Міністерство освіти і науки України
Національний університет кораблебудування ім. адмірала Макарова
Кафедра матеріалознавства
та технології металів
Курсовий проект на тему:
Розробка технології та модернізація обладнання для напилення теплозахисних покриттів на соплові лопатки ГТД плазмовим методом
Виконала: Дітковска О.О.
Група 5131
Перевірив: д. т. н., професор
Дубовий О. М.
Миколаїв 2007
Зміст
Вступ.
1. Аналіз конструкції та умов роботи виробу
2. Вибір методу, способу і обладнання для напилення
3. Вибір типу, складу і товщини покриття
4. Розрахунок та оптимізація технологічних параметрів плазмового напилення покриттів за допомогою моделі
5. Розробка технологічної інструкції
Загальні висновки
Література
Вступ
На сьогоднішній день однією з центральних задач сучасної техніки є захист деталей і металоконструкцій від корозії та зносу, підвищення довговічності машин та механізмів. Близько 30% щороку безповоротно втрачається через корозію та знос, або перетворюється на металобрухт.
Одним із головних ефективних методів боротьби з цими проблемами є застосування захисних покриттів. Нанесення покриттів на різноманітні деталі може суттєво знизити витрати матеріальних, енергетичних і трудових ресурсів для забезпечення експлуатації машин і механізмів, скоротити простій обладнання збільшити випуск продукції, підвищити її якість крім того, застосування зносостійких покриттів дозволяє значно зменшити витрати легованих сталей і сплавів.
Лопатки газотурбінного двигуна (ГТД) – найбільш масова деталь двигунів. Тому виготовлення лопаток навіть в умовах малосерійного виробництва повино бути організовано по поточному принципу, з використанням високопродуктивного обладнення, сучасних технологічних процесів та способами контролю.[ 1]
Процес створення надійно працюючих ГТД невідємно повязанний з вибором лопаткових матеріалів достатньо жароміцних з максимальною високою корозійною стійкістю. Ще більш гостро постає ця проблема на фоні посилення тенденцій до підвищення швидкості та температури газового потоку, питомих навантажень та агресивності топлива. В сучасних ГТД досягаеться рівень температури робочого газу, близький або певищуючий температурний максимум роботи існуючих жароміцних сплавів. Застосування спеціальних евтектичних матеріалів, надміцних сплавів з дисперсним зміцненням – наукоємке направлення, яке потребуе великих еконмічних затрат, не завжди вирішуюче в повному обемі задачу підвищення економічності та надійності ГТД. Тому застосування технолгії нанесення ефективних жаростійких та теплостійких покриттів є радикальним та економічно обоснованим рішенням проблеми поеднання високої жароміцності лопаткових сплавів зі здатністю протистояти високотемпературному окисненю та сульфідно-оксидній корозії.
Соплова лопатка служить для подачі струменя газів на робочу лопатку. Ця деталь має складну конфігурацію. Вона працює в умовах обдування високотемпературним струменем, тому приділяється велика увага щодо її експлуатаційних властивостей і надійності. Призначення лопатки та умови її роботи вимагають напилення на неї покриття із теплозахисними та антикорозійними властивостями. Це покриття, в першу чергу, повинно мати низький коефіцієнт теплопровідності, а також мінімальну поруватість і високу міцність зчеплення.
1.
Аналіз конструкції та умов роботи виробу
Газотурбінний двигун – це габаритна і складна конструкція, яка служить для перетворення теплової енергії в механічну. Важливими конструкційними деталями ГТД є соплові лопатки, які визначають його ресурс, так як працюють при великих нанвантаженнях. Вони підвергаються високотемпературному окисненю та гарячій корозії від продуктів згорання палива, до складу якого зазвичай входять мікродомішки азоту, сірки, ванадію, та аніони хлору. Лопатки соплового апарату першої ступені підвергаються найбільш високих температур газового потоку, виходячих безпосередньо з камери згорання. Напруження, виникаючі від газових сил та від зміни температури, відносно невеликі. Проте в лопатках соплового апарату виникають високі циклічні термічні напруження, повязанні з постійними змінами режимів роботи ГТД. Соплові лопатки швидко прогріваються при запуску установки і швидко охолоджуються при її зупинці.[2] Необхідність захисту лопаток від дії теплового потоку потребує, щоб сучасні захисні покриття володіли високою корозійною стійкостью та служили термічним бар'єром по відношеню до теплового випромінювання продуктів згорання палива.
