Лазерно-индукционное термоупрочнение жаропрочных сталей

Полный текст

Введение

Лопатка турбины представляет собой металлическую пластину, предназначенную для работы с потоками расширенного газа в турбинной установке. Лопатки преобразуют линейное движение пара высокой температуры и высокого давления, движущегося в сторону снижения давления, во вращательное движение вала турбины.

Детали паровых турбин, работающие во влажном паре, подвергаются непрерывному воздействию капель или струй жидкости, из-за чего может возникать капельная эрозия [1–4]. Капли воды могут ударяться о вращающиеся лопатки последней ступени преимущественно с выпуклой стороны (спинки) лопатки с относительной скоростью до нескольких сотен метров в секунду. Высокая энергия удара капель, особенно на больших лопатках, может привести к повреждению материала, в первую очередь на входных кромках вблизи кончиков лопастей [5, 6]. Для повышения сопротивления эрозии лопаток с низким давлением под воздействием капель воды существует много технологий [7, 8], самая распространенная из них — использование стеллитовых пластинок, которые припаивают к входной кромке. Данная технология имеет ряд недостатков: различие коэффициента линейного расширения напайной пластины и основного металла рабочей лопатки; разброс твёрдости поверхностного слоя стеллитовых пластин (различие может достичь HV 100); изменение аэродинамической формы профиля рабочей лопатки; возможность отрыва стеллитовых пластин целиком; возможный эрозионный износ поверхностей лопаток ниже стеллитовых напаек и в промежуточных зонах между напайными пластинами; снижение усталостной прочности рабочей лопатки. При нарушении технологии припайки стеллитовых пластин могут появиться локальные прижёги основного материала лопатки, что приводит к его охрупчиванию и повышенной опасности возникновения трещин в месте прижёга. Кроме того, место стыка стеллитовых пластин является своеобразным концентратором напряжений. При эксплуатации турбин в нерасчётных режимах (с малыми объёмными расходами рабочего пара в конденсатор, на ухудшенном вакууме) в них могут появиться трещины, способные в дальнейшем привести к разрушению рабочих лопаток [9]. Там же приведены данные по опыту эксплуатации в 1985–2008 гг. на филиале «Сургутская ГРЭС-2» ОАО «ОГК-4» 6 паровых турбин мощностью по 800 МВт, который свидетельствует о том, что ко второму капитальному ремонту (при наработке 75–95 тыс. ч и числе пусков 245–308) рабочими лопатками «утрачено» до 50–90 % стеллитовых пластин).

Современным методом упрочнения паровых лопаток является лазерная закалка [10–12]. При лазерной закалке осуществляется нагрев за счет энергии излучения лазера и естественное охлаждение с отводом тепла от нагретой области в деталь за счет классического механизма теплопроводности и в окружающее пространство путем теплового излучения. Данный способ перспективнее, т. к. стабильнее, проще и обеспечивает хорошие результаты в плане повышения стойкости поверхности лопаток к эрозии [13, 14]. В данной работе представлены результаты лазерно-индукционного термоупрочнения на образцах с постоянной и переменной кромками из лопаточной стали 15Х11МФ-Ш, 20Х13 и ЭИ-961.

Методы

В качестве источника лазерного излучения использован волоконный лазер ЛС-15 с максимальной выходной мощностью 15 кВт. Внешний вид источника лазерного излучения представлен на рис. 1. Лазерное излучение фокусировалось сварочной головкой ND65 фирмы WSX, оснащенной гальванометром, позволяющим осуществлять поперечные колебания. В качестве второго источника нагрева использовали сверхвысокочастотную (СВЧ) установку СВЧ-6АВ максимальной мощностью 6 кВт. На рис. 1 представлена схема компонентов стенда, на котором были проведены эксперименты по термообработке.

