Development of the technological process for repairing the working blades of the first stage of the high-pressure turbine of the DR-59L gas turbine engine by laser powder surfacing

Full Text

Введение

С быстрым ростом применения лазеров и снижением стоимости лазерных систем лазерная обработка материалов приобретает все большее значение в различных отраслях промышленности. Автомобильная, аэрокосмическая, военно-морская, оборонная и многие другие отрасли широко применяют лазерные технологии для сварки, резки и закалки. Среди применений лазерных технологий лазерная порошковая наплавка получила значительное внимание в последние годы благодаря своему разностороннему потенциалу для обработки материалов, таких как нанесение металлических покрытий, ремонт дорогостоящих компонентов, создание прототипов и даже мелкосерийное производство [1].

Газотурбинный двигатель (ГТД) – это передовой технологический комплекс, состоящий из осевого компрессора, камеры сгорания, турбины, сопла и других модулей, который преобразует энергию газа в механическую работу. Каждая секция осевого компрессора имеет набор лопаток ротора и статора. Рабочие лопатки газотурбинных двигателей представляют собой детали с наивысшим показателем прочности, подвергающиеся наиболее интенсивным условиям эксплуатации: высокие скорости при различных температурах, высокое трение с воздухом и с различным мусором, статические, динамические и циклические нагрузки, из-за чего возникают усталостные трещины, термические напряжения и механические повреждения. Трещины в лопатках могут образоваться от вибрации в различных местах, однако наиболее вероятное возникновение трещин в местах концентрации напряжений, например, у корня лопаток в хвостовой части, на входных и выходных кромках лопаток. Все эти факторы сокращают срок эксплуатации рабочих лопаток и увеличивают вероятность их преждевременного повреждения с существенными проблемами безопасности и финансовыми потерями. Поврежденная или изношенная лопатка отправляется на металлолом или на ремонт, но процесс ремонта имеет ряд особых характеристик, обусловленных используемыми материалами и требованиями к качеству [2, 3].

Восстановление рабочих лопаток газотурбинного двигателя требует особых условий, таких как низкое тепловыделение, локальное и точное добавление материала и сплавление с трудносплавляемыми жаропрочными сплавами. В настоящее время лазерная порошковая наплавка хорошо известна как лучшее решение для восстановления поврежденных лопаток, поскольку технология позволяет выполнить все специфические условия, предъявляемые к восстановлению компонентов газотурбинного двигателя. Связи с этим проводятся многочисленные исследования с целью улучшения процесса восстановления реактивного двигателя путем разработки новых присадочных материалов, оптимизации параметров и автоматизации процесса [4-6].

Обработка жаропрочных материалов на сегодняшний день связана с высокими затратами. Поэтому ремонт и восстановление компонентов становятся первоочередными задачами как для производителей, так и для операторов газовых турбин. Чтобы избежать дорогостоящей замены всей лопатки, проводится процесс ремонта, в большинстве случаев состоящий из нескольких этапов работ: выборка поврежденных участков, восстановление геометрии, механическая обработка и термообработка [7].

Авторы исследования [8] реализовали метод лазерной порошковой наплавки для восстановительного ремонта геометрии пера лопатки турбины, изготовленной из жаропрочного сплава. Для разработки стратегии наплавки и наилучшего формирования наплавленного слоя на перо лопатки авторы производили компьютерное моделирование процесса с измерением температурных полей в основном металле лопатки. Помимо этого, был подобран рабочий режим наплавки, где в качестве присадочного материала выступал сплав Inconel 718, после чего была отработка геометрии пера на подложке. В конечном итоге авторам удалось восстановить перо изношенной лопатки с небольшим припуском.

Также авторы работы [9] продемонстрировали возможность ремонта пера лопатки турбины, изготовленной из жаропрочного сплава, методом лазерной порошковой наплавки. В качестве присадочного материала использовался металлический порошок сплава Stellite-6. Было выявлено, что для того, чтобы свести деформацию лопатки к минимуму необходимо свести к минимуму потребление тепла, используя низкую мощность лазера и избегать накопления тепла на кромках, помимо этого толщина наплавленного слоя должна быть минимальной. При изменении параметров наплавки, таких как расход порошка, мощность лазера и скорость наплавки, в материале может образоваться пористая структура, что снижает его износостойкость и может привести к дефектам на поверхности. Это связано с недостаточной энергией для полного расплавления наплавленного слоя из-за большого отношения высоты валика к его ширине.