Такого типу покриття на лопатках зазвичай виконують шляхом плазменого нанесення захисних шарів з кераміки, володіючими низькою теплопровідністю. Найбільш підходящим матеріалом являеться диоксид ZrО2
Лопатки мають складну конфігурацію. З середини соплова лопатка оснащена багатьма каналами та отворами для охолодження її під час роботи. Це один із методів захисту її від дії високої температури. Але цього мало для запобігання руйнації її робочої поверхні.
При роботі ГТД на лопатку діє струмінь продуктів згоряння палива. Тобто, вона працює у режимі високих температур (Т = 950 – 1050 ˚С) протягом довгого проміжку часу. Саме тому виготовляють такі деталі із жаростійкого сплаву. А також наносять теплозахисне покриття (ТЗП), тобто покриття, яке матиме якомога менший коефіцієнт теплопровідності.
ТЗП, в першу чергу, повинно захищати основний матеріал лопатки від руйнуючої дії температури та корозійних пошкоджень.
Пошкодження також можуть виникати у вигляді розтріскувань та відшарувань матеріалу покриття від основи. Ці дефекти вважаються недопустимими. Утворення їх пояснюється різницею коефіцієнта температурно розширення (КТР) між матеріалом основи і самим покриттям.
Більш високими експлуатаційними властивостями характеризуються покриття з плавною зміною складу при переході від металевої основи до поверхневого керамічного шару.
Саме для цього частіше теплозахисні покриття наносять з тришаровою структурою (рис. 1.1)
Рис. 1.1. Тришарова структура.
1 – основа;
2 – підшар (Со-Сr-Al-Y-Si);
3 – проміжний шар (Со-Сr-Al-Y-Si + 15%
ZrО2
(7% Y2
О3
));
4 – теплозахисний шар (ZrО2
(7% Y2
О3
));
Шари відрізняються між собою коефіцієнтом температурно розширення. Проміжний шар напилюється із суміші порошків для підшарку і теплозахисного шару для зменшення різниці КТР.
Це залежить від поверхневих фізико-хімічних процесів, що проходять при напиленні. Внаслідок удару об поверхню розплавленої частинки вона деформується і набуває форму луски.
Так, як незалежно від способу отримання порошку його частинки відрізняються одна від одної розмірами, формою та іншими признаками. Переведення вихідного матеріалу в порошковий стан дуже рідко є кінцевою стадією тієї чи іншої технології. У більшості випадків частинки порошку мають складну неправильну форму, для точного опису геометрії якої потребується велике число параметрів, головним з яких, як правило, є розмір частинок.[3].
На практиці для отримання необхідного розмірного діапазону грубо дисперсного порошку застосовують метод ситового аналізу (ДСТУ 2640-94 (ГОСТ 18218-94) [4]).
2. Вибір методу, способу і обладнання для напилення
Метод напилення покриття вибирається з урахуванням конструкції та умов роботи соплової лопатки ГТД. Для соплових лопаток застосовуеться плазмена технологія. Сутевим достоїнством плазменої технології являеться можливість нанесення рівнотовщиних покритів по всії трактовій поверхні лопаток складного профилю. Також є ймовірність програмуємого змінення товщини покриття по периметру захищаемої деталі, що в сукупності з мінімальним впливом людського фактору забезпечуе високі характеристики покриття.
В даний час зовнішні поверхні лопаток соплового апарату турбіни високого тиску захищають покриттям з двошаровою або тришаровою структурою: зовнішній шар складається з ZrО2
– (6-8%) Y2
О3
, внутрішній – сплав Ме-Сr-Аl-Y (тришарова структура включає проміжний шар з суміші порошків для основних шарів). Покриття наноситься плазменим методом в атмосфері з зовнішним шаром ZrО2.
Таке покриття має теплозахисні властивості[1]
Плазмовий метод напилювання. Це один із газотермічних методів нанесення покриттів, який використовує енергію дугового або високочастотного розрядів. Газ при взаємодії з розрядом сприймає частину його енергії і нагрівається, переходячи тим самим у стан низькотемпературної плазми.
Серед методів нанесення покриттів плазмове напилення завдяки своїм технологічним можливостям знаходить найбільш широке застосування. Застосовуючи плазму, можна наносити покриття практично з усіх відомих тугоплавких матеріалів, що у плазмовому струмені не сублімують і не зазнають інтенсивного розкладання.
