Разработка технологии упрочнения паротурбинного оборудования путем борирования с высокоскоростным нагревом ТВЧ

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/