Анализ способов восстановления

ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ Дl! иrА'! ЕЛЕЙ

МЕТОДАМИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОИ ПАИКИ

И СВАРКИ

­Целью ремонта rтд является увеличение общей долrовечности де-

талей при затратах, обеспечивающих наибольшую экономическую эф­

фективность ero эксплуатации, естественно при обеспечении требу е-

Moro уровня надежности.

По данным зарубежных фирм ремонт целесообразен, если он со-

ставляет от 30 до 60% стоимости HOBoro узла или детали. В то же вре-

мя некоторые фирмы считают целесообразным затраты на ремонт до

90% от стоимости новой детали, если модификация детали или узла

при ремонте дает увеличение срока службы двиrателя по сравнению с

новым или улучшение ero тактико­технических характеристик.

Анализ основных эксплуатационных дефектов в отечественных и

зарубежных двиrателях позволил выявить их распределение в следую-

щих соотношениях, %:

. износ от фреттинr-коррозии ­ 60;

· механические повреждения ­ 1 о;

. термические и усталостные трещины ­ 25;

. эрозия ­ 5.

Единственными методами исправления указанных дефектов, позво-

ляющими восстановить профиль поверхности, форму входных и вы-

ходных кромок лопаток, rеометрию контактных полок и устранить

термические трещины, являются пайка и сварка.

16 ­ 2043 241

Наиболее дороrостоящими и теплонапряженными узлами rтд, в

основном определяющими ресурс и надежность двиrателя, являются

детали турбины, стоимость которых составляет 25­30% от стоимости

Bcero двиrателя.

Лопатки турбины наряду с лопатками компрессора являются наи-

более массовыми деталями двиrателя, но в отличие от последних, ro-

раздо чаще и быстрее выходят из строя вследствие очень жестких ус-

ловий работы.

С этой точки зрения высокотемпературная пайка жаропрочных

сплавов выступает как важный технолоrический процесс, обеспечи-

вающий надежные соединения в узлах, изrотовленных из данноrо

класса материалов. Преимущества пайки как технолоrическоrо процес-

са и преимущества паяных соединений обусловлены, rлавным обра-

зом, возможностью формирования паяноrо шва ниже температуры aB­

TOHoMHoro плавления соединяемых материалов.

Именно поэтому становится возможным осуществить общий на-

rpeB паяемоrо узла изделия до температуры пайки, что позволяет реа-

лизовать за одну операцию большое количество соединений в одном

или нескольких узлах с минимальным короблением деталей различной

толщины и сложной конфиryрации. Это значительно уменьшает при­

пуски на механическую обработку, а иноrда и обеспечивает возмож-

ность пайки без последующей обработки деталей и узлов.

Использование пайки позволяет:

. получать соединения деталей в скрытых или малодоступных

местах конструкции и, следовательно, изrотовлять сложные узлы

за один прием;

. паять не только по контуру, а одновременно по всей поверхно-

сти соединения, что позволяет широко варьировать прочность

соединений;

. соединять разнородные материалы с большой разницей в толщи-

не, т. е. обеспечивать универсальность процесса;

. выбирать температуру процесса в зависимости от необходимости

сохранения механических свойств материалов в изделии, обеспе-

чивая совмещение HarpeBa под пайку и термическую обработку

узла;

. обеспечивать высокую плавность rалтелей, а следовательно,

и долrовечность в условиях вибрационных и знакопеременных

наrpужений.

Указанные преимущества процесса пайки дают возможность полу-

чать узлы rтд сложной rеометрии с минимальной металлоемкостью

и высоким коэффициентом использования металла, что делает пайку

весьма перспективным методом соединения высоколеrированных жа-

пропрочных сплавов в таких ответственных узлах rTДO как турбина,

камера сrорания и компрессор высокоrо давления.

Следует отметить при этом, что для мноrих жаропрочных сплавов

пайка является практически единственным методом получения качест­

BeHHoro неразъемноrо соединения.

Таким образом, турбина rтд с учетом стоимости, массовости дета-

лей, относительно HeBbIcoKoro ресурса вследствие тяжелых условий

работы наиболее предпочтительна для ремонта посредством пайки.