Порівнюючи усі методи напилення у даному випадку доцільніше застосувати плазмовий, так як він дозволяє наносити покриття на деталі складної форми з дрібними отворами та іншими особливостями. А також цей метод є менш шумним, ніж, наприклад, детонаційний, і має менший негативний вплив на персонал. Вагоме значення також має нижча вартість обладнання та економічність процесу напилення плазмового медоду порівняно з детонаційним та електроіскровим. Всі ці дані дають змогу впевнитись у правильному виборі методу.
Якість покриття залежить від великого числа змінних факторів, таких як конструкція розпилювача, рід і витрата плазмоутворюючого газу, потужність і фізико-хімічні властивості напилюваного матеріалу, швидкість його подачі, відстань від розпилювача до поверхні виробу, відносна швидкість переміщення розпилювача та виробу, склад захисного середовища, спосіб підготовки поверхні виробу, температурний режим у процесі формування покриття і т. д. Тому важливим питанням є вибір способу напилення.
Підшарок і проміжний шар на соплові лопатки ГТД краще напилювати у динамічному вакуумі для запобігання окислення порошку на шляху від пальника до основи. При цьому використовують установку УПНКА (рис.2.1)[5]
Рис. 2.1. Принципова схема установки плазмового напилення при зниженому тиску (динамічному вакуумі):
1 – вакуумний засув; 2 – масловіддільник; 3 – вакуумний насос
АВЗ – 180; 4 – вакуумметр стрілковий, зразковий; 5 – вакуумні насоси 2ДВН – 500М; 6 – фільтр вакуумпроводу; 7 – вакуумна лампа; 8 – плазмотрон; 9 – порошковий дозатор; 10 – вакуумна камера; 11 – вакуумметр; 12 – ілюмінатор; 13 – пульт керування;
14 – приводи маніпулятора
Керамічний шар рекомендується напилювати на повітрі за допомогою універсальної плазмової установки УПУ – 3Д з плазмотроном ПП–25 (рис. 2.2).
Установка плазмова універсальна УПУ – 3Д розроблена у колишньому СРСР. Її універсальність полягає у можливості як порошкового, так і дротового напилювання. При дротовому напилюванні процес здійснюють нейтральним дротом і дротом-анодом. Установка комплектується двома плазмотронами: для порошкового (ПП – 25) і дротового (ПМ – 25) напилювання. Відповідно до складу установки входить порошковий дозатор роторного типу і механізм подачі дроту з електроприводом постійного струму. Для живлення дуги використовується джерело живлення ИПН 160/600. Газова система передбачає подачу двох плазмотвірних і транспортувального газів. Система водяного охолодження здійснюється від водопроводу. Для інтенсифікації охолодження передбачено додатковий водяний насос.
Рис. 2.2. Схема установки УПУ – 3Д:
1 – шафа для напилювання; 2 – механізм обертання виробу; 3 – маніпулятор плазмотрона; 4 – порошковий дозатор; 5 – плазмовий розпилювач; 6 – шафа управління; 7 – балон з газом; 8 – джерело живлення
Для створення плазмового струмення використовують плазмоутвірний газ. Традиційно найбільш розповсюдженими плазмоутвірними газами при напиленні покриттів є аргон, азот, водень, гелій та їх суміші, хоча для стабілізації дуги теоретично можуть використовуватися і використовуються й інші гази і газові суміші, зокрема, аміак, повітря, суміш аміаку з азотом, водяна пара тощо [5]
При виборі плазмоутвірного газу враховуються такі його характеристики:
1) комплекс фізико-хімічних властивостей, які визначають фізичний стан плазми (теплоємність, теплопровідність, потенціал іонізації газу);
2) комплекс фізико-хімічних властивостей, які визначають взаємодію плазмоутворюючого газу з оброблюваним матеріалом, і основою та забезпечують проходження цих процесів у потрібному напрямку;
3) ступінь взаємодії плазми з електродами генератора плазми;
4) забезпечення безпечних умов при роботі з обладнанням (нетоксичність, внбухобезпечність);
5) ціну і доступність забезпечення.
У даному випадку в якості плазмоутвірного газу буду використовувати аргон.
Додаткове обладнання: дробоструминна шафа, розривна машина і т. п., контрольно-вимірювальна апаратура (товщиноміри, профілограф-профілометр, дефектоскоп і т. п.).
