АНАЛИЗ ТЕРМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ СОЕДИНЕНИЯ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ КАК МЕТОДОВ РЕМОНТА И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГТД

ANALYS OF THERMAL METHODS FOR COMPOUNDING NICKEL ALLOYS AS METHODS OF REPAIR AND REGAIN OF GTE PARTS

Kirill Obukhov

а graduate student of Perm Research National Polytechnic University,

Russia, Perm

АННОТАЦИЯ

В данной работе мы рассмотрим существующие термические методы соединения никелевых сплавов как методы ремонта и восстановления деталей газотурбинных двигателей. Данный вопрос является актуальным, поскольку в настоящее время очень актуальной является проблема ремонта деталей после износа или получившихся дефектов во время их изготовления, т.к. изготовление новых деталей является очень трудоемким и дорогостоящим процессом.

В статье мы рассмотрим основные термические методы, используемые при ремонте и восстановлении первоначальных размеров деталей ГТД. Среди них: метод пайки, метод аргоно-дуговой сварки и метод лазерной наплавки. До настоящего момента методы пайки и аргоно-дуговой сварки являлись основными методами ремонта деталей, так как являлись достаточно простыми в применении и позволяли восстанавливать детали без ухудшения их характеристик. В 21 веке с усложнением конструкций авиационных двигателей, стали повышаться требования к применяемым материалам, их характеристикам и методам ремонта. Поэтому все большее развитие стали получать аддитивные технологии, в частности, лазерные технологии. Именно поэтому метод лазерной наплавки является конкурентоспособным в сложившихся обстоятельствах. Его преимущества, по сравнению с другими методами, достаточно весомы: исключает дефекты пайки и сварки и обеспечивает крепкое соединение сплавляемых материалов с минимальными дефектами, которые не влияют на работоспособность детали.

Таким образом, мы рассмотрели и обосновали необходимость и актуальность применения методов ремонта, в частности метода лазерной наплавки.

ABSTRACT

In this paper, we’ll consider the existing thermal methods of compounding nickel alloys as methods of repair and regain of gas turbine engine parts. This question is relevant, because the part repair problem after abrasion or defects resulting during their production is relevant too. The manufacturing of new parts is very time consuming and expensive process.

In this article we will discuss the main thermal methods used in the process of repair and regain the original sizes of GTE parts. They are: the brazing method, the method of argon-arc welding method and laser deposition. Until now, the methods of brazing and argon-arc welding were the main methods of repair. They were simple to use and allowed to recover detail without performance degradation. The demands on the materials, their characteristics and methods of repair started to increase in the 21st century with the increasing of complexity of aircraft engine design. Therefore, additive technologies started to develop more and more development, in particular laser technology. Therefore, the method of laser deposition is competitive in the circumstances. Laser deposition has next advantages, compared with other methods: eliminates defects, brazing and welding and provides a strong connection welded materials with minimal defects that do not affect to serviceability of a component.

In conclusion, we reviewed and justified the necessity and urgency of application of repair methods, in particular laser deposition.

Ключевые слова: Сплав; никель; методы ремонта; пайка; сварка; наплавка

Keywords: Alloy; nickel; repair methods; brazing; welding; deposition

1. Введение

В современном двигателестроении актуальным является вопрос экономии средств и уменьшения расходов. В связи с этим многие авиационные предприятия предпочли изготовлению новых деталей ремонт изношенных и бракованных, поскольку ремонт выходит на 25, а то и на 60 % дешевле изготовления новых деталей.

Исходя из этого, были разработаны методы ремонта и восстановления размеров деталей газотурбинных двигателей (ГТД). В современном двигателестроении в условиях ужесточения требований к деталям повышаются требования, предъявляемые к ремонту и восстановлению деталей.

В авиастроении получили широкое применение сплавы на основе никеля, характеризующиеся высокой прочностью и пластичностью, высоким электрическим сопротивлением и коррозионной стойкостью, а также повышенной жаропрочностью и жаростойкостью.

