RU2419526C1 - Method of repairing surface defects of gas turbine blade body - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention may be used for repair of parts made from high-alloy refractory steels and alloys in aircraft engineering, ship building and power engineering. Turbine blade body is, first, conditioned for powder to be applied thereon by microplasma evaporation, said powder containing 70% of nickel-based filler and 30% of high-temperature solder. High-temperature soldering is carried out. Blade body section, a transverse strip covering section to be repaired, is heated by scanning electron beam to solder solidus temperature all over blade thickness. Then, repaired section is heated to temperature 100°C-120°C higher than solder solidus temperature and said temperature is maintained in pulsed mode for 1 minute. Note here that intermittent heating is performed for 5-7 s and temperature is reduced to 1000°C and maintained for 10-15 s.

EFFECT: complete recovery of parts shape, higher efficiency of repair and longer life of recovered parts.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области ремонта деталей, в частности к способам ремонта деталей из высоколегированных жаропрочных сталей и сплавов, и может найти применение в авиационной и судостроительной промышленности, а также в энергетическом машиностроении.The invention relates to the field of repair of parts, in particular to methods of repair of parts from high alloy heat-resistant steels and alloys, and can find application in the aviation and shipbuilding industries, as well as in power engineering.

Известен способ ремонта поверхностных дефектов деталей газотурбинных двигателей (ГТД) - патент RU 2240214 С1, 20.11.2004, включающий очистку ремонтируемой поверхности изделий, нанесение на нее наполнителя в виде пасты на основе металлического порошка с органическим связующим, высокотемпературную вакуумную пайку с последующей гомогенизацией изделия с композиционным наплавочным покрытием и окончательную механическую обработку изделий. До нанесения наполнителя в виде пасты на ремонтируемую поверхность наносят гибкий наполнитель из никелевой сетки со спеченным слоем гранул, выполненных из жаропрочного никелевого сплава. После нанесения наполнителя в виде пасты производят спекание наполнителей с изделием в вакууме и последующее нанесение на слой наполнителей жаропрочного припоя на никелевой основе. Гранулы, спекаемые с никелевой сеткой, располагают в один слой, они являются однородными по размеру. Наполнитель в виде пасты состоит из порошка жаропрочного никелевого сплава, имеющего размер частиц в 2,5-3 раза меньше, чем размер гранул, спеченных с никелевой сеткой. Высокотемпературную вакуумную пайку осуществляют по режиму термовакуумной обработки основного материала с возможным проведением ее одновременно с гомогенизацией композиционного наплавочного покрытия.A known method of repairing surface defects of parts of gas turbine engines (GTE) - patent RU 2240214 C1, 11/20/2004, including cleaning the repaired surface of the product, applying filler in it in the form of a paste based on metal powder with an organic binder, high-temperature vacuum soldering followed by homogenization of the product with composite surfacing coating and final machining of products. Before applying the filler in the form of a paste, a flexible filler of nickel mesh with a sintered layer of granules made of heat-resistant nickel alloy is applied to the surface to be repaired. After applying the filler in the form of a paste, the fillers are sintered with the product in vacuum and then applied to the filler layer with heat-resistant solder on a nickel basis. Pellets sintered with a nickel mesh are placed in one layer; they are uniform in size. The paste filler consists of a powder of heat-resistant nickel alloy having a particle size of 2.5-3 times smaller than the size of granules sintered with a nickel mesh. High-temperature vacuum soldering is carried out according to the thermal vacuum treatment of the base material with the possibility of carrying out it simultaneously with the homogenization of the composite overlay coating.