В то же время ремонт ее является сложным процессом, требующим

применения наукоемких технолоrий и высокой культуры производст-

ва. За рубежом ремонт лопаток турбины производится оrpаниченным

числом фирм и является признаком BbIcoKoro уровня технолоrии

и престижности фирмы.

Анализ существующих технолоrий ремонта узлов и деталей турбин

методами сварки и пайки позволил условно классифицировать приме-

нение указанных методов в зависимости от основы и степени леrиро-

вания жаропрочных сплавов следующим образом:

. сварка и пайка успешно применяется для деталей, изrотовляе-

мых из сплавов на основе кобальта и никеля, леrированных алю-

минием и титаном до 3% по массе;

. высокотемпературная пайка применяется для сплавов на никеле-

вой основе, содержащих алюминий и титан C3­% по массе),

обеспечивающая надежность соединений и их длительную рабо-

тоспособность.

Основными операциями, определяющими качество как паяных,

так и сварных соединений, является предварительная подrотовка

поверхности под сварку и пайку. Она включает в себя очистку от

окислов и заrрязнений, снятие жаростойких алюминидных покры­

тий химическим и Сили) механическим методом. Для пайки осуще-

ствляется дополнительная фтористо-ионная очистка, позволяющая

удалять мельчайшие окислы, в том числе находящиеся в капилляр-

ных трещинах. Дополнительно производится вакуумная очистка

для нейтрализации оставшихся ионов фтора. Далее осуществляется

сварка или пайка, затем термическая обработка для упрочнения

паяноrо шва или стабилизации структуры cBapHoro шва и около-

шовной зоны.

Для ряда дефектов требуется их предварительная подrотовка с при-

менением высокотвердых и прочных инструментов.

За рубежом ремонтом узлов rтд занимаются свыше 80 фирм,

мноrие из которых являются филиалами фирм­изrотовителей, имею-

щих тесный контакт с авиационными компаниями, что позволяет

оперативно и эффективно влиять как на снижение себестоимости

производства rTДO так и на эксплуатационные расходы. Там также

успешно возвращаются в эксплуатацию следующие детали: диски

турбины и компрессора, в том числе роторы барабанноrо типа, кор-

пуса вентиляторов, сотовые уплотнения турбин, створки реrулируе-

Moro сопла, лабиринтные уплотнения вала турбины, спрямляющие

и направляющие аппараты компрессоров BbIcoKoro и низкоrо давле-

ний, форсажные камеры двиrателей семейства GT­9D, RВ-211, CF-6,

PW -4000 и др.

В среднем в двиrателе фирмами осуществляется ремонт до 60%

всех деталей. В то же время имеется информация, что фирма «Люфт-

rанза» в raHHoBepe может устранить до 96% всех видов поврежде-

ний, блаrодаря разработанным ею технолоrиям. Основной упор в ре-

монте зарубежных двиrателей делается на rорячую часть двиrателя,

имеющеrо наименьший ресурс из-за тяжелых условий работы и высо-

кую стоимость.

Зарубежные фирмы осуществляют ремонт или Bcero двиrателя, или

специализируются на ремонте отдельных ero узлов и деталей. Так,

фирма «Beol» СВеликобритания) объединила четыре завода по капи-

тальному ремонту двиrателей и производит ремонт 20 типов двиrате-

лей от малых вспомоrательных установок до больших двухконтурных

двиrателей.

В то же время созданы специализированные интернациональные

фирмы по ремонту таких массовых деталей, как, например, лопатки.

Причем эти фирмы производят ремонт лопаток вне зависимости от их

конструктивных особенностей, что позволило создать единую техноло-

rию ремонта.

В практике зарубежноrо авиадвиrателестроения наблюдается тен-

денция к созданию предприятий, специализирующихся на ремонте ОД-

нотипных деталей rтд. Так, например, фирма «Интертурбин» ССША)

производит ремонт лопаток турбин, сопловых аппаратов, реryлируе­

мых створок сопла.