 

Методика, материалы и оборудование

Объект исследования

Объектом исследования в данной работе является рабочая лопатка турбины высокого давления газотурбинного двигателя ДР-59Л, изготовленная из сплава ЧС-70. Химический состав сплава ЧС-70 представлен в таблице 1.

 

Таблица 1 – Химический состав сплава ЧС-70

Марка сплава	Содержание элементов, масс. %
	Ni	Co	Al	Ti	Mo	W	C	Cr	Nb
ЧС-70	Осн.	10,5	2,8	4,6	2,0	5,0	0,08	15,5	0,3

 

Для оценки износа рабочих лопаток турбины высокого давления был проведен измерительный контроль поверхностей, которые подвергаются износу, с последующим сравнением размеров 3D-модели рабочей лопатки в программном обеспечении SolidWorks 2020. Размеры рабочей лопатки приведены на рисунке 1 а в миллиметрах. Сравнив полученные результаты измерений с исходной 3D-моделью рабочей лопатки, было выявлено, что износу подверглись: торцы замка (рисунок 1 a-б), уплотнительные гребешки (2), а также перо (3), как указано на рисунке 1 б в виде красных областей.

 

а)

б)

Рисунок 1 – Внешний вид рабочей лопатки ДР-59Л: а – размеры рабочей лопатки;
б – изношенные поверхности рабочей лопатки

 

Описание тепловой модели наплавки пера рабочей лопатки

Для определения температурного состояния поверхности пера рабочей лопатки непосредственно в процессе наплавки необходимо решить задачу нестационарной теплопроводности в условиях действия концентрированного источника тепла. Уравнение, описывающее распространение тепла в трехмерном пространстве, можно записать в следующем виде:

 

,                                (1)

 

где  – плотность;

        – теплоемкость;

        – скорость изменения температуры;

        – коэффициент теплопроводности;

        – градиент температуры.

Граничные условия на лицевой поверхности расчетной области:

 

,                                                                   (2)

 

где  – температурный градиент;

        – плотность мощности.

На остальных поверхностях задается условие конвективного теплообмена с окружающей средой (:

 

,                                                                (3)

 

где  – коэффициент теплообмена.

Решение уравнения теплопроводности (1) c граничными условиями (2,3) для геометрии, соответствующей рабочей лопатке, было получено методом конечных элементов и реализовано средствами программного пакета Comsol Multiphysics.

 

Используемый материал для наплавки рабочей лопатки

В таблице 2 приведен химический состав сплава Stellite-21, который выступает в роли материала для восстановительной наплавки. Форма частиц порошка сферичная, фракция составляет 40-150 мкм, морфология металлического порошка представлена на рисунке 2.

 

Таблица 2 – Химический состав сплава Stellite-21

Марка сплава	Содержание элементов, масс. %
	Ni	Co	Fe	Mo	C	Cr	Si
Stellite-21	3,0	Осн.	1,5	5,5	0,25	27,0	1,0

 

Рисунок 2 – Морфология порошка Stellite-21

 

Оборудование лазерной порошковой наплавки и постановка эксперимента

Для восстановления изношенных рабочих лопаток газотурбинного двигателя использовалась установка прямого лазерного выращивания ИЛИСТ-М, представленная на рисунке 3 (а). Комплекс представляет собой герметичную кабину, в которой расположен одноосевой позиционер и шестиосевой промышленный робот Fanuc M10iD/12. Робот оснащен лазерной головкой (рисунок 3 (б)), в качестве источника излучения используется встраиваемый иттербиевый волоконный лазер IPG YLR-1500-U.

 

а)

б)

Рисунок 3 – Используемое оборудование для лазерной порошковой наплавки: а – установка прямого лазерного выращивания ИЛИСТ-М; б – технологический инструмент

 

Для определения рабочего режима наплавки была проведена серия экспериментальных исследований с варьированием технологических параметров в конкретном диапазоне, который приведен в таблице 3.

 

Таблица 3 – Диапазон варьируемых технологических параметров

Параметр	Мощность (P), Вт	Скорость (V), мм/с	Расход порошка (G), г/мин	Диаметр пятна (D), мм
Диапазон значений	200-400	2-5	2-7	1

 

С варьированием параметров обработки была произведена наплавка технологических проб. В качестве материала подложек выступал сплав ЧС-70, в качестве присадочного материала выступал сплав Stellite-21. Сжатая газопорошковая струя подается коаксиально лазерному лучу с помощью струйного сопла, в качестве транспортного газа выступает аргон.

