PL238367B1

PL238367B1 - Sposób podwyższania żarowytrzymałości czasowej odlewów ze stopu kobaltu, zwłaszcza turbin gazowych

Info

Publication number: PL238367B1
Application number: PL429059A
Authority: PL
Inventors: Antoni Władysław Orłowicz; Marek Mróz; Mirosław Tupaj; Andrzej Trytek; Zenon Opiekun
Original assignee: Politechnika Rzeszowska Im Ignacego Lukasiewicza
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2021-08-16
Also published as: PL429059A1

Abstract

Sposób podwyższania żarowytrzymałości czasowej odlewów ze stopów kobaltu, zwłaszcza turbin gazowych, w którym do pieca próżniowego wprowadzany jest stop pierwotny kobaltu, a po jego roztopieniu prowadzona jest rafinacja próżniowa, a następnie w warunkach wysokiego podciśnienia jest on odlany do form ceramicznych, prowadzi się tak, że po odlaniu powierzchnię odlewów nadtapia się skoncentrowanym strumieniem ciepła. Jako skoncentrowany strumień ciepła stosuje się łuk elektryczny w atmosferze gazu obojętnego o natężeniu prądu od 50 A do 300 A i prędkości skanowania łukiem elektrycznym od 100 mm/minutę do 400 mm/minutę.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób podwyższania żarowytrzymałości czasowej odlewów ze stopów kobaltu, w szczególności stopów kobaltu stosowanych w przemyśle budowy turbin gazowych dla lotnictwa, komunikacji lądowej i morskiej oraz stacjonarnych urządzeń energetycznych.

Znanym i powszechnie stosowanym sposobem poprawy właściwości użytkowych odlewów ze stopów kobaltu, stosowanym w przemyśle turbin gazowych, jest rafinacja gazami obojętnymi lub rafinacja próżniowa ciekłego stopu, mająca na celu zmniejszenia porowatości gazowej oraz zasilenie obszarów węzłów cieplnych celem zmniejszenia porowatości skurczowej.

Odlewy ze stopów kobaltu stosowane w lotniczych turbinach gazowych powinny się charakteryzować czasem do zerwania, ocenianym w próbie żarowytrzymałości czasowej w temperaturze 1093°C przy naprężeniu 62MPa, nie mniejszym niż 29 godzin.

Sprawność, czas eksploatacji i niezawodność turbin gazowych zależy od ich osiągów, które rosną ze wzrostem temperatury i ciśnienia gazów przed turbiną. Wzrost temperatury gazów, jaki można uzyskać w turbinach gazowych wpływa negatywnie na czas do zniszczenia elementów ze stopu kobaltu, podczas ich długotrwałej pracy, dlatego poprawa żarowytrzymałości czasowej stopu, którą charakteryzuje czas do zerwania określony w próbie żarowytrzymałości czasowej, ma priorytetowe znaczenie.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu podwyższania żarowytrzymałości czasowej odlewów ze stopów kobaltu, który pozwoli na uzyskanie znacznego postępu w zakresie podwyższenia czasu do zerwania gorących elementów zwłaszcza turbin gazowych.

Sposób podwyższania żarowytrzymałości czasowej odlewów ze stopów kobaltu, zwłaszcza turbin gazowych, w którym do pieca próżniowego wprowadzany jest stop pierwotny kobaltu, a po jego roztopieniu prowadzona jest rafinacja próżniowa, a następnie w warunkach wysokiego podciśnienia jest on odlany do form ceramicznych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że po odlaniu powierzchnię odlewów nadtapia się skoncentrowanym strumieniem ciepła, przy czym jako skoncentrowany strumień ciepła stosuje się łuk elektryczny w atmosferze gazu obojętnego o natężeniu prądu od 50 A do 300 A i prędkości skanowania łukiem elektrycznym od 100 mm/minutę do 400 mm/minutę.

Korzystnie jako gaz obojętny stosuje się hel, zaś łuk elektryczny wytwarza się z zastosowaniem elektrody wolframowej, a ponadto podczas nadtapiania powierzchnię ścianki odlewu przeciwległą do powierzchni nadtapianej omywa się strumieniem czynnika chłodzącego, korzystnie jako czynnik chłodzący stosuje się wodę.

