Laser-induction thermal hardening of heat-resistant steels

Full Text

Введение

Лопатка турбины представляет собой металлическую пластину, предназначенную для работы с потоками расширенного газа в турбинной установке. Лопатки преобразуют линейное движение пара высокой температуры и высокого давления, движущегося в сторону снижения давления, во вращательное движение вала турбины.

Детали паровых турбин, работающие во влажном паре, подвергаются непрерывному воздействию капель или струй жидкости, из-за чего может возникать капельная эрозия [1–4]. Капли воды могут ударяться о вращающиеся лопатки последней ступени преимущественно с выпуклой стороны (спинки) лопатки с относительной скоростью до нескольких сотен метров в секунду. Высокая энергия удара капель, особенно на больших лопатках, может привести к повреждению материала, в первую очередь на входных кромках вблизи кончиков лопастей [5,  6]. Для повышения сопротивления эрозии лопаток с низким давлением под воздействием капель воды существует много технологий [7,  8], самая распространенная из них – использование стеллитовых пластинок, которые припаивают к входной кромке. Данная технология имеет ряд недостатков:  различие коэффициента линейного расширения напайной пластины и основного металла рабочей лопатки; разброс твёрдости поверхностного слоя стеллитовых пластин (различие может достичь HV 100); изменение аэродинамической формы профиля рабочей лопатки; возможность отрыва стеллитовых пластин целиком; возможный эрозионный износ поверхностей лопаток ниже стеллитовых напаек и в промежуточных зонах между напайными пластинами; снижение усталостной прочности рабочей лопатки. При нарушении технологии припайки стеллитовых пластин могут появиться локальные прижёги основного материала лопатки, что приводит к его охрупчиванию и повышенной опасности возникновения трещин в месте прижёга. Кроме того, место стыка стеллитовых пластин является своеобразным концентратором напряжений. При эксплуатации турбин в нерасчётных режимах (с малыми объёмными расходами рабочего пара в конденсатор, на ухудшенном вакууме) в них могут появиться трещины, способные в дальнейшем привести к разрушению рабочих лопаток [9]. Там же приведены данные по опыту эксплуатации в 1985-2008 гг. на филиале «Сургутская ГРЭС-2» ОАО «ОГК-4» 6 паровых турбин мощностью по 800 МВт, который свидетельствует о том, что
ко второму капитальному ремонту (при наработке 75-95 тыс. ч и числе пусков 245-308) рабочими лопатками «утрачено» до 50-90 % стеллитовых пластин).

Современным методом упрочнения паровых лопаток является лазерная закалка [10–12]. При лазерной закалке осуществляется нагрев за счет энергии излучения лазера и естественное охлаждение с отводом тепла от нагретой области в деталь за счет классического механизма теплопроводности и в окружающее пространство путем теплового излучения. Данный способ перспективнее, т. к. стабильнее, проще и обеспечивает хорошие результаты в плане повышения стойкости поверхности лопаток к эрозии [13,  14]. В данной работе представлены результаты лазерно-индукционного термоупрочнения на образцах с постоянной и переменной кромками из лопаточной стали 15Х11МФ-Ш, 20Х13 и ЭИ-961.

 

Методы исследования

В качестве источника лазерного излучения использован волоконный лазер ЛС-15 с максимальной выходной мощностью 15 кВт. Внешний вид источника лазерного излучения представлен на рис. 1. Лазерное излучение фокусировалось сварочной головкой ND65 фирмы WSX, оснащенной гальванометром, позволяющим осуществлять поперечные колебания. В качестве второго источника нагрева использовали сверхвысокочастотную (СВЧ) установку СВЧ-6АВ максимальной мощностью 6 кВт. На рис. 1 представлена схема компонентов стенда, на котором были проведены эксперименты по термообработке.

Для экспериментальных исследований лазерно-индукционного термоупрочнения использованы плоские образцы постоянного сечения размерами 460×80×16,5 мм и переменного сечения размерами 450×60/70×16,8 мм из жаропрочных сталей 15Х11МФ, 20Х13, ЭИ-961 (рис. 2). Химический состав сталей представлен в табл. 1. Целью исследований было получение единой зоны упрочнения на входной кромке и примыкающем участке спинки образцов (рис. 2в) без дефектов в виде микротрещин и несплошностей, без оплавления поверхности, оценка твердости в границах упрочненного слоя, а также глубины упрочненного слоя в области входной кромки и на примыкающем участке спинки.

Таблица 1. Химический состав в % материала

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

Mo

V

Cu

W

V

15Х11МФ

0,12–0,19

До 0,5

До 0,7

До 0,6

До 0,025

До 0,03

10–11,5

0,6–0,8

0,25–0,4

До 0,3

–

–

20Х13

0,16–0,25

До 0,6

До 0,6

До 0,6

До 0,025

До 0,03

12–14

–

–

–

–

–

ЭИ-961

0,1–0,16

До 0,6

До 0,6

1,5–1,8

До 0,03

До 0,03

10,5–12

0,35–0,5

–

–

1,6–2

0,18–0,3

Экспериментальные исследования лазерного термоупрочнения осуществляли способом непрерывной обработки зоны упрочнения на входной кромке индуктором и на примыкающем участке спинки лопатки лазерным излучением, при сканировании лазерного излучения в поперечном направлении, за один проход (рис. 3). В ходе обработки осуществлялось непрерывное перемещение образца относительно стационарных источников нагрева. Для фиксации температуры в зоне нагрева использовали инфракрасную камеру. После лазерной закалки проводилась зачистка обработанных поверхностей абразивной бумагой.