Вимоги до обладнання:
настройку обладнання на необхідний режим роботи треба здійснювати відповідно до технічної документації на обладнання;
допускається застосовувати обладнання, яке є на підприємстві і забезпечує режими технологічного процесу, якість покриттів згідно з ДСТУ;
балони і мережні газові редуктори повинні відповідати вимогам ГОСТ 6168–68;
балони для аргону, азоту і повітря повинні задовольняти вимоги ГОСТ 949–73[5]
3. Вибір типу, складу і товщини покриття
Тип, склад і товщина покриття вибирається з урахуванням призначення та умов роботи виробу, що напиляється. Так, на соплову лопатку ГТД спочатку наносять корозієстійкий шар Со-Сr-Al-Y-Si
, який у даному випадку виконує роль підшарку. Для забезпечення необхідних властивостей робочої поверхні наносять теплозахисний шар (ZrО2
(7% Y2
О3
)).
Для зрівнювання коефіцієнта температурного розширення (КТР) та запобігання розшарування покриття між підшарком і основним шаром створюють проміжний шар на основі суміші Со-Сr-Al-Y-Si + 15%
ZrО2
(7% Y2
О3
).
Таким чином, отримується покриття з тришаровою структурою (рис.1.2).
Вибір товщини покриття є важливим етапом при напиленні. З практичної точки зору доцільно наносити покриття з сумарною товщиною не більше 400 мкм. При перевищуванні даного значення покриття може відшаровуватись від основи або розтріскуватись. А навпаки, при зменшенні товщини напилений шар може не задовольняти поставленні до нього вимоги, матиме знижені теплозахисні та міцнісні характеристики, довговічність. Так, на практиці підшарок наносять товщиною менше 0,1 мм; проміжний шар товстіший (0,15…0,2 мкм), так як він служить для зменшення різниці КТР; зовнішній шар має найбільшу товщину (біля 0,2 мкм), тому що виконує головну функцію при захисті матеріалу основи деталі в умовах її роботи.
Таким чином, врахувавши всі дані, здійснюю остаточний вибір складу, товщину кожного шару:
· підшарок – до 100 мкм Со-Сr-Al-Y-Si
;
· проміжний шар – до 100 мкм (ZrО2
(7% Y2
О3
))
;
· теплозахисний шар – 150-200мкм Со-Сr-Al-Y-Si + 15%
ZrО2
(7% Y2
О3
)
.
4. Розрахунок та оптимізація технологічних параметрів плазмового напилення покриттів за допомогою моделі
На практиці напилення покриттів здійснюють на великих електричних потужностях (часто понад 10…15 кВт) [6], що підвищує собівартість продукції. Ефективний ККД електричної потужності складає лише 7…10 %[5]. Це викликає потребу у зниженні енергетичних витрат при плазмовому напиленні покриттів.
Раціональніше оптимізувати процес, що дозволить знизити теплову потужність плазмового напилення, можна за допомогою математичних моделей з розрахунками на ПЕОМ.
Розроблено кілька моделей, які мають ряд припущень і дозволяють розрахувати газодинамічні і теплофізичні параметри плазмового напилення, температуру й швидкість газу на зрізі сопла, температуру й швидкість частинок порошку в потоці плазми. Вплив припущень на результати розрахунків не однозначний і залежить від їх кількості і ступеня коректності. Оскільки на процес плазмового напилення покриттів впливають кілька десятків факторів, що важко піддаються оптимізації, то можливість укладання узагальненої математичної моделі, яка дозволить ефективно управляти процесом шляхом вибору і корегування більш точних моделей окремих стадій напилювання, має велике теоретичне і практичне значення. [5]
За основу узагальненої моделі прийнята математична модель двофазного плазмового струменя [7]. Вибрані рівняння (1)–(5), які дозволяють визначити температуру і швидкість плазмового струменя на зрізі сопла плазмотрона.
Для визначення температури та швидкості газу в кожному елементарному об’ємі були використані рівняння (10), (11), що наведені в [5, 6]. Рівняння, які входять до складу математичної моделі [7] і дозволяють визначити згадані параметри, містять в собі коефіцієнт абсолютної чорноти тіла, довідкові значення якого для окремих матеріалів відрізняються інколи на порядок. Тому ці обставини, а також урахування сил аеродинамічного опору частинок порошку і обумовили використання рівнянь (10), (11).
Для визначення температури та швидкості частинок порошку в кожному елементарному об¢ємі використані рівняння (12)–(17), які взяті із математичної моделі [7].
