eng
Выпуск #4/2025
В. Г. Проценко, Д. Ануфриев, М. В. Кузнецов, А. А. Попович
Лазерная наплавка сопловых лопаток из кобальтового сплава MAR-M 509 методом лазерной газопорошковой наплавки
Лазерная наплавка сопловых лопаток из кобальтового сплава MAR-M 509 методом лазерной газопорошковой наплавки
Просмотры: 975
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.4.282.290
Представлены параметры режима лазерной газопорошковой наплавки для
восстановления сопловых лопаток двигателя MAN TURBO из кобальтового сплава
MAR-M 509 с применением отечественного порошка ЭП648. Описаны технологические
меры предотвращения образования трещин при лазерной наплавке. Работы
по восстановлению серии сопловых лопаток проводили на роботизированном
технологическом комплексе прямого лазерного выращивания.
Представлены параметры режима лазерной газопорошковой наплавки для
восстановления сопловых лопаток двигателя MAN TURBO из кобальтового сплава
MAR-M 509 с применением отечественного порошка ЭП648. Описаны технологические
меры предотвращения образования трещин при лазерной наплавке. Работы
по восстановлению серии сопловых лопаток проводили на роботизированном
технологическом комплексе прямого лазерного выращивания.
Лазерная наплавка сопловых лопаток из кобальтового сплава MAR-M 509 методом лазерной газопорошковой наплавки
В. Г. Проценко, Д. Ануфриев, М. В. Кузнецов, А. А. Попович
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
Представлены параметры режима лазерной газопорошковой наплавки для восстановления сопловых лопаток двигателя MAN TURBO из кобальтового сплава MAR-M 509 с применением отечественного порошка ЭП648. Описаны технологические меры предотвращения образования трещин при лазерной наплавке. Работы по восстановлению серии сопловых лопаток проводили на роботизированном технологическом комплексе прямого лазерного выращивания.
Ключевые слова: лазерная газопорошковая наплавка, лопатки газотурбинных двигателей, сварочные напряжения, металлографический анализ, Inconel 625
Статья получена: 01.06.2025
Статья принята: 20.06.2025
Введение
Изготовление лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) сопряжено с применением дорогостоящих материалов и сложных технологий, что значительно отражается на их себестоимости. Лопатки турбины являются ответственными деталями, функционирующими в тяжелых эксплуатационных условиях, характеризующихся продолжительными механическими и термическими напряжениями, высокими температурами и воздействием коррозии. При обнаружении дефектов во время планового осмотра лопатки подвергаются замене из-за ограничения применимости или при отсутствии технологий по их ремонту. Замена поврежденных лопаток новыми значительно увеличивает стоимость эксплуатации турбины, поэтому интерес к ремонтным технологиям в данной сфере непрерывно растет.
Весьма перспективными, применительно к ремонту лопаток ГТД, являются технологии прямого лазерного выращивания (ПЛВ) [1]. Суть технологии ПЛВ заключается в следующем: лазерный луч высокой мощности фокусируется на поверхности детали, создавая ванну расплава. В эту область подается металлический порошок, который расплавляясь, формирует валик наплавленного материала. Робот-манипулятор перемещает оптическую головку [2] с установленным на ней соплом для подачи металлического порошка по заранее выбранной траектории и согласно 3D-модели выращиваемого изделия. Таким образом, слой за слоем происходит выращивание изделия.
Главным преимуществом этих технологий является высокая плотность мощности и локальность нагрева в зоне воздействия, что позволяет проводить наплавку тонкостенных выходных кромок без образования большой зоны термического влияния. Важной характеристикой лазерного излучения как источника тепла является его технологическая гибкость, позволяющая работать в импульсных режимах с широкими диапазонами значений времени импульса и времени паузы. Управление данными параметрами дает возможность контролировать объем ванны расплава, длительность прибывания металла выше критических температур, скорости охлаждения, а также при необходимости позволяет отделить процесс нагрева от процесса плавления [3].
В работе рассмотрен пример отработки и применения лазерной газопорошковой наплавки для восстановления сопловых лопаток 2 ступени двигателя MAN TURBO.