Целью работы является анализ существующих термических методов ремонта и восстановления деталей ГТД из никелевых сплавов

2. Анализ термических методов ремонта и восстановления деталей ГТД из никелевых сплавов соединения никелевых сплавов

2.1. Пайка

При пайке никеля и его сплавов на поверхности детали возникают окислы используемых при пайке металлов. При нагреве чистого никеля возникает окисел NiO, при пайке хромом, алюминием, титаном и другими металлами образуются несколько окислов соответствующих металлов. В зависимости от состава поверхностных окислов происходит выбор метода пайки, флюса и припоя [1].

Процесс пайки чистого никеля и его слаболегированных сплавов прост в использовании в отличие от пайки высоконикелевых, сложнолегированных и жаропрочных сплавов на никелевой основе. При процессе пайки легированных сплавов на основе никеля применяются флюсы, состоящие из фторидов щелочных и щелочноземельных металлов [2]. Для облегчения пайки сплавы никеля с большим содержанием хрома покрывают медью. Из-за склонности высоконикелевых сплавов к трещинообразованию от перенапряжения металла перед процессом пайки их отжигают. Для пайки сложно­легированных сплавов применяются припои на основе сплавов никель-хром, никель марганец и никель-хром-марганец [3]. Перед процессом соединения этих сплавов термическим путем рекомендуется покрывать их тонким слоем никеля. Для пайки жаропрочных сплавов на основе никеля используют никелевые и палладиевые припои. Последние соединяют с изделием в вакууме или в аргоне, а в случае применения припоев системы Ni-Mn-Cr в атмосферу аргона добавляют фтористый бор или фтористый водород. С целью удаления окисных пленок поверхность никелевых сплавов перед пайкой подвергают травлению в кислотных растворах [4], [5].

После промывки изделие обрабатывают в 1 %-м растворе аммиака с последующей сушкой в опилках [6].

Преимущества метода:

• С технической и профессиональной точки зрения процесс не вызывает трудностей;
• Припои и флюсы находятся в свободном доступе.

Недостатки метода:

• Высокая трудоемкость процесса;
• Необходимы специальные среды для реализации процесса;
• Необходимо защитное оборудование [7], [8].

2.2. Сварка

Сварка представляет собой процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Процесс сварки используется для восстановления и ремонта деталей, заделки трещин, разрывов, пробоин [9].

В настоящее время для восстановления деталей и изделий применяются следующие основные виды сварки: ручная аргонодуговая сварка; дуговая сварка в защитном газе.

Свариваемость никеля и никелевых сплавов зависит от процентного содержания примесей в материале – чем меньшее содержание примесей в никеле, тем лучше его свариваемость [10].

Аргонодуговая сварка никеля и его сплавов производится постоянным током прямой полярности (минус на электроде). Питание сварочной дуги осуществляется от обычных серийных преобразо­вателей (типа ПС-300) или сварочных выпрямителей. Однако, как показывает практика, лучшие результаты обеспечиваются при применении источников тока с жесткой внешней характеристикой [11].

«Сварка никеля и его сплавов в среде аргона производится при напряжении на дуге 10-15 в. Величину сварочного тока выбирают из расчета 40-50 а на 1 мм толщины свариваемого металла» [12], [13].

Преимущества аргонодуговой сварки:

• Аргон не взаимодействует с металлами и другими газами и не растворяется в расплавленном металле.
• Аргон тяжелее воздуха и поэтому надёжно защищает зону сварки, вытесняя из неё воздух. Дуга в среде аргона обладает высокой стабильностью.
• Аргон - это достаточно распространённый газ, его содержание в воздухе составляет около 0,9 %, в связи с этим аргон является самым дешёвым из инертных газов.

Недостатки.

• Ручная сварка в среде аргона затруднена в связи с возможным нарушением защиты зоны сварки.
• Автоматическая сварка может быть применена не во всех случаях.
• Попадание кислорода в зону дуги служит причиной образования высокой пористости в зоне сварных швов [14], [15], [16].

