Диссертация (Повышение абразивной стойкости лопаточного аппарата первых ступеней цилиндров высокого и среднего давления мощных паровых турбин), страница 7

Следуетотметить, что наибольшие теплосмены во вторичных пароперегревателяхкотлов имеют место именно при однобайпасной пусковой схеме (байпастолько ЦВД), оставляющей эти перегреватели при пуске на некоторое времяв безрасходном режиме [17].Пассивное направление защитыВсвязисвозрастающимитребованиямикповышениюэксплуатационного ресурса энергетического оборудования при сохраненииего высокой надежности актуальными являются разработки по повышениюсоответствующихконструкционныхпубликациймеханическихматериалов.посвященоВхарактеристикнастоящеемодификациивремяиспользуемыхбольшоеповерхностныхчислосвойствконструкционных материалов, в результате которых в поверхностных слояхпроисходят структурные изменения с увеличением, как правило, твердости имикротвердости, повышением их износостойкости при неизменности свойстви структуры более глубоких слоев.Для модификации поверхностных слоев входных и выходных кромокрабочих лопаток последних ступеней паровых турбин применяют различныеконструктивные и технологические решения:Основным пассивным способом борьбы с абразивным износомявляется упрочнение функциональной поверхности или формированиезащитныхпокрытий.Этимерыширокоиспользуютсяведущимизарубежными и отечественными турбостроительными фирмами [11, 24, 33].57В зависимости от условий нагружения изделия и условий окружающейсреды покрытия совместно с основным материалом могут противостоятьмногим процессам: абразивному износу, усталости и трибокоррозии.Технические решения по увеличению износостойкости должны бытьнаправленынасозданиеуниверсальныхзащитныхпокрытий,противостоящих комплексному воздействию повреждающих факторов иобеспечивать«настройку»характеристикпокрытийдляразличныхэксплуатационных нагрузок, характерных для нерасчетных режимов работытурбоустановки.

Поиски новых материалов для лопаток, подвергающихсяизносу, затруднены тем, что такие лопатки наряду с абразивной стойкостьюдолжны обладать жаростойкостью, высокими прочностными свойствами, втом числе и усталостными, а также простотой изготовления. В настоящеевремя лопатки паровых турбин выполняются из сталей с повышеннымсодержанием хрома 12Х13-Ш, 20Х13-Ш, 15Х11МФ-Ш, 13Х11Н2В2МФ-Ш(ЭИ961).Одним из применяемых типов упрочнения является диффузионныйметод насыщения изделий бором. В результате химической реакции междунержавеющей сталью и бором, протекающей при температуре до 900 °С, наповерхностиДиффузионноеобразуетсятвердыйнасыщениеслойизделийтолщинойборомоколозначительно0,15мм.повышаетабразивную стойкость нержавеющих сталей в условиях газоабразивногоизноса, однако технологический процесс включает в себя нагрев до 900 °С,что приводит к разупрочнению и изменению структуры металла, к тому жеборидные слои обладают высокой хрупкостью и низкой пластичностью, чтоограничивает область их применения.Другим типом упрочнения является применение газотермическихпокрытий.

Формирование указанного покрытия, толщиной около 0,2 мм,осуществляется плазменной струей при температуре примерно 650 °С. Такойтип покрытия не ухудшает свойств основного металла и, хотя твердость егоменьше, чем у диффузионного покрытия, оно считается более эффективным.58Газотермические покрытия показывают высокую эффективность при защитеметалла,норядсущественныхнедостатковнепозволяетширокоиспользовать этот метод формирования покрытий. Одним из недостатковтехнологии плазменного покрытия является ограничение по зонам лопатки,точнее, пакета лопаток, куда может проникнуть плазменная струя [3, 4, 22].Также к нежелательным эффектам от применения газотермических покрытийможно отнести: большую толщину покрытия и высокую шероховатостьобрабатываемой поверхности, что приводит к значительному ухудшениюгазодинамических свойств изделия, а также низкую адгезию покрытия, чтосоздает опасность его отслоения.Еще одним из известных способов увеличения абразивной стойкостиконструкционных материалов является нанесение наплавки с помощьюнаплавочных электродов.

Отечественная промышленность выпускает восновном штучные наплавочные электроды по ГОСТ 10051-75, но, ксожалению, ассортимент отечественных порошковых проволок довольноузок.Целесообразность применения наплавочных электродов обусловленасравнительно простым методом наплавки, когда наплавку можно проводитьво всех пространственных положениях, наплавлять на детали со сложнойгеометрией. Для применения электродов не требуется специального илисложногооборудования,какправило,сварочныеисточникидляэлектродуговой сварки электродами есть на любом предприятии илимастерской.

