eng
Выпуск #4/2016
Е. Земляков, К. Бабкин, Р. Корсмик, М.Скляр, М.Кузнецов
Перспективы использования технологии лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных двигателей
Перспективы использования технологии лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных двигателей
Просмотры: 5904
Технология лазерной наплавки широко используется в качестве технологии ремонтных работ для восстановления деталей, эксплуатируемых в агрессивных средах и подвергаемых поверхностному износу. Это относится к машинам и механизмам, используемым в двигателестроении, атомной энергетике, нефтехимическом производстве, горнодобывающей и металлообрабатывающей отраслях промышленности. Представлен анализ технологий и оборудования для восстановления геометрии лопаток компрессоров газотурбинных двигателей и парогенераторов, применяемых в мировой практике. Предложен отечественный комплекс лазерной наплавки.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.22
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.22
Теги: compressor blades gas-turbine engine laser cladding laser cladding complex steam generator газотурбинный двигатель комплекс для лазерной наплавки лазерная наплавка лопатки компрессора парогенератор
ВВЕДЕНИЕ
Требования к эксплуатационным характеристикам деталей и узлов машин постоянно возрастают. Это стимулирует ускоренное развитие высокоэффективных технологий создания новых функциональных материалов. Соответственно возрастает спрос на оборудование для придания рабочим поверхностям изделий, эксплуатируемых в сложных климатических и механических условиях, повышенных антикоррозионных, трибологических и прочностных характеристик. Весьма перспективными технологиями в области инженерии поверхности становятся лазерные технологии. Благодаря высокой плотности тепловой мощности в зоне воздействия на поверхность они позволяют проводить ее обработку без необходимости объемного разогрева детали и обеспечивают достижение сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения зоны лазерного воздействия. В результате обеспечиваются возможности создания поверхностных слоев механических изделий с уникальными эксплуатационными характеристиками.
Лазерная наплавка как технология ремонтных работ потенциально востребована компаниями, которые занимаются восстановлением деталей, используемых в двигателестроении, атомной энергетике, нефтехимическом производстве, горнодобывающей, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности, где используемые машины и механизмы подвергаются воздействию агрессивных сред и поверхностному износу.
В работе рассмотрены примеры использования и перспективы развития лазерных технологий применительно к ремонту рабочих лопаток газотурбинных двигателей.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время газотурбинные двигатели (ГТД) широко применяются в авиационной и наземной технике, и сфера их применения постоянно растет. Во всем мире из всех производимых ГДТ 70% приходится на долю энергетики. В этой области применяется самый широкий мощностной ряд ГТД от 16 кВт до 300 МВт. Их используют в качестве приводов электрогенераторов на электростанциях в простом, когенерационном и комбинированном циклах, вырабатывая электроэнергию и тепло, передаваемые потребителю в виде пара и горячей воды. Ежегодный объем продаж газотурбинного оборудования составляет примерно 20–22 млрд. долларов США. Необходимость сохранения конкурентоспособности отечественных ГТД на мировом рынке очевидна. На выбор ГТД влияют не только технические и эксплуатационные характеристики изделия, а также его цена и стоимость эксплуатации.
Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, поскольку они являются наиболее нагруженными деталями. Лопатки подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок. Кроме того, лопатки турбины испытывают циклические термические напряжения, они работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре и подвергаются газовой коррозии [1]. Лопатки ГТД имеют сложную пространственную геометрию и изготавливаются из труднодеформируемых материалов: жаропрочных, титановых и алюминиевых сплавов. Поэтому к ним предъявляют повышенные требования по структуре металла, его химическому составу, механическим свойствам, геометрическим размерам, минимизации дефектов. Из дефектов особое внимание привлекают заковы, прострелы, пережоги, прижоги [2].
По правилам эксплуатации рабочие лопатки турбины ГТД имеют установленный разработчиком ресурс (обычно 25 000 часов). После выработки ресурса рабочие лопатки подлежат ремонту. В общем случае ремонт заключается в выполнении следующих операций: демонтаж лопаток, чистка, дефектация, восстановление микроструктуры основного материала, восстановление геометрии и формы, восстановление покрытий, контроль качества.
Наиболее простым и распространенным методом ремонта рабочих лопаток ГТД является аргонодуговая наплавка. Но этот метод обладает рядом отрицательных факторов: вследствие прямого расплавления основного металла дугой формируется значительная зона термического влияния с крупнозернистой структурой, требующая последующей термической обработки; формируются припуски до нескольких миллиметров, требующие последующей механической обработки.
