CC BY
247
УДК 669-1
А.С. Ермолаев, А.М. Иванов, С.А. Василенко
ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
В зарубежном и российском авиационном производстве лазерные методы обработки материалов применяются сравнительно давно. Следует, однако, учитывать, что внедрение новых технологических процессов требует огромного количества испытаний и согласований, в результате от появления идеи до внедрения технологии в производство может пройти не один год. В данной статье рассмотрены примеры применения лазерного раскроя, 3D-лазерной резки, сварки и порошковой наплавки LMD (Laser Metal Deposition) при изготовлении различных компонентов авиационного двигателя и ремонте ответственных деталей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов компрессора высокого давления и камеры сгорания, описаны преимущества, которые способствуют внедрению лазерной обработки в производство.
Ключевые слова: лазерная адаптивная наплавка, ремонт, блиск, лопатка, компрессор высокого давления, лазерная сварка, перфорация отверстия, технология.
A.S. Ermolaev, A.M. Ivanov, S.A. Vasilenko
Aviadvigatel OJSC, Perm
LASER TECHNOLOGY AND PROCESSES WHEN MANUFACTURING AND REPAIR OF DETAILS OF THE GAS-TURBINE ENGINE
In foreign and Russian aviation manufacture the laser methods of material processing are applied rather for a long time. It is necessary to consider however, that introduction of new technological processes requires huge quantity of tests and coordination, as a result from appearance of idea to introduction of technology in manufacture one can pass not one year. In the article the examples of application 3D laser cutting are considered, weldings and laser powder cladding LMD (Laser Metal Deposition) when manufacturing various components of the aviation engine and when repair of responsible details from heat resisting nickel and titanium alloys of the high pressure compressor and the chamber of combustion. It is described advantages which allow to achieve introduction of laser processing in manufacture.
Keywords: laser adaptive cladding, repair, blisk, blade, high pressure compressor, laser welding, punching of an aperture, technology.
Восстановление деталей газотурбинного двигателя методом лазерной наплавки LMD
В рамках создания перспективного двигателя ПД-14 для самолета МС-21 в конструкции компрессора высокого давления применяются моноколеса (рис. 1). В процессе эксплуатации моноколеса (лопатки и диск, выполненные как единое целое) испытывают вибрации и удары, подвергаются абразивному износу, воздействию высоких температур и прочих негативных факторов. Это приводит к образованию трещин, забоин, изменению прочностных характеристик и искажению геометрии профиля каждой лопатки. Поскольку реальная геометрия каждой лопатки моноколеса после эксплуатации отличается от номинальной геометрии CAD-модели, для осуществления ремонта лопаток необходимо
тивным направлением. Решение данной проблемы возможно с применением аддитивных технологий - лазерной газопорошковой наплавки LMD (Laser Metal Deposition) [1, 2]. Существует несколько процессов LMD, но все они работают по одному принципу: сфокусированный лазерный луч направляется на порошок, происходит его плавление и постепенное, слой за слоем, формирование на обрабатываемой детали наплавленного металла (рис. 2).
Использование метода LMD для восстановления деталей газотурбинного двигателя обусловлено локальностью воздействия, что приводит к снижению короблений деталей и уменьшению зоны термического влияния. Это не вызывает значительного снижения прочности, а деформации (коробление, поводки) также ниже, чем при традиционной сварке. Наплавка LMD особенно целесообразна для сложных дета-
Рис. 1. Внешний вид моноколеса компрессора высокого давления
применение адаптивных методов обработки, в частности адаптивной лазерной порошковой наплавки ЬМО. Адаптивные методы обработки отличаются от стандартных тем, что программы ЧПУ необходимо адаптировать индивидуально к геометрии каждой детали, тогда как при использовании стандартных методов обработки целый ряд деталей обрабатывается по одной и той же номинальной программе ЧПУ.
Ввиду высокой дороговизны моноколеса его ремонт представляется перспек-
лей малых и средних размеров. Ремонт авиационных деталей с помощью LMD может быть очень выгоден, так как изготовление новой детали может оказаться в 20 раз дороже.