Отделение фирмы в rермании специализируется на ремонте кор-

пусных узлов двиrателя, таких как камеры сrорания, корпуса компрес-

сора и турбины, корпуса сопла, уплотнения компрессора и сотовые уп-

лотнения турбины.

Отделение фирмы в rолландии специализируется на производстве

и ремонте тонколистовых корпусных узлов, таких как форсажные ка-

меры, сопла.

Отделение фирмы в Лос-Анджелесе специализируется на изrо-

товлении и ремонте спрямляющих и направляющих аппаратов ком-

прессора.

За последние rоды фирма «Интертурбин» вложила примерно 40

млн. долларов в современное технолоrическое оборудование в целях

улучшения ремонта различных частей rтд и их производства. Выдаю-

щимся примером таких проектов является недавно разработанный

и успешно применяемый уникальный способ ремонта сложных отли­

вок сопловых И рабочих лопаток с помощью пайки.

Приведенные выше примеры показывают, какое важное значение

придается этими компаниями вопросам ремонта, что подтверждает

экономическую целесообразность ремонта.

Из анализа орrанизации ремонта за рубежом можно сделать сле-

дующие выводы:

1. Ремонт методами сварки, пайки и напыления осуществляется

специализированными фирмами, которые часто являются филиалами

заводов-изrотовителей. Мноrие фирмы специализируются на узловом

ремонте, в основном, rорячеrо тракта двиrателя. Наибольший объем

занимает ремонт рабочих и сопловых лопаток турбин, который осу-

ществляется по унифицированным технолоrическим процессам для

каждоrо типоразмера лопаток. При ремонте рабочих и сопловых ло-

паток турбин технолоrические процессы распределяются в следую-

щих объемах, %:

. нанесение жаростойких, теплозащитных, износостойких ан-

тифрикционных и уплотнительных покрытий ­ 60;

. высокотемпературная пайка ­ 25;

. арrонно-дуrовая сварка ­ 1 о;

. электронно-лучевая и лазерная сварка ­ 5.

2. Объем ремонта зарубежных фирм в среднем в 2­3 раза превы-

шает объем, осуществляемый в отечественной промышленности. При-

чем ремонт мноrих деталей и узлов, таких как диски турбин и ком-

прессоров, в том числе роторов компрессоров барабанноrо типа, сото-

вых уплотнений в отечественной промышленности, практически отсут-

ствует.

Анализ себестоимости ремонта rтд в отечественной промышлен-

ности показывает, что основную долю Сболее 50%) составляют расхо-

ды на запасные части. Ежеrодно при ремонте отбраковывается около

], 7 млн. деталей. Из этоrо количества деталей большинство моrло

быть восстановлено для дальнейшей эксплуатации.

В настоящее время в отечественном двиrателестроении ориентиро-

вочно до 30% бракуемых при капитальном ремонте деталей BOCCTaHaB­

ливаются различными технолоrическими процессами. В том числе ме-

тодами сварки, пайки и напьтения восстанавливается порядка

1 ­ 15%.

Объем процессов сварки и пайки распределяется в следующем со-

отношении, %:

­. арrонно-дуrовая сварка............................ 55

. плазменная сварка................................ 4

. электронно-лучевая и лазерная сварка................... 1

. высокотемпературная пайка......................... 15

­в отечественной промышленности ремонт осуществляется на

мноrих заводах-изrотовителях авиационной промышленности,

а также на ремонтных заводах Департамента воздушноrо транспор-

та. При ремонте отечественных двиrателей пайка занимает не бо-

лее 15%, отсутствует лазерная сварка, объем электронно-лучевой

сварки не превышает 1 %. Также отсутствуют способы сварки с им-

пульсной подачей присадочной проволоки, которые позволяют

осуществлять наплавку на плохо свариваемые сплавы. Нет специа-

лизированных производств по ремонту лопаток. Заводы и ремонт-

ные базы на однотипных деталях используют разные технолоrиче-

ские процессы, причем далеко не всеrда самые проrрессивные.