Для снижения зоны термического влияния предложен метод аргонодуговой наплавки путем равномерного пленочного расплавления основного металла на глубину 0,2–0,3 мм, снижающий образование трещин в околошовной зоне (ОШЗ) [3]. В данном методе основной металл расплавляется за счет теплоты расплавленного наплавляемого материала. Предложенный метод не исключает образования деформаций. Но объемные деформации заменяются линейными. Для снятия напряжений восстановленные лопатки требуют последующего отжига при температуре 950°C в течение 3 часов. Необходима и последующая механическая обработка. Существующие дуговые методы восстановления рабочих лопаток индустриальных ГТД характеризуются низкой эффективностью – коэффициент выхода годного составляет 15–25%, коэффициент использования материала 10–20%.
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТНОЙ НАПЛАВКИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГТД
Для лазерной технологии в отличие от аргонодуговой наплавки [3, 4] характерны минимальный припуск под последующую механическую обработку (около 200 мкм), узкая зона термического влияния (до 100 мкм), наличие мелкозернистой структуры наплавленного слоя, минимальный (локальный) энерговклад, увеличение ремонтной площади поверхности лопатки ГТД, отсутствие термической обработки, повышенные механические характеристики наплавленного слоя. Также необходимо отметить гибкость процесса, позволяющего в качестве присадочного материала использовать как металлический порошок, так и проволоку [5–7].
Результаты лазерной наплавки с использованием импульсно-периодического твердотельного Nd:YAG-лазера (HTS-Mobile 300 – ОКБ "Булат") представлены в работе [8]. Однако основной недостаток разработанной технологии – отсутствие автоматизации технологического процесса: присадочную проволоку в зону воздействия лазерного излучения в процессе наплавки оператор подает вручную. В линейке ОКБ "Булат" присутствует технологический комплекс для импульсной лазерной наплавки с системой автоматической подачи проволоки, автоматической фокусировки лазерного луча и перископической насадкой. Такая автоматизация позволяет повысить качество и производительность процесса ремонта. Технологии импульсной лазерной наплавки позволяют наплавлять сплавы на никелевой, кобальтовой и титановой основах [9]. Примеры отечественного и зарубежного комплексов на базе импульсно-периодического твердотельного лазера представлены на рис.1.
Но и эти комплексы не лишены недостатков: у них отсутствует кассетная оснастка, которая разрешает легкий переход от штучной наплавки каждой лопатки к автоматизированной наплавке набора однотипных лопаток.
Результаты порошковой наплавки хорд и торцов компрессорных лопаток из титанового сплава с использованием непрерывного волоконного лазера максимальной мощностью 1 кВт приведены в работе [10]. Наплавка проводилась на установке LENS 850R фирмы OPTOMEC (США) (рис.2).
Приведенные в работе результаты подтвердили принципиальную возможность использования данного класса оборудования для восстановительного ремонта рабочих лопаток. При этом такие факторы, как значительный припуск под механообработку, увеличение микротвердости наплавленного металла по сравнению с основой в 1,5–2,5 раза, широкая зона термического влияния (около 0,9 мм), нерасплавленные частицы порошка на поверхности наплавленного слоя, внутренние дефекты, полученные авторами в ходе экспериментов, доказывают сложность технологического процесса лазерной наплавки и необходимость его оптимизации с использованием как теоретических, так и экспериментальных методов.
Перспективным видится путь развития ремонтных технологий через разработку комплексов, которые объединили бы в себе системы контроля, механообработки (как предварительной, так и последующей) и лазерной наплавки.
Такой подход был реализован в проекте Reclaim, который выполняет консорциум английских компаний: Renishaw, Electrox, TWI, Precision Engineering Technologies, Cummins Turbo Technologies, Airfoils Technology International и университет Де Монфор. Программное обеспечение разрабатывалось компанией Delcam. Британское Государственное Управление технологической стратегии инвестировало в проект более полумиллиона фунтов.
Результаты восстановления турбинных лопаток двигателей с использованием автоматизированного технологического комплекса RECLAIM описаны в работе [11]. Технологию адаптивной лазерной наплавки и оборудование, схожее по техническим характеристикам с комплексом RECLAIM, предлагают сотрудники института Фраунгофера и компании Beam Machines [12, 13].
Интересен опыт восстановительной наплавки входных кромок лопаток парогенератора, реализованный на валу ротора [14] (рис.3). В качестве источника лазерного излучения использовали диодный лазер мощностью 3 кВт. К основным положительным результатам данной работы следует отнести возможность восстановления лопаток моноколеса парогенератора на валу ротора.В результате обеспечивает ся существенная экономия средств, поскольку технологии, требующие устранения дефектной лопатки из состава моноколеса [15], оцениваются, по словам авторов, в 2,3–4,5 млн. долларов США. К недостаткам работы следует отнести появление пористости в зоне сплавления лопатки и наплавляемого слоя, а также невозможность применять данную технологию для восстановления больших площадей из-за появления значительных деформаций и трещин (рис.4).
