Патент на изобретение №2305027

(54) СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к восстановлению поврежденных деталей, в частности к устранению трещин в поверхностном слое детали, и может быть использовано в авиадвигателестроении и других областях техники. Деталь нагревают в газовой среде, содержащей хлориды никеля, при температуре не ниже 970°С. После нагрева проводят алитирование или хромоалитирование при температуре не ниже 400°С и затем осуществляют пластическую деформацию газовой средой под давлением не ниже 30 МПа при температуре не ниже 600°С. Перед нагревом поверхность детали очищают термической вакуумной обработкой при температуре не ниже 1050°С. Поверхность детали дополнительно очищают абразивной обработкой. Данный способ позволяет повысить надежность и ресурс работы восстановленных деталей. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к восстановлению поврежденных деталей, в частности к способам устранения трещин в поверхностном слое детали, возникающих как при эксплуатации деталей, так и при их изготовлении, и может быть применено в авиадвигателестроении и других областях техники.

Известен способ устранения трещин в поверхностном слое детали, включающий нагрев детали в муфельной печи и последующее оплавление трещины лазерно-дуговым источником (см. патент RU №2056253, кл. В23Р 6/04, опубл. 20.03.1996).

Однако детали, восстановленные данным способом, имеют низкие надежность и ресурс, так как при оплавлении трещины лазерно-дуговым источником образуется жидкая фаза, которая при охлаждении сопровождается образованием микротрещин в твердеющем участке. Кроме того, данный способ имеет ограниченное применение, так как позволяет устранять трещины в деталях простой формы; данный способ, например, не позволяет устранять трещины в отверстиях и полостях таких деталей, как охлаждаемые лопатки газовых турбин.

Технический результат данного изобретения – повышение надежности и ресурса работы восстановленных деталей.

Технический результат достигается тем, что в способе устранения трещин в поверхностном слое детали, включающем нагрев детали, согласно изобретению нагрев осуществляют при температуре не ниже 970°С в газовой среде, содержащей хлориды никеля, после нагрева проводят алитирование или хромоалитирование при температуре не ниже 400°С и затем осуществляют пластическую деформацию алитированного или хромоалитированного слоя газовой средой под давлением не ниже 30 МПа при температуре не ниже 600°С.

Нагрев детали осуществляют при температуре не ниже 970°С в газовой среде, содержащей хлориды никеля. При таких температурах хлористые соединения никеля и продуктов диссоциации NiCl₂ находятся в газообразном состоянии. Газовая среда вступает в обменные реакции с химическими элементами металла на поверхности детали, и происходит очистка поверхности, в том числе поверхностей трещин, и насыщение тонкого поверхностного слоя атомами никеля. Поверхность детали приобретает после никелирования серебристый металлический цвет и обладает высокой активностью, при этом трещины очищены от нежелательных примесей, препятствующих устранению трещин при последующей термической обработке детали (например, алитирование или хромоалитирование). При указанных температурах уменьшается твердость поверхностного слоя с 360 кг/мм² до 210 кг/мм² и увеличивается его пластичность. При температурах ниже 970°С при давлении в камере не ниже 10 Па дихлорид никеля находится в твердом состоянии и его содержание в газовой фазе незначительно, диффузионные процессы в поверхностном слое сильно заторможены и процесс диффузионного никелирования затруднен.

Процесс алитирования или хромоалитирования проводят при температуре не ниже 400°С. При таких температурах происходит насыщение поверхностного слоя детали алюминием. При температуре ниже 400°С невозможно сформировать алитированный слой. Верхний предел температуры ограничен температурой гомогенизации сплавов.

В зависимости от условий эксплуатации изделия, в каждом конкретном случае, выбирают насыщать поверхность детали алюминием (алитирование) или алюминием с хромом (хромоалитирование). При высоких термомеханических нагрузках целесообразно использовать хромоалитирование, а при низких – достаточно использовать алитирование.

Пластическую деформацию алитированного или хромоалитированного слоя осуществляют газовой средой под давлением не ниже 30 МПа при температуре не ниже 600°С. При таких параметрах алюминиды никеля переходят из хрупкого в пластическое состояние и заполняют пустоты в трещинах, устраняя концентраторы напряжений и вероятность образования усталостных трещин при воздействии циклически меняющихся температур и напряжений в процессе эксплуатации деталей. При других параметрах процесса слой покрытия находится в условиях низкой пластичности и высокой хрупкости, что препятствует реализации самой возможности устранения (залечивания) трещин.

Верхние границы температуры ограничены температурой гомогенизации сплавов. Верхние границы давления ограничены конструкцией оборудования для осуществления пластической деформации (180-200 МПа).