Технология лазерной газопорошковой наплавки
При лазерной наплавке (рис. 1) плавление основного и присадочного металла осуществляется с помощью лазерного излучения 1. Претерпевший в процессе наплавки фазовые и структурные превращения металл детали 8 образует зону термического влияния 7. В качестве присадочного металла в данном процессе применяют металлический порошок, который, расплавляясь и перемешиваясь с основным металлом, образует ванну расплава 6. Подача порошка в ванну расплава осуществляется через инжекторы 3, расположенные в сопле 2. В ходе данной работы использовали сопло С4-12 с четырьмя инжекторами, фокусирующими газопорошковую смесь 4, на расстоянии 12 мм от торца сопла. Через осевой канал из сопла подается защитный газ аргон 5.
После кристаллизации ванны расплава образуется валик, одними из основных параметров которого являются ширина, глубина проплавления и высота. Необходимые размеры валика устанавливают исходя из геометрических размеров детали, требований к припускам на механическую обработку и требуемой чистоты поверхности.
Исследовательское оборудование
Отработку режимов и работы по восстановлению серии сопловых лопаток проводили на роботизированном технологическом комплексе прямого лазерного выращивания (РТК ПЛВ) (рис. 2).
В состав модернизированного РТК ПЛВ входит следующее оборудование:
РТК ПЛВ предназначен для прямого лазерного выращивания и лазерной наплавки в контролируемой атмосфере. Автоматизация процесса наплавки обеспечивает минимальный припуск на механическую обработку.
Отработка режима наплавки
Из-за необходимости восстановления тонкостенных выходных кромок толщиной от 1 мм, а также частей, имеющих сложный профиль, для наплавки использовали импульсный режим. Он имеет большее по сравнению с непрерывным режимом количество параметров, что позволяет регулировать в широких пределах основные параметры процесса наплавки. Ключевым при этом является снижение погонной энергии, что позволяет снизить остаточные продольные напряжения в шве. Это связано с изменением формы температурных полей: изотермы становятся более округлыми, отношение величины продольной оси изотеры к поперечной уменьшается.
В качестве материала для наплавки использовался металлический жаропрочный никелевый порошок ЭП648 с фракцией 40–200 мкм. Исследования механических свойств образцов, полученных лазерной газопорошковой наплавкой из зарубежного аналога ЭП648, показали что механические свойства наплавленного металла близки к свойствам литых сплавов на основе кобальта [4].
При отработке режима наплавки результаты работ [5, 6] были взяты за основу для варьирования следующих параметров: мощность лазерного излучения P от 500 Вт до 1 500 Вт, массовый расход порошка R от 3 до 7 г/мин, время импульса Tи от 0,05 с до 1,5 с, время паузы Tп от 0,1 с до 2 с, смещение по оси х, от 0,8 до 1,2 мм, смещение по оси z от 0,2 до 0,5 мм, расстояние до среза головы H во всех опытах оставалось постоянным. Параметры режима наплавки, позволяющие получить качественное формирование, представлены в табл. 1, поперечный шлиф наплавленного слоя – на рис. 3, внешний вид наплавленного слоя – на рис. 4.
Наплавленный металл образован столбчатой структурой. При наплавке происходит частичное оплавление ветвей дендритов сплава MAR-M 509. Как известно, поверхностная энергия между расплавом и двумя кристаллитами больше, чем между двумя кристаллами, поэтому зародыши твердой фазы возникают на оплавленных поверхностях дендритов. Кристаллы растут нормально к изотермической поверхности в направлении, обратном направлению теплоотвода. Непрерывное изменение градиента температуры при удалении источника тепла влечет за собой непрерывное изменение направления роста кристаллитов. В первом приближении можно считать, что оси кристаллитов остаются ортогональными к поверхностям семейства фронтов кристаллизации. Изменение пространственной ориентации зерен видно на поперечном шлифе наплавленной стенки (рис. 5).
Вследствие растворения карбидов участок линии сплавления имеет повышенную твердость (рис. 6). Для уменьшения остаточных напряжений и снижения твердости в зоне сплавления проводили отжиг при температуре 650 °C в течение 2 ч [7].
Для проверки механических свойств наплавленного металла изготовили серию цилиндрических образцов для испытаний на статическое растяжение по ГОСТ 1497‑84, тип IV, № 8. Испытание проводили вдоль и поперек направления выращивания, результаты механических испытаний представлены в табл. 2. Как видно из представленных в табл. 2 данных, наплавленный материал ЭП648 обладает высокими механическими свойствами, что позволяет применить его для восстановления лопаток.