При этом если на заводах Авиапрома при ремонте методом пайки

и сварки применяются пусть не последние, но достаточно проrрес-

сивные технолоrические процессы, то на ремонтных заводах rраж-

данской авиации их уровень соответствует 15­20-летней давности

и не обеспечивает требуемой производительности и качества про-

дукции.

Следует отметить, что за рубежом, при ремонте сопловых лопа-

ток, изrотовленных из свариваемых сплавов, осуществляется замена

пера лопатки посредством АДЭС или эле. При этом оставляются

только бандажные полки или ввариваются фраrменты входной и вы-

ходной кромки. Удаляется более 60% трещин на пере лопатки мето-

дами пайки.

В отечественной же практике ремонт сопловых лопаток из вы-

соколеrированных литейныIx сплавов заключается в заделке мето-

дом пайки знаковых отверстий в бандажной полке и нанесении из-

носостойких покрытий на боковые поверхности бандажной полки.

Ремонт трещин и выработанных кромок не осуществляется. ИЗ BЫ­

шесказанноrо следует, что существуют достаточные возможности

для повышения экономической эффективности ремонта путем бо-

лее широкоrо внедрения сварки и пайки в технолоrию ремонта

rтд.

11. ПРИМЕНЕНИЕ АРrОННО­МИКРОПЛАЗМЕННОЙ

УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ

двиrАТЕЛЯ

­Одной из актуальных задач при производстве и эксплуатации rтд

является устранение поверхностных литейных и эксплуатационных де-

фектов на деталях и узлах, изrотовленных из высоколеrированных ста-

лей и сплавов на основе никеля. Для решения этой задачи в настоящее

время используются технолоrические процессы высокотемпературной

пайки и плазменноrо напыления с использованием порошковых мате-

риалов, включая припои, наполнители и самофлюсы.

Технолоrический процесс пайки предусматривает заполнение раз­

деланноrо дефектноrо участка порошковой смесью, состоящей из при-

поя и наполнителя. Закрепление припоя и наполнителя на дефектном

участке осуществляется смесью акриловой смолы и растворителя P­5.

После этоrо детали подверrают высокотемпературной пайке. Прове-

денные исследования показывают, что часто встречающимся дефектом

при использовании TaKoro технолоrическоrо процесса является порис­

тость в напаянном материале.

Уменьшения пористости можно достичь за счет применения мелко-

дисперсных фракций припоя Сне более 15­20 мкм). Однако получе-

ние порошковых материалов такой rрануляции связано с высокими

производственными затратами.

Для ремонта поверхностных дефектов также применяют малоrаба-

ритные плазмотроны с самоустанавливающейся длиной дуrи и с осе-

вой подачей рабочеrо rаза ­ aproHa или ero смесей с азотом или во-

дородом. Подача напыляемоrо материала осуществляется на срезе co­

пла­анода. Дyra в таких плазмотронах характеризуется невысоким на-

пряжением. Для получения дуrи с мощностью, достаточной для каче-

CTBeHHoro напыления, необходимы большие токи C30­500 А). При

этом ресурс стержневоrо вольфрамовоrо катода и выходноrо электро-

да-анода с ростом тока значительно уменьшается. Нарушение формы

сопла плазмотрона отрицательно отражается на качестве покрытия.

Для расширения возможности ремонта эксплуатационных и литей-

ных дефектов на деталях и узлах, изrотовленных из высоколеrирован­

ных литейных сплавов, а также получения стабильных результатов на

ММПП «Салют» применялась арrонно-плазменная установка, разрабо-

танная в НИИЭМ МПУ им. Н.Э. Баумана. Одним из важных досто-

инств плазменноrо напыления порошковых материалов является то,

что частицы порошка, деформируясь при ударе о поверхность детали,

образуют структуру покрытия с минимальной пористостью.

­В упомянутой установке используется арrоновый микроплазмотрон

с секционированной межэлектродной вставкой СМЭВ). Длина дуrи

в таком плазмотроне определяется МЭВ и при одинаковых значениях

ТОка и расхода rаза больше, чем в плазмотронах с самоустанавливаю-

щейся длиной дуrи. Соответственно падение напряжения на дуrе

в этом случае также выше, необходимая мощность достиrается при

меньших значениях силы тока разряда. Как локальный источник на-

rpeBa, он в достаточной мере отвечает требованиям, которые наклады-

вают на Hero металлурrические и технолоrические свойства сплавов

типа ЖС6У и особенности ремонтируемых деталей и узлов rтд.