Перед нагревом поверхность детали можно очищать термической вакуумной обработкой при температуре не ниже 1050°С, что позволяет очистить от загрязнений не только поверхность детали, но стенки трещины. Термическую вакуумную обработку проводят при температуре не ниже 1050°С, так как при температурах 1050°С и выше происходит испарение загрязняющих фракций технологического происхождения, в результате чего и осуществляется очистка. При температуре ниже 1050°С не возможно очистить детали в вакууме, так как не возможен процесс испарения загрязняющих фракций. Верхний предел температуры ограничен температурой гомогенизации сплавов.

Поверхность детали можно дополнительно очищать абразивной обработкой, что позволяет дополнительно очистить поверхность детали.

Способ реализуется следующим образом.

Реализация способа рассмотрена на примере устранения трещин, возникающих при изготовлении отверстий для охлаждающего воздуха в турбинных лопатках газотурбинного двигателя.

Отверстия в лопатках (деталях) выполняют с использованием электроискрового разряда путем локального расплавления металла в масляных ваннах. При выполнении отверстий образуется оплавленный, слабо травящийся слой сплава толщиной до 60 мкм с измененной структурой на стенках отверстий и кристаллизационными трещинами глубиной, не выходящей за пределы оплавленного (измененного) слоя, которые являются источником развития магистральных трещин и преждевременного разрушения деталей.

При прожиге отверстий поверхность лопаток загрязняется, поэтому лопатки очищают вначале гидроабразивной (струйно-абразивной) обработкой электрокорундом, а затем термической вакуумной обработкой при остаточном давлении не выше 0,1 Па, при температуре 1050°С в течение 4 часов в электровакуумной печи. В процессе очистки исчезают структурные изменения как в поверхностном слое детали, так и в поверхностном слое на стенках отверстий лопаток, и получается светлая поверхность металла. Затем проводят нагрев (изотермическую выдержку) детали в газовой среде (газовом потоке) хлоридов никеля при температуре 1000°С в течение 3 часов. В течение этого процесса в поверхностном слое протекают обменные реакции типа:

3NiCl₂+2W=2WCl₃+3Ni,

NiCl₂+Mo=MoCl₂+Ni.

и поверхностный слой деталей (лопаток) и стенок трещин насыщается никелем. Затем лопатки подвергают алитированию в газовой среде хлоридов при температуре 1000°С в течение 3 часов, в результате чего получают плотный сплошной слой покрытия, состоящий, преимущественно, из моноалюминида никеля (NiAl) толщиной 10-30 мкм. После этого, лопатки вынимают из установки, в которой осуществляли алитирование, и устанавливают в газостат. Затем осуществляют пластическую деформацию алитированного слоя газовой средой. Для этого лопатки обрабатывают в газостате при температуре 1000°С в течение 3 часов при давлении аргона 50 МПа, в результате этой операции материал покрытия заполняет микротрещины и получают плотную структуру поверхностного слоя без концентраторов напряжений в виде микротрещин в отверстиях. Лопатки вынимают из газостата после их охлаждения до температуры 300°С и ниже.

Обработанные лопатки, например, подвергают испытаниям на термическую стойкость путем циклического нагрева и охлаждения на газодинамическом стенде по режиму – нагрев от 350°С до 1050°С за 15-20 с, выдержка при 1050°С 10-15 с и охлаждение до 350°С 15-20 с.

Данным способом можно устранять трещины в поверхностном слое – слое толщиной до 100 мкм. Детали с трещинами глубиной больше толщины поверхностного слоя восстановлению не подлежат.

Реализация способа рассмотрена на примере устранения трещин, появляющихся при изготовления отверстий в детали. Способ устранения трещин, возникающих в процессе эксплуатации, аналогичен вышеописанному. В связи с тем, что лопатки являются ответственными деталями газотурбинного двигателя, для устранения трещин необходимы все операции, характеризующие признаками всех пунктов формулы. На менее ответственных деталях, деталях не сложной формы, в зависимости от условий эксплуатации или от условий изготовления, достаточно операций, характеризующихся признаками только первого пункта формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ устранения трещин в поверхностном слое детали, включающий нагрев детали, отличающийся тем, что нагрев осуществляют при температуре не ниже 970°С в газовой среде, содержащей хлориды никеля, после нагрева проводят алитирование или хромоалитирование при температуре не ниже 400°С и затем осуществляют пластическую деформацию алитированного или хромоалитированного слоя газовой средой под давлением не ниже 30 МПа при температуре не ниже 600°С.

2. Способ устранения трещин по п.1, отличающийся тем, что перед нагревом поверхность детали очищают термической вакуумной обработкой при температуре не ниже 1050°С.

3. Способ устранения трещин по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что поверхность детали дополнительно очищают абразивной обработкой.