После этого на рабочем режиме наплавки была произведена наплавка пера на образце-свидетеле. Образец-свидетель подвергался неразрушающему контролю, металлографическому анализу, испытанию на растяжение и определению микротвердости.

 

Исследование макроструктуры образцов

Наплавленные образцы подвергались визуальному осмотру (рисунок 4) на предмет наличия/отсутствия явных дефектов (трещин, неустойчивых областей). По окончанию визуального контроля осуществлялась пробоподготовка наплавленных образцов с целью дальнейшего металлографического исследования. Полученные в рамках экспериментальных исследований образцы исследовались с помощью инвертированного металлографического микроскопа Leica DMi8A и сканирующего электронного микроскопа TESCAN MIRA 3. Макрошлифы технологических проб на разных режимах обработки представлены на рисунке 5.

 

Рисунок 4 – Внешний вид технологической пробы

 

Рисунок 5 – Поперечное сечение технологических проб

 

Как видно из рисунка 5, образцы на режимах обработки № 1, № 4 и № 7 не имеют такие дефекты как трещины и несплавления, также все 3 режима наплавки показали устойчивость формирования слоев по высоте. Помимо этого, на режиме № 1 можно наблюдать небольшое скопление мелких пор в пределах допустимого.

 

Оборудование для испытаний на механические свойства

Для определения механических свойств образца-свидетеля, который представлял из себя восстановленное перо рабочей лопатки, были проведены испытания на одноосное растяжение. Испытания проводились на универсальной испытательной машине Shimadzu AG-50kNX. Схема вырезки образцов представлена на рисунке 6. Для измерения микротвердости был использован микротвердомер Future-Tech FM-310. Расстояние между отпечатками измерений составляло 150 мкм, измерения проводились по методу Виккерса с нагрузкой в 300 г.

 

Рисунок 6 – Схема вырезки образцов для механического испытания

 

Стратегии наплавки изношенных поверхностей рабочей лопатки

Для наплавки торца пера рабочей лопатки необходимо закладывать припуск наплавленного металла на дальнейшую механическую обработку 0,5 мм. Поскольку диаметр пятна равен 1 мм, необходимо производить наплавку таким образом, чтобы центр пятна был на кромке пера, чтобы получить необходимый припуск наплавленного металла. В качестве стратегии наплавки пера рабочей лопатки была составлена следующая последовательность формирования валиков, которая отображена на рисунке 7, где стрелками указано направление перемещения технологического инструмента. Смещение между валиками () составляет 2/3 от ширины валика.

Рисунок 7 – Стратегия наплавки пера рабочей лопатки

 

Первый валик формируется по кромке пера рабочей лопатки, как упоминалось выше, начиная с выходной кромки заканчивая также в области выходной кромки пера. Старт наплавки второго валика располагается по центру выходной кромки и повторяет траекторию движения 1-го валика, однако стоит, заметить, что наплавка завершается в тот момент, когда расстояние между центрами сформированных соседних валиками меньше значения  (красная точка на рисунке 7), тем самым замыкая траекторию 2-го валика. Завершающий третий валик начинает и заканчивает свое формирование в той области, где 2-й валик не обеспечивает перекрытие наплавленного металла.

Для наплавки торцов замка и уплотнительных гребешков рабочей лопатки, необходимо сперва произвести наплавку галтели, как указано на рисунке 8 а. На рисунке цифрами указан порядок наплавки валиков, т. е. сперва формируется центральный валик, а затем соседние валики, наплавка производится в 3 слоя. После наплавки галтели производится наплавка торцов замка и уплотнительных гребешков, как представлено на рисунке 8 б.

 

а)

б)

Рисунок 8 – Схема наплавки изношенных поверхностей: а – схема наплавки галтели; б – схема наплавки торца замка

 

При наплавке торца замка технологический инструмент наклоняется на 30 градусов, и начало наплавки осуществляется с границы крайнего валика, полученного на предыдущем этапе. Наплавка осуществляется до кончика торца в 2 слоя. Восстановление уплотнительного гребешка осуществляется аналогично.

