Патент на изобретение №2169639

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ КОЛЕС ГАЗОВЫХ ТУРБИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к порошковой металлургии и энергетическому машиностроению и может быть использовано для производства рабочих колес (роторов) газовых турбин, работающих в агрессивных средах, условиях высокоскоростного газового потока и перепада температур. Способ включает горячее изостатическое прессование металлических гранул, при этом сначала изготавливают диск, горячее изостатическое прессование металлических гранул проводят в две стадии с последующей термической обработкой, а затем диск подвергают электроэрозионному прожиганию с образованием рабочих лопаток и формированием проточной части, наносят на диск с лопатками слой никелевого покрытия с последующим отжигом, а затем металлокерамическое покрытие с последующим обжигом. Диск изготавливают из гранул сплава на основе никеля, полученных распылением электрода, выполненного из этого сплава, горячее изостатическое прессование осуществляют в газостате, термическую обработку диска проводят путем закалки с последующим старением, обеспечивающим полное выделение ¹ -фазы, нанесение слоя никелевого покрытия осуществляют любым электрофизическим методом, а нанесение металлокерамического покрытия – методом окунания. Изобретение позволяет достичь необходимых механических свойств и стойкости в агрессивных средах при работе в экстремальных условиях при наличии вибрации. 4 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к производству рабочих колес газовых турбин, работоспособных в агрессивных средах, условиях высокоскоростного газового потока и перепада температур.

Рабочее колесо газовой турбины включает в себя диск с расположенными на нем лопатками. При работе в экстремальных условиях материал колеса подвергается воздействию значительных динамических нагрузок и термическим напряжениям, поэтому он должен обладать высокими механическими свойствами и быть достаточно коррозионно-стойким в агрессивных средах.

Известен способ изготовления монолитного рабочего колеса газовой турбины (авт. свид. СССР N 198871), включающий изготовление диска методом горячей деформации, например штамповкой с последующими его термообработкой для снятия напряжений в металле и электроэрозионной обработкой в электролите с получением лопаток и проточной части.

Однако недостатком данного способа является наличие анизотропии свойств и крупного зерна в материале изделия, что ограничивает его усталостную прочность и снижает его работоспособность в экстремальных условиях.

Известен способ изготовления рабочих колес газовых турбин (дисков с лопастями) методом горячего изостатического прессования порошка из высокопрочного коррозионно-стойкого материала (US 5234661 A, B 22 F 5/04, 1993). Способ включает размещение в полости газонепроницаемой формы стержня, выполненного с каналами, имеющими профиль, соответствующий индивидуальным лопаткам или лопастям, заполнение полости порошком для соединения лопаток или лопастей как единой монолитной заготовки, ее горячее изостатическое прессование, удаление стержня и заготовки из формы.

Данный способ позволяет получить в материале рабочего колеса изотропные свойства и мелкое зерно, однако не обеспечивает получение точно заданной геометрии каналов проточной части, а также достижение необходимых механических свойств и стойкости в агрессивных средах для работы в экстремальных условиях при наличии вибрации.

Задача изобретения – создание рабочего колеса газовой турбины, работоспособного в условиях вибрации, резкого перепада температур, высокого давления и скорости газа, а также агрессивной окислительной среды.

Задача решена за счет того, что сначала изготавливают диск рабочего колеса горячим изостатическим прессованием металлических гранул в две стадии с последующей термической обработкой, а затем его подвергают электроэрозионному прожиганию с образованием рабочих лопаток с формированием проточной части, далее на диск с лопатками наносят слой никелевого покрытия с последующим отжигом, а затем – двухслойное металлокерамическое покрытие с последующим обжигом после каждого нанесения слоя. Диск изготавливают из гранул сплава на основе никеля, полученных распылением электрода, выполненного из этого сплава. Горячее изостатическое прессование осуществляют в газостате, обеспечивающем получение беспористых заготовок. Термическую обработку диска проводят путем закалки с последующим старением, обеспечивающим полное выделение -фазы. Нанесение слоя никелевого покрытия осуществляют любым электрофизическим методом, например электродуговым, а нанесение металлокерамического покрытия – методом окунания.

Технический результат – получение рабочего колеса газовой турбины точных геометрических размеров, обладающего достаточно высокими механическими свойствами и стойкостью в агрессивной среде для работы в экстремальных условиях.

Способ согласно изобретению осуществляют следующим образом.

