Введение

Известно, что повышение коэффициента полезного действия (КПД) газотурбинных двигателей (ГТД) во многом зависит от величины радиального зазора в проточной части турбины между торцами рабочих лопаток и уплотнительными кольцами или вставками, т. е. от эффективности системы уплотнения радиального трека, определяемой, в свою очередь, соотношением износов торцов лопаток и уплотнения [2–7]. Существующие статистические данные по эксплуатации некоторых конструкций газотурбинных двигателей показывают, что увеличение износа рабочих лопаток по торцам на 0,2 мм приводит не только к уменьшению их ресурса работы, но и к снижению на 1% КПД двигателя. Это, соответственно, приводит к увеличению расхода топлива и уменьшению мощности установки в целом, а также повышению температуры и, как следствие, к снижению ресурса горячей части двигателя. Ввиду дороговизны рабочих лопаток ТВД актуальной является разработка технологии их ремонта.

Решить данную проблему можно с помощью нанесения на торец лопатки наплавочного материала, как правило, из матричного сплава рабочей лопатки. Однако традиционные технологии требуют применения наплавляемого материала в виде проволоки или специально отлитых пластин (в случае напайки), имеющих форму пера лопатки. Получение таких пластин и пайка – процессы трудоемкие, не обеспечивающие высокого выхода годного. Большинство сплавов, обладающие высокими износо- и жаростойкостью, относятся к хрупким материалам, получение проволоки из которых невозможно. Кроме того, пайка или наплавка материала, отличающегося по физическим характеристикам и химическому составу от основного материала лопатки, приводит к возникновению термических напряжений и разрушению наплавленного материала из-за разницы коэффициентов термического напряжения.

Решением проблемы ремонта рабочих лопаток может стать применение аддитивной технологии ремонта, в частности технологии лазерной газопорошковой наплавки (LMD (Laser Metal Deposition) или DMD (Direct Metal Deposition)) [8]. Лазерная порошковая наплавка основана на сплавлении частиц порошка, подаваемого роботизированным дозировщиком в виде газопорошковой смеси коаксиально лазерному лучу (или не коаксиально через специальные дюзы малого сечения). Наплавка производится по 3D-модели, построение которой происходит на основании данных встроенного промышленного сканера. Такая технология может быть востребована не только при ремонте и упрочнении поверхности детали, но и для создания принципиально новых градиентных материалов, которые могут быть получены за один технологический цикл производства благодаря применению сразу нескольких разных марок порошка, смешиваемых в реальном времени по компьютерной программе.

В качестве исходного материала для лазерной порошковой наплавки широко используются мелкодисперсные металлические порошки из сплавов на различной основе [9–11]. К металлическим порошкам для данной технологии предъявляются жесткие требования. В первую очередь, это обеспечение сферичности, строго определенного гранулометрического состава, высокой химической однородности, отсутствие пористых гранул, пониженное содержание газовых примесей.

На сегодняшний день Россия отстает от западных стран в этой области ввиду отсутствия серийного производства отечественных порошковых материалов, разработанных технологий и нормативной технической документации, что соответственно приводит к сдерживанию внедрения аддитивных технологий в промышленность, поэтому актуальной задачей является разработка технологий получения исходных порошковых материалов и ремонта поврежденных деталей (рабочих лопаток ТВД) с применением аддитивных технологий.

Данная работа посвящена исследованию мелкодисперсного металлического порошка жаропрочного сплава на никелевой основе ЖС32-ВИ (гранулометрического состава, текучести, микроструктуры поверхности частиц порошка), изготовленного методом атомизации на установке HERMIGA 10/100 VI [1, 12, 13], а также исследованию технологии восстановления торца пера рабочей лопатки первой ступени ТВД методом лазерной газопорошковой наплавки с применением металлического порошка сплава ЖС32-ВИ.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выбран жаропрочный сплав на никелевой основе ЖС32-ВИ [14, 15], химический состав которого приведен в табл. 1.