Применение портативных переносных сварочных аппаратовпозволяет выполнять работы электродами вне оборудованных цехов.Наплавочныеизносостойкиеэлектродыусловноможноклассифицировать по типу износа для защиты от которого они предназначены,хотя многие марки электродов можно использовать при комбинированномизносе, но при этом одни будут лучше работать, например, в условияхабразивного износа и умеренных ударах, а другие - в условиях ударов и вовторую очередь, абразивного износа. Получить универсальные наплавочные59материалы довольно затруднительно.

Например, при увеличении стойкости кабразивному износу уменьшается стойкость к ударам и наоборот.Дляпротивостоянияиспользуетсячистоабразивномувысокохромистыйчугунизносучаще(сормайт),всегонаносимыйотечественными электродами Т-590. Этот материал имеет как рядпреимуществ, так и недостатков. При наплавке электродом Т-590 получаетсяматрица с твердостью до 59HRC с образованием карбидов хрома твердостью1300HV и карбидов бора с твердостью порядка 2500HV. Но на практикеприменение электродов Т-590 резко ограничивается тем, что при наплавкеэлектрод имеет свойство сильно перемешиваться с основой, на которуюведется наплавка. Поэтому на наплавленный материал оказывает сильноевлияние легирующие элементы металла основы.

Так при наплавке в одинслойтвердостьматрицыостаетсявпределах40-45HRC.Поэтомурекомендуется вести наплавку в два слоя. С другой стороны, введенный дляувеличения износостойких характеристик в его состав легирующий элементбор приводит к охрупчиванию наплавленного материала и резкомуснижению ударостойких характеристик. Так при наплавке в два слояповышается вероятность выкрашивания и резко снижаются износостойкиехарактеристикивусловияхабразивно-ударногоизноса.Лучшейальтернативой электродам Т-590 являются электроды Castolin 4010.Электроды 4010 имеют минимальное перемешивание с базовым материаломи уже в первом наплавленном слое позволяют получать все износостойкиехарактеристики и твердость [19].Суммируявышесказанноеможноотметить,чтоэлектродыцелесообразно применять при ремонтных работах (в ограниченных объемах),например, для упрочнения новых деталей перед вводом в эксплуатацию.Вместе с тем, использование электродов имеет и минусы: значительно вышестоимость изготовления, чем, например, сварочная проволока, большие потерипри наплавке, вынужденные перерывы при работе (замена электродов).К числу пассивных методов защиты материала лопаток от абразивного60износа также можно отнести упрочнение и повышение стойкости материалас помощью химических методов.

По данным Техасской энергокомпании [33],решать проблему износа в турбинах помогают химические очистки ипромывки.Покрытие изделий тонкими пленками толщиной в несколько микрончасто является эффективным способом борьбы с различными видами износа.Такие тонкие покрытия применимы ограничено, т.к. изготовить из нихмассивный материал не всегда возможно. Тонкопленочные покрытияподходят для оптимизации на наноуровне, т.к.

закономерностями их ростаможно управлять на стадии синтеза. Как правило, толщина покрытиявеличиной в несколько микрон достаточна для защиты от износа, т.к. изностонкого покрытия происходит на субмикронном уровне, благодаря особымструктурам покрытий. Образование жаростойких, абразивостойких покрытийпредполагает создание материалов и комбинаций из них с заданнымкомплексом физических, механических, технологических и морфологическихсвойств.Опыт промышленной эксплуатации покрытий позволяет утверждать,что удовлетворить столь противоречивым требованиям (в том числесочетание высокой твердости и пластичности) при обработке поверхностивозможноспомощьюсовременныхионно-плазменныхметодовмагнетронного распыления материалов.

Перспективы широкого применениявакуумных ионно-плазменных технологий модификации поверхностныхслоевконструкционныхматериаловиформированияизносостойкихпокрытий основаны на ряде характерных для этих процессов особенностей.Во-первых, это диапазон энергий частиц при реализации ионноплазменных процессов. Стоит отметить, что диапазон энергий частиц приреализации газотермических, газоплазменных, детонационных процессовформирования покрытий соответствует 0,1÷0,5 эВ.

Энергии же частиц приионно-плазменных процессах на несколько порядков выше и находятся61обычно в диапазоне 10÷103 эВ, что обеспечивает абсолютно иные физическиеусловия взаимодействия осаждаемых веществ с защищаемой поверхностью.Во-вторых, при протекании ионно-плазменных процессов имеетсявозможность синтеза целого класса новых материалов с уникальнымисвойствами.Этопозволяетполучатьназащищаемыхповерхностяхмногослойные структуры различной толщины и состава, достигая при этомвысоких показателей износостойкости в сочетании с высокой адгезией ипластичностью.Дополнительнокпреимуществаммагнетронногоспособаприобработке таких ответственных и сложных изделий, как лопатки паровыхтурбин, можно добавить простоту масштабирования на практически любыеразмеры изделий, а также возможность контроля, тонкой настройки иавтоматического поддержания заданных технологических параметров.Эксплуатационные свойства многослойных покрытий в ряде случаев в2÷10разпревышаютсвойствасоответствующиххарактеристикдляоднослойных покрытий.