НТК «Инновации, проблемы машиноведения, процессов управления и критических технологий в машиностроении РБ» (Уфа, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ суммарным объёмом 77 страниц, в т.ч. 2 статьи в журналах из Перечня ВАК, получены 3 патента на изобретения, 1 авторское свидетельство на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 197 страницах, включает пять глав, содержит 94 рисунка, 24 таблицы и список использованных источников из 323 пунктов, а также приложения на 23 страницах.