Исходную шихтовую заготовку жаропрочного сплава ЖС32-ВИ для процесса атомизации (распыление расплава инертным газом) получали методом вакуумной индукционной выплавки на установке ВИАМ–2002 с использованием специальной разливочной оснастки в виде разъемного чугунного кокиля, обеспечивающей получение заготовок диаметром 30 мм.

Таблица 1

Химический состав жаропрочного сплава ЖС32-ВИ на основе никеля (требования по ТУ)

Металлический порошок сплава ЖС32-ВИ получали путем распыления расплава аргоном на атомайзере HERMIGA 10/100 VI. Распыление расплава вели холодным (без дополнительного подогрева) газом с использованием газодинамической форсунки дозвукового профиля (рис. 1).

Рис. 1. Разрез 3D-модели газодинамической форсунки установки HERMIGA 10/100 VI

Получение металлического порошка сплава ЖС32-ВИ методом атомизации проводили по трем режимам. Изменяемым (задаваемым) параметром процесса атомизации был принят расход распыляющего газа, который зависит от давления распыления, профиля внутренней полости форсунки, формируемой корпусом и вкладышем. Корректировку расхода газа проводили по штатному расходомеру установки HERMIGA 10/100 VI путем изменения давления распыления. Остальные технологические параметры процесса атомизации (диаметр струи расплава, температура расплава, избыточное давление над расплавом) выбирали постоянными.

Гранулометрический состав порошка сплава ЖС32-ВИ проводили методом ситового анализа согласно ГОСТ 18318–94 «Порошки металлические. Определение размера частиц сухим просеиванием» с помощью виброгрохота Analysette 3 Spartan с набором сит 40–63, 63–80, 80–100, 100–125, 125–160 мкм (ГОСТ 6613) и штатного классификатора установки HERMIGA 10/100 VI для просеивания тонкой фракции менее 40 мкм на гранулы размером 0–10, 10–20 и 20–40 мкм.

Фракционный состав порошка сплава ЖС32-ВИ размером 40–80 мкм определяли методом лазерной дифракции на приборе измерения размера части Analyaette 22 Nanotec plus с общим диапазоном измерений 0,01–2000 мкм, оснащенный тремя полупроводниковыми лазерами, что отвечает требованиям ГОСТ 8.777 «Дисперсный состав аэрозолей и взвесей. Определение размеров частиц по дифракции лазерного излучения» и международному стандарту ISO 13320 «Particle size analysis – Laser diffraction method». Исследования проводили по таким основным параметрам, как количество частиц размером менее 20 мкм (пылевая фракция) и со средним размером частиц порошка (d_ср). Наличие гранул размером менее 20 мкм в большом количестве приводит к комкованию порошков и, как следствие, снижению показателя текучести материала, в связи с чем использование его в процессе лазерной газопорошковой наплавки невозможно. Параметр d_ср характеризует средний размер порошков в заданной фракции.

Определение текучести порошка сплава ЖС32-ВИ размером 40–80 мкм проводили при помощи калиброванной воронки (прибора Холла) согласно ГОСТ 20899 «Порошки металлические. Определение текучести с помощью калиброванной воронки (прибора Холла)».

Исследование формы частиц и морфологии поверхности порошка сплава ЖС32-ВИ, а также микроструктуры поперечных шлифов гранул проводили с помощью растрового электронного микроскопа JSM 6490-LV. Для описания формы частиц использовали справочное приложение ГОСТ 25849 «Порошки металлические. Метод определения формы частиц».

Наплавку порошка сплава ЖС32-ВИ на торцы пера рабочих лопаток первой ступени ТВД из сплава ЖС32-ВИ выполняли в лазерном центре TruLaser Cell 7020 в условиях предприятия ОАО «Авиадвигатель».

Результаты

Для определения влияния параметров атомизации (табл. 2) на фракционный состав порошков проведен ситовой анализ полученных опытных партий порошка сплава ЖС32-ВИ. Данные по фракционному составу металлического порошка жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ приведены в виде кумулятивных кривых (рис. 2).

