SU1514823A1

SU1514823A1 - Способ химико-термической обработки труб

Info

Publication number: SU1514823A1
Application number: SU874265809A
Authority: SU
Inventors: Виктор Гаврилович Хорошайлов; Евгений Львович Гюлиханданов; Борис Вениаминович Потапов; Борис Григорьевич Бабич; Станислав Александрович Ловкис
Original assignee: Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина
Priority date: 1987-03-26
Filing date: 1987-03-26
Publication date: 1989-10-15

Abstract

Изобретение относитс к металлургии, в частности к химико-термической обработке с использованием плазменного и лазерного нагревов, и может быть использовано в энергомашиностроении дл поверхностного упрочнени труб из малоуглеродистых сталей, используемых в узлах котельных агрегатов. Цель изобретени - повышение долговечности труб в услови х газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном состо нии за счет повышени пластичности покрыти . Способ химико-термической обработки включает плазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаропрочного сплава на основе железа толщиной 30-40 мкм, нагрев покрыти до оплавлени лучом непрерывного лазера и последующие плазменное напыление на ту же поверхность жаростойкого сплава, содержащего FE, CR, MO, P и C, толщиной 15-25 мкм и нагрев этого покрыти лучом непрерывного лазера при скорости сканировани 20-30 мм/с. Предлагаемый способ обеспечивает повышение износостойкости в услови х газоабразивного износа в 7-10 раз по сравнению с известным способом, а также обеспечивает возможность гиба труб с покрытием в холодном состо нии. 4 табл.

Description

10

20

ы напылени : плазмотрон ПН-21, заита Аг, ток дуги 420 А, дистанци : напылени 80 мм. Толщина полученного сло находилась в пределах 30- 40 мкм.

Состав промежуточного покрыти , напыл емого на 1 стгщии, следующий,. вес.%: Fe осн.; N.i. 12-14; Сг 11-13; а 2-2,5; Si 1,5-2,0; Си 0,4-0,5; С 0,1; А1 11-12.

Полученный на плазмотроне слой

обрабатывалс лучом лазера со следущими параметрами: установка ЛТ-1 ( -лазер) , энерги излучени 2 кВт, диаметр луча 2 мм, скорость

перемещени луча 5 мм/с.

Аналогично наносилс внешний сп;ой следуюп1его состава,, вес.%: Fe осн.; Сг 10; Мо 5; Р 13; С 7. Толщина ,. внешнего сло колебгшась в пределах 15-25 мкм. При обработке лазерным излучением скорость перемещени луча лазера составл ла 20 мм/с и 30 мм/с соответственно. Кроме труб покрытие создавалось также ,на плоских образцах из стали 20, которые в дальнейшем подвергались технологической пробе на загиб на радиусах 48,20,5 мм.

Толщины слоев в параметры лазерного излучени выбраны таким образом, чтобы обеспечить проплавление промежуточного сло с металлом трубы и внешнего сло с промежуточным, гаран-35 тиру тем самым прочность сцеплени слоев, толщина промежуточного жаропрочного сло на железной основе

должна быть в пределах 30-40 мкм.

При меньшей толщине (меньше 30 мкм/ 40

лазерное излучение в большей степени воздействует на металл подложки (трубы) и распределение максимЕль- ных температур становитс таким.

25

- 45 55

30

что в приповерхностных сло х метал

ла подпожки эффективно начинают про вл тьс закалочные эффекты, что снижает способность к пластической деформации этих участков. Данное положение в особенности строго дл низ коуглеродистых мало/Еегированных сталей и простых среднеуглеродистых. При большей толщине (больше 40 мкм нет гарантии получени прочного сцеплени с подложкой при выбранных режимах лазерной обработки, так как в этом случае из-за недостаточного тепловложени возможно отсутствие

-

10

20

, -35

40

-

25

-50

диффузионного контакта между металлом подложки- и покрытием.

Поскольку высока износостойкость обеспечиваетс не только химическим составом покрыти , но и его опреде ленным структурным состо нием (аорф- ным), необходимо, чтобы скорость перемещени луча лазера при обработке внешнего сло должна быть не менее 20 мм/с, при этом толщина его должна быть в пределах 15-25 мкм. При меньшей (меньше 15 мкм) толщине практически невозможно обеспечить равномерность и сплошность напыл емого на плазмотроне сло по длине заготовки (трубы). При большей толщине (больше 25 мкм), а следовательно , и большей массе разогреваемого вещества не обеспечиваетс критическа скорость охлаждени , позвол юща зафиксировать металл внешнего сло в аморфном состо нии . Ограничение по скорости перемещени лазерного луча св зано с теми же обсто тельствами ..