Технологические меры предотвращения образования трещин при лазерной наплавке
При попытке применить отработанный режим для наплавки сопловых лопаток 2 ступени двигателя MAN TURBO образовывалось 2 вида трещин (рис. 7).
Основной причиной их образования являются сварочные деформации и напряжения, которые возникают вследствие литейной усадки, связанной с уменьшением объема металла при кристаллизации и остывании [8], а также вследствие раскрытия возникших в процессе эксплуатации микротрещин (рис. 8).
Для уменьшения сварочных напряжений и деформаций были приняты следующие меры:
Приведенные выше меры позволили предотвратить трещинообразование в процессе наплавки и последующей термической обработки.
Предварительный и сопутствующий подогрев до 300 °C осуществляли с использованием специализированной оснастки, оснащенной керамическими инфракрасными излучателями со сферической излучающей поверхностью с углом рассеивания 75°. Суммарная мощность излучателей 2 000 Вт. Контроль температуры подогрева осуществляли с использованием инфракрасного бесконтактного термометра. Лопатку устанавливали на ложемент, размещенный между двумя излучателями (рис. 9).
С использованием вышеописанного технологического процесса методом лазерной наплавки восстановили две серии сопловых лопаток в общем количестве 20 штук. Первая серия успешно прошла подконтрольные испытания в течение 12 тысяч часов в составе двигателя MAN TURBO и в настоящий момент эксплуатируется.
Выводы
В результате проведенных работ был отработан режим лазерной газопорошковой наплавки. На основании проведенного металлографического анализа установлено, что причинами возникновения трещин являются микротрещины в поверхностных слоях, возникшие в металле в процессе эксплуатации. В процессе термодеформационного цикла наплавки микротрещины раскрываются, образуя макротрещины. Учитывая характер их возникновения, была отработана технология, позволяющая снизить риск возникновения трещин. Проведено восстановление 20 лопаток из кобальтового сплава MAR-M 509 с применением отечественного порошка ЭП648 и проведены подконтрольные испытания, подтвердившие эксплуатационную надежность лопаток, восстановленных лазерной газопорошковой наплавкой.
АВТОРЫ
Проценко Владимир Георгиевич, инженер научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Институт машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание.
Ануфриев Дмитрий, инженер научно- исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», младший научный сотрудник Российско-Германского центра лазерных технологий, Институт машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: Лазерные аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, лазерная и лазерно-дуговая сварка, лазерная термообработка; e-mail: dmitriyanufriyev23@yandex.ru.
ORCID: 0009-0005-5698-9625
Кузнецов Михаил Валерьевич, к. т. н., заведующий научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Институт машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание. E-mail: kuznetsov_mich@mail.ru.
ORCID: 0000-0002-9981-1078
Попович Анатолий Анатольевич, д. т. н., профессор, директор Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: разработка теоретических основ и эффективных технологий получения порошков тугоплавких соединений и сплавов на их основе в условиях высокотемпературного механохимического синтеза, создание новых анодных и катодных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов, аддитивные технологии.
ORCID: 0000-0002-5974-6654
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы внесли свой вклад в работу в соответствии с распределением задач. С текстом согласны.
REFERENCES
Zemlyakov E. V., Babkin K. D., Korsmik R. S., Sklyar M. O., Kuznetsov M. V. Prospects of Use of Laser Сladding Technology for Restoration of Compressor Blades of Gas Turbine Engines. Photonics Russia. 2016;58(4):10–25. DOI: 10.22184/1993‑7296.2016.58.4.10.22.
Земляков Е. В., Бабкин К. Д., Корсмик Р. С., Гущина (Скляр) М. О., Кузнецов М. В. Перспективы использования технологии лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных двигателей. Фотоника. 2016;58(4):10–25. DOI: 10.22184/1993‑7296.2016.58.4.10.22.
Кузнецов М., Земляков Е., Бабкин К. Обзор лазерных технологических головок для реализации промышленных лазерных технологий обработки металлических материалов. Фотоника. 2016; 60(6):14–33. DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.14.33.
Kuznetsov M., Zemlyakov E., Babkin K. Review of Laser Technological Heads for Implementation of Industrial Laser Technologies of Metal Material Working. Photonics Russia. 2016; 60(6):14–33. DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.14.33.
Popovich A. A., Sufiyarov V.Sh., Razumov N. G., Borisov E. V., Masajlo D. V., Goncharov I. S. Materialy i additivnye tekhnologii. Sovremennye materialy dlya additivnyh tekhnologij. – SPb.: POLITEH-PRESS. 2021. – 204 s.