Друrой отличительной особенностью используемоrо плазмотрона

является способ подачи напыляемоrо материала в плазменный поток.

Порошок вводится на начальном участке плазменной дуrи под уrлом

к плазменному потоку через кольцевой канал, что обеспечивает равно-

мерное заполнение материалом канала МЭВ. При этом HarpeB и YCKO­

рение частиц материала происходит непосредственно в плазменной

дуrе, а не в истекающей струе, что в несколько раз повышает эффек-

тивность процесса. Блarодаря этому удается получить качественные

покрытия из различных материалов с высокой адrезией и низкой по-

ристостью, С качественной защитой наносимоrо материала от окисле-

ния. Поток напыляемых частиц имеет очень малый уrол раскрытия

(3­5 rpaд при диаметре сопла-анода 2­3 мм), что позволяет нано-

сить покрытия на небольшие поверхности.

Конструкция установки позволяет оператору леrко вручную пере-

мещать в пространстве плазмотрон, как Toro требует форма обрабаты-

ваемой поверхности, устанавливать, реryлировать и контролировать

рабочие параметры плазменной струи и расход порошка. Достоинст-

вом установки являются: незначительные масса плазмотрона Сне более

0, 2 Kr), rабариты, потребляемая мощность Сдо 1, 8 кВт), расход aproHa

Сне более 4 дм 3 /мин). Питание осуществляется от сети 220 В/50 rц.

Температура плазменной струи на выходе из сопла ­ 10000 К, rpa-

нуляция порошковых материалов ­ до 120 мкм. Установку отлича­

ет простота в эксплуатации, стабильность параметров процесса на-

пыления.

Для оптимизации процесса плазменноrо напьтения были про веде-

ны исследования по определению конструктивных, электрических

и технолоrических параметров, влияющих на качество получаемых по-

крытий.

К этим параметрам относят:

· rеометрические размеры rазоразрядноrо тракта микроплазмотро-

на;

· координату ввода порошка в плазменную дуry;

­. величину и соотношение расходов плазмообразующеrо и транс-

портирующеrо rазов;

. ток и напряжение дуrовоrо разряда;

. размер частиц порошка;

. дистанцию и уrол напыления;

. скорость вращения привода дозатора.

Также были исследованы процессы плазменноrо напыления смесей

различных припоев и наполнителей в разных соотношениях.

Металлоrpафические исследования образцов после напыления по-

рошковой смеси показали, что покрытия толщиной 5­ мкм, получен-

ные на оптимальных режимах напьтения, характеризовались качествен-

ным соединением с подложкой, а также хорошей текстурой HaHeceHHoro

материала Спористость ­ 2.......-4% с размером пор 0, 01..........(), 02 мм).

Для повышения прочностных и эксплуатационных свойств наноси-

мых материалов осуществлялась высокотемпературная пайка образцов

в вакуумной печи. Металлоrpафические исследования и механические

испытания после пайки образцов с оптимальным соотношением при-

поя и наполнителя показали, что полученные напаянные покрытия об-

ладают мелкозернистой без видимых дефектов структурой с незначи-

тельной пористостью (l­2%) и достаточно высокими механическими

свойствами: длительная прочность при 10000 С на базе 100 ч составля­

ет 18­20 Krc/MM 2 (1, 8­2, 0 МПа).

Проведенные технолоrические исследования показали, что для ре-

монта деталей и узлов rTДO изrотовленных из высоколеrированных

сталей и сплавов на никелевой основе, плазменное напыление с помо-

щью арrонно-микроплазменной установки можно эффективно исполь-

зовать в зависимости от условий эксплуатации как самостоятельный

метод получения качественных покрытий, так и с последующей пай-

кой для повышения прочностных и эксплуатационных свойств.