Условие эксплуатации труб пароперегревателей котельных установок предполагает обтекание их потоком разогретых газов и твердых частиц несгоревн1его топлива, при этом внеш- н поверхность трубы может разогреватьс до 550-600°С. Поэтому защитное покрытие должно обладать высоким сопротивлением газоабразивному износу и достаточной жаростойкость.ю и жаропрочност.ью, необходимым запасом пластичности и удовлетворительными адгезионными свойствами по отношению к металлу подложки (трубы). Таким сочетанием свойств обладает комплексное двухслойное покрытие, наносимое предлагаемым способом. Внешний его слой обладает необходи- 45 мой износостойкостью и жаростой- костью. Промежуточньш жаропрочный слой на железной основе выполн ет функцию подложки с хорошими адгезионными свойствами дл внешнего сло , одновременно дава хорошее , сцепление с металлом трубы. Кроме того, промежуточный слой вполне может выполн ть и рабочие функции протектора трубы, поскольку вл етс жаропрочным при 55 истирании (износе) внешнего сло .

Существенно, что химический сос- .тав внешнего и промежуточного сло обеспечивает не только необходимые

30

51

эксплуатационные свойства, но обус-.. лавливает при сплакпении лучом лазера образование сплавов типа твердых растворов. Последнее обсто тельство вл етс регааюошм с точки зрени способности сплава к пластической деформации, таким образом решаетс возможность холодного гиба труб.

Промежуточный жаропрочный слой на железной основе, обладаюидий хорошим адгезионным взаимодействием одновременно по отношению к иэносост.ой кому внешнему слой и металлу трубы, обеспечивает за счет этого прочную св зь всей композиции, а также ее способность к пластической деформации . Существенным вл етс также то, что промежуточный слой (жаропрочный) может выполн ть и рабочую функцию ; внешнего при истирании последнего. Наконец, прочное сцепление слоев друг с другом и с поверхностью трубы (образование диффузионных зон) обеспечиваетс лазерным нагревом. Параметры лазерного излучени выбираютс с учетом, толщины покрыти , оставл переменной скорость перемещени образца относительно луча лазера. Подбор параметров извлечени дл достижени необходимого эффекта (струк-; тура сло , прочность сцеплени и т.д.) производитс предварительно экспериментальным путем.

В рассматриваемом способе в качестве базовых параметров излучени выбраны мощность излучени Р-2 кВт и диаметр луча d 2 мм (в том числе и с учетом производительности процесса). Затем экспериментально уточн лись приемлемые значени V перемещени луча и облучаемого сло , име в виду достаточный прогрев дл образовани прочного диффузионного сцеплени с подложкой (верхний предел по ) необходимость предотвращени выгорани (испарени ) некоторых элементов композиции (например , хрома), образование кратеров пузырей, выбросов металла и т.п. (нижний предел V epeweiH экспериментах варьировала толщина облучаемого сло в пределах 10-200 мкм и скорость перемещени от 1 до 30 мм/с. Наиболее удовлетворительными были признаны толщина покрыти 35±5 мкм, , 5 мм/с..

Что касаетс внешнего (П-го) сло покрыти , то его толщина составл ет

236

лишь 20+5 мкм. Это ограничение обусловлено т ем, что облучаемь1Й состав способен к аморфизации, котора , рез- ко повыша сопротивление износу, как известно, реализуетс лишь при определенных значени х скоростей охлаждени . Этим эффектом регламентирована и пepeл euA 20-30 мм/с при облучении внешнего сло .

Таким образом, предлагаемый способ реализуетс при следуюрдах услови х: мощность излучени Р 2 кВт; диаметр луча 2 мм; промежуточный (1)

слой 35+5 мкм облучаетс при VnepeMeu4 мм/с; внешний (П) слой толщиной мкм облучаетс при Уперемец 20-30 мм/с.

Пример. Дл получени покрыти готовились композиции порошков компонентов каждого из составов. Затем на пескоструйную поверхность трубы напыл ли на плазмотроне ПН-21 в среде аргона. Толщина промежуточного сло измер лась в 3-х точках с помощью микрометра и окончательно находилась в интервале 30-40 мкм. После того производилась обработка полученного покрыти лучом COj -лазера

(ЛТ-1, 2 кВт, У,ере„е, 5 мм/с).

По аналогичной схеме создавалс внешний слой покрыти . Толщина внепшего сло колебалась от 15 до 25 мкм. Скорость перемещени лазерного луча

при его обработке составл ла 20 и

30 мм/с соответственно.Оценивалось качество покрыти (отсутствие растреС кивани ).

Кроме труб покрытие создавсшось

на плоских образцах из стали 20, которые в дальнейшем подвергались технологической пробе на загиб на разных радиусах. В качест.ве показател , характеризующего способность к

пластической деформации, принимали угол загиба до по влени трещины.

Полученные результаты представлены в табл.1 и 2.

