Библиографическое описание:

Князев С. А., Погребной Н. А. Разработка технологии упрочнения паротурбинного оборудования путем борирования с высокоскоростным нагревом ТВЧ [Текст] // Технические науки: традиции и инновации: материалы Междунар. науч. конф. (г. Челябинск, январь 2012 г.). — Челябинск: Два комсомольца, 2012. — С. 125-127.

Повышение работоспособности деталей машин в наше время остается актуальной темой. При этом одними из наиболее эффективных методов являются методы, изменяющие структуру и свойства только поверхности изделия, но не вызывают преобразования всего объема материала. К таким методам упрочнение деталей машин в первую относится химико-термическая обработка (ХТО). Однако практически все традиционные методы ХТО, применяемые в практике машиностроения, требуют значительной затраты времени, энергии и химических реагентов. Такое положение дел обусловлено, прежде всего, динамическим равновесием процессов, направленных один против другого: инициирование активации тех процессов ХТО, которые направлены на адсорбцию, активацию диффузионных процессов атомов насыщающего вещества, и другие факторы могут значительно сократить время ХТО в целом за счет минимизации проявления обратных, нежелательных явлений. Другими словами для повышения эффективности ХТО необходимо создать условия, существенно нарушающие равновесия в рассматриваемых процессах, например минимизируя время, при котором система «отреагировала» противоположными процессами (например, десорбцией, увеличением размера зерна и т. д.), стремясь восстановить прежнее состояние.

Таким активизатором может быть скоростной нагрев, например, нагрев токами высокой частоты (ТВЧ), вместо традиционного, продолжительного печного нагрева. Использование ТВЧ совместно с ХТО может позволить получать упрочненные слои за минуты или, даже, секунды нагрева. Большая продолжительность традиционных ХТО обуславливает их низкую производительность, значительные энергозатраты и требует наличия специального оборудования. Нагрев ТВЧ дает возможность минимизировать эти затраты, но главным задачей является исследование возможности применения скоростного нагрева ТВЧ вместе с процессами ХТО для получения структуры с улучшенными свойствами материала.

Одним из перспективных направлений ХТО можно считать совместное борирование с использованием нагрева ТВЧ. Известно, что вследствие борирования сталей образовываются боридные слои, которые состоят из боридов FeB, Fe2B и твердого раствора бора в железе [1]. При этом наибольший интерес представляют технологии, которые позволяют получить однофазный борированный слой с боридом Fe2B, который обладает меньшей хрупкостью, чем борид FeB.

Как известно микротвердость боридных слоев достигает в среднем 18000-20000 МПа, что обуславливает их значительную износоустойчивость и эрозионную стойкость [2]. Такие высокие показатели микротвердости достигаются только несколькими видами обработки, например, упрочнение карбидами тугоплавких металлов [3]. Однако при каплеударном воздействии даже однофазный борированный слой, имеющий сплошную текстурированную морфологию, пониженную микротвердость и хрупкость склонен к продавливанию и растрескиванию, что предопределяет его непригодность для работы в особых условиях [2].

Создание новых технологий упрочнения для решения проблемы эрозионного изнашивания лопаток паровых турбин актуальна в современных условиях, так как затраты на остановку, обслуживание и ремонт турбин и агрегатов значительны и, по всей видимости, будут расти. Эрозионное изнашивание является одной из главных причин, которое сдерживает увеличение времени непрерывной работы паровых турбин и уменьшение количества и продолжительности ремонтных простоев. Таким образом, если в понимание механизмов эрозионного, кавитационного воздействия в последние десятилетия была внесена ясность, то задача практического увеличения сроков эксплуатации лопаток паровых турбин остается до сих пор нерешена.

В настоящее время для повышения эрозионной стойкости лопаток паровых и газовых турбин применяют методы осаждения и диффузного насыщения металлами, конденсационные покрытия (азотирование, многокомпонентные покрытия), электроискровое упрочнение и легирование рабочей поверхности, закал ТВЧ кромок лопаток турбин, припайку защитных пластин, наплавку твердосплавными стеллитовыми сплавами, механическую и термомеханическую обработку поверхности, разрабатываются новые, сложнолегированные стали феррито-мартенситного класса, жаропрочные сплавы, применяется объемное и поверхностное модифицирование и т.п. [4, 5, 6, 7]. Несмотря на предпринимаемые меры, в том числе и по упрочнению, проблема интенсивного эрозионного износа остается. На рис. 1 представлен фрагмент кромки лопатки паровой турбины на которой применялось электроискровое упрочнение. Однако это не предотвратило интенсивного эрозионного изнашивания, которое существенно изменил геометрию пера:


Рисунок 1 – Кромка лопатки турбин после эрозионного износа с существенным нарушением исходной геометрии

Такой износ приводит к падению КПД и может стать причиной аварии.

Помимо высоких требований, предъявляемых к материалу лопатки паровых турбин, сами лопатки имеют сложный профиль рабочих поверхностей и большие рабочие размеры. В связи с этим традиционные методы ХТО требующие применение термических печей, вакуумных камер больших размеров не конкурентны с методами локальной обработки.