Попович А. А., Суфияров В. Ш., Разумов Н. Г., Борисов Е. В., Масайло Д. В., Гончаров И. С. Материалы и аддитивные технологии. Современные материалы для аддитивных технологий. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС. 2021. – 204 с.
Groden C., Bose S., Bandyopadhyay A., Champagne V. Inconel 718-CoCrMo bimetallic structures through directed energy deposition-based additive manufacturing. Materials Science in Additive Manufacturing. 2022;1(3): 18. DOI: 10.18063/msam.v1i3.18.
Kuznetsov M., Turichin G., Silevich V., Ochkasov V., Sorokin A. Research of technological possibility of increasing erosion resistance rotor blade using laser cladding: 17th Nordic Laser Materials Processing Conference – NOLAMP17. Procedia Manufacturing. 2019; 36:163–175.
Evgenov A. G., Shcherbakov S. I., Rogalev A. M. Oprobovanie poroshkov zharoprochnyh splavov EP718 i EP648 proizvodstva FGUP “VIAM” dlya remonta detalej GTD metodom lazernoj gazoporoshkovoj naplavki. Aviacionnye materialy i tekhnologii. 2016;1(43): 16–23.
Евгенов А. Г., Щербаков С. И., Рогалев А. М. Опробование порошков жаропрочных сплавов ЭП718 и ЭП648 производства ФГУП «ВИАМ» для ремонта деталей ГТД методом лазерной газопорошковой наплавки. Авиационные материалы и технологии. 2016;1(43): 16–23.
Li P., Zhou J., Gong Y., Meng X., Lu J. Effect of post-heat treatment on the microstructure and mechanical properties of laser metal deposition Inconel 718. Journal of Mechanical Science and Technology. 2021;35(7): 2871–2878. DOI: 10.1007/s12206-021-0610-4.
Mo B., Li T., Shi F., Deng L., Liu W. Crack initiation and propagation within nickel-based high-temperature alloys during laser-based directed energy deposition: A review. Optics & Laser Technology. 2024; 179: 27. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.111327.
В. Г. Проценко, Д. Ануфриев, М. В. Кузнецов, А. А. Попович
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
Представлены параметры режима лазерной газопорошковой наплавки для восстановления сопловых лопаток двигателя MAN TURBO из кобальтового сплава MAR-M 509 с применением отечественного порошка ЭП648. Описаны технологические меры предотвращения образования трещин при лазерной наплавке. Работы по восстановлению серии сопловых лопаток проводили на роботизированном технологическом комплексе прямого лазерного выращивания.
Ключевые слова: лазерная газопорошковая наплавка, лопатки газотурбинных двигателей, сварочные напряжения, металлографический анализ, Inconel 625
Статья получена: 01.06.2025
Статья принята: 20.06.2025
Введение
Изготовление лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) сопряжено с применением дорогостоящих материалов и сложных технологий, что значительно отражается на их себестоимости. Лопатки турбины являются ответственными деталями, функционирующими в тяжелых эксплуатационных условиях, характеризующихся продолжительными механическими и термическими напряжениями, высокими температурами и воздействием коррозии. При обнаружении дефектов во время планового осмотра лопатки подвергаются замене из-за ограничения применимости или при отсутствии технологий по их ремонту. Замена поврежденных лопаток новыми значительно увеличивает стоимость эксплуатации турбины, поэтому интерес к ремонтным технологиям в данной сфере непрерывно растет.
Весьма перспективными, применительно к ремонту лопаток ГТД, являются технологии прямого лазерного выращивания (ПЛВ) [1]. Суть технологии ПЛВ заключается в следующем: лазерный луч высокой мощности фокусируется на поверхности детали, создавая ванну расплава. В эту область подается металлический порошок, который расплавляясь, формирует валик наплавленного материала. Робот-манипулятор перемещает оптическую головку [2] с установленным на ней соплом для подачи металлического порошка по заранее выбранной траектории и согласно 3D-модели выращиваемого изделия. Таким образом, слой за слоем происходит выращивание изделия.
