Диссертация (Методики оптимизации процесса лазерного нанесения износостойких покрытий на валы газотурбинных установок), страница 4

При содержании хрома до 15% сплавы, в результатеобразованияплотных(схорошейадгезией)слоевCr2O3,становятсяокалиностойкими до 1200º С и коррозионностойкими в окислительных средах[16, 17]. Например, для повышения коррозионной стойкости титана еголегируют целым рядом элементов, обеспечивающих требуемые свойства: Cu,Mo, W, Ni, Pt. Порошки карбида титана, смешанные с оксидом алюминияуспешно применяют в виде так называемой «карбидной керамики».Коррозионностойкиесплавынаосновеникеляприменяютсявавиационной промышленности и при производстве медицинских инструментови оборудования.

Исследования никелевых сплавов описаны в.Термостойкие покрытия. Термостойкость (термическая стойкость) — этосвойствоматериалов,противостоять,неразрушаясь,термическимнапряжениям. К термостойким материалам относят, главным образом,огнеупорные покрытия и составы. Термостойкость определяют с помощьютемпературногоградиента или числом циклов нагрева и охлаждения,выдерживаемых материалом до возникновения трещин или разрушений [19] .Материал для этих покрытий должен иметь температуру плавления,превышающуютеплопроводноститемпературуибытьэксплуатации,достаточновысокийпластичным.коэффициентДлявысокойтеплостойкости функционального покрытия его коэффициент термическогорасширения (КТР) должен иметь значение, близкое к КТР материала подложки.С увеличением содержания никеля в сплаве его температурныйкоэффициент линейного расширения резко уменьшается, а при содержании36% он достигает минимального значения, после чего вновь увеличивается.Таким образом, изменяя содержание никеля, можно получать сплавы с21различным коэффициентом линейного расширения и тем самым влиять накачество наплавки.

Кроме того, введение 3-5% этого металла в сплавы наоснове железа с содержанием до 1,5% углерода дает возможность получать 3045% аустенита, что резко повышает вязкость сплава, не снижая егоизносостойкости. Жаростойкость никеля резко возрастает при его легированиихромом.При нанесении покрытия из термостойкого материала важно сохранитьего структуру и не допустить снижения свойств.

Также важно сохранитьтермообработанную структуру подложки, поскольку в зоне термическоговлияния (ЗТВ) при лазерной наплавке может возникать разупрочнение ипоследующее разрушение [71].Эрозионностойкие покрытия. Эрозия определяется как постепеннаяпотеря исходного материала с поверхности твердого тела за счет воздействияокружающей среды. Эрозионная стойкость таким образом — это способностьповерхностных слоев материалов не подвергаться разрушению в результатевоздействия потоков газа, жидкости, твердых частиц, а также кавитационныхявлениях или под влиянием электрических разрядов.Вибрационностойкие покрытия.

Малая плотность магниевых сплавов всочетании с довольно высокой удельной плотностью и целым рядом полезныхфизико–химических свойств делает их ценными для различных областеймашиностроительного производства. В чистом виде магний почти неприменяется, но магниевые сплавы хорошо поглощают вибрации, чтопозволяет использовать их в авиации, космической технике, приборостроении ит.д. Удельная вибрационная прочность магниевых сплавов почти в 100 разбольше, чем у дуралюмина и в 20 раз больше, чем у легированной стали. Крометого, магниевые сплавы отлично обрабатываются резанием, немагнитны и недаютискрыприударах итрении.Механическиесвойствасплавовпримечательны: по удельной жесткости при изгибе и кручении магниевыесплавы превышают алюминиевые на 20%, а стали – на 50%.22Помимопрекрасныхантифрикционныхсвойствчугуна,унегопроявляется высокая вибрационная стойкость.Выделяют также покрытия, поглощающие и отражающие различныеизлучения.

Они обычно используются в оптическом и радиочастотномдиапазонах для защиты от неблагоприятных воздействий окружающей среды.Частоприэксплуатациидеталейтребуетсяодновременноеудовлетворение требований к покрытиям разных назначений. Такие проблемырешаютсяметодами многофакторной оптимизации. Находятудовлетворяющиеулучшениеоднихмногимпараметровпротиворечивымвлияетнаварианты,требованиям,ухудшениепосколькудругих.Задачаоптимального проектирования покрытия сводится к нахождению оптимальногов данном случае, наиболее предпочтительного варианта.Современные возможности создания композиций порошков из веществ суникальными свойствами позволяют объединить преимущества различныхвариантов покрытий для быстрого получения требуемого набора свойств вкаждом конкретном случае.

Это, в свою очередь создает условия длязначительногоувеличенияресурсаработыдеталейприинтенсивныхкомбинированных видах нагружения.Однако,тольконезначительнаячастьпараметровявляютсядетерминированными, остальные задают с использованием теории нечеткихмножеств. Таким образом, приведенное выше описание покрытий позволяетграмотно сформулировать требования к ним при различных видах нагруженияи указать пути решения задачи оптимального проектирования и способырационального нанесения таких покрытий.Следующим этапом является выбор технологии нанесения покрытий. Втечениемногихлетисследовалисьиразвивалисьвосстановительныетехнологии нанесением дополнительных материалов [20-26]. Сравнительныехарактеристики различных методов восстановления изношенных поверхностейпредставлены в Таблице 1.4.