Таблица 2

Параметры атомизации при получении опытных партий

металлического порошка сплава ЖС32-ВИ

Установлено, что увеличение расхода газа не приводит к значительному росту пылевой фракции (0–10 мкм), содержание которой не превышает 12–13%. Видно (рис. 2), что комбинация наибольшего расхода газа при минимальном расходе металла (режимы 2 и 3) обеспечивает получение наиболее тонких порошков. Повышение расхода газа до 7,5 кг/мин (режим 3) приводит к увеличению выхода годного по фракции 10–50 мкм порошка – с 35 до 84%. При расходе газа 4,5 кг/мин (режим 2) обеспечивается максимальный выход годного по фракции 40–80 мкм порошка (36%), который применяется для лазерной газопорошковой наплавки.

Анализ фракционного состава порошка сплава ЖС32-ВИ размером 40–80 мкм (рис. 3) показал, что количество гранул менее 20 мкм находится на весьма низком уровне и не превышает 1%, что свидетельствует о высокой эффективности предварительно проведенной газодинамической сепарации для удаления особо тонких частиц. Средний размер порошков (d_ср) в заданной фракции составляет 65 мкм.

В результате исследования текучести порошка сплава ЖС32-ВИ фракции 40–80 мкм установлено, что он обладает способностью свободного протекания через воронку с отверстием 2,5 мм, что обусловлено сферической формой частиц порошка и высокой удельной плотностью сплава. Текучесть порошка сплава ЖС32-ВИ фракции 40–80 мкм находится на уровне 15–15,5 с.

Типичные микроструктуры поверхности частиц порошка сплав ЖС32-ВИ в зависимости от гранулометрического состава приведены на рис. 4. Установлено, что во всех исследованных образцах гранулы порошка имеют правильную сферическую форму с малым количеством дефектных гранул. Характерными дефектами для исследуемых сплавов являются сателлиты и аморфный панцирь (реже). Отмечаются также единичные гранулы неправильной формы. Наибольшее количество дефектных гранул наблюдается в образцах с размером гранул 40–80 мкм.

Рис. 2. Фракционный состав партий порошка сплава ЖС32-ВИ, полученных по режимам 1 (▲), 2 (■) и 3 (●)

Рис. 3. Гистограмма распределения частиц порошка сплава ЖС32-ВИ фракции 40–80 мкм

Рис. 4. Морфология поверхности гранул сплава ЖС32-ВИ фракций 0–10 (а, б), 10–25 (в, г), 25–40 (д, е) и 40–80 мкм (ж, з)

Рис. 5. Микроструктура гранул сплава ЖС32-ВИ фракций 25–40 (а, в, д) и 40–80 мкм (б, г, е)

Исследования структуры поперечного сечения и пористости гранул показали, что гранулы имеют дендритное строение (рис. 5). Характер роста дендритов указывает на объемную кристаллизацию, а прорастание отдельных развитых дендритов связано, по-видимому, с ранним появлением центров кристаллизации на месте примесных включений или более мелких кристаллизованных гранул (микросателлитов). В гранулах размером менее 40 мкм (рис. 5, а, д) газовая пористость практически отсутствует. Для более крупных фракций характерно наличие в полях зрения отдельных гранул с замкнутыми (газовыми) порами. Помимо газовой отмечается наличие пористости усадочного происхождения (несплошности неправильной формы), что объясняется высокими скоростями охлаждения в процессе кристаллизации частиц и нарушением подпитки замкнутых объемов в медждендритных пространствах.

Лазерная газопорошковая наплавка

Полученный порошок сплава ЖС32-ВИ гранулометрического состава 40–80 мкм применен при отработке технологии восстановления торца пера рабочей лопатки первой ступени ТВД (рис. 6) методом лазерной газопорошковой наплавки на лазерном центре TruLaser Cell 7020 в условиях ОАО «Авиадвигатель».