 

Рис. 1. Стенд для лазерно-индукционного термоупрочнения: 1 — индуктор СВЧ-6АВ; 2 — лазерная головка для сварки с гальванометром ND65; 3 — инфракрасная камера Optris PI08MTK; 4 — плоский образец из жаропрочной стали для термоупрочнения, закрепленный на сварочных магнитных упорах; 5 — 2-координатный подвижный стол; 6 — волоконный лазер ЛС-15.

Fig. 1. Laser and induction hardening bench: 1, SVCh-6AV induction coil; 2, laser welding head with ND65 galvanometer; 3, Optris PI08MTK infrared camera; 4, flat hardening test piece made of refrectory steel fixed on magnetic welding clamp; 5, 2-axis moving table; 6, LS-15 fiber laser.

 

Для экспериментальных исследований лазерно-индукционного термоупрочнения использованы плоские образцы постоянного сечения размерами 460×80×16,5 мм и переменного сечения размерами 450×60/70×16,8 мм из жаропрочных сталей 15Х11МФ, 20Х13, ЭИ-961 (рис. 2). Химический состав сталей представлен в табл. 1. Целью исследований было получение единой зоны упрочнения на входной кромке и примыкающем участке спинки образцов (рис. 2, c) без дефектов в виде микротрещин и несплошностей, без оплавления поверхности, оценка твердости в границах упрочненного слоя, а также глубины упрочненного слоя в области входной кромки и на примыкающем участке спинки.

 

Рис. 2. Плоские образцы: a — постоянного сечения размерами 460×80×16,5 мм и b — переменного сечения размерами 450×60/70×16,8 мм из жаропрочных сталей 15Х11МФ, 20Х13, ЭИ-961; c — местоположение и геометрия единой зоны упрочнения.

Fig. 2. Flat test pieces: a, with uniform cross-section (460×80×16.5 mm); b, variable cross-section (450×60/70×16.8 mm), all made of refractory steels 15H11MF, AISI 420, EI961; c, location and dimensions of a single hardening zone.

 

Таблица 1. Химический состав в % материала

Table 1. Chemical composition in % material

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

Mo

V

Cu

W

V

15Х11МФ

0,12–0,19

До 0,5

До 0,7

До 0,6

До 0,025

До 0,03

10–11,5

0,6–0,8

0,25–0,4

До 0,3

–

–

20Х13

0,16–0,25

До 0,6

До 0,6

До 0,6

До 0,025

До 0,03

12–14

–

–

–

–

–

ЭИ-961

0,1–0,16

До 0,6

До 0,6

1,5–1,8

До 0,03

До 0,03

10,5–12

0,35–0,5

–

–

1,6–2

0,18–0,3

 

Экспериментальные исследования лазерного термоупрочнения осуществляли способом непрерывной обработки зоны упрочнения на входной кромке индуктором и на примыкающем участке спинки лопатки лазерным излучением, при сканировании лазерного излучения в поперечном направлении, за один проход (рис. 3). В ходе обработки осуществлялось непрерывное перемещение образца относительно стационарных источников нагрева. Для фиксации температуры в зоне нагрева использовали инфракрасную камеру. После лазерной закалки проводилась зачистка обработанных поверхностей абразивной бумагой.

 

Рис. 3. 1 — обрабатываемый плоский образец; 2 — лазерный источник нагрева; 3 — индукционный источник нагрева; 4 — зона совместного действия двух источников нагрева.

Fig. 3. 1, processed flat test piece; 2, laser heat source; 3, induction heat source; 4, joint action zone of two heat sources.

 

После проведения лазерной термообработки необходимо изготовить шлифы для исследования макро- и микроструктуры образцов на наличие недопустимых дефектов структуры, измерения глубины закаленной зоны, а также измерения твердости. Для изготовления шлифов использовались: электроэрозионный отрезной станок ProTech DK-7755, модульный пресс для горячей запрессовки образцов ATM OPAL X-PRESS, шлифовально-полировальный станок ATM SAPHIR 250 ECO.

