Автореферат (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок)

На правах рукописиГонсалес Луис ФернандоМЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГОНАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ВАЛЫГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК05.02.07 – Технология и оборудование механической ифизико-технической обработкиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыРазвитие технологий нанесения покрытий происходит одновременно сразвитием многих отраслей машиностроения. Предъявление высокихтребований к деталям, работающих в агрессивных условиях, приводиттехнологов к все более трудным задачам восстановления деталей и созданияфункциональных покрытий.

Одним из мало изученных направлений втехнологиях наплавки является нанесение покрытий из кобальтовых сплавовтипа Stellite лазерным методом.Кобальт придает сплавам ряд чрезвычайно важных свойств, таких, какизносостойкость, сопротивление ползучести, усталостную прочность привысоких температурах, устойчивость к сульфидированию и другие. Этисвойства безусловно являются привлекательными для их промышленногоприменения в особо ответственных конструкциях и деталях энергетическогомашиностроения и в частности газотермических установок (ГТУ) . Созданиепокрытий из этих сплавов сопровождается возникновением трещин в процессенаплавки, высоким содержанием основного материала детали в покрытии,неоднозначностью поведения покрытий при различных температурах из-заизменения атомной структуры кобальта, поэтому необходимы методы,обеспечивающие благоприятные условия для создания покрытий.Из всех возможных методов нанесения покрытий в наибольшей степениуказанным требованиям отвечает газопорошковый лазерный процесс.

Этотметод позволит наносить покрытия из кобальтового сплава не только ссохранением свойств исходного наносимого материала, но и улучшить егосвойства за счет больших скоростей охлаждения, а также обеспечить гибкостьпроцесса.Однако, до настоящего времени не проводилось систематическихисследований технологии и оптимизации режимов процесса газопорошковоголазерного нанесениясплавов типа Stellite на валы энергетическогооборудования.

В связи с этим тема данной работы является актуальной.Цель и задачи исследованияЦель работы создание комплекса методик, обеспечивающихоптимизацию выбора материалов, оборудования, режимов обработки ииспытаний для получения высококачественных износостойких покрытий приремонте валов ГТУ.Задачами исследования являются следующие:1.Выбор вида и состава материала для нанесения на поверхность материалавала ГТУ лазерным методом.2.Обоснование и выбор оборудования, необходимого для нанесенияпокрытий на поверхность валов ГТУ лазерным методом.13.Разработка методики и выбор геометрии сопла для подачи порошка взону нанесения покрытий соосно с лазерным лучом.4.Разработка расчётно-селективной методики оптимизации параметровлазерного нанесения покрытий.5.Определение по расчётно-селективной методике режимов нанесенияпокрытий лазерным методом порошка Stellit 6 на материал вала AISI 4340.6.Получение по методикам регрессионного анализа расчётных зависимостейгеометрических параметров валика от режимов обработки при нанесенияпокрытий лазерным методом порошка Stellite 6 на материал вала AISI4340.7.Выбор оптимальных режимов для получения покрытий, отвечающихтребованиям восстановительного ремонта валов ГТУ.8.Испытания механических свойств, износа и микроструктуры полученныхпокрытий на оптимальных режимах.

Выбор лучшего режима.9.Разработка технологической инструкции восстановительного ремонтавалов ГТУ лазерным нанесением покрытий.Научная новизна1.Разработанкомплексметодик,позволяющийоптимизироватьтехнологические режимы нанесения порошковых износостойкихпокрытий из сплава Stellite 6 на валы энергоустановок лазерным методом.Полученные покрытия на оптимальных режимах нанесения имеютнаивысшие механические свойства.2.Расчётом по регрессивным методикам определены основные критериизначимости параметров нанесённых слоев во взаимосвязи с режимамиобработки и механическими свойствами покрытий. Установлено, чтомаксимальный критерий значимости может достигать значений от 0,25 до0,3.3.Показано, что расчётные и экспериментальные значения параметровнанесённого слоя с коэффициентами, находящимися в установленномдиапазоне, обеспечивают максимальную твёрдость и износостойкостьпосле лазерной обработки, превышающие соответствующие значенияматериала валов от 1,7 до 3,7 раз.4.Установлена взаимосвязь структурного и фазового состава покрытия срежимами обработки, параметрами покрытия и получаемымимеханическими свойствами.

Доказано, что наилучшая износостойкостьдостигается при содержании в покрытии фазы карбида Cr7C3 в количествеот 15,0 до 16,5% и создании мелкодисперсной структуры с расстояниеммежду осями дендритов второго порядка менее 1,8 мкм и ширинойдендритов менее 1,41 мкм.2Практическая значимость работы1.Разработанные методики позволяют оперативно, с наименьшей затратойвремени и материалов определять наилучшие режимы нанесенияпокрытий лазерно-порошковым методом.2.Разработан техпроцесс и технологическая инструкция восстановлениявалов ГТУ из стали AISI 4340 с использованием материала Stellit 6лазерно - порошковым методом.Методы исследованияПоставленные задачи решались с использованием теоретических иэкспериментальныхметодовисследований.Дляматематическогомоделирования газовых потоков в сопле, использовали стандартныйпрограммный продукт MATLAB 7.11.

Металлографические исследованияпроводили с применением установок для полировки и шлифовки образцовStruers Tegramin-30, микроскоп Olympus GX51.Фазовый состав определяли спрменением рентгеновского микроскопа. Скорость движения частиц впроцессе лазерной инжекции измеряли высокоскоростной камерой Fastvideo500M.

Трибологические свойства определяли на установке Tribometer фирмыCSM (Швейцария) и профилометра HOMMEL-ETAMIC T8000.ДостоверностьДостоверность работы обеспечена корректным использованием общихположений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теориидвижения частиц в потоке, массопереноса и т.д.), проверена по известнымкритериям изучаемых процессов и подтверждена экспериментальнымиданными.Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены нанаучных 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.), Международнойнаучно – технической конференции «Фотоника 2016» (Москва, 2016 г.).Публикации. Основное содержание и результаты диссертационнойработы изложены в 3-х научных статьях, опубликованных в изданиях,рекомендованных ВАК РФ, общим объемом 3,2 п. л. и тезисах конференцииобъемом 0,1 п. л.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 65рисунков и 52 таблицы.3СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы, указаны цель работы,научная новизна, практическая ценность работы, сведения об апробацииработы и публикациях.В главе 1 проведен литературный обзор, посвящённый сведениям обэнергетических газотурбинных установок (ГТУ) и их элементах, которыенеобходимо восстанавливать или упрочнять для обеспечения их надёжнойработы.Показано, что одним из наиболее нагруженных элементов турбиныявляется ротор, основными деталями которого являются валы, диски и рабочиелопатки.

В данной работе особое внимание было уделено упрочнению волов,так как это весьма ответственные детали, требующие особо тщательногоподхода к выбору материалов, механической и термической обработки, атакже технологии ремонта.Основными задачами при создании восстановительных и ремонтныхтехнологий является выбор наносимого материла, а так же технологиинанесения покрытия. Рассмотрены различные материалы, применяемые длясоздания покрытий. Выбор материала является особо сложной задачей, длярешения которой требуется учет большого количества факторов.