2.3. Лазерная порошковая наплавка

Лазерная наплавка – эффективный метод восстановления старых или повышения прочности новых деталей машин и механизмов, позво­ляющий сообщить наплавляемой поверхности новые функциональные свойства [17].

Принцип действия метода заключается в нанесении оплавленного порошка сфокусированным лазерным лучом на поверхность детали постепенно слой за слоем [18].

Использование метода лазерной наплавки не приводит к значи­тельному снижению прочности детали и к увеличению деформаций. При наплавке зона термического влияния гораздо ниже, чем при других методах. Лазерная наплавка подходит для ремонта и восстановления сложнопрофильных, а так же тонкостенных деталей.

При наплавке и переходе никелевого сплава из твердого состояния в жидкое резко возрастает растворимость примесей кислорода, азота и водорода, что приводит к появлению пористости, поэтому необходимо учитывать процентное содержание примесей в никелевых сплавах и чистоту присадочного материала.

Для исключения появления трещин в присадочный материал необходимо вводить следующие примеси: до 5 % Мn и до 0,1 % Мg [19].

Для получения качественного конечного продукта при наплавке никелевых сплавов необходимо учитывать влияние атмосферных газов на сварочную ванну. Для защиты сварочной ванны при наплавке используют защитный газ (аргон) [20].

Преимущества метода:

• Процесс лазерной наплавки характеризуется минимальным количеством теплоты, необходимым для наплавки детали без последующих деформаций за счет минимальной энергоемкости.
• Позволяет получить минимальные объемы ванны расплава присадочного материала за счет сфокусированного лазерного пучка.
• Скорость охлаждения наплавленного поверхностного слоя очень высокая и приводит к формированию чрезвычайно мелко­дисперсной структуры [21].

Недостатки метода:

• Высокая стоимость оборудования;
• Повышенные требования к охране труда.

3. Заключение

Анализ термических методов ремонта и восстановления деталей ГТД из никелевых сплавов позволяет заключить, что:

Соединение никелевых сплавов методом пайки затруднительно в связи с высокой трудоемкостью процесса, необходимостью создавать специальные среды для реализации и в связи с необходимостью приобретать специальное защитное оборудование.

Сварка не позволяет получить достаточно плотные соединения без дефектов: пористости, трещинообразования.

Лазерная порошковая наплавка исключает дефекты пайки и сварки и обеспечивает крепкое соединение сплавляемых материалов с минимальными дефектами, которые не влияют на работоспособность детали.

Список литературы:

1. Лашко С.В. Пайка металлов. Учеб. пособие [Текст] / Лашко С.В., Лашко Н.Ф. – 4-е изд., перераб. и доп. Лашко Н.Ф. – М.: Машиностроение, 1988. – 376 с.
2. Лашко С.В. Пайка металлов. Учеб. пособие [Текст] / Лашко С.В., Лашко Н.Ф. – 4-е изд., перераб. и доп. Лашко Н.Ф. – М.: Машиностроение, 1988. – 376 с.
3. Пайка никеля и его сплавов [Электронный ресурс] / «Центральный металлический портал РФ». – Электрон. Дан. URL: http://metallicheckiy-portal.ru/articles/svarka/paika/paika_nikela_i_ego_splavov/1. (16.03.2017).
4. Петрунин И.Е. Справочник по пайке [Текст] / Петрунин И.Е., Березников Ю.И., Бунькина Р.Р.; под ред. И.Е. Петрунина. – М.: Машиностроение, 2003. – 479 с.
5. Пат. 2209712 Российская Федерация, МПК⁷ B 23 K 1/00. Способ низкотемпературной конструкционной пайки прецизионных изделий из никелевых сплавов / Гребенников В.А., Ефанов А.А., Алексанова И.А., Голубева Е.А.; заявитель и патентообладатель ОАО Раменское приборостроительное конструкторское бюро. - № 2002101372/02; заявл. 23.01.2002; опубл. 10.08.2003.
6. Пат. 2209712 Российская Федерация, МПК⁷ B 23 K 1/00. Способ низкотемпературной конструкционной пайки прецизионных изделий из никелевых сплавов / Гребенников В.А., Ефанов А.А., Алексанова И.А., Голубева Е.А.; заявитель и патентообладатель ОАО Раменское приборостроительное конструкторское бюро. - № 2002101372/02; заявл. 23.01.2002; опубл. 10.08.2003.
7. Лашко С.В. Пайка металлов. Учеб. пособие [Текст] / Лашко С.В., Лашко Н.Ф. – 4-е изд., перераб. и доп. Лашко Н.Ф. – М.: Машиностроение, 1988. – 376 с.
8. Пайка никеля и его сплавов [Электронный ресурс] / «StudFiles». – Электрон. Дан. URL: http://www.studfiles.ru/preview/4002290/page:3/. (05.07.2017).
9. Основы процесса [Электронный ресурс] / «StudFiles». – Электрон. Дан. URL: http://www.studfiles.ru/preview/4002290/page:2/. (05.07.2017).
10. Патон Б.Е. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением [Текст] / Б.Е. Патон; под ред. Б.Е. Патона. – М.: Машиностроение, 1974 – 768 с.
11. Сварка никеля и его сплавов [Электронный ресурс] / «Древний мир металла». – Электрон. Дан. URL: http://www.drevniymir.ru/zan056.html. (05.07.2017).
12. Сварка никеля и его сплавов [Электронный ресурс] / «Древний мир металла». – Электрон. Дан. URL: http://www.drevniymir.ru/zan056.html. (05.07.2017).
13. Сварка никеля и его сплавов [Электронный ресурс] / «MarkMet». – Электрон. Дан. URL: http://markmet.ru/kniga-po-metallurgii/svarka-nikelya-i-ego-splavov. (05.07.2017).
14. Сварка никеля и его сплавов [Электронный ресурс] / «Древний мир металла». – Электрон. Дан. URL: http://www.drevniymir.ru/zan056.html. (05.07.2017).
15. Сварка никеля и его сплавов [Электронный ресурс] / «MarkMet». – Электрон. Дан. URL: http://markmet.ru/kniga-po-metallurgii/svarka-nikelya-i-ego-splavov. (05.07.2017).
16. Аргонодуговая сварка. Сущность и технология сварки в среде аргона [Электронный ресурс] / «Taina – svarki». – Электрон. Дан. URL: http://taina-svarki.ru/sposoby-svarki/svarka-v-srede-zashchitnyh-gazov/argonodugovaya-svarka-tehnologiya-svarki-v-argone.php. (05.07.2017).
17. Технология наплавки [Электронный ресурс] / «StudFiles». – Электрон. Дан. URL: http://www.studfiles.ru/preview/4349731/page:5/. (05.07.2017).
18. Ермолаев А.С., Иванов А.М., Василенко С.А. Лазерные технологии и процессы при изготовлении и ремонте деталей газотурбинного двигателя [Текст] / А.С. Ермолаев, А.М. Иванов, С.А. Василенко ОАО «Авиадвигатель». Пермь, 2013. – С. 49-63. Библиогр.: с. 62.
19. Ермолаев А.С., Иванов А.М., Василенко С.А. Лазерные технологии и процессы при изготовлении и ремонте деталей газотурбинного двигателя [Текст] / А.С. Ермолаев, А.М. Иванов, С.А. Василенко ОАО «Авиадвигатель». Пермь, 2013. – С. 49-63. Библиогр.: с. 62.
20. Сварка [Электронный ресурс] / – «Svarkainfo.ru: Все для надежной сварки». – Электрон. Дан. URL: http://www.svarkainfo.ru/rus/lib/tn. (05.07.2017).
21. Сварка [Электронный ресурс] / – «Svarkainfo.ru: Все для надежной сварки». – Электрон. Дан. URL: http://www.svarkainfo.ru/rus/lib/tn. (05.07.2017).