Заготовку в форме дисков со ступицей изготавливают методом горячего изостатического прессования в газостате гранул (порошка) никелевого сплава при высоких температуре и давлении инертного газа. Прессование осуществляют в капсулах. Гранулы получают методом распыления электрода, выполненного из никелевого сплава. В качестве исходного материала могут быть использованы также и высоколегированные и коррозионно-стойкие стали, обладающие повышенной усталостной прочностью. Использование исходного материала в виде гранул обеспечивает исключение ликвации в сплаве и получение изотропных механических свойств во всем объеме заготовки после горячего прессования в газостате. Горячее прессование производят в две стадии с целью получения беспористой заготовки. Далее диски в капсулах подвергают термической обработке в электропечах: закалке с последующим старением с целью максимального выделения упрочняющей -фазы определенной морфологии. Осуществляют контроль механических свойств металла: прочность, пластичность, длительную прочность. Диски, прошедшие контроль, подвергают электроэрозионной обработке в электролите с целью прожигания на них лопаток заданного профиля и формирования проточной части с последующей электрохимической обработкой. В результате получают рабочие колеса газовой турбины.

Для повышения стойкости колеса в агрессивных окислительных средах все его детали покрывают защитным покрытием. Для этого сначала на поверхность колеса наносят слой никелевого покрытия, а затем на него – двухслойное металлокерамическое покрытие. Никелевое покрытие наносят любым электрофизическим методом, например электродуговым или осаждением из газовой фазы. Металлокерамическое покрытие наносят путем окунания изделия в жидкую смесь, содержащую до 50% никелевого порошка и окислы других металлов. После нанесения никелевого покрытия проводят отжиг для получения адгезии покрытия, после нанесения каждого слоя металлокерамического покрытия проводят обжиг при режимах, обеспечивающих оптимальные условия формирования металлокерамики.

Ниже приведены примеры осуществления данного способа.

Пример 1
В качестве исходного материала использовали гранулы дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе марки ЭП-741НП. Гранулы получали путем распыления вращающегося электрода, выполненного из этого сплава, под воздействием плазмы в атмосфере аргона. Горячее изостатическое прессование диска осуществляли в газостате при температуре до 1000^oC и под давлением до 1500 атм. Скомпактированные диски в капсулах подвергали закалке с охлаждением на воздухе, а затем – старению с охлаждением на воздухе. Далее изготавливали лопатки и проточную часть колеса путем прожигания диска.

Для защиты рабочего колеса от воздействия агрессивной среды на все детали наносили защитное покрытие. Для этого вначале наносили слой никелевого покрытия толщиной до 100 мкм электродуговым методом с последующим отжигом при температуре до 800^oC, а затем – металлокерамическое покрытие толщиной до 80 мкм с последующим обжигом при температуре 105010^oC.

Полученное рабочее колесо газовой турбины было исследовано для определения механических свойств в различных направлениях при комнатной и температуре 650^oC. Анализ показал, что свойства изотропны во всех направлениях и соответствуют требуемым значениям.

В результате металлографического анализа выявлено, что структура металла имеет мелкое равноосное зерно, размер которого не превышает 60 мкм.

Исследования на усталостную прочность показали, что изделие сохранило свойства при 110⁷ циклов испытания.

При испытании изделия в агрессивной среде, содержащей кислород, не выявлены какие-либо дефекты.

Пример 2
При изготовлении рабочего колеса газовой турбины был использован тот же исходный материал, что и в примере 1. Режимы горячего прессования дисков в газостате и термообработки заготовок аналогичны режимам, описанным в примере 1. Рабочие лопатки изготавливали аналогично описанному режиму в примере 1. На все детали изготовленного рабочего колеса наносили слой никелевого покрытия методом осаждения из газовой фазы при разложении карбонила никеля толщиной до 200 мкм с последующим отжигом при температуре до 1000^oC. На полученное никелевое покрытие наносили металлокерамическое покрытие толщиной до 30 мкм с последующим обжигом при температуре 105010^oC.

При проведении аналогичных исследований полученного изделия обнаружено, что его материал имеет те же свойства, что и изделие, изготовленное по технологии примера 1. При испытаниях в агрессивной среде, содержащей кислород, дефекты не обнаружены.

Формула изобретения

1. Способ изготовления рабочего колеса газовой турбины, содержащего диск с лопатками, путем горячего изостатического прессования металлических гранул, отличающийся тем, что сначала изготавливают диск, при этом горячее изостатическое прессование металлических гранул проводят в две стадии с последующей термической обработкой, а затем диск подвергают электроэрозионному прожиганию с образованием рабочих лопаток и формированием проточной части, наносят на диск с лопатками слой никелевого покрытия с последующим отжигом, а затем металлокерамическое покрытие с последующим обжигом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диск изготавливают из гранул сплава на основе никеля, полученных распылением электрода, выполненного из этого сплава.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование осуществляют в газостате, обеспечивающее получение беспористых заготовок.

4. Способ по любому из пп.1 – 3, отличающийся тем, что термическую обработку диска проводят путем закалки с последующим старением, обеспечивающим полное выделение ¹-фазы.

5. Способ по любому из пп.1 – 4, отличающийся тем, что нанесение слоя никелевого покрытия осуществляют любым электрофизическим методом, а нанесение металлокерамического покрытия – методом окунания.