В Таблице сравниваются следующие методы:лазерная наплавка; SМА- дуговая наплавка плавящимся покрытым электродом;23МIG –дуговая наплавка плавящимся электродом в защитном газе; SА –дуговаянаплавка под слоем флюса; TIG – дуговая наплавка вольфрамовым электродомв среде инертного газа; HVOF - высокоскоростное газопламенное напыление.Таблица 1.4.Сравнительные характеристики существующих методов восстановленияизношенных поверхностейSATIGТолщина0,2-2,0 1,6-10 1-62-10 0,5-3,0покрытия (мм)Производитель0,2-7 0,5-2,5 2,3-11 5-25 0,5-3,5ность (кг в час)ДеформацияНизкое Среднее Среднее Высокое Высокоепосле наплавкиТочностьВысокая Низкая Низкая Низкая СреднаянанесенияПеремешиваниенанесённого слоя1-515-25 15-20 10-50 10-20с основой (%)КачествоВысокое Высокое Высокое Высокое СреднеепокрытияHVOFПлазменнаядугаMIG0,3-1,51-50,5-7 0,45-2,71-52,5-6,5Низкое ВысокоеНизкоеСреднееСредная НизкаяНизкаяСреднаяНизкоеСреднееСредееСреднееГазопламенноеSMAПлазменноеЛазернаянаплавкаНапыление0,1-0,2 0,8-0,25-301-10Низкое СреднееНаиболее низкую стоимость имеют дуговые процессы, они же болееотработаны и имеют достаточно широкое применение.

Однако их применение,в основном, связано с необходимостью наплавлять большие поверхности свысокой производительностью на малоответственные детали, которые посленаплавки можно править и обрабатывать в термических печах .Также эти технологии отличает высокие значения введения в материалтепла от источников нагрева. Это приводит к значительным деформациямпосле наплавки всей детали и вызывает необходимость их правки. Кроме этогов наплавленном материале часто возникают кристаллизационные трещины,появление которых предупреждают сопутствующим подогревом, что требуетдополнительного введения энергии [21].24Валы ГТУ относятся к весьма сложным и ответственным деталям,которые должны иметь строгую геометрию в процессе всего времениэксплуатации ГТУ и ремонта. Поэтому их нежелательно подвергать процессамправки или термической обработки после восстановительной наплавки.

Крометого, как правило, эти валы делают из высококачественных сталей, поэтому впроцессе наплавки должно быть минимальное перемешивание наплавленногометалла с материалом основы, так как это может привести к образованиюдефектовструктурыматериалавала,чтоснижаетегомеханическиехарактеристики.Из всех рассмотренных в Таблице 1.4 процессов этим требования вбольшей степени отвечают лазерные технологии нанесения покрытий [25, 26,55].Прилазерномнанесениипокрытийдостигаетсяминимальноетепловлажение и перемешивание наносимого слоя с основой, высокая скоростьобработки. Всё это приводит к минимальным деформациям восстанавливаемойдетали после нанесения покрытий и получению благоприятных структур свысокими механическими свойствами .

Можно легко управлять движениемлазерноголучапоповерхности.Такимобразом,процессподдаетсяавтоматизации, распределению энергии и осциляции луча. Луч можнонаправлять в труднодоступные места, либо с помощью зеркал либо сприменением оптического волокна. Разнообразные геометрические формыдеталей могут быть обработаны путем изменения программного обеспечениядля формирования оптимального луча и пути.

Оборудования автоматическойнаплавки были разработаны с мировыми фирмами, что обеспечивать высокуюпроизводительность, стабильное качество, и трудовые сбережения.1.4. Лазерные технологии нанесения покрытийВ литературе имеются сведения по восстановлению и ремонтукомпонентов газовой турбины [22, 53, 54, 58]. Во время процесса наплавки,лазерный луч плавит тонкий слой основного материала одновременно снаносимым материалом (в виде порошка или проволоки), который подается внаплавочную ванну одновременно с воздействие луча.

Таким образом,25обеспечиваетсяперемешиваниеинадёжнаяметаллургическаясвязьподаваемого материала и основной материала. Благодаря высокой плотностимощности лазерного луча и малого его диаметра, а также высокой скоростиперемещения луча по поверхности нагрев происходит только в локальной зоне,где необходимо изменить геометрические размеры или улучшить свойства.Путем нанесения слоя на слой можно получать покрытия достаточно большойтолщины без перегрева основного материала. Эта технология была принятаведущими мировых производителей машин, таких как Дженерал Электрик,Пратт энд Уитни, Aллиед Сигнал, Роллс-Ройс, Элисон, Пратт энд УитниКанада, Солар и другие [10, 27, 28].

Однако в каждом отдельном случаерассматриваются различные варианты обработки, но не приводится ихоптимизация [56, 65].Имеется несколько технологий лазерной наплавки, отличающихсяследующими характеристиками:1. вид наплавляемого материала;2. метод введения наплавляемого материала;3. лазерными источниками, применяемые для наплавки;4. режимами обработки.Так как лазерная наплавка заключается в нанесении на поверхностьобрабатываемого изделия покрытия путем расплавления основы и наносимогоматериала [21, 76], то важно учитывать вид этого материала. В настоящее времяиспользуется два вида материалов – это проволока и порошки. От того какойвид материала применяется, зависит конструкция подающих систем, режимыобработки и технологическая оснастка.Проволока используется довольно редко, так как с её помощью трудноуправлять как геометрией наплавленного слоя, так и его составом.