Для выявления структуры проводили химическое травление реактивом Каллинга (20 мл H₂O, 20 мл HCl, 4 г CuCl₂) в течение 2–3 мин. Микроструктура исследовалась на оптическом микроскопе Leica DMi8 с использованием ПО Axalit. Измерения твердости и микротвердости производились на твердомере Future-Tech FM-310 с использованием ПО Thixomet Pro, с увеличением от 10х до 50х.

Результаты

В результате экспериментов термообработки плоских образцов постоянного сечения на коротких участках длиной 50 мм было установлено, что необходимая глубина и профиль закалки (рис. 4) достигаются при максимальном нагреве образца без принудительного последующего охлаждения, на низких скоростях (до 1 мм/с), с большим пятном нагрева и наибольшей мощностью (в пределах 3 кВт), при которых не происходит оплавления поверхности.

 

Рис. 4. Макрошлифы упрочненной зоны входной кромки плоских образцов постоянного сечения: верх — 15Х11МФ (красным и синим цветами показаны местоположения линий, по которым измеряли твердость на всех образцах); середина — 20Х13; низ — ЭИ-961.

Fig. 4. Large sections of the hardened zone on the leading edge of flat test pieces with uniform cross-section: top, 15H11MF (location of hardness measurement lines on all test pieces are shown in red and blue); middle, AISI 420; bottom, EI961.

 

Микроструктура упрочненного слоя образцов — однородная, мелкозернистая, оплавления в поверхностной зоне не выявлено. В микроструктуре переходной зоны окисления границ зерен, роста зерна, дефектов в виде микротрещин, несплошностей не обнаружено.

Для полученных образцов была измерена твердость закаленной зоны (по линиям, указанным на рис. 4, верх), результаты представлены на графиках (рис. 5).

 

Рис. 5. Графики распределения твердости на различных участках закаленного слоя.

Fig. 5. Hardness distribution graphs for different areas of the hardened layer.

 

Глубина упрочненного слоя в области входной кромки составляет не менее 5 мм, а на примыкающем участке спинки лопатки — не менее 2 мм. Получена твердость в границах упрочненного слоя не менее 400 HV0.5.

С помощью инфракрасной камеры было установлено, что оплавление появляется, когда температура нагрева на поверхности превышает 1400 °C. Наибольшая вероятность оплавления локализуется в зоне совместного действия источников нагрева на спинке, на расстоянии 10–15 мм от входной кромки (рис. 6, d).

 

Рис. 6. Процесс термоупрочнения (b) с фиксированием температуры в области нагрева с постоянной (a) и изменяемой (c) мощностью лазера по амплитуде сканирования; макрошлиф упрочненной зоны входной кромки (d) плоского образца постоянного сечения 15Х11МФ с характерной зоной оплавления в общей зоне действия двух источников нагрева.

Fig. 6. Hardening process (b) with temperature recording in the heating area with constant (a) and variable (c) laser power by scanning amplitude; large section of the hardened zone on the leading edge (d) of a flat 15H11MF test piece with uniform cross-section and a typical glazing zone in the joint action area of two heat sources.

 

При переходе на образцы с переменным сечением для обеспечения желаемой глубины упрочнения входной кромки необходимо было увеличить мощность индуктора. При этом на постоянной мощности лазера по амплитуде сканирования излучения оплавление поверхности всегда присутствовало, т.к. в общей зоне действия двух источников нагрева температура лежала выше границы 1400 °C (рис. 6, a). Для его устранения была изменена мощность лазера по амплитуде сканирования путем разбиения на два участка с разной мощностью на каждом. В зоне совместного действия источников нагрева мощность лазера была снижена на 40 %. В результате этих мер температура на поверхности во время термообработки не превышала обозначенную границу появления оплавления (рис. 6, c).