Технология, разрабатываемая авторами, существенно упрощает задачу упрочнения. Упрочнению подвергается только кромка лопатки, без изменения структуры основного металла. Основной задачей в экспериментах ставилось получение на протяжении всего участка лопатки, подверженного эрозионному износу, сплошного борированного слоя. В общих чертах технология подразумевает такие операции: приготовления борсодержащей насыщающей пасты, подготовку упрочняемой поверхности к насыщению, нанесению пасты, нагрев и выдержку деталей по заданному режиму, охлаждение и очищение деталей от пасты. Техническое обеспечение контроля получения борированных слоев обеспечивалось записью кривой нагрева и охлаждения с применением скоростного сбора массива данных системой «термопара – аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) - компьютер» с последующей обработкой; контролем толщины пасты, величины зазора между индуктором и лопаткой, мощности нагрева и скорости перемещения лопатки относительно индуктора; равномерным перемещением лопатки.

Результатом борирования с нагревом ТВЧ является получение достаточно толстого борированного слоя (от 50 до 350 мкм) за несколько секунд нагрева. Микротвердость полученных слоев составляла от 8000-16000 МПа, при этом ни в одном из замеров на отпечатке не обнаруживались микротрещины. Микроструктура борированного слоя иногда имела морфологию перекристаллизованной дендритной структуры, однако, в основном, имеет структуру боридной эвтектики или квазиэвтектики с составом (Fe2B+α(B)) с дополнительными фазами Fe2B, карбоборидов. Характер образования структур с указанными особенностями объясняется рядом причин, связанных с реализацией высокой скорости нагрева ~ 1000 оС/с и выше. К этим причинам относятся: значительные величины перегрева/переохлаждения системы по отношению к равновесным температурам фазовых переходов; концентрационная и структурная неоднородность вследствие малых периодов процесса; действие повышенных температур и прочее. Образование равномерной, сплошной зоны борирования обеспечивается выдержкой зазора между лопаткой и индуктором, стабилизацией мощности на протяжении всего времени нагрева, а также равномерным движением изделия. Исследования процесса борирования с нагревом ТВЧ показали, что при такой технологии обработки могут образовываться структуры даже более эффективные при работе в условиях эрозионного изнашивания, чем однофазный боридный слой. Новые структуры борированного слоя имеют пластичную матричную структуру (предположительно твердый раствор бора в железе) упрочненную частичками, фазы с повышенной твердостью. Кроме того, в связи с большим, чем у углерода сродством бора к железу, возникают условия подавления процесса выделения карбидной фазы по границам зеренной микроструктуры в сталях. Это повышает прочность границ зерен и уменьшает склонность структуры к выкашиванию при эрозионном изнашивании.

Сравнивая технологию борирования с нагревом ТВЧ с технологиями, которые уже используются, нужно отметить такие преимущества: большая простота и технологичность (в сравнении с креплением селитовых пластин, отсутствие дисбаланса в распределении массы и щелевой коррозии), большая контролируемость процесса и низкая цена реагентов (в сравнении с плазменной наплавкой порошка ниобия или других тугоплавких металлов, соединений), ожидаемый рост эрозионной стойкости (в сравнении с электроискровым упрочнением и закалкой ТВЧ).

Современные материалы лопаток турбин подвергаются не только эрозии, но и механизму коррозийного растрескивания или водородного охрупчивания в результате комплексного действия на материал рабочего давления и перегретого пара (при диссоциации которого в пароводяном тракте генерируется водород) [4]. Применение технологии борирования с нагревом ТВЧ позволяет получать более плотные для диффузного проникновения водорода слои, связывать диффундирующий водород в малоподвижные соединения и, повышает общую коррозийную стойкость материала.

Кроме упрочнения лопаток паровых турбин, процесс ХТО с ТВЧ нагревом может так же использоваться для упрочнения валов, зубчатых колес, деталей насосов в нефтедобывающей области, режущего и штамповочного инструмента и т. п.

Разработанная технология борирования со скоростным нагревом ТВЧ имеет не только большую актуальность и практический интерес, но и значительную теоретическую ценность, поскольку механизмы влияния скоростного нагрева на процессы ХТО на сегодня мало изучены.


Литература:

1. Термическая обработка в машиностроении. Справочник. Под ред. Ю. М. Лахтина, А. Г. Рахштадта М – 1980. с. 344 – 350.

2. Ляхович Л. С. Борирование стали М. – 1978. с.76-87, 89-91, 98-103.

3. Т. Бураковский и др. Состояние и перспективы применения диффузионных слоев с высокой износостойкостью. «Металловедение и термическая обработка металлов» №3 1984. с. 11

4. З.А. Дурягіна, Т.Л. Тепла. Використання методів радіаційно-променевих технологій для деталей машин енергетичного обладнання, Національний університет "Львівська політехніка", - 2007 р.

5. Богуслаев В. А., Муравченко Ф. М., Жеманюк П. Д. и др. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Ч II. – Запорожье 2007.

6. http://uravia.narod.ru/

7. http://www.turbinass.ru/

Основные термины: нагревом ТВЧ, паровых турбин, лопаток паровых турбин, борированного слоя, нагрева ТВЧ, лопаток турбин, скоростного нагрева, традиционные методы ХТО, скоростного нагрева ТВЧ, эрозионного изнашивания, лопатки паровых турбин, деталей машин, упрочнения лопаток паровых, однофазный борированный слой, использованием нагрева ТВЧ, кромок лопаток турбин, паровых турбин актуальна, материалы лопаток турбин, стойкости лопаток паровых, работы паровых турбин

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle