ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЛОПАТОК КОМПРЕССОРОВ ГТД С ПРИМЕНЕНИЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОКРЫТИЯ

Лахин А.М. Михайлов А.Н. Михайлов Д.А.

Донецкий национальный технический университет

Введение

Лопатки компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) являются базовыми элементами современных авиационных двигателей, которые определяют их ресурс и надежность работы. На них воздействует комплекс факторов: процессы газовой коррозии (высокотемпературное окисление, различные виды солевой коррозии), эрозионные явления, а также фазовые и структурные изменения свойств материала. Это вызвано влиянием агрессивной газовой среды при высоких температурах, влажности, капель жидкости, пыли, песка и других частиц в воздушном потоке. Данные факторы приводят к возникновению химической и абразивной эрозии элементов лопаток и их выходу из строя.

Кроме того, необходимо отметить, что элементы лопаток компрессоров в процессе эксплуатации испытывают растягивающие и изгибающие напряжения от центробежных сил, напряжения изгиба и кручения от газового потока, знакопеременные напряжения от вибрационных нагрузок с существенно меняющейся частотой и амплитудой, а также термические напряжения от тепловых нагрузок. При этом циклический характер знакопеременных напряжений приводит к разрушению лопаток из-за возникающих микротрещин и фазовых и структурных изменений свойств материалов [1, 2, 3].

Помимо этого, лопатки компрессоров (особенно лопатки 1-й ступени) первыми воспринимают воздействие крупных посторонних предметов, попавших в проточную часть двигателя [4, 5]. Это приводит к значительным локальным импульсным нагрузкам и сокращению их срока службы.

Таким образом, долговечность и надежность ГТД определяются способностью лопаток противостоять комплексному воздействию газовой коррозии и эрозионных явлений, фазовых и структурных изменений свойств материала, тепловых процессов, значительных знакопеременных напряжений (различных типов) от вибрационных воздействий, циклических и импульсных нагрузок.

В современных двигателях лопатки компрессоров (рис. 1) изготавливаются из специальных титановых сплавов. Они имеют сложную пространственную форму пера лопатки с тонкими входными и выходными кромками. Лопатки компрессоров являются одной из наиболее трудоемких и дорогостоящих деталей ГТД. Это обусловлено сложными технологиями и дорогостоящими материалами, используемыми для их производства, а также большим их количеством в одном двигателе [5]. Для увеличения срока службы и надежности лопаток компрессоров ГТД применяется целый комплекс различных видов финишной и упрочняющей обработки. Например, для снижения коррозионного и эрозионного воздействия при эксплуатации ГТД модели ТВ3-117 на лопатки компрессоров наносится вакуумное ионно-плазменное покрытие. Данное покрытие позволяет значительно повысить их ресурс [5].

Проведенные исследования особенностей разрушения покрытия лопаток компрессора показывают, что в процессе эксплуатации ГТД покрытие разрушается неравномерно по элементам и поверхностям лопаток (рис. 2). Это вызвано пространственной формой элементов лопаток, кинематикой их движения, особенностями движения газовых потоков в проточной части двигателя, а также воздействием частиц пыли и жидкости.

Разрушение покрытия на лопатках обычно начинается на входной кромке пера, в зоне пересечения входной и периферийной кромок. Затем разрушение покрытия распространяется от этой зоны по входной кромке вниз до замка лопатки и от периферийной кромки к выходной кромке (2). Далее из этих зон покрытие начинает разрушаться на поверхности впадины пера лопатки (3), и затем покрытие остается только в зоне впадины пера (4).

На рис. 2 представлена схема разрушения нитрид-титанового покрытия на поверхности пера лопатки со стороны впадины в зависимости от продолжительности эксплуатации (штриховыми линиями показаны границы окончательного разрушения покрытия, которые изменяются во времени):

1 - разрушение на входной кромке пера,

2 - разрушение на выходной кромке пера,

3 - поверхность без покрытия,

4 - поверхность с покрытием.

Исследования проводились на лопатках компрессора с нитрид-титановым покрытием толщиной 5-6 мкм, нанесенным вакуумным ионно-плазменным методом с использованием титановых катодов ВТ1-0. Следует отметить, что покрытие на поверхности пера имеет определенные закономерности разрушения при эксплуатации лопаток ГТД. Можно заметить, что покрытие на поверхности пера с выпуклой стороны менее подвержено разрушению.

Таким образом, исследования позволили установить, что при эксплуатации ГТД покрытие лопаток компрессора разрушается неравномерно. Даже после длительной эксплуатации часть покрытия остается на поверхностях пера лопатки (рис. 2). При этом в процессе использования лопаток происходит интенсивное разрушение основного материала пера в местах полного разрушения покрытия, тогда как в зонах с неповрежденным покрытием основной материал пера разрушению не подвергается. Эти неравномерные процессы коррозионного и эрозионного разрушения приводят к потере ремонтопригодности лопаток.

Для повышения уровня ремонтопригодности лопаток компрессора необходимо выполнить следующие мероприятия в отношении эксплуатируемых лопаток и их покрытия:

1. При равномерной толщине покрытия на поверхностях и элементах пера лопатки необходимо обеспечить длительную эксплуатацию только до появления первых признаков окончательного разрушения покрытия в зонах наиболее интенсивного износа.

2. Для обеспечения полной работоспособности покрытия пера лопатки в условиях неравномерного разрушения покрытия на различных участках необходимо обеспечить переменную толщину покрытия. Ее величина должна определяться в зависимости от степени разрушения покрытия в данной области лопатки при ее эксплуатации. Толщина покрытия может изменяться непрерывно или дискретно - в соответствии с особенностями изменения степени разрушения покрытия в данной точке или области пера лопатки (рис. 2) при ее эксплуатации.

3. Для обеспечения полной работоспособности покрытия пера лопатки в условиях неравномерного разрушения покрытия на различных участках необходимо обеспечить переменные свойства покрытия по эрозионной стойкости. Их значение должно определяться в зависимости от степени разрушения покрытия в данной области лопатки при ее эксплуатации. Эрозионная стойкость покрытия может изменяться непрерывно или дискретно - в соответствии с особенностями изменения степени разрушения покрытия в данной точке или области пера лопатки при ее эксплуатации.

При этом можно отметить, что в случае обеспечения переменной толщины или свойств покрытия, полное разрушение покрытия на всех поверхностях и элементах пера лопатки происходит одновременно. Следовательно, к моменту ремонта лопаток все покрытие разрушается одновременно, и его не требуется удалять с поверхностей, либо удаление требует минимальных затрат.

При этом можно отметить, что в случае обеспечения переменной толщины или свойств покрытия, полное разрушение покрытия на всех поверхностях и элементах пера лопатки происходит одновременно. Следовательно, к моменту ремонта лопаток все покрытие разрушается одновременно, и его не требуется удалять с поверхностей, либо удаление требует минимальных затрат.

Для достижения цели были определены следующие задачи:

1. Проанализировать особенности коррозионных и эрозионных повреждений лопаток компрессоров ГТД с ионно-плазменным покрытием.

2. Разработать универсальную структуру технологического процесса восстановления лопаток компрессоров ГТД с нанесением ионно-плазменного покрытия.

3. Предложить схему формирования многослойного функционально-ориентированного покрытия на лопатках компрессоров ГТД. Разработать схему создания структуры многослойного покрытия на рабочих элементах пера лопатки.

4. Разработать рекомендации по формированию структуры технологического процесса восстановления лопаток компрессоров ГТД.

В настоящей работе решены эти задачи.

2. Универсальная структура технологического процесса восстановления лопаток компрессоров ГТД

Следует отметить, что лопатки компрессоров ГТД могут использоваться без покрытия либо с вакуумным ионно-плазменным покрытием из нитрида титана. При эксплуатации ГТД возможны следующие случаи износа ионно-плазменных покрытий на лопатках компрессора:

Случай О: Покрытие не имеет зон полного износа и разрушений.

Случай У: Покрытие имеет зоны полного износа и разрушений на кромках пера лопатки.

Случай П: Покрытие имеет зоны полного износа и разрушений на кромках и поверхностях пера лопатки.

Необходимо отметить, что в последнем случае (П) разрушения покрытия начинается интенсивный процесс коррозионного и эрозионного разрушения материала самой лопатки, что приводит к полной потере ее ремонтопригодности. Следовательно, в этой ситуации требуется тщательный контроль и дефектация лопаток с оценкой их пригодности к восстановлению (рис. 3).

Структура технологического процесса восстановления лопатки компрессора ГТД формируется в зависимости от характера разрушения вакуумного ионно-плазменного покрытия на поверхностях пера. Таким образом, данная структура является многовариантной и строится с учетом наличия или отсутствия старого покрытия, степени его деградации и характеристик нового вакуумного ионно-плазменного покрытия. Также следует отметить, что в структуру технологического процесса может быть включено азотирование лопаток, которое является эффективным способом дополнительного повышения их стойкости.

На рис. 3 представлена универсальная структура технологического процесса восстановления лопаток из титанового сплава ГТД ТВ3-117 с ионно-плазменным покрытием. Здесь обозначены: V – вход в технологический процесс; W – выход из технологического процесса; v11 – вход на 11-ю операцию; w10 – выход с 10-й операции.