 

Результаты исследования

Результаты моделирования наплавки пера рабочей лопатки

Поскольку режимы наплавки № 1, № 4 и № 7 имеют одинаковые технологические параметры, за исключением мощности, численное моделирование сводится к исследованию влияния мощности лазерного излучения на температурное поле лопатки в области наплавки. Соответственно, параметры мощности лазерного излучения варьировались в пределах от 200 Вт до 300 Вт с шагом 50 Вт, при постоянной скорости перемещения рабочего инструмента 3 мм/с, размера пятна лазерного излучения 1 мм, расхода присадочного материала 2 г/мин. Траектория движения точечного источника тепла в модели соответствует стратегии наплавки пера рабочей наплавки. Фрагменты модели наплавки пера рабочей лопатки в виде сверху представлены на рисунке 9 с разными промежутками времени, с установленной термопарой, точка А на рисунках.

 

а)

б)

Рисунок 9 – Модель наплавки пера рабочей лопатки при мощности 300 Вт: а – наплавка в момент времени 2 секунды; б – наплавка в момент времени 73 секунды; А – точка установки термопары

 

Как говорилось ранее, сложная геометрия пера рабочей лопатки приводит к тому, что размеры ванны расплава, определяемые температурным полем, зависят от пространственного положения ванны на поверхности пера рабочей лопатки. Таким образом, наибольший интерес вызывает область с наименьшей толщиной, подвергающаяся вследствие этого наибольшему нагреву, что соответствует выходной кромке пера рабочей лопатки.

На рисунке 10 а представлены термические циклы в точке А, которая отображена на рисунке 9, в процессе наплавки при различных мощностях лазерного излучения. На рисунке 10 б приведено сравнение размеров ванны расплава также при варьировании мощности.

 

а)

б)

Рисунок 10 – Результаты моделирования: а – термический цикл в точке А при различных значениях мощности лазерного излучения; б – зависимость объема ванны расплава при различных значениях мощности лазерного излучения

 

Как и следовало ожидать, с увеличением мощности лазерного излучения растут значения температур и размеры ванны расплава соответственно. Однако, согласно результатам численного анализа, при мощности 200 Вт на первом валике объем ванны принимает значения близкие к 0, что будет означать отсутствие сплавления присадочного и основного материалов. Максимальный объем ванны наблюдается в начале второго валика, когда лазерный луч проходит через область выходной кромки пера, при этом в данной зоне температура остается все еще высокой после предыдущего валика. При мощности 300 Вт зона, температура которой превышает температуру плавления, формируется по всей ширине лицевой поверхности лопатки в области выходной кромки пера, а объем жидкой фазы становится чрезмерно большим и превышает в три раза объем ванны при мощности 200 Вт. При такой мощности излучения (300 Вт) велика вероятность возникновения прожога выходной кромки пера рабочей лопатки. Таким образом результаты численного анализа показали, что мощность 200 Вт является недостаточной по причине отсутствия или недостаточного сплавления присадочного материала, а мощность 300 Вт является избыточной, поскольку наблюдается чрезмерный рост объема зоны с температурой, превышающей температуру плавления материала. Поэтому для наплавки пера, торца замка и уплотнительного гребешка рабочей лопатки была выбрана мощность 250 Вт, что соответствует режиму № 4, который приведен в таблице 10, где  – смещение по высоте.

 

Таблица 4 – Рабочий режим наплавки рабочих лопаток

P, Вт	V, мм/с	G, г/мин	, мм	, мм	D, мм
250	3	2	0,66	0,4	1

 

Результаты анализа макрошлифов образца-свидетеля

В результате металлографического исследования были получены макрошлифы образца-свидетеля в продольном и поперечном сечении, представленные на рисунке 11.

а)

б)

в)

г)

Рисунок 11 – Поперечное и продольное сечение образца-свидетеля: а – до травления; б – после травления; в – до травления; г – после травления

 

Как видно из рисунка 11, в структуре наплавленного образца не наблюдаются внутренние дефекты, такие как трещины и несплавления. Однако наблюдаются единичные поры на границах валиков в пределах допустимого.

 

Механические исследования

После получения металлографии были проведены испытания измерения микротвердости по длине образца. По результатам измерения микротвердости, представленных в таблице 5, был построен график изменения микротвердости, представленный на рисунке 12.

 

Таблица 5 – Результаты измерений микротвердости

Сплав	Номер измерения, микротвердость, HV
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ЧС-70	428	433	447	448	441	398	349	339	350	372
Stellite-21	415	429	425	429	428	415	441	432	434	427

 

Рисунок 12 – График результатов измерения микротвердости

 

Из результатов микротвердости по длине образца видно, что микротвердость основного и присадочного материала схожи. Однако в переходной зоне наблюдается небольшой спад микротвердости, что соответствует области перемешивания сплавов и образования периферийной структуры.