После проведения лазерной термообработки необходимо изготовить шлифы для исследования макро- и микроструктуры образцов на наличие недопустимых дефектов структуры, измерения глубины закаленной зоны, а также измерения твердости. Для изготовления шлифов использовались: электроэрозионный отрезной станок ProTech DK-7755, модульный пресс для горячей запрессовки образцов ATM OPAL X-PRESS, шлифовально-полировальный станок ATM SAPHIR 250 ECO.

Для выявления структуры проводили химическое травление реактивом Каллинга (20 мл H₂O, 20 мл HCl, 4 г CuCl₂) в течение 2–3 мин. Микроструктура исследовалась на оптическом микроскопе Leica DMi8 с использованием ПО Axalit. Измерения твердости и микротвердости производились на твердомере Future-Tech FM-310 с использованием ПО Thixomet Pro, с увеличением от 10х до 50х.

 

Результаты исследования

В результате экспериментов термообработки плоских образцов постоянного сечения на коротких участках длиной 50 мм было установлено, что необходимая глубина и профиль закалки (рис. 4) достигаются при максимальном нагреве образца без принудительного последующего охлаждения, на низких скоростях (до 1 мм/с), с большим пятном нагрева и наибольшей мощностью (в пределах 3 кВт), при которых не происходит оплавления поверхности.

Микроструктура упрочненного слоя образцов – однородная, мелкозернистая, оплавления в поверхностной зоне не выявлено. В микроструктуре переходной зоны окисления границ зерен, роста зерна, дефектов в виде микротрещин, несплошностей не обнаружено.

На полученных образцах была измерена твердость закаленной зоны (по линиям, указанным на рис. 4, верх), результаты представлены на графиках (рис. 5).

 Глубина упрочненного слоя в области входной кромки составляет не менее 5 мм, а на примыкающем участке спинки лопатки – не менее 2 мм. Получена твердость в границах упрочненного слоя не менее 400 HV0.5.

С помощью инфракрасной камеры было установлено, что оплавление появляется, когда температура нагрева на поверхности превышает 1400 ℃. Наибольшая вероятность оплавления локализуется в зоне совместного действия источников нагрева на спинке, на расстоянии 10–15 мм от входной кромки (рис. 6г).

При переходе на образцы с переменным сечением для обеспечения желаемой глубины упрочнения входной кромки необходимо было увеличить мощность индуктора. При этом на постоянной мощности лазера по амплитуде сканирования излучения оплавление поверхности всегда присутствовало, т. к. в общей зоне действия двух источников нагрева температура лежала выше границы 1400 ℃ (рис. 6а). Для его устранения предприняли изменение мощности лазера по амплитуде сканирования, разбив ее на два участка с разной мощностью на каждом. В зоне совместного действия источников нагрева мощность лазера была снижена на 40 %. В результате этих мер температура на поверхности во время термообработки не превышала обозначенную границу появления оплавления (рис. 6в).

После подбора оптимального режима упрочнения на коротких участках был обработан плоский образец 15Х11МФ переменного сечения на всю длину (рис. 7). После зачистки образца абразивной бумагой на нем не наблюдались дефекты в виде микротрещин и несплошностей, а также оплавления поверхности.

На представленном на рис. 7 макрошлифе была измерена твердость, результаты которой показаны на графике (рис. 8). Полученные значения аналогичны результатам, полученным для плоских образцов постоянного сечения, по глубине упрочненного слоя и значениям твердости.

После упрочнения образец был отсканирован с помощью 3D-сканера для контроля деформации пластины. Результаты изменения геометрии образца представлены на рис. 8. Максимальное отклонение после термообработки от первоначального состояния составило 1,09 мм.

Заключение

По результатам экспериментов лазерно-индукционного термоупрочнения плоских образцов из жаропрочных сталей 15Х11МФ, 20Х13, ЭИ-961 можно заключить, что данный вид обработки является перспективным для замены традиционных способов термоупрочнения поверхности изделий, выполненных из этих материалов, в борьбе против эрозии.

Получена единая зона упрочнения на входной кромке и примыкающем участке спинки образцов без дефектов в виде микротрещин и несплошностей, без оплавления поверхности.

Твердость в границах упрочненного слоя со стороны входной кромки – не менее 400 HV0.5. При этом глубина упрочненного слоя в области входной кромки составляет не менее 5 мм, а на примыкающем участке спинки лопатки – не менее 2 мм.

Максимальная деформация образца после термоупрочнения не превышает 1,2 мм.

About the authors

Aleksandr Akhmetov

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Author for correspondence.
Email: a.akhmetov@ltc.ru
ORCID iD: 0000-0002-4472-2115

Ведущий инженер, технологический отдел

Russian Federation, 190121, Российская Федерация, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3

Igor Tsibulskiy

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Email: igor@ltc.ru
SPIN-code: 3110-5791

ведущий научный сотрудник

Russian Federation, 190121, Российская Федерация, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3

Anton Sidorenko

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Email: anton-sidorenko10@mail.ru

Инженер Отдел тестирования материалов

Russian Federation, 190121, Российская Федерация, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3

Vladislav Somonov

Saint-Petersburg State Marine Technical University

Email: vlad@ltc.ru
SPIN-code: 1648-4357

Ведущий инженер Технологический отдел

Russian Federation, 190121, Российская Федерация, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3

References

Supplementary files