состав присадочного материала
Классы МПК: | B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C C22C38/00 Сплавы черных металлов, например легированные стали |
Автор(ы): | Балдаев Лев Христофорович (RU), Доброхотов Николай Алексеевич (RU), Дубов Игорь Руфимович (RU), Ишмухаметов Динар Зуфарович (RU), Коржнев Владимир Ильич (RU), Лобанов Олег Алексеевич (RU), Мухаметова Светлана Салаватовна (RU), Силимянкин Николай Васильевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Фонд поддержки научной, научно-технической и инновационной деятельности "Энергия без границ" (Фонд "Энергия без границ") (RU), Общество с ограниченной ответственностью "Технологические системы защитных покрытий" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-05-16 публикация патента:
20.10.2014 |
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при ремонте деталей паровых турбин. Состав присадочного материала в виде порошка для восстановления жаропрочных сталей характеризуется тем, что он содержит следующие компоненты при их соотношении, мас.%: Cr - 8-15, Si - 0,2-2,5, С - 0,01-0,18, Мо - 0,4-1,05, W - 0,4-1,2, V - 0,1-0,6, В - 0,01-2,0, Ni - 1-20, Fe - остальное, при этом суммарное значение Мо и W не превышает 1,0 мас.%. Снижается количество дефектов в наносимом покрытии и повышается эффективность ремонтных работ. 1 пр.
Формула изобретения
Состав присадочного материала в виде порошка для восстановления жаропрочных сталей, характеризующийся тем, что он содержит следующие компоненты при их соотношении, мас.%: Cr - 8-15, Si - 0,2-2,5, С - 0,01-0,18, Мо - 0,4-1,05, W - 0,4-1,2, V - 0,1-0,6, В - 0,01-2,0, Ni - 1-20, Fe - остальное, при этом суммарное значение Мо и W не превышает 1,0 мас.%.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при ремонте деталей паровых турбин, таких как лопатки, гребешки и др. из высоколегированных жаропрочных сталей и сплавов на железной, железо-никелевой основах.
Условия эксплуатации деталей энергетических установок таковы, что под действием возникающих многократных ударов капель конденсата, мельчайших частиц абразива, температуры, химических реагентов и др. факторов, происходит различный износ их рабочих поверхностей, сопровождаемый потерей исходного профиля, следствием чего является снижение эксплуатационных характеристик установки в целом.
Наиболее интенсивно проявление износа наблюдается на входных кромках, периферийных зонах, а также торцевых поверхностях лопаток, гребешках и др. При длительной работе энергетической установки, а особенно при работе на нестационарных режимах, интенсивность процесса износа может только усиливаться, при этом имеющиеся дефекты могут привести не только к локальному выкрашиванию металла, но обрыву части детали.
Для восстановления рабочего профиля при ремонте, а также увеличения срока эксплуатации деталей находят применение различные покрытия, состав которых обусловлен помимо условий эксплуатации, технологичностью материала деталей при изготовлении и ремонте.
Наибольшее распространение и изученность процесса получили технологии ремонта с использованием сварочных процессов (наплавки), важным фактором реализации которых является правильный выбор сварочных материалов с учетом их адаптации к основному материалу детали. Известно, что хромистые стали свариваются по таким технологическим вариантам:
- с применением сварочных (наплавочных) материалов такого же или сходного с основным металлом химического состава;
- с использованием присадочных материалов аустенитного или аустенитно-ферритного класса (сталей и сплавов). В первом случае формируется сварное соединение с высокой структурной однородностью и высокой хрупкостью (при отсутствии термической обработки) и высокой прочностью (при проведении термической обработки); во втором случае формируется соединение с различными структурными составляющими, которые не рекомендуется эксплуатировать при температурах выше 600°С.
Из уровня техники известен состав присадочного материала для ремонта деталей из жаропрочных сплавов (RU 2354523 С1, МПК В23Р 6/00, опубликовано 10.05.2009). Известный состав выбран в качестве ближайшего аналога.
Состав проволоки включает компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,10-0,30; хром 15,0-20,0; вольфрам 1,4-2,0; молибден 14,0-20,0; никель 2,0-4,0; железо 2,0-4,0; марганец 0,5-1,0; титан 0,5-1,5; алюминий 0,5-1,5; по меньшей мере, один компонент из группы редкоземельных металлов 0,01-0,03; рений 0,01-0,05; кобальт - остальное до 100%.
