14.577.21.0180

Цель - Создание многофункциональной системы "покрытие-модифицированная подложка", обеспечивающей защиту лопаточных сталей от сверхскоростного (до 800 м/с) каплеударного воздействия в условиях коррозионно-активной среды и больших усталостных нагрузок.
Задачи - Проведение комплекса металлографических, эрозионных, коррозионных и усталостных исследований лопаточных материалов с модифицированной поверхностью и многофункциональными защитными покрытиями.

Наиболее перспективным направлением повышения ресурса и надежности высоконагруженных элементов оборудования нового поколения является создание многофункциональных систем, включающих в себя модификацию поверхностей и формирование защитных покрытий. В связи с этим особенно актуальной задачей является создание таких систем с разработкой готовых технических решений по их внедрению на натурных изделиях, например, рабочих лопатках последних ступеней паровых турбин, работающих во влажном паре.
Решение данной задачи возможно путем использования ионно-плазменных технологий формирования покрытий в вакууме и проведения комплексных исследований модифицированных поверхностей и сформированных покрытий.
С использованием имеющейся современной научно-исследовательской и экспериментальной базы впервые проведен полный комплекс металлографических, эрозионных, коррозионных и усталостных исследований лопаточных сталей с модифицированной поверхностью и защитными покрытиями.
На основе полученных результатов будут разработаны технические решения по формированию защитных покрытий и модификации функциональных поверхностей рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин, позволяющие повысить надежность работы и срок их эксплуатации в условиях коррозионно-активной среды, каплеударного воздействия и усталостных нагрузок.

Проведена отработка режимных параметров формирования покрытий и модификации поверхности.

По результатам проведенных эрозионных испытаний выбраны покрытия на основе TiAlN и Cr-CrN, а также три типа модификации поверхности с различной глубиной модифицированного слоя.

Изготовлены образцы из сталей 12Х13 и ЭИ961, используемых для изготовления рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин.

На изготовленных образцах сформировано два типа ионно-плазменных покрытий на основе TiAlN и Cr-CrN, а также проведены процессы модификации поверхности с последующим формированием покрытий на основе TiAlN и Cr-CrN.

Проведены исследования по определению состава, микротвердости, толщины (для покрытий), глубины (для модифицированной поверхности), шероховатости, коэффициента трения сформированных покрытий, модифицированных поверхностей, модифицированных поверхностей с покрытиями.

На основании разработанной ранее методики проведены эрозионные, коррозионные и усталостные исследования образцов без покрытий, с покрытиями, с модифицированной поверхностью, с модифицированной поверхностью и с покрытиями.

 

Результаты проведенных исследований позволяют констатировать существенный эффект от применения ионно-плазменных технологий за счет улучшения характеристик и свойств поверхности исследуемых лопаточных сталей , а именно:

- повышение эрозионной стойкости не менее чем в 3-7 раза (до начала разрушения и на участке с установившейся скоростью эрозии) при высокоскоростном 300 м/с ударном воздействии жидких частиц диаметром 800 мкм (см. рисунок);

- повышение стойкости к питтинговой коррозии не менее чем в 3-8 раз;

- повышение предела выносливости на 30-50% на базе 10⁷ циклов нагружения.

   

а)                                                               б)

Рисунок 1 - Изображение поверхности экспериментальных образцов после эрозионных испытаний (а) и сравнение эрозионной стойкости образцов на участке с установившейся скоростью износа (б): 1 – сталь без покрытия; 2 – сталь с покрытием; 3 – сталь с модифицированной поверхностью; 4 – сталь с модифицированной поверхностью и с покрытием

Полученные результаты исследований будут направлены на разработку технологических решений по созданию новых способов формирования эрозионностойких защитных покрытий , предназначенных для защиты высоконагруженных элементов турбоустановок от сверхскоростного каплеударного воздействия.
Разработанные технологические решения:
- смогут существенно продлить ресурс работы оборудования, а также привести к увеличению его энергоэффективности и снижению денежных и трудозатрат, связанных с простоем во время незапланированных ремонтов.
- позволят модернизировать промышленное производство элементов парового тракта турбоустановок (лопаточные аппараты последних ступеней цилиндров низкого давления паровых турбин).
- повысят срок службы лопаточного аппарата последних ступеней цилиндров низкого давления паровых турбин за счет многократного увеличения их стойкости к коррозионному и эрозионному износу, что обеспечит снижение числа и трудоемкости ремонтов, снижение числа отказов оборудования и серьезных аварий;
- повысят КПД ступени за счет снижения профильных потерь, вызванных износом поверхностей рабочих лопаток;
- снизят вредное воздействие на окружающую среду за счет применения экологически чистых процессов формирования ионно-плазменных покрытий в вакууме.