Главным преимуществом этих технологий является высокая плотность мощности и локальность нагрева в зоне воздействия, что позволяет проводить наплавку тонкостенных выходных кромок без образования большой зоны термического влияния. Важной характеристикой лазерного излучения как источника тепла является его технологическая гибкость, позволяющая работать в импульсных режимах с широкими диапазонами значений времени импульса и времени паузы. Управление данными параметрами дает возможность контролировать объем ванны расплава, длительность прибывания металла выше критических температур, скорости охлаждения, а также при необходимости позволяет отделить процесс нагрева от процесса плавления [3].
В работе рассмотрен пример отработки и применения лазерной газопорошковой наплавки для восстановления сопловых лопаток 2 ступени двигателя MAN TURBO.
Технология лазерной газопорошковой наплавки
При лазерной наплавке (рис. 1) плавление основного и присадочного металла осуществляется с помощью лазерного излучения 1. Претерпевший в процессе наплавки фазовые и структурные превращения металл детали 8 образует зону термического влияния 7. В качестве присадочного металла в данном процессе применяют металлический порошок, который, расплавляясь и перемешиваясь с основным металлом, образует ванну расплава 6. Подача порошка в ванну расплава осуществляется через инжекторы 3, расположенные в сопле 2. В ходе данной работы использовали сопло С4-12 с четырьмя инжекторами, фокусирующими газопорошковую смесь 4, на расстоянии 12 мм от торца сопла. Через осевой канал из сопла подается защитный газ аргон 5.
После кристаллизации ванны расплава образуется валик, одними из основных параметров которого являются ширина, глубина проплавления и высота. Необходимые размеры валика устанавливают исходя из геометрических размеров детали, требований к припускам на механическую обработку и требуемой чистоты поверхности.
Исследовательское оборудование
Отработку режимов и работы по восстановлению серии сопловых лопаток проводили на роботизированном технологическом комплексе прямого лазерного выращивания (РТК ПЛВ) (рис. 2).
В состав модернизированного РТК ПЛВ входит следующее оборудование:
- робот Fanuc M‑20iA / 20M;
- 2‑х осевой позиционер Fanuc грузоподъемностью 500 кг;
- иттербиевый оптоволоконный лазер IPG мощностью 5 кВт;
- порошковый питатель Oerlicon Twin 10 C;
- технологический инструмент на базе лазерной головки FLW d30 (IPG), включающий юстировочный узел (СПбПУ), переходную часть (СПбПУ) и сопло С4-18 (СПбПУ);
- герметичная камера с перчаточным боксом, включающая системы создания и поддержания избыточного давления;
- технологическая оснастка с керамическими нагревателями для предварительного и сопутствующего подогрева.
РТК ПЛВ предназначен для прямого лазерного выращивания и лазерной наплавки в контролируемой атмосфере. Автоматизация процесса наплавки обеспечивает минимальный припуск на механическую обработку.
Отработка режима наплавки
Из-за необходимости восстановления тонкостенных выходных кромок толщиной от 1 мм, а также частей, имеющих сложный профиль, для наплавки использовали импульсный режим. Он имеет большее по сравнению с непрерывным режимом количество параметров, что позволяет регулировать в широких пределах основные параметры процесса наплавки. Ключевым при этом является снижение погонной энергии, что позволяет снизить остаточные продольные напряжения в шве. Это связано с изменением формы температурных полей: изотермы становятся более округлыми, отношение величины продольной оси изотеры к поперечной уменьшается.
В качестве материала для наплавки использовался металлический жаропрочный никелевый порошок ЭП648 с фракцией 40–200 мкм. Исследования механических свойств образцов, полученных лазерной газопорошковой наплавкой из зарубежного аналога ЭП648, показали что механические свойства наплавленного металла близки к свойствам литых сплавов на основе кобальта [4].
При отработке режима наплавки результаты работ [5, 6] были взяты за основу для варьирования следующих параметров: мощность лазерного излучения P от 500 Вт до 1 500 Вт, массовый расход порошка R от 3 до 7 г/мин, время импульса Tи от 0,05 с до 1,5 с, время паузы Tп от 0,1 с до 2 с, смещение по оси х, от 0,8 до 1,2 мм, смещение по оси z от 0,2 до 0,5 мм, расстояние до среза головы H во всех опытах оставалось постоянным. Параметры режима наплавки, позволяющие получить качественное формирование, представлены в табл. 1, поперечный шлиф наплавленного слоя – на рис. 3, внешний вид наплавленного слоя – на рис. 4.
Наплавленный металл образован столбчатой структурой. При наплавке происходит частичное оплавление ветвей дендритов сплава MAR-M 509. Как известно, поверхностная энергия между расплавом и двумя кристаллитами больше, чем между двумя кристаллами, поэтому зародыши твердой фазы возникают на оплавленных поверхностях дендритов. Кристаллы растут нормально к изотермической поверхности в направлении, обратном направлению теплоотвода. Непрерывное изменение градиента температуры при удалении источника тепла влечет за собой непрерывное изменение направления роста кристаллитов. В первом приближении можно считать, что оси кристаллитов остаются ортогональными к поверхностям семейства фронтов кристаллизации. Изменение пространственной ориентации зерен видно на поперечном шлифе наплавленной стенки (рис. 5).
Вследствие растворения карбидов участок линии сплавления имеет повышенную твердость (рис. 6). Для уменьшения остаточных напряжений и снижения твердости в зоне сплавления проводили отжиг при температуре 650 °C в течение 2 ч [7].
Для проверки механических свойств наплавленного металла изготовили серию цилиндрических образцов для испытаний на статическое растяжение по ГОСТ 1497‑84, тип IV, № 8. Испытание проводили вдоль и поперек направления выращивания, результаты механических испытаний представлены в табл. 2. Как видно из представленных в табл. 2 данных, наплавленный материал ЭП648 обладает высокими механическими свойствами, что позволяет применить его для восстановления лопаток.
Технологические меры предотвращения образования трещин при лазерной наплавке
При попытке применить отработанный режим для наплавки сопловых лопаток 2 ступени двигателя MAN TURBO образовывалось 2 вида трещин (рис. 7).
Основной причиной их образования являются сварочные деформации и напряжения, которые возникают вследствие литейной усадки, связанной с уменьшением объема металла при кристаллизации и остывании [8], а также вследствие раскрытия возникших в процессе эксплуатации микротрещин (рис. 8).
Для уменьшения сварочных напряжений и деформаций были приняты следующие меры:
- зачистка поверхностного слоя металла лопатки в зоне, прилегающей к линии сплавления;
- предварительный отжиг 650 °C в течение 2 ч. для снятия напряжений, возникших при эксплуатации;
- наплавка промежуточного слоя из материала с высокой пластичностью Inconel 625;
- приварка ребер жесткости для уменьшения деформаций;
- предварительный и сопутствующий подогрев до 300 °C для снижения скорости охлаждения на различных участках сварного соединения;
- отжиг для снятия напряжений после наплавки 650 °C в течение 2 ч.
Приведенные выше меры позволили предотвратить трещинообразование в процессе наплавки и последующей термической обработки.
Предварительный и сопутствующий подогрев до 300 °C осуществляли с использованием специализированной оснастки, оснащенной керамическими инфракрасными излучателями со сферической излучающей поверхностью с углом рассеивания 75°. Суммарная мощность излучателей 2 000 Вт. Контроль температуры подогрева осуществляли с использованием инфракрасного бесконтактного термометра. Лопатку устанавливали на ложемент, размещенный между двумя излучателями (рис. 9).
С использованием вышеописанного технологического процесса методом лазерной наплавки восстановили две серии сопловых лопаток в общем количестве 20 штук. Первая серия успешно прошла подконтрольные испытания в течение 12 тысяч часов в составе двигателя MAN TURBO и в настоящий момент эксплуатируется.
Выводы
В результате проведенных работ был отработан режим лазерной газопорошковой наплавки. На основании проведенного металлографического анализа установлено, что причинами возникновения трещин являются микротрещины в поверхностных слоях, возникшие в металле в процессе эксплуатации. В процессе термодеформационного цикла наплавки микротрещины раскрываются, образуя макротрещины. Учитывая характер их возникновения, была отработана технология, позволяющая снизить риск возникновения трещин. Проведено восстановление 20 лопаток из кобальтового сплава MAR-M 509 с применением отечественного порошка ЭП648 и проведены подконтрольные испытания, подтвердившие эксплуатационную надежность лопаток, восстановленных лазерной газопорошковой наплавкой.
АВТОРЫ
Проценко Владимир Георгиевич, инженер научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Институт машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание.
Ануфриев Дмитрий, инженер научно- исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», младший научный сотрудник Российско-Германского центра лазерных технологий, Институт машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: Лазерные аддитивные технологии, прямое лазерное выращивание, лазерная и лазерно-дуговая сварка, лазерная термообработка; e-mail: dmitriyanufriyev23@yandex.ru.