Универсальная структура технологического процесса восстановления лопаток (рис. 3) включает следующие этапы:

1. Контроль и дефектация лопаток. На этом этапе определяется ремонтопригодность лопаток.
2. Предварительная очистка лопаток от коррозии и окалины. Может выполняться: 2.1. Путем мягкой обдувки мелкодисперсным порошком электрокорунда, черного или зеленого карбида кремния с использованием пневмоабразивной обработки. 2.2. С помощью ультразвуковой очистки.
3. Окончательная очистка и устранение (запиловка) мелких забоин, вмятин, коррозионных и эрозионных повреждений.
4. Сортировка лопаток по наличию покрытия: 4.1. Лопатки без покрытия. Если лопатки не имеют покрытия, они направляются на контроль геометрии. 4.2. Лопатки с вакуумным ионно-плазменным покрытием.
5. Сортировка лопаток по степени износа и разрушения покрытия: 5.1. Покрытие не имеет зон износа и разрушений. 5.2. Покрытие имеет зоны износа и разрушений на кромках пера лопатки. 5.3. Покрытие имеет зоны износа и разрушений на кромках и поверхностях пера лопатки.

6. Синтез структуры технологического процесса. На этом этапе структура процесса определяется в зависимости от необходимости удаления покрытия: 6.1. С полным удалением покрытия с лопаток (для случаев 5.1, 5.2, 5.3). Существует два варианта удаления покрытий. 6.2. С частичным удалением покрытия с лопаток (для случаев 5.1, 5.2, 5.3). Существует два варианта удаления покрытий. 6.3. Без удаления покрытия с лопаток (для случаев 5.1, 5.2, 5.3). Если лопатки не имеют покрытия, они направляются на контроль геометрии.

7. Химическое травление, разупрочнение и растворение старых покрытий.

8. Удаление покрытия методом подстроечного полирования. Данный вид полирования имеет особенности, обусловленные одновременной обработкой двух разнородных по свойствам материалов: сверхтвёрдого нитрид-титанового покрытия (микротвёрдость Hµ = 21…25 ГПа) и более мягкого титанового сплава ВТ8М (микротвёрдость Hµ = 1,2 … 1,5 ГПа). При одновременной обработке двух материалов разной твёрдости их обработка инструментом (полировальным кругом) должна вестись по более твёрдому материалу (покрытию). Это вызвано тем, что для обработки покрытия требуется усилие прижатия полировального круга в 2-3 раза большее, чем для обработки титанового сплава. В момент полного удаления покрытия возможен провал на материал титанового сплава, так как контактное давление круга на сплав должно быть значительно меньше. В результате обработанная поверхность пера лопатки получает значительную волнистость (горбистость). При подстроечном полировании должно преобладать абразивное резание. В целом процесс полирования характеризуется абразивными, химическими процессами, а также процессами пластической деформации и теплового воздействия.

9. Предварительная размерная полировка поверхностей лопатки. На этом этапе производится восстановление геометрии лопатки, нарушенной в процессе эксплуатации или предыдущих обработок. В данном случае должна преобладать абразивная обработка. Эта операция выполняется после контроля геометрии лопаток. Параметр шероховатости: Ra = 0,4 … 0,16 мкм.

10. Контроль геометрии лопаток.

11. Окончательное доводочное полирование элементов пера лопатки. Для нанесения вакуумного ионно-плазменного покрытия элементы и поверхности пера лопатки должны быть подготовлены и иметь шероховатость поверхности Ra = 0,100 … 0,063 мкм. На этом этапе возможны три случая обработки:

1. При обработке только основного материала лопатки (титановый сплав ВТ8М) преобладает пластическая деформация материала.
2. При обработке только покрытия (нитрид титана) преобладает сочетание химических процессов и микропластической деформации.
3. При совместной обработке двух материалов (основного и покрытия) применяется подстроечное полирование.

12. Предварительное приглаживание (зеркальное доводочное полирование) покрытия и/или основного материала пера лопатки. На этом этапе преобладает сочетание химических, тепловых процессов и микропластической деформации. Параметры шероховатости на данной операции: Ra = 0,050 … 0,032 мкм.

13. Ультразвуковая промывка лопаток. На поверхности пера лопатки присутствуют загрязнения и оксиды, которые должны быть удалены. Процесс осуществляется ультразвуковой обработкой в специальных ваннах. Источником ультразвуковых колебаний является установка УЗГ3-4 с магнитострикционным преобразователем ПМС 2,5-18. В качестве рабочей жидкости используется раствор следующего состава: технический тринатрийфосфат - 30-40 г/л; техническая кальцинированная сода - 20-30 г/л; поверхностно-активное вещество ОП-7 или ОП-10 - 3,5 г/л. Температура раствора 50-60?С. После этого производится промывка лопаток в проточной воде.

14. Протирка пера лопатки бензином, ацетоном и спиртом. Сначала лопатка продувается бензином "Галоша" (БР-1) по ГОСТ 443-76, затем эфиром, после чего производится продувка этиловым ректификованным спиртом.