Угол загиба определ лс на ралиу- се R 48 мм до по влени первой трещины.

Дл сушки долговечности труб в услови х газоабразивного износа проведены испытани змеевиков экономайзера котла ТП № 17 ст. № 13 Прибалтийской ГРЭС. Образцы устанавливались (врезались) в но бре 1985 г. и были сн ты в нваре 1988 г. За вре 15

м испытаний котел наработал 13978 ч Топливо-эстонские сланцы.

.Результаты испытаний приведены в т абл. 3

Таким образом, относительна скорость изнашивани у предлагаемого айаэменно-лазерного покрыти в 7- 1(|) раз ниже в сравнении с покрыти - м из А1, Сг, а также на базе сис- тфмы Fe-Ni-Cr.

I Кроме того, коэффициент износостой к|)сти плазменно-лазерных покрытий из Al, А1 + 10%Сг, Al,j.05, а также спла- BU IirCP- 2 в 6-9 раз ниже по сравнению С; предлагаемым покрытием. Данные при- вфдены в табл.4. В качестве абразив- Н0ГО материала использован зольный п)одукт. Ф ормула изобретени

; Способ химико-термической обработ- к труб преимущественно из малоугле8

5 0

0

родистых сталей, включающий плазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаростойкого сплава, содержащего Fe, Сг, Мо, Р и С, и последующий нагрев лучом непрерывного лазера путем сканировани поверхности с посто нной скоростью, отличающий с тем, что, с целью повышени долговечности труб в услови х газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном состо нии за счет повьпчени пластичности покрыти , на обрабатываемую поверхность предварительно нанос т плазменным напылением жаропрочный сплав, на основе железа толщиной 30- 40 мкм, после чего нагревают его до оплавлени лучом непрерывного лазера затем напыл ют жаростойкий сплав толщиной 15-25 мкм и нагревают лазерным лучом со скоростью сканировани 20-30 мм/с.

;i

Прототип

10-30

Таблица

20 Растрескива ние покрыти

Т а б л и ц а 2

91514823

ТаблицаЗ

к

1 ,09 . 1,39

0,091-10 10 0,102-10

0,62 0,0078.10

0,11 0,0078-10

.6

J5

10

Т а б л и ц а 4

покрыти

Коэффициент износостойкости

К и-jw МДж/кг

10

А121,2

А1 + 10%Сг22,5

АЬгОэ19,8

ПГСР-222,9

J5 2-слойное штазмен- но-лазерное покрытие (за вл. соста- вы)173,7

Claims

Формула изобретения 20

Способ химико-термической обработ ки труб преимущественно из малоугле родистых сталей, включающий плазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаростойкого сплава, содержащего Fe, Cr, Mo, Р и С, и последующий нагрев лучом непрерывного лазера путем сканирования поверхности с постоянной скоростью, отличающий с я тем, что, с целью повышения долговечности труб в условиях газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном состоянии за счет повышения пластичности покрытия, на обрабатываемую поверхность предварительно наносят плазменным напылением жаропрочный сплав, на основе железа толщиной 3040 мкм, после чего нагревают его до оплавления лучом непрерывного лазера_;затем напыляют жаростойкий сплав толщиной 15-25 мкм и нагревают лазерным лучом со скоростью сканирования 20-30 мм/с.

Таблица!

Пример № Промежуточный Толщина плазменного покрытия (в 3 точках, мкм) слой Ско- рость перемещения луча, мм/с Внешний слой Наличие трещин Толщина плазменного покрытия (в 3 точках) Ско рость перемещения луча, мм/с 1 37,39,42 5 18,20,20 20 Трещин нет 2 37,40,41 5 20,21,22 30 Трещин нет Прото- тип - - 10-30 20 Растрескиват

ние покрытия

Т а б л и ц а 2

При- мер, № Толщина первого слоя, мкм Толщина второго слоя, мкм Скорость перемещения луча, мм/с Наличие трещин после обработки Угол загиба_?град. 1 30 25 20 Нет 151 2 36 20 25 Нет 148 3 40 15 30 Нет 139

ТаблицаЗ

Линей- Относитель- Тип покрытия ный ная ско- 5 износ, рость изна- 4S, шивания, мм W, м/г Алюминий 1 ,09 0,091-10'⁶ 10 Хром 1,39 0,102·10'⁶ Однослойное пок- рытие на базе Fe-Ni-Cr 0,62 0,0078.10 2-слойное пок- 15 рытие (пред- лагаемый сос- тав) 0,11 0,0078-10

Тип покрытия

А1

Al + lOZCr

А1₂О_Э

ПГСР-2

2-слойное плазменно-лазерное покрытие (заявл. составы)

Коэффициент износостойкости к ИЗИ г МДж/кг

21,2

22,5

19.8

22.9

173,7