После подбора оптимального режима упрочнения на коротких участках был обработан плоский образец 15Х11МФ переменного сечения на всю длину (рис. 7). После зачистки образца абразивной бумагой на нем не наблюдались дефекты в виде микротрещин и несплошностей, а также оплавления поверхности.

 

Рис. 7. Внешний вид упрочненной зоны поверхности переменного сечения образца 15Х11МФ: верх — после закалки; середина — после механической зачистки абразивной бумагой; низ — макрошлифы упрочненной зоны входной кромки.

Fig. 7. View of the hardened zone of the variable cross-section surface of the 15H11MF test piece: top, after hardening; middle, after grinding with abrasive paper; bottom, large sections of the hardened zone on the leading edge.

 

Для макрошлифа, представленного на рис. 7, была измерена твердость, результаты которой показаны на графике (рис. 8). Полученные значения аналогичны результатам, полученным для плоских образцов постоянного сечения, по глубине упрочненного слоя и значениям твердости.

 

Рис. 8. График распределения твердости на различных участках закаленного слоя образца переменного сечения 15Х11МФ.

Fig. 8. Hardness distribution graph for different areas of the hardened layer of the 15H11MF test piece with variable cross-section.

 

После упрочнения образец был отсканирован с помощью 3D-сканера для контроля деформации пластины. Результаты изменения геометрии образца представлены на рис. 9. Максимальное отклонение после термообработки от первоначального состояния составило 1,09 мм.

 

Рис. 9. Визуализация деформации пластины после термоупрочнения. Указаны значения отклонений от первоначального состояния образца до обработки в миллиметрах.

Fig. 9. Visualization of plate deformation after hardening. Deviations from the original state of the test piece before processing are indicated in millimeters.

 

Заключение

По результатам экспериментов лазерно-индукционного термоупрочнения плоских образцов из жаропрочных сталей 15Х11МФ, 20Х13, ЭИ-961 можно заключить, что данный вид обработки является перспективным для замены традиционных способов термоупрочнения поверхности изделий, выполненных из этих материалов, в борьбе против эрозии.

Получена единая зона упрочнения на входной кромке и примыкающем участке спинки образцов без дефектов в виде микротрещин и несплошностей, без оплавления поверхности.

Твердость в границах упрочненного слоя со стороны входной кромки — не менее 400 HV0.5. При этом глубина упрочненного слоя в области входной кромки составляет не менее 5 мм, а на примыкающем участке спинки лопатки — не менее 2 мм.

Максимальная деформация образца после термоупрочнения не превышает 1,2 мм.

Дополнительная информация

Вклад авторов. А.Д. Ахметов — написание текста рукописи. И.А. Цибульский — экспертная оценка, утверждение финальной версии. А.О. Сидоренко, В.В. Сомонов — создание изображений, редактирование текста.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Additional info

Author contributions: A.D. Akhmetov: writing—original draft; I.A. Tsybulskiy: writing—review & editing; A.O. Sidorenko, V.V. Somonov: visualization, writing—review & editing.

Funding sources: The study was not supported by any external sources.

Disclosure of interests: The authors have no explicit or potential conflicts of interests associated with the publication of this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Об авторах

Александр Дмитриевич Ахметов

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.akhmetov@ltc.ru
ORCID iD: 0000-0002-4472-2115
SPIN-код: 3756-9277

ведущий инженер технологического отдела

Россия, Санкт-Петербург

Игорь Александрович Цибульский

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: igor@ltc.ru
SPIN-код: 3110-5791

ведущий научный сотрудник

Россия, Санкт-Петербург

Антон Олегович Сидоренко

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Email: anton-sidorenko10@mail.ru
SPIN-код: 8946-8560

инженер отдела тестирования материалов

Россия, Санкт-Петербург

Владислав Валерьевич Сомонов

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет; Национальный исследовательский университет ИТМО

Email: vlad@ltc.ru
SPIN-код: 1648-4357

ведущий инженер

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы