Способ химико-термической обработки труб

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИРЕСПУБЛИК 51482(19) 4 С 23 С 8/О РЕТЕНИЯ АНИЕ еский асанд а 1 в - КоЧажЬигд,ЕРМИЧЕСКОИ ОБР 57) ся к мебретение относит и, в частности к обработке с исп енного и лазерн быть использова роении для пове труб из малоугл используемых в имико-те -таллургимическоием плаз ние из абрази сравне ользован нагревов,энерго оже такж труб хностного уперодистых,злах котель машинострочнениясталей,4 зобретен а имени газо и о тке с вьпп за счет хим.состава оянии ия плСпо лазерногоспользовано рытия,ется следующим стичности для поверхниз малоуглетируемых в обра Нм.обра парате по о ило ия является повыи труб в условиях Целью изобретние долговечно ропр (про вог основ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СПОСОБ ХИИИКО-ТБОТКИ ТРУБ е относится к металлурхимико-термической рименением плазменного агрева, и может быть в энергомашиностроении тного упрочнения труб дистых сталей, эксплуалах котельных аппараных агрегатов. Цель изобретения -повышение долговечности труб в условиях газоабразивного износа и деформационной способности труб в холодном состоянии за счет повышения плтичности покрытия. Способ химикотермической обработки включаетплазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаропрочного сплавана основе железа толщиной 30-40 мкм,нагрев покрытия до оплавления лучомнепрерывного лазера и последующиеплазменное напыление на ту же поверхность жаростойкого сплава, содержащего Ре, Сг, Мо, Р и С, толщиной15-25 мкм и нагрев этого покрытиялучом непрерывного лазера при скорости сканирования 20-30 мм/с. Предлагаемый способ обеспечивает повышеосостоикости в условиях газоного износа в 7-10 раз поию с известным способом, абеспечивает возможность гибапокрытием в холодном состоят абл,разивного износа и деформацио особности труб в холодном состанную в пескоструином ерхность труб произвоенное напыление порошкочного сплава на железной ежуточный слой), Парамет15 ЗО нет гарантии получения прочногосцепления с подложкой при выбранныхрежимах лазерной обработки, так какв этом случае из-за недостаточноготепловложения возможно отсутствие ры напыления: плазмотрон ПН, зашита Аг, ток дуги 420 А, дистанция напыления 80 мм. Толщина полученного слоя находилась в пределах 305 40 мкм.Состав промежуточного покрытия, напыляемого на 1 стадии, следующий вес.7: Ге осн.; М 12-14; Сг 11-13,", Мп 2-2,5; Б 1,5-2,0; Со 0,4-0,5; 10 С 0,1; А 1 11-12.Полученный на плазмотроне слой обрабатывался лучом лазера со следующими параметрами: установка ЛТ(СО -лазер), энергия излучения 2 кВт, диаметр луча 2 мм, скорость перемещения луча 5 мм/с.Аналогично наносился внешний слой следующего состава,. вес.Е: Ре осн,; Сг 10; Мо 5; Р 13; С 7. Толщина ;,. 20 внешнего слоя колебалась в пределах 15-25 мкм. При обработке лазерным излучением скорость перемещения луча лазера составляла 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 излучения выбраны таким образом, чтобы обеспечить проплавление промежуточного слоя с металлом трубы и внешнего слоя с промежуточным, гаран тируя тем самым прочность сцепления слоев, толщина промежуточного жаро. прочного слоя 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 отрубы) и распределение максимальных температур становится таким, что в приповерхностных слоях метал ла подложки эффективно начинают проявляться закалочные эффекты, чтоснижает способность к пластической: деформации этих участков, Данное положение в особенности строго для низ коуглеродистых малолегированных сталей и простых среднеуглеродистьгх,При большей толщине (больше 40 мкм) диффузионного контакта между металлом подложки и покрытием.Поскольку высокая износостойкость обеспечивается не только химическимсоставом покрытия, но и его опреде- ленным структурным состоянием (аорфным), необходимо, чтобы скорость перемещения луча лазера при обработке внешнего слоя 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 обеспечитьравномерность и сплошность напыляемого на плазмотроне слоя по длине заготовки (трубы)При большей толщине (больше 25 мкм), а следовательно, и большей массе разогревае - мого вещества не обеспечивается критическая скорость охлаждения, позволяющая зафиксировать металл внешнего слоя в аморфном состоянии. Ограничение по скорости перемещения лазерного луча связано с теми же обстоятельствами.Условие эксплуатации труб пароперегревателей котельных установок предполагает обтекание их потоком разогретых газов и твердых частиц несгоревшего топлива, при этом внеш-няя поверхность трубы может разогреваться до 550-600 С. Поэтому защитное покрытие должно обладать высоким сопротивлением газоабразивному износу и достаточной жаростойкостью и жаропрочностью, 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 необходимой износостойкостью и жаростой-г костью. Промежуточный жаропрочный слой на железной основе выполняет функцию подложки с хорошими адгезионными свойствами для внешнего слоя, одновременно давая хорошее сцепление с металлом трубы, Кроме того, промежуточный слой вполне может выполиять и рабочие функции протектора трубы, поскольку является жаропрочным при истирании (износе) внешнего слоя.Существенно, что химический сос.