Недостатками указанного аналога являются то что:
- за счет наличия в своем составе редкоземельных металлов его стоимость значительно повышается, что дополнительно способствует повышению затрат на проводимые ремонтно-восстановительные работы;
- применение указанного материала ограничено лишь для определенного класса материалов, при этом в случае сварки разнородных сталей и сплавов требуется проведение последующей термообработки для снятия внутренних напряжений и обеспечения более плавного перехода от одного материала к другому;
- введение молибдена и вольфрама в указанных пределах при температурах эксплуатации рабочей детали порядка 900°С и выше приводит к формированию сложнолегированных карбидов и фаз Лавеса, что обедняет твердый раствор по данным элементам и существенно снижает характеристики жаропрочности материала.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является восстановление и ремонт дорогостоящих деталей ротора путем нанесения покрытий из порошкового материала.
Желаемый технический результат заключается в снижении количества дефектов в наносимом покрытии и тем самым повышении эффективности ремонтных работ.
Желаемый технический результат достигается тем, что в состав присадочного материала для ремонта деталей из жаропрочных сталей и сплавов на железной и железо-никелевой основах, входят следующие компоненты: хром, кремний, углерод, молибден, вольфрам, ванадий, бор, никель, железо при их соотношении, масс.%: Cr - 8-15%; Si - 0,2-2,5%; С - 0,01-0,18%; Мо - 0,4-1,05%; W - 0,4-1,2%; V - 0,1-0,6%; В - 0,01-2,0%; Ni - 1-20%; Fe - остальное, при этом суммарное значение Мо и W не должно превышать 1,0%, а присадочный материал используют в виде порошка.
Состав присадочного порошкообразного материала подобран таким образом, чтобы обеспечить минимальное количество брака, в виде холодных и горячих трещин, при наплавке данного материала без последующей термообработки при сохранении устойчивости к внешним условиям воздействия среды. Это достигается за счет подбора соотношения таких легирующих элементов, как: углерод, молибден, вольфрам, хром, никель и др. Как известно, такие материалы как Ni, Mn, С, Cr, позволяют расширить диапазон начала и окончания мартенситного превращения, тем самым позволяя компенсировать усадочные процессы при наплавке на материалы с мартенситным характером упрочнения.
Модифицирование бором, кремнием в совокупности с углеродом, молибденом, вольфрамом, улучшает высокотемпературную структурную стабильность металла, способствует формированию мелкодисперсных карбидных и других упрочняющих фаз, термодинамически устойчивых в интервале температур 500-630°С.
При модифицировании кремнием и бором свыше 2,0-2,5% происходит образование сложных соединений за счет самофлюсования с формированием устойчивого при высоких температурах стекловидного слоя на поверхности. При этом происходит охрупчивание наплавленных слоев и риск образования поперечных трещин и пор, что снижает усталостные характеристики изделия.
Увеличение содержания углерода свыше приведенных значений приводит к выделению устойчивых карбидов по границам зерен с основными легирующими элементами Cr, Si, Mo, V, В и тем самым снижает коррозионную стойкость и пластические свойства из-за обеднения твердого раствора. Также известно, что увеличение содержания углерода приводит к снижению температуры плавления и уменьшению критической скорости охлаждения стали, что обуславливает увеличение глубины зоны лазерного воздействия и может привести к таким дефектам, как растрескивание.
Суммарное значение Мо и W характеризует «молибденовый эквивалент», определяемый соотношением (Mo+0,5W) не должен превышать 1,0%. В случае его превышения происходит разупрочнение твердого раствора вследствие зарождения, роста и коагуляции в приграничных областях сложнолегированных карбидов и фаз Лавеса, обогащенных атомами молибдена и вольфрама, в результате чего происходит диффузионное обеднение твердого раствора по этим элементами с существенным снижением характеристик жаропрочности материала.
При этом в качестве рекомендуемого способа нанесения данного состава предлагается лазерное излучение, что связано с условием минимального термического воздействия на материал основы, а также незначительной зоной перемешивания с основой детали.
В качестве примера реализации ремонтной технологии можно привести процесс восстановления рабочей лопатки паровой турбины из стали с мартенситным характером упрочнения, типа 13Х11Н2В2МФ-Ш. При этом предварительная механическая обработка восстанавливаемой поверхности проводилась с применением ручного шлифовального инструмента типа пневматической бормашины. Затем проводилась многослойная наплавка разработанным составом на подготовленной поверхности, при этом режим термического воздействия подобран так, чтобы снизить величину зоны перемешивания материала основы с покрытием и тем самым уйти от последующей термообработки детали. При этом проведение процесса восстановления с составом аналогичным разработанному, но имеющему Ni порядка 30% при режимах наплавки с мощностью более 1500 Вт приводило к образованию поперечных трещин в наплавленном слое, тогда как разработанный состав в диапазоне мощностей 500-3500 Вт обеспечивал стабильное отсутствие дефектов в виде растрескивания.
Класс B23K35/30 с основным компонентом, плавящимся при температуре ниже 1550°C
Класс C22C38/00 Сплавы черных металлов, например легированные стали