Луч лазера
Зона обработки
Рис. 2. Схема наплавки с коаксиальной подачей порошка [3]
Для достижения постоянных свойств наплавленных деталей требуется знание и понимание изменений микроструктуры и свойств материала, также необходима база данных по свойствам исходного материала.
В настоящее время Россия отстает от западных стран в этой области и поэтому актуальной является задача разработки технологии восстановления поврежденных лопаток и других деталей авиационного двигателя.
Для решения поставленной задачи в ОАО «Авиадвигатель» были изготовлены два титановых сектора моноколеса из материала ВТ8М. Входная кромка лопаток сектора моноколеса под наплавку предварительно была отфрезерована (рис. 3). Характер работ по восстановлению входной кромки является сложной технологической задачей, требующей применения адаптивной обработки вследствие характерно искаженного профиля лопатки.
Работы выполнялись на обрабатывающем центре TruLaser Cell 7020 производства фирмы Trumpf, оснащенном источником с твердотельным дисковым лазером мощностью 2 кВт. Измерения лопатки и адаптивность процесса обеспечиваются применением специализиро-
ванного программного обеспечения. В качестве присадочного материала применялся сферический порошок гранулометрического состава 45-75 мкм, полученный методом газоструйного распыления заготовки из материала Т16Л14У в среде инертного газа.
Рис. 3. Схема подготовки входной кромки лопатки под наплавку: 1 - лопатка сектора моноколеса; 2 - наплавляемая область
Работа состояла из следующих этапов:
1. Подбор режимов наплавки, обеспечивающих качественное сплавление и отсутствие дефектов типа трещин и несплавлений.
2. Создание программ ЧПУ для каждого слоя.
3. Создание проекта измерения геометрии лопатки в составе сектора моноколеса.
4. Проведение измерений геометрии конкретной лопатки и адаптация программ ЧПУ под геометрию каждой конкретной лопатки.
5. Лазерная наплавка с использованием адаптированных программ.
6. Металлографические исследования качества наплавленного металла.
По результатам металлографических исследований наплавленного металла установлено, что между основным материалом и материалом наплавки имеется четкая граница раздела. На границе раздела и в материале наплавки дефектов типа трещин, непроваров, пористости не выявлено. Микроструктура имеет мелкоигольчатое строение, что, вероятнее всего, свидетельствует о высокой скорости охлаждения наплавленного металла.
Таким образом, на первоначальном этапе отработки технологии восстановления входной кромки лопатки сектора моноколеса показана принципиальная возможность применения технологии лазерной адаптивной наплавки ЬМО для ремонта лопаток моноколес компрессора высокого давления (рис. 4).
а б
Рис. 4. Процесс восстановления входной кромки лопатки (а) и наплавленная входная кромка лопатки (б) сектора моноколеса
Другим примером применения лазерной наплавки ЬМО служит работа по восстановлению конической поверхности стенки жаровой трубы камеры сгорания из жаропрочного никелевого сплава ЭП648-ВИ порошком сплава ЭП648-ВИ.
Предварительно на конической поверхности тестовой заготовки (рис. 5) из материала ЭП648-ВИ толщиной 1,2 мм был экспериментально подобран режим наплавки и определены геометрические параметры наплавленных слоев (ширина и высота). Металлографические исследования и визуальный осмотр (рис. 6) показали отсутствие в металле наплавки дефектов типа трещин и несплавлений. Процесс наплавки ЬМО первого слоя и полностью восстановленная поверхность стенки жаровой трубы после механической обработки приведены соответственно на рис. 7, 8. Время восстановления 8 ч, расход порошка 800 г.
Аналогичным образом восстановлены рабочие кольца компрессора высокого давления (рис. 9). По результатам измерений величина деформации после лазерной наплавки ЬМО не превышала 0,5 мм на диаметр.