15. Азотирование рабочих поверхностей лопатки. Азотирование необходимо для упрочнения материала лопатки и обеспечения требуемых структурно-фазовых свойств материала после эксплуатации. Азотирование лопаток компрессора целесообразно проводить следующими методами:

1. 15.1. Ионное азотирование в тлеющем разряде.
2. 15.2. Азотирование в вакуумно-дуговых разрядах.

Эти процессы реализуются на вакуумных ионно-плазменных установках, например, ННВ 6.6-И1. Использование таких установок позволяет наносить ионно-плазменное покрытие сразу после азотирования. Этап азотирования в данном технологическом процессе не является обязательным и может быть пропущен.

16. Нанесение вакуумного ионно-плазменного покрытия на поверхности пера лопатки. Процесс нанесения покрытия реализуется на вакуумных ионно-плазменных установках, например, ННВ 6.6-И1. Основные стадии процесса нанесения покрытия:

16.1. Очистка поверхностей лопатки ионным травлением в газовом разряде.

16.2. Очистка поверхностей ионной бомбардировкой и нагрев лопаток.

16.3. Нанесение покрытия на поверхности лопатки. Процесс нанесения покрытия может быть многовариантным (варианты 1, 2, 3, …, R). Это могут быть однослойные и многослойные покрытия, одноэлементные (типа TiN, TiC) и многокомпонентные (типа (Ti,Al)N, (Ti,Zr)N), сложные (типа TiCN, ZrCN), а также композиционные покрытия (типа (Ti,Al)CN, (Ti,Zr)CN). Кроме того, для повышения стойкости покрытия к коррозионным и эрозионным процессам при эксплуатации лопаток рекомендуется использовать функционально-ориентированное покрытие [6].

17. Выгрузка лопаток.

18. Окончательное приглаживание (зеркальное доводочное полирование) покрытия. На этом этапе преобладает сочетание химических процессов, пластической и микропластической деформации. Параметры шероховатости: Ra = 0,040 … 0,020 мкм.

19. Общий контроль лопаток.Представленная структура технологического процесса восстановления лопаток компрессоров ГТД является универсальной. На основе этой структуры выбирается конкретный вариант процессов восстановления лопатки.

Выводы

Выводы

Таким образом, проведенные исследования позволили достичь следующих результатов:

1. В работе проанализированы особенности коррозионных и эрозионных повреждений лопаток ГТД с ионно-плазменными покрытиями. Установлено, что эти повреждения носят закономерный характер. Для повышения стойкости лопаток к коррозионно-эрозионному разрушению предложено наносить функционально-ориентированные покрытия.
2. Разработана универсальная структура технологического процесса восстановления лопаток компрессоров ГТД для повышения эффективности их ремонта. Разработанный процесс структурирован на 5 основных этапов, каждый из которых имеет определенные технологические особенности. Установлено, что для обеспечения высокой адгезионной прочности (до 250 МПа) вновь формируемых слоев покрытия как с неудаленными покрытиями на поверхности пера, так и с материалом лопатки (основой), необходимо выполнять предварительное приглаживание (зеркальное доводочное полирование) покрытий и/или основного материала пера лопатки до параметра шероховатости Ra = 0,050 … 0,032 мкм.
3. В работе предложена схема формирования многослойного функционально-ориентированного покрытия на лопатках компрессора ГТД. Разработана схема создания структуры многослойного покрытия на рабочих элементах пера лопатки.
4. В представленной работе проанализированы структурные варианты покрытий, обеспечивающие повышение уровня ремонтопригодности лопаток компрессоров ГТД, и даны рекомендации по формированию структуры технологического процесса восстановления лопаток компрессоров ГТД.

Литература

1. Демин Ф.И., Проницичев Н.Д., Шитарев И.Л. Технология изготовления основных деталей газотурбинных двигателей: Учеб. пособие. – М.: Машиностроение, 2002. – 328 с. ISBN 5-217-03119-0. Полетаев В.А. Те
2. Полетаев В.А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей. – М.: Машиностроение, 2006. – 256 с. ISBN 5-217-03340-1.
3. Абраимов Н.В., Елисеев Ю.С. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 622 с. ISBN 5-89594-066-8.
4. Богуслаев В.А., Качан А.Я., Долматов А.И., Мозговой В.Ф., Кореневский Е.Я. Технология производства авиационных двигателей. Ч. 1. Основы технологии. – Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2007. – 518 с. ISBN 966-87-2.
5. Богуслаев В.А., Яценко В.К., Жеманюк П.Д., Пугальская Г.В., Павленко Д.В., Бень В.П. Отделочно-упрочняющая обработка деталей ГТД. – Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2005. – 559 с. ISBN 966-7108-91-0.
6. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с. ISBN 966-7907-24-4.