Данный способ не позволяет устранять эксплуатационные дефекты на ремонтируемых поверхностях типа раковин, забоин, локальных износов трущихся поверхностей, которые в процессе пайки могут располагаться в вертикальном и потолочном положениях, а также не обеспечивает получения стабильных паяных соединений со сплошностью ≤1,5%.This method does not allow to eliminate operational defects on repaired surfaces such as shells, nicks, local wear of rubbing surfaces, which during soldering can be located in vertical and ceiling positions, and also does not provide stable soldered joints with a continuity of ≤1.5%.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ ремонта поверхностных дефектов пера лопаток турбины ГТД, раскрытый в патенте RU 2310551 С2, 10.06.2007, включающий зачистку ремонтируемого участка, нанесение на нее расплавленного порошка, состоящего из припоя и наполнителя жаростойкого материала с последующей высокотемпературной пайкой и механообработкой.The closest technical solution, selected as a prototype, is a method for repairing surface defects of a feather of a turbine engine turbine blade, disclosed in patent RU 2310551 C2, 06/10/2007, including cleaning the repaired area, applying molten powder to it, consisting of solder and filler of a heat-resistant material with subsequent high-temperature soldering and machining.

Способ предусматривает использование при наплавке порошкового материала, состоящего из 20% припоя и 80% наполнителя. Однако при этом в зоне наплавки были обнаружены горячие трещины, обусловленные химическим составом наплавляемого материала.The method involves the use in the surfacing of a powder material consisting of 20% solder and 80% filler. However, hot cracks were discovered in the surfacing zone due to the chemical composition of the deposited material.

Задачей заявляемого способа является повышение качества восстановления лопаток и в соответствии с этим повышение эксплуатационных свойств лопатки после ее восстановления.The objective of the proposed method is to improve the quality of restoration of the blades and in accordance with this increase the operational properties of the blade after its restoration.

Техническим результатом, обеспеченным решением указанной задачи, является получение прочности соединения в зоне ремонтируемого участка, приближенного к прочности сварного соединения.The technical result provided by the solution of this problem is to obtain the strength of the joint in the area of the repaired area, close to the strength of the welded joint.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в способе ремонта поверхностных дефектов пера лопаток турбины ГТД, включающем зачистку ремонтируемого участка, нанесение на него микроплазменным напылением порошкового материала, состоящего из припоя и наполнителя из жаростойкого материала с последующей высокотемпературной пайкой и механообработкой, в отличие от прототипа при пайке часть пера лопатки в виде поперечной полосы, захватывающей ремонтируемый участок, прогревают сканирующим электронным лучом до температуры солидуса припоя и выравнивают эту температуру по толщине лопатки, после чего производят нагрев ремонтируемого участка на 100-120°С выше температуры ликвидуса припоя и поддерживают указанную температуру импульсами в течение 1 мин, при этом используют порошковый материал, содержащий 70% наполнителя на никелевой основе и 30% высокотемпературного припоя.The specified technical result is ensured due to the fact that in the method of repairing surface defects of the pen of the turbine engine blades, including cleaning the repaired area, applying microplasma spraying of a powder material consisting of solder and filler from a heat-resistant material followed by high-temperature soldering and machining, in contrast to when soldering, a portion of the feather blade in the form of a transverse strip capturing the repaired area is heated with a scanning electron beam to temperatures the solus solidus and equalize this temperature with the thickness of the blade, after which the repair area is heated 100-120 ° C above the liquidus temperature of the solder and the indicated temperature is maintained by pulses for 1 min, using powder material containing 70% filler on a nickel base and 30% high temperature solder.

Кроме того, поддержание температуры ремонтируемого участка импульсами проводят при периодическом нагреве до температуры на 100-120°С выше Т° ликвидуса припоя в течение 5-7 секунд и снижении температуры нагрева до 1000°С с выдержкой 10-15 секунд.In addition, maintaining the temperature of the repaired area by pulses is carried out during periodic heating to a temperature of 100-120 ° C above T ° of the liquidus solder for 5-7 seconds and lowering the heating temperature to 1000 ° C with a shutter speed of 10-15 seconds.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена лопатка турбины ГТД. На пере лопатки обозначены:The invention is illustrated in the drawing, which shows the turbine blade of a turbine engine. On the shoulder blades are marked:

- ремонтируемый участок площадью S₁ шириной h,- the repaired area of area S ₁ width h,

- площадь S₂ пера лопатки с нанесенным напылением порошком,- area S ₂ pen blades coated with powder,

- прогреваемая часть лопатки в виде поперечной полосы шириной H.- the heated part of the blade in the form of a transverse strip of width H.

Пример осуществления способаAn example of the method

Ремонтировали рабочие лопатки турбины 1-й и 2-й ступени, имеющие поверхностные эксплуатационные дефекты, а также дефекты от снятия реплик при металлографических исследованиях структуры сплава ЭП539.The turbine blades of the 1st and 2nd stages were repaired, having surface operational defects, as well as defects from removing replicas during metallographic studies of the structure of the EP539 alloy.

Механическим путем разделывали дефектное место с образованием ремонтируемого участка площадью S₁. Разделанные дефекты на ремонтируемых участках лопаток контролировали методом капиллярной дефектоскопии, затем лопатки обезжиривали и ремонтируемый участок заполняли расплавленным порошковым материалом, состоящим из 30% припоя ВПр50 и 70% наполнителя ЭП539, путем напыления с применением аргонно-микроплазменной установки. Площадь S₂ пера лопатки с нанесенным напылением порошком превышала площадь ремонтируемого дефектного участка S₁.The defective place was mechanically carved to form a repaired area of S ₁ . Finished defects in the repaired sections of the blades were controlled by capillary inspection, then the blades were degreased and the repaired section was filled with molten powder material consisting of 30% VPr50 solder and 70% EP539 filler by sputtering using an argon-microplasma unit. The area S _{2 of the} feather blade of the powder sprayed blade exceeded the area of the repaired defective area S ₁ .

Нагрев ремонтируемых лопаток осуществляли в вакууме сканирующим электронным лучом. Вначале ремонтируемый дефектный участок с частью пера лопатки нагревали до температуры солидуса припоя широкой полосой, ширина которой Н в четыре раза превышает ширину ремонтируемого участка h. Это позволяет значительно уменьшить термические напряжения в пере лопатки за счет свободной деформации пера по его длине. Такая особенность прогрева продиктована еще и теплофизическими характеристиками сплава ЭП539, относящегося к жаропрочным никелевым сплавам, температура полного растворения упрочняющей фазы которых составляет около 1113°С. Поэтому температура нагреваемой поверхности лопатки не должна превышать 1080°С. Выравнивали температуру по толщине лопатки с разницей, не превышающей 10°С.The repaired blades were heated in vacuum by a scanning electron beam. Initially, the repaired defective section with a part of the feather of the blade was heated to the solder temperature of the solder with a wide strip, the width of which H is four times the width of the repaired section h. This allows you to significantly reduce thermal stresses in the blade due to the free deformation of the pen along its length. This heating feature is also dictated by the thermophysical characteristics of the EP539 alloy, which relates to heat-resistant nickel alloys, whose complete dissolution temperature of the hardening phase is about 1113 ° С. Therefore, the temperature of the heated surface of the blade should not exceed 1080 ° C. The temperature was equalized by the thickness of the blade with a difference not exceeding 10 ° C.

Затем растр сканирующего луча настраивали с превышением в 2,5 раза площадь ремонтируемого дефектного места, которое в течение 60 секунд нагревали выше температуры ликвидуса припоя на 100-120°С. При этом нагрев производили импульсно при максимально допустимой мощности в течение 5-7 сек, после чего выдерживали 10-15 сек со снижением температуры до 1000°С за счет снижения мощности сканирующего луча на 40%.Then, the scanning beam raster was tuned in excess of 2.5 times the area of the repaired defective place, which was heated to 100-120 ° C above the solder liquidus temperature for 60 seconds. In this case, the heating was performed pulsed at the maximum allowable power for 5-7 seconds, after which it was held for 10-15 seconds with a temperature decrease of up to 1000 ° C due to a decrease in the power of the scanning beam by 40%.

