¹Ивашко В.С., ¹Саранцев В.В., ¹Пантелеенко Ф.И., ¹ДевойноО.Г., ²Беляков А.В.

¹Белорусский национальный технический университет

²ОАО «Всероссийский дважды ордена Трудового Красного Знамени Теплотехнический научно-исследовательский институт», Российская Федерация

Введение. Высокая степень износа основного оборудования в энергетической отрасли ставит перед энергетиками задачу повышения срока его эксплуатации. Особенно значимой является проблема увеличения срока службы деталей контактирующих с паром – запорно-регулировочная арматура, направляющие и рабочие лопатки турбин. Нанесение защитных покрытий на рабочие поверхности деталейоборудования – наиболее эффективный способ повышения их качества и долговечности.

В БНТУ разработаны технологии нанесения упрочняющих и защитных покрытий с использованием электроискрового легирования, газотермического напыления, лазерных технологий.

Повышение стойкости лопаток турбин.

В настоящее время существует ряд технологических решений позволяющих повысить стойкость лопаток турбин:

• — использование жаростойких и жаропрочных материалов;
• — применение системы охлаждения;
• — нанесение защитных покрытий.

Металлические сплавы способны работать при температурах до 900°С выше такой температуры необходимо применение защитных (барьерных) покрытий и систем охлаждения. В качестве материалов защитных покрытий наибольший интерес представляет керамика и металлокерамика. Опыт эксплуатации паровых турбин показал что для защиты от капельной эрозии паровых лопаток наиболее эффективной является стеллитовая защита. К сожалению, запасы Coснижаются, что вызывает рост на данный металл, а соответственно, необходимость поиска новых защитных материалов.

К керамическим материалам относят керамику карбидную (карбид вольфрама, карбид титана, карбид кремния), алюмооксидную, циркониевую (на основе ZrO₂, TiO₂), нитридную (TiN, AlN).Для нанесения покрытий из керамических материалов необходимо использование высоких температур. Высокие температуры можно реализовать используя энергию плазмы, лазерного и электронно-лучевого излучения.

Современные рабочие и направляющие лопатки ГТУ состоят из[1]:

• — монокристальных деталей точного литья из жаропрочных сплавов с каналами для охлаждающего воздуха;
• — связующих и диффузионных барьерных покрытий (Al₂O₃);
• — теплозащитных покрытий (ZrO₂).

Для защиты первых ступеней ГТУ наиболее эффективно использование материала на основе ZrO₂. Нанесение материала на основе диоксида циркония производят использованием плазменного напыления (APS).

На последних ступенях лопаток ГТУ наносят покрытия в вакуумных камерах (PVD-технологии) распыляя электронным или лазерным лучом или плазмой мишень (катод). Мишени изготавливают из порошков диоксида циркония стабилизированного оксидом иттрия Y₂O₃.

Для повышения эрозионной стойкости лопаток паровых турбин используют технологии нанесениямногослойного вакуумно-плазменного покрытия высокотвердых нитридных соединений Ti-TiN, Zr-ZrN и кобальтового стеллита марки В3К (Stellite 6) на рабочие кромки.

Недостатком вакуумных покрытий является неравномерность нанесения покрытия и необходимость разлопачивания турбоагрегата. Данную технологию целесообразно применять на новых лопатках.

Для защиты лопаток паровых турбин последних ступеней было предложено использование технологии электроискровое легирование (ЭИЛ) [2]. Технология основана на явлении электрической эрозии и полярного переноса материала анода (инструмента) на катод (деталь) при протекании импульсных разрядов в газовой среде. При формировании защитно-упрочняющих покрытий на поверхности лопаток обрабатываемые лопатки являются катодом, а анодом – расходуемый электрод-инструмент.

1 – генератор импульсов; 2 – вибратор; 3 – электрод; 4 – деталь; 5 – покрытие
Рисунок 1 – Схема процесса ЭИЛ

При осуществлении процесса ЭИЛ между обрабатываемой (легируемой) поверхностью и легирующим электродом протекают весьма короткие по времени импульсы электрического тока (длительностью 1·10^-3 ÷ 1·10^-5 с). При этом деталь (лопатка) не нагревается выше 200 °С. Применение такой технологии дает возможность формировать покрытия из металлических и металлокерамических материалов.

