Разработка технологии восстановления лопаток газотурбинного двигателя из жаропрочного сплава методом лазерной наплавки

1. Тема диссертации: «Разработка технологии восстановления лопаток газотурбинного двигателя из жаропрочного сплава методом

Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
Пермский национальный политехнический университет
Тема диссертации:
«Разработка технологии
восстановления лопаток
газотурбинного двигателя из
жаропрочного сплава методом
лазерной импульсной наплавки»
Направление подготовки: 15.06.01
«Машиностроение»
Специальность: 05.02.10 «Сварка, родственные
процессы и технологии»
Аспирант 3 курса: Старков И.Н.
Научный руководитель: д.т.н., профессор Ольшанская Т.В.

2. Актуальность исследования

Большие затраты на изготовление изделий
• Длительное изготовление методом механической обработки изделий
из жаропрочных сталей типа фланца, шпангоута, кольцевых
заготовок с внешними ребрами жесткости
• Низкий коэффициент использования материала
• Для единичных изделий индивидуальный заказ заготовок, что
приводит огромным затратам на подготовку к производству
Длительные сроки поставки заготовок
• Срок поставки поковок до 6 месяцев
Отсутствие технологии выращивания изделий
• Отсутствие в КД допустимости выращивания электронным лучом
• Отсутствие сведений по выращиванию электронным лучом
жаропрочных сталей

3. Объект и предмет исследования

Объектом исследования является:
• Технологии изготовления изделий из
жаропрочных материалов
Предметом исследования является:
• Технология послойного выращивания
изделий из жаропрочных сталей с помощью
электронного луча

4. Цель и задачи исследования

Цель исследования:
• Разработка технологии послойного выращивания изделий из жаропрочных
сталей с помощью электронного луча.
Задачи исследования:
• Анализ существующих технологий послойного выращивания изделий.
• Выбор композиции оборудования для выращивания с помощью электронного
луча для выращивания.
• Исследование качества выращенных образцов: структуры, механических
свойств, химического состава.
• Исследование испарения химических элементов при выращивании и
разработка технологии защиты стенок вакуумной камеры от напыления.
• Разработка технологии послойного выращивания изделий из жаропрочных
сталей с помощью электронного луча.
• Внедрение разработанной технологии в производство изделий.

5. Научная новизна

• Возможность выращивания изделий из жаропрочных сталей с
получением механических свойств, не хуже основного материала
• Возможность выращивания изделий из жаропрочных сталей с
минимальных выгоранием химических элементов
• Возможность химической очистки устройства защиты стенок
вакуумной камеры от оседающих паров металлов
• Установлена зависимость режимов выращивания на выгорания
элементов

6. Практическая значимость

• Разработана технология послойного выращивания для изделий из
жаропрочных сталей (например, 07Х12НМБФ-Ш) с получением
механических свойств не хуже основного материала.
• Разработана конструкция защиты стенок камеры от оседания паров
металлов при выращивании и разработана технология очистки
данной конструкции.
• Разработаны требования к проволоке для выращивания изделий.

7.

Оборудование для проведения
исследований ТЕТА 6Е250-НЕ
Наименование
параметра
Мощность луча
Размеры вакуумной
камеры
Ускоряющее напряжение
Значение
6 кВт
500х500х500 мм
60 кВ
Ток луча
0-100 мА
Тип катода
Прямого/косвенного
накала
Время откачки до
рабочего вакуума
10 минут
Размеры стола
160х200 мм
Скорость перемещения по
осям X, Y, Z
0,1-40 мм/с

8. Виды газотурбинных двигателей

Большие затраты на изготовление изделий
• Длительное изготовление методом механической обработки изделий
из жаропрочных сталей типа фланца, шпангоута, кольцевых
заготовок с внешними ребрами жесткости
• Низкий коэффициент использования материала
• Для единичных изделий индивидуальный заказ заготовок, что
приводит огромным затратам на подготовку к производству
Длительные сроки поставки заготовок
• Срок поставки поковок до 6 месяцев
Отсутствие технологии выращивания изделий
• Отсутствие в КД допустимости выращивания электронным лучом
• Отсутствие сведений по выращиванию электронным лучом
жаропрочных сталей

9. Двухконтурный турбореактивный двигатель НК-23

10. Лопатки КВД 5-7 ступень

11. Разработка технологии восстановления лопаток КВД 5-7 ступень

12. Лопатки рабочая ТВД

13. Разработка технологии восстановления лопатки рабочей ТВД

14. Двухконтурный турбореактивный двигатель для ГПА ПС-90-ГП-2

15. Лопатки свободной турбины 1-3 ст.

16. Двухконтурный турбореактивный двигатель для ГПА НК-16СТ

17. Лопатки соплового аппарата 1 ступени

18. Разработка технологии восстановления лопатки соплового аппарата 1 ступени

19. Турбовальный двигатель ТВ2-117

• Разработан в 1964 г. в
ОКБ-117 им. В.Я. Климова
• Эксплуатируется в двух
модификациях А и АГ
Двигатель ТВ2-117 в сборе
с главным редуктором ВР-8А
• Устанавливается на
вертолете Ми-8

20. Лопатки соплового аппарата 1 ступени

21. Турбовальный двигатель ТВ3-117

• Разработан в 1965…1972 гг. в
ОКБ-117 им. В.Я. Климова
• Выпускается в двух
модификациях ВМ и ВМА
Установленный двигатель
ТВ3-117 на вертолете Ми-8
• Устанавливается на вертолетах
Ми-8МТВ, Ми-17, Ка-32 и др.

22. Лопатка турбины компрессора 2 ступени

23. Разработка технологии восстановления лопатки турбины компрессора 2 ступени

24. Лопатки ротора свободной турбины 1 и 2 ступени

Лопатка 1 ступени
Износ «гребешков»
Средняя наработка лопаток с износом
«гребешков» от 4500 часов
•ППР двигателя составляет 1500 часов
Причина дефекта - взаимодействия с
металлокерамическими обоймами соплового аппарата
Лопатка 2 ступени
Количество лопаток 1 и 2 ступени в роторе – 51 и 63
соответственно
Материал лопаток – хромоникелевый деформируемый сплав ЭИ437Б (ХН77ТЮР)

25. Опытная наплавка «гребешков» лопаток свободной турбины 1 и 2 ступени

Наименование
параметра
Значение
Рабочее напряжение
290 В
Длительность импульса
5 м/с
Частота импульса
25 Гц
Форма импульса
Плавный спад
Режим лазера
Частотный
Энергия импульса
13 Дж
Результат металлографического
анализа
Результаты наплавки «гребешков» 1 ступени
Наименование
параметра
Значение
Толщина «гребешка»
до наплавки
0,8-0,9 мм
Толщина «гребешка»
до наплавки
1,0-1,1 мм
1,3-1,5 мм
Толщина «гребешка»
после наплавки
1,5-1,6 мм
Рабочее напряжение
310 В
Длительность импульса
5 м/с
Толщина «гребешка»
после наплавки
Частота импульса
25 Гц
Высота наплавки
Форма импульса
Плавный спад
Режим лазера
Частотный
Энергия импульса
13 Дж
Результаты наплавки «гребешков» 2 ступени
5 мм
Высота наплавки
4 мм
Размеры ЗТВ
0,3-0,5 мм
Размеры ЗТВ
0,3-0,5 мм
Микротвердость
основного материала
330-340 HV
Микротвердость
основного материала
365-385 HV
Микротвердость
наплавки
300-330 HV
Микротвердость
наплавки
321-380 HV
Присадочный материал – проволока 0,6 мм марки ЭП533