Известны методы изготовления и ремонта деталей авиадвигателей методами прямого лазерного выращивания (ПЛВ) и селективного лазерного плавления [16]. Достоинствами данных технологий являются возможность изготовления деталей сложной формы из дорогостоящих материалов с уникальными свойствами и минимальным припуском на последующую механическую обработку; деформации в процессе изготовления/ремонта отсутствуют, зона термического влияния минимальна. Недостатками являются не полностью проверенная технология применительно к восстановлению изношенных частей турбинных лопаток, а также использование импортного оборудования.
Восстановление лопаток из жаропрочных сплавов на основе титана и никеля, установленных на моноколесе в компрессоре ГТД ПД-14 на установке TruLaserCell 7020 фирмы Trumpf описано в работе [17] (рис.5). Результаты металлографических исследований показали существование четкой границы раздела основного и наплавленного металла, отсутствие дефектов и мелкоигольчатую структуру наплавленного слоя, свидетельствующую о высоких скоростях охлаждения. К преимуществам используемого метода авторы относят, в том числе, его адаптивность, что актуально для различно изношенных поверхностей лопаток.
Для восстановления поверхности лопаток компрессора ГТД ряд авторов предлагают использовать технологию электронно-лучевой наплавки [18, 19]. Несмотря на преимущества, схожие с преимуществами лазерной наплавки, данный способ имеет ограничения по габаритным размерам восстанавливаемых заготовок, зависящих от размеров вакуумной камеры, на создание вакуума в которой также требуется время.
Результаты лазерного восстановления лопаток газоперекачивающих станций с использованием в качестве присадочного материала порошков на никелевой основе Inconel 625 и Inconel 738 приведены в работе [20]. В качестве источника лазерного излучения использовали твердотельный лазер с длиной волны 1,07 мкм. В обоих вариантах получены качественные валики, при этом в случае материала Inconel 738 дополнительно использовали последующий подогрев зоны наплавки. Также авторы отмечают преимущества волоконного лазера перед СО2–лазером. Положительным результатом стало наличие системы контроля геометрии наплавленных валиков с целью обеспечения минимального припуска на последующую механическую обработку, а также оценки технологической возможности "лечения" поверхностных трещин лопаток из никелевых сплавов при лазерной наплавке [21–23].
Анализ работ в области ремонта рабочих лопаток ГТД показал заинтересованность отрасли во внедрении лазерных технологий. Проведена серия работ по опробованию технологий лазерной наплавки лопаток различной номенклатуры с использованием установок разных типов. Авиационное и энергетическое машиностроение относятся к стратегически важным отраслям промышленности. В связи с этим требуется повышение уровня технологической импортонезависимости производственных процессов выпуска новой продукции, а также ремонта и обслуживания продукции, бывшей в эксплуатации. Большая часть технологических комплексов лазерной обработки, используемых в настоящее время на предприятиях авиационного двигателестроения и ремонта, импортного производства.
РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГТД МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ
Для создания производства восстановления рабочих лопаток ГТД методом лазерной наплавки при поддержке Правительства России (Минобрнауки РФ) в рамках Постановления Правительства № 218 сотрудниками Института лазерных и сварочных технологий Политехнического университета Петра Великого (ИЛИСТ СПбПУ, Санкт-Петербург) по заказу ЗАО "Плакарт" разрабатывается роботизированный технологический комплекс лазерной наплавки. Общая концепция комплекса представлена на рис.6. В состав комплекса входят: волоконный лазер мощностью 700 Вт (1), система управления (2), система водяного охлаждения (3), промышленный робот-манипулятор (4), лазерная наплавочная головка (5), порошковый питатель (6). Особое внимание при разработке комплекса будет уделено созданию сопловой части технологической головки, позволяющей обеспечить коэффициент использования наплавляемого порошка не менее 0,5 при ширине наплавленных валиков 0,8–1,5 (2) мм. Также будет разработана кассетная оснастка для установки набора однотипных лопаток, что позволит значительно увеличить производительность процесса наплавки, сократив временные затраты, связанные с установкой отдельных лопаток.
Технические параметры разрабатываемого комплекса были определены на основе результатов предварительных технологических экспериментов по наплавке жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основе (в виде порошков) на рабочие лопатки ГТД из материалов ЖС32-ВИ и ЧС70-ВИ (рис.7).