В результате проведения механического испытания на одноосное растяжение был определен предел прочности, предел текучести и относительное удлинение образцов (№ 1, № 2), образцы при этом разрушились в зоне присадочного материала. Механические свойства сплавов Stellite-21 и ЧС-70 согласно стандартам [10, 11] и полученных образцов (№ 1, № 2) приведены в таблице 6.

 

Таблица 6 – Механические свойства сплавов Stellite-21, ЧС-70 и образцов № 1, № 2

Сплав/№  образца	Предел текучести, σ0,2, МПа	Предел прочности, σB, МПа	Относительное удлинение, δ, %
ЧС-70	750	900	3,0
Stellite-21	550	724	9,0
1	692	995	6,7
2	743	982	4,5

 

Результаты испытаний показывают повышенную прочность, достаточно хорошее относительное удлинение, в особенности у первого образца. Предел текучести близок к значениям сплава ЧС-70, изготовленного традиционными методами.

 

Результат ремонта рабочих лопаток

Результат ремонта рабочих лопаток представлен на рисунке 13.

 

Рисунок 13 – Внешний вид восстановленной рабочей лопатки

 

После наплавки изношенных поверхностей рабочих лопаток было проведено измерение восстановленной геометрии. В результате проведенных измерений было выявлено, что все размеры отремонтированных сегментов рабочих лопаток соответствуют размерам 3D-модели лопатки с учетом дополнительного припуска в 1 мм на механическую обработку. Результаты измерений восстановленной геометрии представлены в таблице 7.

 

Таблица 7 – Результаты измерений восстановленной геометрии рабочих лопаток

Поверхность	Перо, мм	Торец замка (a), мм	Торец замка (b), мм	Уплотнительный гребешок, мм
Значение	147,5-148	30-30,4	31,1-31,5	48,1-48,5

 

Заключение

В ходе проведения работы был разработан технологический процесс восстановления рабочих лопаток турбины высокого давления ДР-59Л газотурбинного двигателя методом лазерной наплавки.

Определены режимы процесса лазерной наплавки, обеспечивающие бездефектную структуру и стабильную геометрию наплавляемых технологических проб. Были разработаны стратегии наплавки изношенных поверхностей рабочих лопаток, куда входит наплавка пера, галтелей, торцов замка и уплотнительного гребешка.

Для определения рабочего режима наплавки был смоделирован процесс восстановления пера рабочей лопатки с варьированием мощности лазерного излучения, где было выявлено, что при мощности 200 Вт объем ванны на поверхности пера рабочей лопатки предельно мал, ввиду того что большая часть мощности поглощается на расплавление присадочного материала. И поскольку при 300 Вт наблюдается чрезмерный рост температуры, превышающей температуру плавления материала, особенно в зоне наименьшей толщины пера, в области выходной кромки, был выбран рабочий режим наплавки с мощностью в 250 Вт.

В результате анализа макрошлифов не были обнаружены дефекты в структуре наплавленного материала, за исключением образования единичных пор на границах валиках в переделах допустимого.

Результаты испытаний на одноосное растяжение показали повышенный предел прочности и достаточно хорошее относительное удлинение по сравнению с механическими свойствами присадочного и основного материала, изготовленных традиционными методами.

Тем самым метод лазерной порошковой наплавки позволяет производить ремонт рабочих лопаток первой ступени турбины высокого давления газотурбинного двигателя ДР-59Л, не прибегая к изготовлению новых лопаток.

About the authors

Stepan Tyukov

Институт лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ

Author for correspondence.
Email: step@tukv.ru
ORCID iD: 0000-0001-5580-5103
SPIN-code: 5740-6330

Инженер технологического отдела

Russian Federation, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Grigory Zadykyan

Институт лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ

Email: gzadykyan@mail.ru
SPIN-code: 5240-2062
Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Dmitriy Mukin

Институт лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ

Email: mukin@ilwt.smtu.ru
SPIN-code: 7660-7455
Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Ruslan Mendagaliev

Институт лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ

Email: ruslanm888@mail.ru
SPIN-code: 5187-4723
Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Rudolf Korsmik

Институт лазерных и сварочных технологий СПбГМТУ

Email: r.korsmik@ltc.ru
SPIN-code: 6726-2629
Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

References

Supplementary files