Таким чином, остаточно узагальнена і скорегована математична модель містить 17 рівнянь і має вигляд:
| ; | (1) |
| ; | (2) |
| ; ; | (3) |
| (4) | |
| ; | (5) |
| ; | (6) |
| ; | (7) |
| ; | (8) |
| ; | (9) |
| ; | (10) |
| ; | (11) |
| ; | (12) |
| ; | (13) |
| ; | (14) |
| ; | (15) |
| ; | (16) |
| . | (17) |
де T
з.с
– температура плазми на зрізі сопла плазмотрона, К; ср
г
– питома теплоємність газу, кДж/ (кг×К); е
0
– заряд електрона, Кл; K
– стала Больцмана, Дж/К; e
0
– електрична стала, Ф/м; R
– універсальна газова стала, Дж/(моль·К); і
– кількість ступенів вільності; mг
– молярна маса газу плазми, кг/моль; jг
– перший потенціал іонізації газу, В; а
– коефіцієнт, що залежить від положення елемента в періодичній системі; Е
г
– енергія дисоціації газу, Дж; Т
0
, Р
– початкові температура і тиск плазмоутворюючого газу, a – ступінь однократної іонізації плазмоутворюючого газу; V
г
– об'ємна витрата плазмоутворюючого газу, м3
/с; W
– електрична потужність, яка подається на плазмотрон, Вт; W
p
– потужність, яка розсіюється у плазмотроні, Вт; W
p
= m
в
c
в
T
; m
в
– масова витрата охолоджуючої води, кг/с; с
в
– питома теплоємність води, с
в
= 4190 Дж/(кг×К); Т
– зміна температури води на вході і виході із плазмотрона; Р
0
– тиск навколишнього середовища, Па; S
– площа перерізу сопла плазмотрона, м2
; DТ
чi
– зміна середньої температури частинки в і
-му елементі, К; Т
ч(i–
1)
середня температура частинки на вході в і
-й елемент об’єму, К; Т
гі
– середня температура плазми в і
-му елементі об’єму, К; Nu – критерій Нуссельта; lг
– теплопровідність плазми, Вт/(м·К); Dw
чi
– зміна середньої швидкості частинок, що вводяться в плазму, м/с; Dw
ч(i–
1)
– середня швидкість частинок на вході в і
-й елемент об’єму, м/с; w
гi
– середня швидкість плазми в і
-му елементі об’єму, м/с; hі
– коефіцієнт динамічної в’язкості газу, Па·с; w
0г
– швидкість газу в перерізі введення порошку у потік, м/с; rг
– густина плазмоутворюючого газу, кг/м3
; rч
– теоретична густина матеріалу частинок, кг/м3
; G
г
– витрата плазмоутворюючого газу, кг/год; G
ч
– витрата порошку (продуктивність процесу), кг/год; СD
– коефіцієнт аеродинамічного опору частинок порошку; d
ч
– діаметр частинок порошку (дисперсність матеріалу), м; Dх
– шлях, який пройдено частинкою (дистанція напилення), м; Т
г0
– початкова температура газу, К; aТ
– коефіцієнт тепловіддачі від газу до частинки, Вт/(м3
·К); С
пл
– середня теплоємність плазмоутворюючого газу при постійному тиску, кДж/(кг·К); w
г
– швидкість плазмоутворюючого газу, м/с.
За цією математичною моделлю здійснюється оптимізація параметрів нанесення покриттів. Оптимальна дистанція напилення (відстань від зрізу сопла до поверхні виробу) складає 0,100…0,300 м. Дистанція напилення залежить від порошку, режиму напилення, конструктивних особливостей виробу та технічних характеристик установки плазмового напилення й плазмотрона.
Оптимальна дистанція нанесення покриттів фіксується в момент досягнення частинкою порошку температури плавлення за умови проплавлення 0,9 її маси. Це можна пояснити тим, що при нанесенні покриттів основою повної питомої енергії частинок є внутрішня складова.
На основі вище описаної математичної моделі складено програму розрахунку та оптимізації технологічних параметрів напилення покриттів, яка наведена в [5]
Для виконання розрахунків на ПЕОМ (за допомогою програми) необхідні такі початкові дані: вид плазмотвірного газу(у даному випадку це аргон); витрати газу Vг
= 0,0006 м3
/с і порошку Gч
= 3,5 кг/год; діаметр частинок порошку dч
= 40 мкм; питома теплоємність порошку сч
= 0,874 кДж/(кг·К); температура плавлення порошку Тпл
= 2150 К; початковий тиск газу Р = 4,05·105
Па; теоретична густина матеріалу частинок ρч
=627 кг/м3
.
Після проведення розрахунків були отримані такі результати оптимізації процесу:
- потужність – 16,0 кВт;
- відстань від зрізу сопла – 0,158м;
- швидкість газу – 248,9м/с;
- температура газу – 4583 К;
- швидкість часток – 251,624м/с;
- температура часток – 2150,0 К.
5. Розробка технологічної інструкції
1. Призначення.
1.1. Дана технологічна інструкція розповсюджується на процес плазмового напилення на повітрі і в динамічному вакуумі теплозахисних покриттів (ТЗП) із порошків на соплові лопатки ГТД.
Технологічна інструкція передбачає порядок виконання технологічних операцій і прийомів; встановлює перелік необхідного обладнання і пристроїв, діапазон параметрів напилення, порошкові матеріали, що використовуються, і спосіб їх приготування, спосіб підготовки поверхні підложки, режим термічної обробки і контроль якості напилених покриттів.
2. Технологічна схема процесу.
Процес напилення покриттів плазмовим методом являє собою сукупність прийомів і операцій, що виконуються у послідовності, яка представлена в загальному виді на технологічній схемі.
Технологічна схема
3. Матеріали. Технічні вимоги.
3.1. Для плазмового напилення ТЗП в якості плазмотвірних і транспортуючих газів використовують: аргон (сорт вищий), за ГОСТ 10157-79.
3.2. Для напилення ТЗП використовуються порошки: ЦОІ-7 (ZrО2
стабілізований 7% Y2
О3
), ТУ-48-0502-01-89, зернистістю «мінус» 40 мкм; (Со-Сr-Al-Y-Si) за ТУ-14-22-1-88, зернистістю «мінус» 40 мкм.
3.3. Порошки повинні пройти вхідний контроль на відповідність сертифікату. Без наявності сертифікату, де вказуються найменування порошку, його марка, розмір частинок, дата і місце виготовлення, порошки не використовувати.
3.4. В якості абразиву для підготовки поверхні під напилення використовувати шліфзерно електрокорунда нормального марок 12А, 13А, 14А, 15А по ГОСТ 2МТ793-80 і ГОСТ 2МТ715-78 зернистістю 63Н, 63П.
4. Технологічне обладнання.
4.1. Універсальна плазмова установка УПУ-3Д з плазмотроном ПН-14М, установка для плазмового напилення в динамічному вакуумі УПНКА.
4.2. Установка струменеві-абразивної обробки марки 026-7 «Ремдеталь» або інший тип обладнання для сухої струйно-абразивної підготовки поверхні.
4.3. Сушку композиційного порошку перед напиленням виконують в сушильній шафі з регулюванням температури до 300 ˚С типу СНОЛ-3,5*3,5/3,5Н1.
4.4. Ситову класифікацію проводити на лабораторній установці для розділення порошку на фракції за ГОСТ 6613-73. Зважування порошків проводять на вагах для статистичного зважування середнього класу точності за ГОСТ 23676-79.
4.5. Визначення шорсткості слід проводити вимірником шорсткості типу ЕИШ розробки «Румб» ТУ 9.958-13296-80.
4.6. Товщину покриття визначають замірами товщини відповідного перерізу лопатки до і після напилення мікрометром ГОСТ 6507-80.
5. Підготовка поверхні перед напиленням ТЗП.
5.1. Поверхня лопатки, яка не підлягає напиленню, повинна бути захищена від дії абразивних частинок і газопорошкового потоку при напиленні екранами з металу, масками та іншими ізолюючими елементами.
5.2. Струменеві-абразивну обробку поверхні електрокорундом проводять в такому режимі:
Тиск стиснутого повітря, МПа ……………………… 0,4…0,6
Відстань від зрізу сопла до поверхні,
оброблюється, мм ……………………………………. 50…120
Діаметр сопла, мм ……………………………………. 8…14
Кут падіння струменя на поверхню,
що оброблюється, град ………………………………. 60…90
Лінійна швидкість переміщення
пістолету, мм/хв. ……………………………………… 50…400
Обробка ведеться до зникання темних плям і отримання рівномірного матового відтінку обробленої поверхні.
5.3. Величина шорсткості обробленої поверхні повинна складати RZ
= 50…90 мкм.
5.4. При підготовці і транспортуванні лопаток, підготовлених до нанесення покриттів, необхідно використовувати обезжиреними, чистими інструментами, а також чистими брезентовими або бавовняними рукавицями ГОСТ 10354-82.
6. Підготовка порошків.
6.1. Порошок піддають ситовій класифікації. Класифікацію здійснюють за допомогою сита з сітками № 080, № 040 и № 028 на лабораторній установці для розділення порошку на фракції.
6.2. Для приготування суміші зважені порошки у потрібних відношеннях зсипати і перемішати вручну. Суміш засипати в барабан-змішувач зі спиртом типу «п’яна бочка» для перемішування протягом 4…6 годин при частоті обертання барабану 50…80 об/хв. При цьому барабан повинен бути герметично закритим.
6.3. Порошки сушать в сушильній шафі при температурі 130…150 ˚С протягом 3…5 годин. ZrО2
стабілізований 7% Y2
О3
прокалюють в електропечі при температурі 300…500 ˚С протягом 2…4 годин.
7. Напилення ТЗП.
Напилення ТЗП на лопатки ГТД проводять в такій послідовності:
· Підготовлену для напилення лопатку закріплюють в спеціальному маніпуляторі УПНКА або при напиленні на повітрі на станині токарного станку типу ІК-62;
· Встановлюють задану дистанцію напилення між зрізом сопла плазмотрона і поверхнею лопатки, що напилюється;
· Проводять запуск плазмової установки при значеннях параметрів, що забезпечують малі електричні і теплові навантаження на плазмотрон;
· Встановлюють технологічний режим. Параметри режимів наведені в табл.;
· Здійснюють підігрівання лопатки плазмовим струменем до 300…500 ˚С. Контроль температури поверхні, що напилюється, проводять термоіндикаторними олівцями;
· Подають порошок і при цьому переміщають лопатку або плазмотрон зі швидкістю 0,4…0,6 м/год, повертають лопатку зі швидкістю 18…22 об/хв;
· Спочатку напилюють підшарок Со-Сr-Al-Y-Si товщиною 60…100 мкм, потім проміжний шар з механічної суміші порошків Со-Сr-Al-Y-Si + 25% ZrО2
(7% Y2
О3
) товщиною 50…100 мкм і робочий шар з ZrО2
(7% Y2
О3
) товщиною до 200 мкм;
· Підшарок і проміжний шар напилюють у динамічному вакуумі;
· Робочий шар напилюють на повітрі;
· Перерва між напиленнями шарів не повинна перевищувати 0,5 год;
· Кожний наступний шар напилюють на поверхню підігріту до 300…500 ˚С;
· Закінчується процес при досягненні товщини покриття 350…400 мкм;
При напиленні необхідно, щоб встановленні параметри не змінювались; плазмовий струмінь повинен бути стійким, без пульсації; транспортування порошку і його подача до плазмотрону проходили рівномірно.
Таблиця
Рекомендовані параметри режимів плазмового напилення
| Тип установки | Струм, А | Напруга, В | Плазмотвірний газ | Витрати плазмотвірного газу, л/хв | Витрати транспортуючого газу, л/хв | Тиск газу, МПа | Дистанція напилення, м |
УПУ-3Д |
250… 320 |
150… 200 |
аргон |
50…60 |
1,5…2 |
0,4…0,5 | 0,158 |
УПНКА |
260… 300 |
75…100 |
аргон |
30…40 |
2…3 |
0,5 |
0,73… 0,76 |
В процесі напилення та після його закінчення візуально контролюється стан напиленої поверхні. Вона повинна мати рівномірно- матовий колір, не мати інородних включень, тріщин, сколів, відшарувань, частинок, що не проплавилися.
8. Термічна обробка.
Термічну обробку напилених лопаток проводять в електровакуумній печі СНВ-1-3-1/16 И1, ТУ16-531.594-76. В робочій камері підтримуеться тиск 78…80 Гпа.
Лопатки розташовують горизонтально, не кладаючи одну на одну.
Режим термічної обробки такий:
температура нагріву – 1050…1100 ˚С;
час витримки – 1,5…2,0 год.
9. Контроль якості напилених покриттів.
Контроль по зовнішньому вигляду проводиться з метою виявлення зовнішніх дефектів-сколів, відшарувань, вздуттів, тріщин, раковин. Огляд здійснюється з використанням лупи 10-ти кратного збільшення ЛИ-3, ЛИ-4 по ГОСТ 25706-83 з коефіцієнтом природної освітленості на поверхні лопатки не менше 1,50. При освітленні лампами накалювання освітленість на рівні робочого місця повинна бути не менше 150 лк. При виявленні одного з вище згаданих дефектів лопатки бракуються.