Металлографические исследования шлифов и рентгеновский анализ восстановленных гребешков рабочих лопаток показали, что во всех образцах отсутствуют поры, трещины, плены и нерасплавленные частицы порошка. В случае наплавки порошка Stellite 6 на лопатку из ЖС32-ВИ линия сплавления четкая (см. рис.7а). При наплавке Inconel 625 на лопатку из ЧС70-ВИ и ЭП648 на лопатку из ЖС32-ВИ линия сплавления волнистая, с незначительным перемешиванием материалов (см. рис.7b, c). Все слои были наплавлены с минимальным припуском под последующую механическую обработку (рис.8).
ВЫВОДЫ
Результаты проведенных исследований показали, что технология лазерной наплавки способна заменить используемые технологии восстановления лопаток газотурбинных двигателей, снизив себестоимость ремонтного цикла и повысив ресурс их межремонтной эксплуатации. Изготовление адаптивного автоматизированного комплекса также позволит реализовать технологию лазерной наплавки, обеспечив независимость отечественного производителя от импортного оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство газотурбинных двигателей" / Под ред. В.В. Крымова. – М.: Машиностроение– Полет, 2002.
2. Казаков Р.А. Изготовление лопатки ВНА компрессора ГТД изотермической штамповкой. – Рыбинск: Изд-во ОАО "НПО Сатурн", Конструкторско-технологическое бюро перспективного развития.
3. Сорокин Л.И. Аргоно-дуговая наплавка бандажных полок рабочих лопаток из высокожаропрочных никелевых сплавов. – Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.viam.ru/public.
4. Климов В.Г. Сравнение методов восстановления геометрии пера лопаток турбины из жаропрочных сплавов. – Вестник Московского авиационного института, 2016, № 1, т.23, с.86–97.
5. Kasser D. Laser Powder Fusion Welding. – Электронный ресурс. Режим доступа: http://huffman-llc.com/pdf/Articles/LPFW%20Huffman_Kaser.pdf.
6. Kathuria Y.P. Some aspects of laser surface cladding in the turbine industry. – Surface and Coatings Technology, 2000, 132, p.262–269.
7. Shepeleva L., Medres B., Kaplan W.D. et al. Laser cladding of turbine blades. – Surface and Coatings Technology, 2000, v.125, p.45–48.
8. Сотов А.В., Смелов В.Г., Носова Е.А., Косырев С.А. Импульсная лазерная наплавка лопаток газотурбинных двигателей. – Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2013, т. 15, № 6, с. 293–297.
9. НПО "РТ". Рекламный проспект. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.renotech.org.
10. Морозов Е.А., Долговечный А.В., Ханов А.М. Лазерная наплавка лопатки газотурбинных двигателей. – Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2012, т. 14, № 1 (2).
11. Jones J., McNutt P., Tosi R. and et al. Remanufacture of turbine blades by laser cladding, machining and in-process scanning in a single machine. – 23rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, 2012, p. 821–827.
12. Gasser A., Kittel J. Automatic laser cladding for turbine tips. – Subject to alterations in specifications and other technical information, 2013. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ilt.fraunhofer.de/content/dam/ilt/en/documents/annual_reports/ar12/JB12_S91.pdf.
13. Mobile Machine. From numerical file to real part. Manufacture, modify or repair your metallic parts. – Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.beam-machines.fr/uploads/files/leaflets%20mobile%20en_10.02.2016.pdf
14. Brandt M., Harris J., Chipperfield C. In-situ laser repair of steam turbine blades. – Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing, Munich, 2007, p. 1–5.
15. Фомичев Е.О., Воронин Н.Н. Анализ существующих способов восстановления лопаток компрессора газотурбинного двигателя. – Двигатель, 2013, № 5 (89), с. 18–19.
16. Kelbassa I., Albus P., Dietrich J. and et al. Manufacturing and repair of aero engine components using laser technology. – Proceedings of the 3rd Pacific International Conference on Application of Lasers and Optics, 2008, p. 208–212.
17. Ермолаев А.С., Иванов А.М., Василенко С.А. Лазерные технологии и процессы при изготовлении и ремонте деталей газотурбинного. – Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2013, № 35, с. 49–63.
18. Шулов В.А., Пайкин А.Г., Быценко О.А. и др. Разработка технологического процесса электронно-лучевого ремонта и восстановления свойств лопаток турбины ГТД из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием Nicraly. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2010, № 3, с. 34–38.
19. Патент RU2419526C1 Способ ремонта поверхностных дефектов пера лопаток турбины ГТД.
20. Chen C., Wu H.C., Chiang M.F. Laser cladding in repair of IN738 turbine blades. – International Heat Treatment and Surface Engineering, 2008, v.2, №3/4, p.140–146.
21. Bi G., Gasser A. Restoration of Nickel-Base Turbine Blade Knife-Edges with Controlled Laser Aided Additive Manufacturing. – Physics Procedia, 2011, № 12, p. 402–409.
22. Rottwinkel B., Nцlke Ch., Kaierle St. and et al. Crack repair of single crystal turbine blades using laser cladding technology. – Procedia CIRP, 2014, p. 263–267.
23. Vilar R., Santos E.C., Ferreira P.N. and et al. Structure of NiCrAlY coatings deposited on single-crystal alloy turbine blade material by laser cladding. – Acta Materialia, 2009, v. 57, p. 5292–5302.
Требования к эксплуатационным характеристикам деталей и узлов машин постоянно возрастают. Это стимулирует ускоренное развитие высокоэффективных технологий создания новых функциональных материалов. Соответственно возрастает спрос на оборудование для придания рабочим поверхностям изделий, эксплуатируемых в сложных климатических и механических условиях, повышенных антикоррозионных, трибологических и прочностных характеристик. Весьма перспективными технологиями в области инженерии поверхности становятся лазерные технологии. Благодаря высокой плотности тепловой мощности в зоне воздействия на поверхность они позволяют проводить ее обработку без необходимости объемного разогрева детали и обеспечивают достижение сверхвысоких скоростей нагрева и охлаждения зоны лазерного воздействия. В результате обеспечиваются возможности создания поверхностных слоев механических изделий с уникальными эксплуатационными характеристиками.
Лазерная наплавка как технология ремонтных работ потенциально востребована компаниями, которые занимаются восстановлением деталей, используемых в двигателестроении, атомной энергетике, нефтехимическом производстве, горнодобывающей, металлообрабатывающей и других отраслях промышленности, где используемые машины и механизмы подвергаются воздействию агрессивных сред и поверхностному износу.
В работе рассмотрены примеры использования и перспективы развития лазерных технологий применительно к ремонту рабочих лопаток газотурбинных двигателей.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В настоящее время газотурбинные двигатели (ГТД) широко применяются в авиационной и наземной технике, и сфера их применения постоянно растет. Во всем мире из всех производимых ГДТ 70% приходится на долю энергетики. В этой области применяется самый широкий мощностной ряд ГТД от 16 кВт до 300 МВт. Их используют в качестве приводов электрогенераторов на электростанциях в простом, когенерационном и комбинированном циклах, вырабатывая электроэнергию и тепло, передаваемые потребителю в виде пара и горячей воды. Ежегодный объем продаж газотурбинного оборудования составляет примерно 20–22 млрд. долларов США. Необходимость сохранения конкурентоспособности отечественных ГТД на мировом рынке очевидна. На выбор ГТД влияют не только технические и эксплуатационные характеристики изделия, а также его цена и стоимость эксплуатации.
Надежность газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток компрессора и турбины, поскольку они являются наиболее нагруженными деталями. Лопатки подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок. Кроме того, лопатки турбины испытывают циклические термические напряжения, они работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре и подвергаются газовой коррозии [1]. Лопатки ГТД имеют сложную пространственную геометрию и изготавливаются из труднодеформируемых материалов: жаропрочных, титановых и алюминиевых сплавов. Поэтому к ним предъявляют повышенные требования по структуре металла, его химическому составу, механическим свойствам, геометрическим размерам, минимизации дефектов. Из дефектов особое внимание привлекают заковы, прострелы, пережоги, прижоги [2].
По правилам эксплуатации рабочие лопатки турбины ГТД имеют установленный разработчиком ресурс (обычно 25 000 часов). После выработки ресурса рабочие лопатки подлежат ремонту. В общем случае ремонт заключается в выполнении следующих операций: демонтаж лопаток, чистка, дефектация, восстановление микроструктуры основного материала, восстановление геометрии и формы, восстановление покрытий, контроль качества.
Наиболее простым и распространенным методом ремонта рабочих лопаток ГТД является аргонодуговая наплавка. Но этот метод обладает рядом отрицательных факторов: вследствие прямого расплавления основного металла дугой формируется значительная зона термического влияния с крупнозернистой структурой, требующая последующей термической обработки; формируются припуски до нескольких миллиметров, требующие последующей механической обработки.
Для снижения зоны термического влияния предложен метод аргонодуговой наплавки путем равномерного пленочного расплавления основного металла на глубину 0,2–0,3 мм, снижающий образование трещин в околошовной зоне (ОШЗ) [3]. В данном методе основной металл расплавляется за счет теплоты расплавленного наплавляемого материала. Предложенный метод не исключает образования деформаций. Но объемные деформации заменяются линейными. Для снятия напряжений восстановленные лопатки требуют последующего отжига при температуре 950°C в течение 3 часов. Необходима и последующая механическая обработка. Существующие дуговые методы восстановления рабочих лопаток индустриальных ГТД характеризуются низкой эффективностью – коэффициент выхода годного составляет 15–25%, коэффициент использования материала 10–20%.
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТНОЙ НАПЛАВКИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГТД
Для лазерной технологии в отличие от аргонодуговой наплавки [3, 4] характерны минимальный припуск под последующую механическую обработку (около 200 мкм), узкая зона термического влияния (до 100 мкм), наличие мелкозернистой структуры наплавленного слоя, минимальный (локальный) энерговклад, увеличение ремонтной площади поверхности лопатки ГТД, отсутствие термической обработки, повышенные механические характеристики наплавленного слоя. Также необходимо отметить гибкость процесса, позволяющего в качестве присадочного материала использовать как металлический порошок, так и проволоку [5–7].
Результаты лазерной наплавки с использованием импульсно-периодического твердотельного Nd:YAG-лазера (HTS-Mobile 300 – ОКБ "Булат") представлены в работе [8]. Однако основной недостаток разработанной технологии – отсутствие автоматизации технологического процесса: присадочную проволоку в зону воздействия лазерного излучения в процессе наплавки оператор подает вручную. В линейке ОКБ "Булат" присутствует технологический комплекс для импульсной лазерной наплавки с системой автоматической подачи проволоки, автоматической фокусировки лазерного луча и перископической насадкой. Такая автоматизация позволяет повысить качество и производительность процесса ремонта. Технологии импульсной лазерной наплавки позволяют наплавлять сплавы на никелевой, кобальтовой и титановой основах [9]. Примеры отечественного и зарубежного комплексов на базе импульсно-периодического твердотельного лазера представлены на рис.1.
Но и эти комплексы не лишены недостатков: у них отсутствует кассетная оснастка, которая разрешает легкий переход от штучной наплавки каждой лопатки к автоматизированной наплавке набора однотипных лопаток.
Результаты порошковой наплавки хорд и торцов компрессорных лопаток из титанового сплава с использованием непрерывного волоконного лазера максимальной мощностью 1 кВт приведены в работе [10]. Наплавка проводилась на установке LENS 850R фирмы OPTOMEC (США) (рис.2).
Приведенные в работе результаты подтвердили принципиальную возможность использования данного класса оборудования для восстановительного ремонта рабочих лопаток. При этом такие факторы, как значительный припуск под механообработку, увеличение микротвердости наплавленного металла по сравнению с основой в 1,5–2,5 раза, широкая зона термического влияния (около 0,9 мм), нерасплавленные частицы порошка на поверхности наплавленного слоя, внутренние дефекты, полученные авторами в ходе экспериментов, доказывают сложность технологического процесса лазерной наплавки и необходимость его оптимизации с использованием как теоретических, так и экспериментальных методов.
Перспективным видится путь развития ремонтных технологий через разработку комплексов, которые объединили бы в себе системы контроля, механообработки (как предварительной, так и последующей) и лазерной наплавки.
Такой подход был реализован в проекте Reclaim, который выполняет консорциум английских компаний: Renishaw, Electrox, TWI, Precision Engineering Technologies, Cummins Turbo Technologies, Airfoils Technology International и университет Де Монфор. Программное обеспечение разрабатывалось компанией Delcam. Британское Государственное Управление технологической стратегии инвестировало в проект более полумиллиона фунтов.
Результаты восстановления турбинных лопаток двигателей с использованием автоматизированного технологического комплекса RECLAIM описаны в работе [11]. Технологию адаптивной лазерной наплавки и оборудование, схожее по техническим характеристикам с комплексом RECLAIM, предлагают сотрудники института Фраунгофера и компании Beam Machines [12, 13].
Интересен опыт восстановительной наплавки входных кромок лопаток парогенератора, реализованный на валу ротора [14] (рис.3). В качестве источника лазерного излучения использовали диодный лазер мощностью 3 кВт. К основным положительным результатам данной работы следует отнести возможность восстановления лопаток моноколеса парогенератора на валу ротора.В результате обеспечивает ся существенная экономия средств, поскольку технологии, требующие устранения дефектной лопатки из состава моноколеса [15], оцениваются, по словам авторов, в 2,3–4,5 млн. долларов США. К недостаткам работы следует отнести появление пористости в зоне сплавления лопатки и наплавляемого слоя, а также невозможность применять данную технологию для восстановления больших площадей из-за появления значительных деформаций и трещин (рис.4).
Известны методы изготовления и ремонта деталей авиадвигателей методами прямого лазерного выращивания (ПЛВ) и селективного лазерного плавления [16]. Достоинствами данных технологий являются возможность изготовления деталей сложной формы из дорогостоящих материалов с уникальными свойствами и минимальным припуском на последующую механическую обработку; деформации в процессе изготовления/ремонта отсутствуют, зона термического влияния минимальна. Недостатками являются не полностью проверенная технология применительно к восстановлению изношенных частей турбинных лопаток, а также использование импортного оборудования.
Восстановление лопаток из жаропрочных сплавов на основе титана и никеля, установленных на моноколесе в компрессоре ГТД ПД-14 на установке TruLaserCell 7020 фирмы Trumpf описано в работе [17] (рис.5). Результаты металлографических исследований показали существование четкой границы раздела основного и наплавленного металла, отсутствие дефектов и мелкоигольчатую структуру наплавленного слоя, свидетельствующую о высоких скоростях охлаждения. К преимуществам используемого метода авторы относят, в том числе, его адаптивность, что актуально для различно изношенных поверхностей лопаток.
Для восстановления поверхности лопаток компрессора ГТД ряд авторов предлагают использовать технологию электронно-лучевой наплавки [18, 19]. Несмотря на преимущества, схожие с преимуществами лазерной наплавки, данный способ имеет ограничения по габаритным размерам восстанавливаемых заготовок, зависящих от размеров вакуумной камеры, на создание вакуума в которой также требуется время.
Результаты лазерного восстановления лопаток газоперекачивающих станций с использованием в качестве присадочного материала порошков на никелевой основе Inconel 625 и Inconel 738 приведены в работе [20]. В качестве источника лазерного излучения использовали твердотельный лазер с длиной волны 1,07 мкм. В обоих вариантах получены качественные валики, при этом в случае материала Inconel 738 дополнительно использовали последующий подогрев зоны наплавки. Также авторы отмечают преимущества волоконного лазера перед СО2–лазером. Положительным результатом стало наличие системы контроля геометрии наплавленных валиков с целью обеспечения минимального припуска на последующую механическую обработку, а также оценки технологической возможности "лечения" поверхностных трещин лопаток из никелевых сплавов при лазерной наплавке [21–23].
Анализ работ в области ремонта рабочих лопаток ГТД показал заинтересованность отрасли во внедрении лазерных технологий. Проведена серия работ по опробованию технологий лазерной наплавки лопаток различной номенклатуры с использованием установок разных типов. Авиационное и энергетическое машиностроение относятся к стратегически важным отраслям промышленности. В связи с этим требуется повышение уровня технологической импортонезависимости производственных процессов выпуска новой продукции, а также ремонта и обслуживания продукции, бывшей в эксплуатации. Большая часть технологических комплексов лазерной обработки, используемых в настоящее время на предприятиях авиационного двигателестроения и ремонта, импортного производства.
РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГТД МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ
Для создания производства восстановления рабочих лопаток ГТД методом лазерной наплавки при поддержке Правительства России (Минобрнауки РФ) в рамках Постановления Правительства № 218 сотрудниками Института лазерных и сварочных технологий Политехнического университета Петра Великого (ИЛИСТ СПбПУ, Санкт-Петербург) по заказу ЗАО "Плакарт" разрабатывается роботизированный технологический комплекс лазерной наплавки. Общая концепция комплекса представлена на рис.6. В состав комплекса входят: волоконный лазер мощностью 700 Вт (1), система управления (2), система водяного охлаждения (3), промышленный робот-манипулятор (4), лазерная наплавочная головка (5), порошковый питатель (6). Особое внимание при разработке комплекса будет уделено созданию сопловой части технологической головки, позволяющей обеспечить коэффициент использования наплавляемого порошка не менее 0,5 при ширине наплавленных валиков 0,8–1,5 (2) мм. Также будет разработана кассетная оснастка для установки набора однотипных лопаток, что позволит значительно увеличить производительность процесса наплавки, сократив временные затраты, связанные с установкой отдельных лопаток.
Технические параметры разрабатываемого комплекса были определены на основе результатов предварительных технологических экспериментов по наплавке жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой основе (в виде порошков) на рабочие лопатки ГТД из материалов ЖС32-ВИ и ЧС70-ВИ (рис.7).
Металлографические исследования шлифов и рентгеновский анализ восстановленных гребешков рабочих лопаток показали, что во всех образцах отсутствуют поры, трещины, плены и нерасплавленные частицы порошка. В случае наплавки порошка Stellite 6 на лопатку из ЖС32-ВИ линия сплавления четкая (см. рис.7а). При наплавке Inconel 625 на лопатку из ЧС70-ВИ и ЭП648 на лопатку из ЖС32-ВИ линия сплавления волнистая, с незначительным перемешиванием материалов (см. рис.7b, c). Все слои были наплавлены с минимальным припуском под последующую механическую обработку (рис.8).