Импульсный нагрев производили для повышения прочности паяного соединения, чтобы в зоне контакта материала лопатки с наносимым материалом она соответствовала когезионной. Это достигалось следующим образом: при первом импульсном нагреве продолжительностью 5-7 сек нанесенный материал начинал расплавляться, а материал самой лопатки нагрелся, при этом образовывалась металлическая связь. Посредством последующего снижения мощности электронного луча на 40% и выдержке 10-15 секунд обеспечивали кристаллизацию ранее нанесенного расплавленного материала и возможность регулировки температурного поля нагрева нужной интенсивности. Повторным нагревом обеспечивали дальнейшее расплавление нанесенного материала и увеличивали тем самым диффузионную зону между нанесенным и нагреваемым материалом лопатки. В зоне соединения образуется новый сплав, по своим характеристикам близкий к наплавке аргонодуговой сваркой. Прочность такого паяного соединения приближается к прочности сварного соединения.Pulse heating was performed to increase the strength of the solder joint, so that in the zone of contact of the material of the blade with the applied material, it corresponded to cohesion. This was achieved as follows: during the first pulsed heating lasting 5-7 seconds, the deposited material began to melt, and the material of the blade itself was heated, and a metal bond formed. By subsequently reducing the power of the electron beam by 40% and holding for 10-15 seconds, crystallization of the previously deposited molten material and the possibility of adjusting the temperature field of heating of the desired intensity were provided. Reheating ensured further melting of the deposited material and thereby increased the diffusion zone between the deposited and heated material of the blade. A new alloy is formed in the joint zone, which in its characteristics is close to surfacing by argon-arc welding. The strength of such a soldered joint approaches the strength of a welded joint.

Контроль качества ремонта производили визуально и с использованием лупы 4-х кратного увеличения. Проводили механическую обработку лопатки до получения заданных конструктивных размеров. Восстановленные дефектные места лопатки после механической обработки подвергали рентгеноконтролю и капиллярной дефектоскопии. Лопатки были признаны пригодными для дальнейшей эксплуатации в составе изделия.Repair quality control was carried out visually and using a magnifier of 4-fold magnification. The blades were machined to the desired structural dimensions. The restored defective places of the scapula after mechanical processing were subjected to X-ray inspection and capillary inspection. The blades were deemed suitable for further use as part of the product.

Таким образом, предложенный способ ремонта поверхностных дефектов рабочих лопаток ГТД обеспечивает полное восстановление конструктивных размеров деталей и позволяет получить значительный экономический эффект при ремонте деталей и увеличивать их ресурс.Thus, the proposed method for repairing surface defects of GTE rotor blades provides a complete restoration of the structural dimensions of the parts and allows to obtain a significant economic effect in the repair of parts and to increase their service life.

Claims (2)

1. Способ ремонта поверхностных дефектов пера лопаток турбины ГТД, включающий зачистку ремонтируемого участка, нанесение на него микроплазменным напылением порошкового материала, состоящего из припоя и наполнителя из жаростойкого материала с последующей высокотемпературной пайкой и механообработкой, отличающийся тем, что при пайке часть пера лопатки в виде поперечной полосы, захватывающей ремонтируемый участок, прогревают сканирующим электронным лучом до температуры солидуса припоя и выравнивают эту температуру по толщине лопатки, после чего производят нагрев ремонтируемого участка на 100-120°С выше температуры ликвидуса припоя и поддерживают указанную температуру импульсами в течение 1 мин, при этом используют порошковый материал, содержащий 70% наполнителя на никелевой основе и 30% высокотемпературного припоя.1. A method of repairing surface defects of a feather of a turbine engine turbine blade, comprising cleaning the repaired area, applying to it a microplasma spraying of a powder material consisting of solder and a filler made of heat-resistant material, followed by high-temperature soldering and machining, characterized in that, when soldering, part of the feather of the blade in the form the transverse strip capturing the repaired area is heated with a scanning electron beam to the solus solidus temperature and equalize this temperature with the thickness of the blade after which the repair area is heated 100-120 ° C above the liquidus temperature of the solder and the indicated temperature is maintained by pulses for 1 min, using powder material containing 70% filler on a nickel base and 30% high-temperature solder. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддержание температуры ремонтируемого участка импульсами проводят при периодическом нагреве до температуры на 100-120°С выше Т° ликвидуса припоя в течение 5-7 с и снижении температуры нагрева до 1000°С с выдержкой 10-15 с. 2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the repaired area is maintained by pulses during periodic heating to a temperature of 100-120 ° C above T ° of the liquidus solder for 5-7 s and lowering the heating temperature to 1000 ° C with exposure 10-15 sec

Images