Товщину лопатки з покриттям заміряють за допомогою мікрометра, ГОСТ 6007-80.
Контроль мікроструктури здійснюють на зразках-свідках при збільшенні 100…300 крат з метою виявлення нерівномірного розподілення включень, наявності несуцільностей і забруднен на границі підкладка – покриття. При наявності одного зі згаданих дефектів бракується вся партія лопаток.
Загальні висновки
В процесі виконання курсового проекту «Розробка технології та модернізація обладнання для напилення теплозахисних покриттів на соплові лопатки ГТД плазмовим методом» вивчено і проведено аналіз конструкції соплової лопатки ГТД , описано її особливості та умови роботи, вивчення та аналіз конструкції та умов роботи виробу; вибраний метод, спосіб і обладнання для напилення покриттів; вибраний тип, склад, конструкція покриття і його товщина; модернізація обладнання для напилення покриттів;
розрахунок (вибір) режиму напилення функціонального покриття;
нормування технологічних операцій, визначення витрат матеріалів;
призначення методів контролю якості покриттів, загальні відомості про охорону праці та техніку безпеки;
розробка технологічної інструкції щодо напилення функціональних покриттів;
проектування дільниці для напилення покриттів;
що визначають вимоги до покриття. При цьому можна зробити такі висновки:
1.Для нанесення теплозахисного покриття на соплову лопатку ГТД застосовуеться плазмена технологія. Підшарок і проміжний шар на соплові лопатки ГТД краще напилювати у динамічному вакуумі для запобігання окислення порошку на шляху від пальника до основи. При цьому використовують установку УПНКА. Керамічний шар рекомендується напилювати на повітрі за допомогою універсальної плазмової установки УПУ – 3Д .
2. Теплозахисне покриття ТЗП на соплову лопатку ГТД слід наносити з тришаровою структурою: підшар (Со-Сr-Al-Y-Si
), проміжний шар (Со-Сr-Al-Y-Si + 15%
ZrО2
(7% Y2
О3
)
) та теплозахисний шар (ZrО2
(7% Y2
О3
)
). Така конструкція покриття забезпечує плавну зміну КТР при переході від металевої основи до керамічної поверхні.
3. Вибрана структура і склад шару, що наноситься, ускладнює процес напилення, адже підшар бажано напилювати у вакуумі для запобігання окислення матеріалу і утворення оксидних плівок та появи інородних включень, що може призвести до браку цілої партії лопаток або, принаймні, знизити їх надійність та довговічність. Керамічний шар наносять на повітрі, так як його матеріал ZrО2
(7% Y2
О3
)
, являючись оксидом, не зазнає зміни складу при таких умовах.
4. Призначення параметрів режиму напилення функціонального покриття здійснюється по розрахункам, отриманим за допомогою програми на ПЕОМ, розробленої на основі математичної моделі двофазного плазмового струменя. Вибраний режим напилення (результат оптимізації процесу) дозволяє напилювати керамічний шар на партію лопаток з порошку, що має розмір фракції «мінус» 40 мкм, забезпечуючи повне проплавлення частинок, мінімальні втрати матеріалу, оптимальну економічну ефективність процесу.
Література
1. Горячек А.В., Дорох В.Ф., Иванченко Н.И. ”Производство лопаток”.//Технический сборник организации и технологического производства судовом газотурбино строениии./Производственное обьединение „Зоря”, Техноконсолтинг 2000.
2. Авиационные газотурбинные двигатели, конструкция и расчет деталей. Туманский С.К., Жирицкий Г.С., Струнки В.А., Штода А.В., “Машиностроение”,1965. 451с.
3. В.Д. Кузнецов, В.М. Пащенко. Фізико-хімічні основи створення покриттів. – К.:КПІ. 1999.
4. А. Хасуй. Техника напыления. Перевод с японского С.Л. Масленникова. М., - «Машиностроение», 1975г.
5. Дубовий О.М., Янковець Т.А. / Технологія напилення покриттів./ Навчальний посібник. – 2006.
6. Газотермические покрытия из порошкових материалов. Справочник / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.Л. Сидоренко – К.: Наукова думка, 1987.
7. Дубовой А.Н. Математическая модель двухфазной плазменной струи // Автоматическая сварка. – 1999. - № 11.
8. Порошковая металлургия и напыленные покрытия // Под ред. Б.С. Митина – М.: Металлургия, 1987г.