Рис. 5. Наплавленные слои высотой 3 мм на конической поверхности тестовой заготовки из материала ЭП648-ВИ
Рис. 6. Поперечный макрошлиф наплавленных слоев
Рис. 7. Процесс наплавки ЬМБ первого слоя на поверхности восстанавливаемой стенки жаровой трубы камеры сгорания
Рис. 8. Внешний вид восстановленной поверхности стенки жаровой трубы после механической обработки
Рис. 9. Наплавленный торец рабочего кольца: а - 7-й ступени; б - 4-й ступени КВД
Таким образом, применение лазерной наплавки LMD перспективно и востребовано при восстановлении геометрических размеров деталей авиационного двигателя из титановых, стальных и жаропрочных никелевых сплавов.
Лазерная резка и перфорация отверстий
В конструкциях изделий авиационной техники широкое применение находят детали из листовых заготовок различных материалов. Важнейшим направлением интенсификации производства является внедрение прогрессивных технологий, которые способствуют повышению качества, надежности и экономических показателей производства. Технология лазерной резки широко применяется на передовых предприятиях авиационной отрасли, в числе которых ОАО «Авиадвигатель». Этот метод позволяет выполнять раскрой и перфорацию отверстий с очень высокой точностью, бесконтактен, остаточные напряжения минимальны [4]. Изменяя технологические параметры и режим работы лазера, решали две основные задачи:
1. Обеспечить все геометрические размеры с учетом требований чертежа.
2. Обеспечить минимальные изменения в микроструктуре материала, исключить образование трещин.
Контроль качества обработки включал визуальный осмотр, контроль геометрии и металлографические исследования.
Резка и перфорация отверстий в жаровых трубах камеры сгорания
Предварительно были проработаны технические требования чертежей на детали и определены ряды отверстий с допусками на диаметр
+0,05 мм. Режимы резки отрабатывались на листовой заготовке толщиной 1,2 мм из материала стенок жаровых труб ЭП648-ВИ.
Внешний осмотр показал (рис. 10), что форма отверстий - ровная окружность, со стороны кромок входа и выхода луча имеются незначительные выплески металла, шероховатость поверхности Яа = 2,7.. .3,5 мкм.
Металлографические исследования на поперечных микрошлифах (рис. 11) поверхности отверстий показали наличие измененного слоя. Глубина измененного слоя по контуру отверстий от 6 до 14 мкм, максимальная глубина слоя 54 мкм наблюдается в месте входа и выхода луча с контура отверстия, конусность 0,02-0,05 мм. Микротвердость измененного слоя в отверстиях 302-336 кгс/мм2, микротвердость материала образца 258-270 кгс/мм2. Трещин в измененном слое не обнаружено.
Ы
Рис. 10. Ряды отверстий диаметром
0,6+0'05; 0,8+0'05; 1,5+0>05 в материале ЭП648-ВИ
500х
Рис. 11. Вид отверстий и измененного слоя (глубина 6-14 мкм) на поперченных
микрошлифах
Металлографический анализ продольных микрошлифов установил, что стенки отверстий относительно параллельны друг другу, края отверстий скруглены. На поверхности отверстий имеется измененный
х
слой, равномерный по глубине и длине отверстий, глубиной от 4 до 14 мкм (рис. 12). Трещин в измененном слое не обнаружено.
Рис. 12. Вид отверстий и измененного слоя на продольных микрошлифах
По результатам работ составлена программа ЧПУ и выполнена ЗБ-лазерная резка и перфорация отверстий в стенках жаровых труб (рис. 13, 14) из жаропрочного никелевого сплава ЭП648-ВИ толщиной 1,2 мм. Время обработки 4-6 ч.
Рис. 13. Стенка жаровой трубы внутренняя: а - до обработки; б - после обработки
Рис. 14. Стенка жаровой трубы наружная после обработки
Дополнительно внедрены процессы лазерной резки дефлекторов сопловых лопаток, контровочных шайб, различных переходников из материалов различных классов толщиной от 0,3 до 3 мм.
Таким образом, применение лазерной резки и перфорации отверстий выгодно отличается от традиционных методов, а именно:
1. Применение для широкого класса материалов независимо от твердости.
2. Получение узких разрезов с минимальной зоной термического влияния в результате локальности нагрева.
3. Минимальное или практически полное отсутствие механического воздействия на обрабатываемый материал.
4. Отсутствие необходимости в использовании изнашиваемого дорогостоящего механического инструмента, который требует замены.