W efekcie zastosowania sposobu podwyższania żarowytrzymałości czasowej odlewów ze stopów kobaltu, według wynalazku, do odlewów ze stopu topionego w piecu próżniowym i odlanego do form ceramicznych w warunkach wysokiego podciśnienia, a następnie poddanego działaniu skoncentrowanego strumienia ciepła poprzez nadtopienie warstwy wierzchniej i kolejną szybką krystalizację uzyskano 50% wzrost czasu do zerwania w próbie żarowytrzymałości czasowej, w porównaniu do czasu do zerwania w próbie żarowytrzymałości czasowej materiału w stanie surowym. Ma to istotne znaczenie zwłaszcza dla podniesienia żywotności elementów zapewniających bezpieczeństwo pracy turbin gazowych.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

Ze stopu kobaltu MAR-M509 odlewa się płytki o wymiarach 110x40x5+2 mm, przy czym jako wsad do pieca próżniowego stosuje się stop pierwotny o zawartości 0,55% węgla, 10,31% niklu, 23,10% chromu, 0,18% żelaza, 7,10% wolframu, 3,7% tantalu, 0,34% cyrkonu, 0,17% tytanu, 0,13% krzemu, 0,013% siarki, 0,01% boru oraz 54,397% kobaltu. Po roztopieniu stopu kobaltu prowadzi się rafinację próżniową w celu zmniejszenia porowatości gazowej w odlewach. Następnie stop w warunkach wysokiego podciśnienia odlewa się do form ceramicznych, po czym powierzchnię odlewów nadtapia się skoncentrowanym strumieniem ciepła w postaci łuku elektrycznego. Parametry tego procesu dobiera się tak, aby przy obustronnym nadtapianiu odlewów nakładającymi się na siebie ściegami, w całej ich objętości otrzymać strukturę ukształtowaną w warunkach szybkiej krystalizacji. Odlewy nadtapia się lukiem elektrycznym o długości 3 mm wytworzonym z zastosowaniem elektrody wolframowej o średnicy 2,4 mm. Nadtapianie prowadzi się w atmosferze helu stosując natężenie prądu spawania 220A i prędkość skanowania lukiem elektrycznym 220 mm/min. Dla intensyfikacji odprowadzania ciepła z powierzchni przeciwległej do powierzchni nadtapiania omywa się ją, w trakcie procesu, czynnikiem chłodzącym.

PL 238 367 B1

Czas do zerwania w próbie żarowytrzymałości czasowej, przy temperaturze pełzania 1093°C i poziomie naprężeń rozciągających w próbce 62MPa, dla materiału po obróbce wynosi 43 godziny, podczas gdy dla materiału w stanie surowym 29 godziny.

P r z y k ł a d 2

Ze stopu kobaltu MAR-M509 odlewa się płytki o wymiarach 110x40x5⁺²mm, przy czym jako wsad do pieca próżniowego stosuje się stop pierwotny o zawartości 0,55% węgla, 10,31% niklu, 23,10% chromu, 0,18% żelaza, 7,10% wolframu, 3,7% tantalu, 0,34% cyrkonu, 0,17% tytanu, 0,13% krzemu, 0,013% siarki, 0,01% boru oraz 54,397% kobaltu. Po roztopieniu stopu kobaltu prowadzi się rafinację próżniową w celu zmniejszenia porowatości gazowej w odlewach. Następnie stop w warunkach wysokiego podciśnienia odlewa się do form ceramicznych, po czym powierzchnię odlewów nadtapia się skoncentrowanym strumieniem ciepła w postaci luku elektrycznego. Parametry tego procesu dobiera się tak, aby przy obustronnym nadtapianiu odlewów nakładającymi się na siebie ściegami, w całej ich objętości otrzymać strukturę ukształtowaną w warunkach szybkiej krystalizacji. Odlewy nadtapia się łukiem elektrycznym o długości 3 mm wytworzonym z zastosowaniem elektrody wolframowej o średnicy 2,4 mm. Nadtapianie prowadzi się stosując natężenie prądu spawania 150A i prędkość skanowania łukiem elektrycznym 150 mm/min. Dla intensyfikacji odprowadzania ciepła z powierzchni przeciwległej do powierzchni nadtapiania omywa się ją, w trakcie procesu, wodą.

Czas do zerwania w próbie żarowytrzymałości czasowej, przy temperaturze pełzania 1093°C i poziomie naprężeń rozciągających w próbce 62MPa, dla materiału po obróbce wynosi 42 godziny, podczas gdy dla materiału w stanie surowym 29 godziny.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób podwyższania żarowytrzymałość i czasowej odlewów ze stopów kobaltu, zwłaszcza turbin gazowych, w którym do pieca próżniowego wprowadzany jest stop pierwotny kobaltu, a po jego roztopieniu prowadzona jest rafinacja próżniowa, a następnie w warunkach wysokiego podciśnienia jest on odlany do form ceramicznych, znamienny tym, że po odlaniu powierzchnię odlewów nadtapia się skoncentrowanym strumieniem ciepła, przy czym jako skoncentrowany strumień ciepła stosuje się łuk elektryczny w atmosferze gazu obojętnego o natężeniu prądu od 50A do 300A i prędkości skanowania łukiem elektrycznym od 100 mm/minutę do 400 mm/minutę.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako gaz obojętny stosuje się hel.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że łuk elektryczny wytwarza się z zastosowaniem elektrody wolframowej.
4. Sposób według dowolnego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że podczas nadtapiania powierzchnię ścianki odlewu przeciwległą do powierzchni nadtapianej omywa się strumieniem czynnika chłodzącego.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że jako czynnik chłodzący stosuje się wodę.