Формирование композиционных металлокерамических покрытий (КМП) в режиме ЭИЛ позволяет получить слой толщиной до 100 мкм. Разработанная технология [3], сочетающая процессы ЭИЛ и СВС (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза), требует значительно меньшихэнергозатрат по сравнению с традиционным способом ЭИЛ, что способствует повышению качества покрытия и увеличению его толщины, а также улучшению его сплошности [4].

Для получения КМП начальный слой порошковых СВС-реагентов предварительно наносится на основу, после чего проводится ЭИЛ. В результате за один проход можно получить слой КМП толщиной до 0,3 мм. Микроструктурные исследованияпозволили установить, что формируется плотное беспористое мелкозернистое покрытие. Макроструктура покрытия по всей толщине однородна, а в легированной матрице присутствуют дисперсные частицы карбида титана. Точечный микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) показал, что в точках, где наблюдалось уменьшение содержания титана, увеличивается концентрация железа и никеля. Это говорит о том, что материал подложки и никелевая добавка образуют металлическую матрицу в виде твердого раствора и не образуют соединений с карбидом титана. Присутствие железа в покрытии свидетельствует об оплавлении части материала основы.

Детальное изучение КМП выявило, что карбиды имеют округлую мелкозернистую форму (1–3 мкм). В средней части наблюдается скопление крупных карбидов (~10 мкм) с небольшим количеством металлической матрицы вокруг них.

Для достижения эффекта защиты от капельно-эрозионного износа необходимо нанесение КМП на рабочие кромки. В зависимости от режимов эксплуатации турбоагрегата нанесение КМП можно проводить при капитальном ремонте раз в 4-5 лет. Оборудование позволяет наносить покрытия без разлопачивания непосредственно на турбоагрегате. Расходы на проведение работ по нанесению покрытий в разы ниже по сравнению с покупкой нового комплекта лопаток.

Рисунок 2 – Внешний вид лопатки паровой турбины с КМП на рабочей кромке и процесс его нанесения

Восстановление штоков запорно-регулирующей аппаратуры.

На оборудовании были проведены восстановительные работы с деталями запорной арматуры. Основная причина выхода из строя запорной арматуры – износ штоков.

Наиболее эффективным способом восстановления таких деталей является газотермическое нанесение самофлюсующихся сплавов на основе никеля с твердостью 55 HRC, например, ПГ- Ср4.

Структура покрытий зависит от механизма их формирования. При напылении порошковых материалов происходят последовательно следующие события:

• 1) нагрев и плавление (или частичное оплавле¬ние);
• 2) перемещение к изделию, взаимодействие во время движения с окружающей атмосферой с образованием окислов;
• 3) взаимодействие с поверхностью основного металла или предыдущего слоя, деформация и растекание по поверх¬ности;
• 4) оплавление покрытия.

Последние два события сопровождаются образованием границ трех типов: между частицами, между слоями, граница, разделяющая покрытие и основной металл. Все типы границ существенно влияют на адгезионную и ко¬гезионную прочности покрытия.

Граница между слоями определяет работоспособность покрытия. При напылении совместно с частицами могут осаждаться продукты сгорания ацетилена или пропан-бутана. Сажа и окислы ухудшают условия взаимодействия между слоями. При несоблюдении режимов напыле¬ния возможно образование повышенной пористости и несплошностей на границе между слоями, приводящих к расслоению покрытия. Дефектное строение границы между слоями легко обнаружи¬вается при микроскопических исследованиях. Структура оплавленного покрытия представлена на рис 3. На рис 4 детали запорной арматуры после восстановления и последующей механической обработки.

Рисунок 3 – Структура покрытия на штоках запорной арматуры

Рисунок 4 – Штоки запорной арматуры после восстановления

Литература

1. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин / Н.В. Абраимов. — М.: Машиностроение, 1993. — 336 с.

2. Саранцев В.В. Достижения и развитие технологии электроискрового легирования (обзор) // Инженерный вестник. – №2 (22), 2006. – С.67–72.

3. Способ электроэрозионного упрочнения: пат. 10997Респ. Беларусь, МПК B 23 H 9/00 В.В. Саранцев, Л.В. Маркова, заявитель БНТУ – № а20060508, заявл. 25.05.06. опубл. 22.05.08 // Афiцыйныбюл. / Нац. цэнтрiнтэлектуал. уласнасцi. – 2008.

4. Study of Composite Spark-Alloyed Coatings Based on Titanium Carbide Using Self-Propagating High-Temperature Synthesis / V.V. Sarantsev, L.V. Markova, E.L. Azarenko // Surface engineering and applied electrochemistry Vol. 48. – № 2. – 2012. – P.43–49.