ORCID: 0009-0005-5698-9625
Кузнецов Михаил Валерьевич, к. т. н., заведующий научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Институт машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание. E-mail: kuznetsov_mich@mail.ru.
ORCID: 0000-0002-9981-1078
Попович Анатолий Анатольевич, д. т. н., профессор, директор Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», г. Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: разработка теоретических основ и эффективных технологий получения порошков тугоплавких соединений и сплавов на их основе в условиях высокотемпературного механохимического синтеза, создание новых анодных и катодных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов, аддитивные технологии.
ORCID: 0000-0002-5974-6654
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы внесли свой вклад в работу в соответствии с распределением задач. С текстом согласны.
REFERENCES
Zemlyakov E. V., Babkin K. D., Korsmik R. S., Sklyar M. O., Kuznetsov M. V. Prospects of Use of Laser Сladding Technology for Restoration of Compressor Blades of Gas Turbine Engines. Photonics Russia. 2016;58(4):10–25. DOI: 10.22184/1993‑7296.2016.58.4.10.22.
Земляков Е. В., Бабкин К. Д., Корсмик Р. С., Гущина (Скляр) М. О., Кузнецов М. В. Перспективы использования технологии лазерной наплавки для восстановления лопаток компрессоров газотурбинных двигателей. Фотоника. 2016;58(4):10–25. DOI: 10.22184/1993‑7296.2016.58.4.10.22.
Кузнецов М., Земляков Е., Бабкин К. Обзор лазерных технологических головок для реализации промышленных лазерных технологий обработки металлических материалов. Фотоника. 2016; 60(6):14–33. DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.14.33.
Kuznetsov M., Zemlyakov E., Babkin K. Review of Laser Technological Heads for Implementation of Industrial Laser Technologies of Metal Material Working. Photonics Russia. 2016; 60(6):14–33. DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.14.33.
Popovich A. A., Sufiyarov V.Sh., Razumov N. G., Borisov E. V., Masajlo D. V., Goncharov I. S. Materialy i additivnye tekhnologii. Sovremennye materialy dlya additivnyh tekhnologij. – SPb.: POLITEH-PRESS. 2021. – 204 s.
Попович А. А., Суфияров В. Ш., Разумов Н. Г., Борисов Е. В., Масайло Д. В., Гончаров И. С. Материалы и аддитивные технологии. Современные материалы для аддитивных технологий. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС. 2021. – 204 с.
Groden C., Bose S., Bandyopadhyay A., Champagne V. Inconel 718-CoCrMo bimetallic structures through directed energy deposition-based additive manufacturing. Materials Science in Additive Manufacturing. 2022;1(3): 18. DOI: 10.18063/msam.v1i3.18.
Kuznetsov M., Turichin G., Silevich V., Ochkasov V., Sorokin A. Research of technological possibility of increasing erosion resistance rotor blade using laser cladding: 17th Nordic Laser Materials Processing Conference – NOLAMP17. Procedia Manufacturing. 2019; 36:163–175.
Evgenov A. G., Shcherbakov S. I., Rogalev A. M. Oprobovanie poroshkov zharoprochnyh splavov EP718 i EP648 proizvodstva FGUP “VIAM” dlya remonta detalej GTD metodom lazernoj gazoporoshkovoj naplavki. Aviacionnye materialy i tekhnologii. 2016;1(43): 16–23.
Евгенов А. Г., Щербаков С. И., Рогалев А. М. Опробование порошков жаропрочных сплавов ЭП718 и ЭП648 производства ФГУП «ВИАМ» для ремонта деталей ГТД методом лазерной газопорошковой наплавки. Авиационные материалы и технологии. 2016;1(43): 16–23.
Li P., Zhou J., Gong Y., Meng X., Lu J. Effect of post-heat treatment on the microstructure and mechanical properties of laser metal deposition Inconel 718. Journal of Mechanical Science and Technology. 2021;35(7): 2871–2878. DOI: 10.1007/s12206-021-0610-4.
Mo B., Li T., Shi F., Deng L., Liu W. Crack initiation and propagation within nickel-based high-temperature alloys during laser-based directed energy deposition: A review. Optics & Laser Technology. 2024; 179: 27. DOI: 10.1016/j.optlastec.2024.111327.
Отзывы читателей