В результате контроля наплавленных слоев посредством оптической микроскопии выявлены трещины (рис. 7). Микроанализ, проведенный на поперечных шлифах, подтвердил наличие трещин, развивающихся по материалу наплавки. Протяженность трещин составила от 0,3 до 1 мм. Трещин, развивающихся от наплавки в основной материал, не выявлено. Наличие трещин в наплавочном материале является неудовлетворительным результатом, так как снижает ресурс восстановленных рабочих лопаток. Основными вероятными причинами образования трещин в наплавленном материале являются высокое содержание адсорбированного кислорода на поверхности части порошка сплава ЖС32-ВИ и термическое напряжение, возникающее в процессе наплавки.

Рис. 6. Внешний вид рабочей лопатки первой ступени ТВД из сплава ЖС32-ВИ с наплавленными слоями порошка ЖС32-ВИ

Рис. 7. Вид трещины в наплавке рабочей лопатки первой ступени ТВД

Для удаления адсорбированного кислорода и снижения склонности к трещинообразованию материала при наплавке были выполнены:

– дегазационный отжиг порошка сплава ЖС32-ВИ;

– технологический подогрев пера лопатки до температур выше 500°С;

– термообработка восстановленных рабочих лопаток в вакуумной печи.

В результате дегазационного отжига порошка сплава ЖС32-ВИ в вакуумной печи установлено, что содержание кислорода в порошке сплава уменьшилось с 0,0097 до 0,006% (по массе).

Геометрия торца пера рабочих лопаток первой ступени ТВД восстановлена в полном объеме. Высота наплавки составила 1,8 мм. В материале наплавки дефектов типа трещин и непроваров не выявлено. Материал наплавки плотный, ширина зоны термического влияния составила до 0,2 мм, микротвердость материала наплавки 452–456 HV, зоны термического влияния 450–462 HV, основы 399–407 HV.

По результатам металлографических исследований установлено, что качество лазерной наплавки порошка сплава ЖС32-ВИ на торец пера лопаток первой ступени ТВД из сплава ЖС32-ВИ удовлетворительное (рис. 8 и 9) и соответствует требованиям ТУ.

Рис. 8. Вид индикаций при ЛЮМ1-ОВ контроле рабочей лопатки первой ступени с наплавленным торцом пера

Рис. 9. Вид наплавленного слоя на рабочей лопатке (поперечный микрошлиф)

Таким образом, в результате выполненных работ установлено, что положительный результат восстановления торца пера лопатки достигается при применении отожженного присадочного порошка и подогрева пера лопатки выше 500°С.

Обсуждение и заключения

Разработанная технология получения порошка сплава ЖС32-ВИ методом атомизации обеспечивает получение гранул правильной сферической формы с малым количеством дефектных гранул и наиболее высокий выход годного по фракции 40–80 мкм (на уровне 35%) в сравнении с существующими в России технологиями получения металлических порошков.

В результате процесса восстановления торца пера рабочей лопатки первой ступени ТВД методом лазерной газопорошковой наплавки образуются трещины в материале наплавки. Для исключения образования дефектов необходимо применение отожженного присадочного порошка и проведение сопутствующего подогрева пера лопатки выше 500°С с последующей вакуумной термической обработкой.

Лазерная газопорошковая наплавка, выполненная с использованием металлического порошка сплава ЖС32-ВИ гранулометрического состава 40–80 мкм после дегазационного отжига и технологического подогрева, применялась при восстановлении торца пера рабочих лопаток первой ступени ТВД. Геометрия торца пера рабочих лопаток первой ступени ТВД восстановлена в полном объеме. Высота наплавки составила 1,8 мм. В материале наплавки дефектов типа трещин и непроваров не выявлено. Материал наплавки плотный, ширина зоны термического влияния составила до 0,2 мм, микротвердость материала наплавки 452–456 HV, зоны термического влияния 450–462 HV, основы 399–407 HV.

По результатам металлографических исследований установлено, что качество лазерной наплавки порошка сплава ЖС32-ВИ на торец пера лопаток первой ступени ТВД из сплава ЖС32-ВИ удовлетворительное и соответствует требованиям ТУ.