ВЫВОДЫ
Результаты проведенных исследований показали, что технология лазерной наплавки способна заменить используемые технологии восстановления лопаток газотурбинных двигателей, снизив себестоимость ремонтного цикла и повысив ресурс их межремонтной эксплуатации. Изготовление адаптивного автоматизированного комплекса также позволит реализовать технологию лазерной наплавки, обеспечив независимость отечественного производителя от импортного оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство газотурбинных двигателей" / Под ред. В.В. Крымова. – М.: Машиностроение– Полет, 2002.
2. Казаков Р.А. Изготовление лопатки ВНА компрессора ГТД изотермической штамповкой. – Рыбинск: Изд-во ОАО "НПО Сатурн", Конструкторско-технологическое бюро перспективного развития.
3. Сорокин Л.И. Аргоно-дуговая наплавка бандажных полок рабочих лопаток из высокожаропрочных никелевых сплавов. – Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.viam.ru/public.
4. Климов В.Г. Сравнение методов восстановления геометрии пера лопаток турбины из жаропрочных сплавов. – Вестник Московского авиационного института, 2016, № 1, т.23, с.86–97.
5. Kasser D. Laser Powder Fusion Welding. – Электронный ресурс. Режим доступа: http://huffman-llc.com/pdf/Articles/LPFW%20Huffman_Kaser.pdf.
6. Kathuria Y.P. Some aspects of laser surface cladding in the turbine industry. – Surface and Coatings Technology, 2000, 132, p.262–269.
7. Shepeleva L., Medres B., Kaplan W.D. et al. Laser cladding of turbine blades. – Surface and Coatings Technology, 2000, v.125, p.45–48.
8. Сотов А.В., Смелов В.Г., Носова Е.А., Косырев С.А. Импульсная лазерная наплавка лопаток газотурбинных двигателей. – Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2013, т. 15, № 6, с. 293–297.
9. НПО "РТ". Рекламный проспект. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.renotech.org.
10. Морозов Е.А., Долговечный А.В., Ханов А.М. Лазерная наплавка лопатки газотурбинных двигателей. – Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2012, т. 14, № 1 (2).
11. Jones J., McNutt P., Tosi R. and et al. Remanufacture of turbine blades by laser cladding, machining and in-process scanning in a single machine. – 23rd Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, 2012, p. 821–827.
12. Gasser A., Kittel J. Automatic laser cladding for turbine tips. – Subject to alterations in specifications and other technical information, 2013. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.ilt.fraunhofer.de/content/dam/ilt/en/documents/annual_reports/ar12/JB12_S91.pdf.
13. Mobile Machine. From numerical file to real part. Manufacture, modify or repair your metallic parts. – Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.beam-machines.fr/uploads/files/leaflets%20mobile%20en_10.02.2016.pdf
14. Brandt M., Harris J., Chipperfield C. In-situ laser repair of steam turbine blades. – Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing, Munich, 2007, p. 1–5.
15. Фомичев Е.О., Воронин Н.Н. Анализ существующих способов восстановления лопаток компрессора газотурбинного двигателя. – Двигатель, 2013, № 5 (89), с. 18–19.
16. Kelbassa I., Albus P., Dietrich J. and et al. Manufacturing and repair of aero engine components using laser technology. – Proceedings of the 3rd Pacific International Conference on Application of Lasers and Optics, 2008, p. 208–212.
17. Ермолаев А.С., Иванов А.М., Василенко С.А. Лазерные технологии и процессы при изготовлении и ремонте деталей газотурбинного. – Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника, 2013, № 35, с. 49–63.
18. Шулов В.А., Пайкин А.Г., Быценко О.А. и др. Разработка технологического процесса электронно-лучевого ремонта и восстановления свойств лопаток турбины ГТД из сплава ЖС26НК с жаростойким покрытием Nicraly. – Упрочняющие технологии и покрытия, 2010, № 3, с. 34–38.
19. Патент RU2419526C1 Способ ремонта поверхностных дефектов пера лопаток турбины ГТД.
20. Chen C., Wu H.C., Chiang M.F. Laser cladding in repair of IN738 turbine blades. – International Heat Treatment and Surface Engineering, 2008, v.2, №3/4, p.140–146.
21. Bi G., Gasser A. Restoration of Nickel-Base Turbine Blade Knife-Edges with Controlled Laser Aided Additive Manufacturing. – Physics Procedia, 2011, № 12, p. 402–409.
22. Rottwinkel B., Nцlke Ch., Kaierle St. and et al. Crack repair of single crystal turbine blades using laser cladding technology. – Procedia CIRP, 2014, p. 263–267.
23. Vilar R., Santos E.C., Ferreira P.N. and et al. Structure of NiCrAlY coatings deposited on single-crystal alloy turbine blade material by laser cladding. – Acta Materialia, 2009, v. 57, p. 5292–5302.
Отзывы читателей
