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

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана(МГТУ им. Н.Э. Баумана)На правах рукописиГонсалес Луис ФернандоМЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОГО НАНЕСЕНИЯИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ВАЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХУСТАНОВОКСпециальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической ифизико-технической обработкиДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:д.т.н., профессорШиганов Игорь НиколаевичМосква – 20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................Стр.4Глава 1. МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК...................................................................91.1.

Общие сведения об энергетических газотурбинных установках и ихэлементах......................................................................................................91.2. Причины аварий ГТУ и турбин.................................................................111.3. Восстановительный ремонт валов ГТУ.....................................................161.4. Лазерные технологии нанесения покрытий...............................................24ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 1............................................................................................

29Цель и задачи исследования...............................................................................29Глава2. МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКИ,ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ.....................................................................312.1. Материалы подложки и наносимых покрытий..........................................312.2. Экспериментальный стенд для нанесения покрытий................................

342.3. Оборудование и методики для исследования микроструктуры............... 402.4. Оборудование и методики механических испытаний полученныхпокрытий............................................................................................................... 45Глава 3. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ ФОРМЫ И ГЕОМЕТРИИСОПЛА ДЛЯ ПОДАЧИ ПОРОШКА ПРИ ЛАЗЕРНОМ НАНЕСЕНИИПОКРЫТИЙ.........................................................................................................523.1. Характеристика процесса нанесения покрытий лазерным излучением..523.2. Методика определения формы газового потока........................................583.3.

Методика расчёта движения частиц порошка...........................................603.4. Методика выбора конструкции сопла......................................................... 623.5. Расчетное определение влияния параметров обработки нагазопорошковый поток........................................................................................70ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 3............................................................................................

73Глава 4. МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ НАНЕСЕНИЯ3ИЗНОСОСТОЙКИХ СЛОЁВ ЛАЗЕРНЫМ МЕТОДОМ................................. 744.1. Экспериментальная методика...................................................................... 744.2. Метод селективной обработки....................................................................794.3. Методика регрессивного анализа полученных экспериментальныхрезультатов........................................................................................................... 1 88ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 4............................................................................................1106Глава 5.

СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ПОКРЫТИЙ. ТЕХНОЛОГИЯВОССТАНОВЛЕНИЯ ВАЛОВ.......................................................................... 1075.1. Исследование твёрдости полученных покрытий....................................... 1075.2. Исследование износостойкости покрытий................................................. 1115.3. Исследование структуры полученных покрытий......................................

1155.4. Определение фазового состава полученных покрытий............................ 1215.5. Технологические рекомендации по наплавке Stellite 6 на валы изстали AISI 4340.................................................................................................... 127ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 5............................................................................................ 137ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ....................................................................... 138СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................

1404ВВЕДЕНИЕРазвитие технологий нанесения покрытий происходит одновременно сразвитиеммногихотраслеймашиностроения.Предъявлениевысокихтребований 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 и изучение их свойств.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).Ввиду содержанияв кобальтовых сплавах большого количествалегирующих элементов (>35%), наличия тугоплавких элементов и образованиясложных карбидов создание покрытий из этих сплавов сопровождаетсявозникновением трещин в процессе наплавки, высоким содержанием основногоматериала детали в покрытии,неоднозначностью поведения покрытий приразличных температурах из-за изменения атомной структуры кобальта.

Этипроблемы часто перекрывает преимущества кобальтовых сплавовпередпроизводителем, поэтому необходимы глубокие исследования особенностейтехнологии нанесения покрытий из этих сплавов, выбор оптимальных методови режимов обработки, которые обеспечат качество покрытий.Из всех возможных методов нанесения покрытий в наибольшей степениуказанным требованиям отвечает процесс газопорошковый лазерный процесс.Этот метод 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 гибкость5процесса.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 исследования:Цельработы-созданиекомплексаметодик,обеспечивающихоптимизацию выбора материалов, оборудования, режимов обработки ииспытаний для получения высококачественных износостойких покрытий приремонте волов ГТУ.Задачами исследования являются следующие:1. Выбор вида и состава материала для нанесения на поверхностьматериала вала ГТУ лазерным методом.2.

Обоснование и выбор оборудования, необходимого для нанесенияпокрытий на поверхность валов ГТУ лазерным методом.3. 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 AISI4340.6. Получениепозависимостейметодикамрегрессионногогеометрическихпараметрованализаваликаотрасчётныхрежимовобработки при нанесения покрытий лазерным методом порошка Stellit6 на материал вала AISI 4340.7.

Выбор оптимальных режимов для получения покрытий, отвечающихтребованиям восстановительного ремонта валов ГТУ.68. Испытаниямеханическихсвойств,износаимикроструктурыполученных покрытий на оптимальных режимах. Выбор лучшегорежима.9. Разработка технологической инструкции восстановительного ремонтавалов ГТУ лазерным нанесением покрытий.Научная новизна:1. Разработанкомплексметодик,позволяющийоптимизироватьтехнологические режимы нанесения порошковых износостойкихпокрытий из сплава Stellit 6 на валы энергоустановок лазернымметодом. Полученные покрытия на оптимальных режимах нанесенияимеют наивысшие механические свойства.2.