5. Высокая производительность и автоматизация процесса при обработке плоских и сложных объемных заготовок без применения специальных дорогостоящих оснасток.
6. Применительно к получению перфорации отверстий диаметрами от 0,4 мм и более лазерная прошивка имеет преимущества в скорости обработки по сравнению с электроэрозионной, электрохимической и ультразвуковой, не уступая по качеству и обеспечивая технические требования конструкторской документации.
Лазерная сварка форсунок кольцевой камеры сгорания
Среди методов сварки металлов лазерная сварка занимает особое место, отличаясь спецификой воздействия на материал и изменения плотности мощности вводимой энергии в широких пределах (от 103 до 107 Вт/см2). Из всего многообразия методов сварки плавлением наиболее целесообразно проводить сравнение лазерной сварки с дуговой не-плавящимся электродом и электронно-лучевой сваркой (ЭЛС). Эти методы наиболее эффективно могут быть заменены лазерной сваркой без принципиального изменения конструкции детали [5]. В связи с этим она имеет существенные преимущества перед традиционными методами сварки:
- высокая точность позиционирования лазерного луча в процессе сварки;
- возможность сварки в различных пространственных положениях;
- как перемещение детали относительно оптического устройства за счет поворотного стола, так и возможность перемещения оптического устройства относительно детали, а также одновременное перемещение детали и оптического устройства;
- минимальная зона термического влияния в результате локального воздействия луча лазера;
- наблюдение за процессом сварки и формированием сварного шва с помощью системы слежения;
- постоянство параметров режима на протяжении всего процесса сварки с гарантированным обеспечением требований по глубине проплава и качественное формирование сварного шва.
Работа по сварке форсунок кольцевой камеры сгорания состояла из нескольких этапов:
1. Подбор режима лазерной сварки, обеспечивающий технические требования чертежа по глубине проплава на образцах - имитаторах сварного соединения.
2. Лазерная сварка контрольного образца форсунки на оптимальных режимах сварки и металлографические исследования сварного соединения для оценки глубины проплава.
3. Собственно лазерная сварка комплекта форсунок.
Согласно чертежу на форсунке предусмотрены два шва, выполненные электронно-лучевой сваркой (допускается выполнение лазерной сварки):
- шов № 1: сварка втулки (материал ЭП678У-ВИ) с корпусом форсунки (материал ВХ4Л-ВИ) на глубину 1-1,5 мм;
- шов № 2: сварка стакана (материал ЭП648-ВИ) с корпусом форсунки (материал ВХ4Л-ВИ) на глубину 0,5-1,5 мм.
Сварка контрольного образца форсунки (рис. 15) была выполнена за два прохода.
Внешний осмотр и осмотр при увеличении показал, что шов равномерный по ширине, открытой пористости и подрезов в зоне шва не выявлено. При контроле сварных швов методом цветной дефектоскопии (ЦМ-15) поверхностные дефекты не выявлены (рис. 16).
в
Рис. 15. Контрольный образец форсунки: а - шов № 1; б - шов № 2; в - лазерная сварка шва № 1
а б
Рис. 16. Сварные швы форсунки на контроле методом ЦМ-15: а - шов № 1; б - шов № 2
Металлографический анализ глубины провара сварных швов № 1 и № 2 установил, что глубина провара сварного шва № 1 составляет 1,0 и 1,5 мм соответственно (рис. 17), что соответствует техническим требованиям чертежа. Неметаллические включения, пористость, трещины в сварном шве и околошовной зоне не обнаружены. Швы расположены симметрично относительно стыка свариваемых деталей.
Рис. 17. Продольный шлиф сварных швов форсунки: а - шов № 2; б - шов № 1
Время сварки швов № 1 и № 2 составляет 1,5 и 2 мин, переналадка - 6 и 15 мин соответственно. Время на выполнение лазерной сварки комплекта форсунок (24 шт.) оказалось в 5 раз меньше по сравнению с ЭЛС. На примере выполненной работы лазерная сварка в сравнение с ЭЛС имеет неоспоримые преимущества: существенное снижение времени и трудоемкости подготовительных работ (не требуется большого количества специальной оснастки, отсутствует необходимость в вакуумных камерах и т. п.).
На основании всего вышеизложенного можно смело констатировать, что в целом применение лазерных технологий обработки от жаропрочных никелевых до титановых сплавов позволяет продлить ресурс деталей за счет внедрения ремонта лазерной наплавкой, оптимизировать производственный процесс, снизить стоимость и трудоемкость изготовления отдельных деталей узлов авиационного двигателя.
Библиографический список
1. Новые материалы для перспективного двигателя ОАО НПО «Сатурн» / Ю.Н. Шмотин, Р.Ю. Старков, Д.В. Данилов, О.Г. Оспенникова, Б.С. Ломберг // Авиационные материалы и технологии. - 2012. - № 2. - С. 6-8.
2. Неруш С.В., Евгенов А.Г. Производство порошков припоев и готовых полуфабрикатов на их основе, а также порошков жаропрочных сплавов и сталей для аддитивных технологий // Научно-технический конгресс по двигате-лестроению (НТКД-2012): сб. тез. - М., 2012. - С. 344-347.
3. Третьяков Р.С., Ставертий А.Я., Шишов А.Ю. Методы и применения лазерной наплавки // РИТМ. - 2012. - № 2. - С. 34-36.
4. Кудрявцева А. Л. Лазерная обработка в авиационно-космическом секторе // РИТМ. - 2012. - № 4. - С. 32-33.
5. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. - 664 с.
References
1. Shmotin Yu.N., Starkov R.Yu., Danilov D.V., Ospennikova O.G., Lom-berg B.S. Novye materialy dlya perspektivnogo dvigatelya OAO NPO „Saturn" [New materials for future engine of SPA "Saturn" OJSC]. Aviatsionnye materialy i tekhnologii, 2012, no. 2, pp. 6-8.
2. Nerush S.V., Evgenov A.G. Proizvodstvo poroshkov pripoev i gotovykh polufabrikatov na ikh osnove, a takzhe poroshkov zharoprochnykh splavov i staley dlya additivnykh tekhnologiy [Solder powders production and finished products on their basis, as well as powders of superalloys and steels for additive technology]. Sbornik tezisov "Nauchno-tekhnicheskiy kongress po dvigatelestroeniyu". Moscow, 2012, pp. 344-347.
3. Tretyakov R.S., Stavertiy A.Ya., Shishov A.Yu. Metody i primeneniya lazernoy naplavki [Methods and applications of laser welding]. RITM, 2012, no. 2, pp. 34-36.
4. Kudryavtseva A.L. Lazernaya obrabotka v aviatsionno-kosmicheskom sek-tore [Laser processing in aerospace field]. RITM, 2012, no. 4, p. 32-33.
5. Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Tekhnologicheskie protsessy lazernoy obrabotk [Technological processes of laser processing]. Moscow: Moskov-skiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet imeni N.E. Baumana, 2008. 664 p.
Об авторах
Ермолаев Александр Сергеевич (Пермь, Россия) - начальник отдела разработки перспективных технологий ремонта ОАО «Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 93, ГСП, e-mail: [email protected]).
Иванов Артем Михайлович (Пермь, Россия) - начальник бюро лазерных технологий отдела разработки перспективных технологий ремонта ОАО «Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 93, ГСП, e-mail: [email protected]).
Василенко Сергей Александрович (Пермь, Россия) - начальник технологического бюро отделения автоматизированных систем технологической подготовки производства ОАО «Авиадвигатель» (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 93, ГСП, e-mail: [email protected]).
About the authors
Ermolaev Aleksandr Sergeevich (Perm, Russian Federation) - Head of Department Advanced Repair Techniques Development, Aviadvigatel OJSC (93, GSP, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Ivanov Artem Mikhaylovich (Perm, Russian Federation) - Head of Bureau Laser Technology, Aviadvigatel OJSC (93, GSP, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Vasilenko Sergey Aleksandrovich (Perm, Russian Federation) -Head of Technological Bureau of Automated Systems of Technological Preparation of Production, Aviadvigatel OJSC (93, GSP, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: [email protected]).
Получено 25.07.2013
