Розробка технології та модернізація обладнання для напилення теплозахисних покриттів на соплові (стр. 1 из 4)
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% Y2О3 ));
4 – теплозахисний шар (ZrО2 (7% Y2О3 ));
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%) Y2О3, 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.