тав внешнего и промежуточного слоя обеспечивает не только необходимыеэксплуатационные свойства, но обус-,лавливает при сплавлении лучом лазера образование сплавов типа твердых растворов. Последнее обстоятельство является решающим с точки зренияспособности сплава к пластической деформации, таким образом решаетсявозможность .холодного гиба труб.Промежуточный жаропрочный слой на железной основе, обладающий хорошим адгезионным взаимодействием одновременно по отношению к иэносостойкому внешнему слою и металлу трубы,обеспечивает за счет этого прочнуюсвязь всей композиции, а также ееспособность к пластической деформации. Существенным является также то, что промежуточный слой (жаропрочный) может выполнять и рабочую функцию внешнего при истирании последнего. Наконец, прочное сцепление слоев друг с другом и с поверхностью трубы (образование диффузионных зон) обеспечивается лазерным нагревом. Параметры лазерного излучения выбираются с учетом толщины покрытия, оставляя переменной скорость перемещения образца относительно луча лазера. Подбор параметров извлечения для достижения необходимого эффекта (структура слоя, прочность сцепления и т.д.) производится предварительно экспериментальным путем.В рассматриваемом способе в качестве базовых параметров излучения выбраны мощность излучения РкВт и диаметр луча й = 2 мм (в том числе и с учетом производительности процесса). Затем экспериментально уточнялись приемлемые значения Ч перемещения луча и толщины облучаемого слоя, имея в виду достаточный прогрев для образования прочного диффузионного сцепления с подложкой (верхний предел по Чр ) и необходимость предотвращения выгорания (испарения) некоторых элементов композиции (например, хрома), образование кратеров . пузырей, выбросов металла и т.п. (нижний предел Ч,рд , ). В экспериментах варьировала толщина облучаемого . слоя в пределах 10-200 мкм и скорость перемещения от 1 до 30 мм/с. Наиболее удовлетворительными были признанытолщина покрытия 355 мкм Чвоеффы,= 5 мм/с.Что касается внешнего (П-го) слоя покрытия, то его толщина составляет лишь 20+5 мкм. Это ограничение обусловлено тем, что облучаемый составспособен к аморфизации, которая, резко повышая сопротивление износу,как известно, реализуется лишь приопределенных значениях скоростей охлаждения. Этим эффектом регламентирована и Чер,= 20-30 мм/с при об лучении внешнего слоя.Таким образом, предлагаемый спо -соб реализуется при следующих условиях: мощность излучения Р = 2 кВт;диаметр луча 2 мм; промежуточный (1) 15 слой толщиной 35 Ф 5 мкм облучаетсяпРи Ч пее,чец - 5 мм/с 1 внешний (П)слой толщиной 205 мкм облучаетсяпРи Чор,1= 20-30 мм/с.П р и м е р. Для получения покры тия готовились композиции порошковкомпонентов каждого из составов.Затем на пескоструйную поверхностьтрубы напыляли на плазмотроне ПН в среде аргона. Толщина промежуточного слоя измерялась в 3-х точках с помощью микрометра и окончательно находилась в интервале 30-40 мкм. После того производилась обработка полученного покрытия лучом СО -лазера 30 (ЛТ 1 2 кВт 1 Ч емц = 5 мм/с)По аналогичной схеме создавался внешний слой покрытия. Толщина внешнегослоя колебалась от 15 до 25 мкм.Скорость перемещения лазерного лучапри его обработке составляла 20 и.30 мм/с соответственно, Оценивалось качество покрытия (отсутствие растреСкивания) .Кроме труб покрытие создавалось 40 на плоских образцах из стали 20, которые в дальнейшем подвергалисьтехнологической пробе на загиб наразных радиусах. В качестве показателя, характеризующего способность к 45 пластической деформации, принималиугол загиба до появления трещины.Полученные результаты представлены в табл.1 и 2. 50 Угол загиба определялся на радиусе К = 48 мм до появления первой трещины.Для сушки долговечности труб вусловиях газоабразивного износа про ведены испытания змеевиков экономайзера котла ТП Р 17 ст. У 13 Прибалтийской ГРЭС. Образцы устанавливались (врезались) в ноябре 1985 г. и были сняты в январе 1988 г. За вре1514823 Таблица 1 Промежуточный слой Наличие трещин Внешний слой Пример У ТолщинаплазменноСкоСкоТолщинаплазменноростьперемещениялуча,мм/с ростьперемещениялуча,мм/с го покрытия (в 3 точках, мкм) го покрытия (в3 точках) 37,39;4237,40,41 5 18,20,20 520,21,22 20 Трещин нет ЗО Трещин нет 1 2Прото- тип 20 Растрескива-, ние покрытия 10-30 Т а б л и ц а 2 Толщина Толщина Уголзагибаград,Скорость перемещения луча,мм/с Наличие Пример, Р первогослоямкм второгослоя,мкм трещинпослеобработки 151 148 139 Нет Нет Нет 20 25 30 25 20 15 30 36 40 1 2 3 мя испытаний котел наработал 13978 чТопливо-эстонские сланцы,Результаты испытаний приведеныв табл.35Таким образом, относительная скорость изнашивания у предлагаемогоплаэменно-лазерного покрытия в 716 раз ниже в сравнении с покрытиям из А 1, Ст, а также на базе системы Ре-Нд-Сг,Кроме того, коэффициент износостой.ксти плазменно-лазерных покрытий изА 1, А 1 + 10 ЕСг, А 1 О, а также сплава ПГСРв браз ниже по сравнению 15с предлагаемым покрытием. Данные приведены в табл.4. В качестве абразивнОго материала использован зольныйпРодукт.формул а из обр ет ения 20 Способ химико-термической обработкй труб преимущественно из малоуглеродистых сталей, включающий плазменное напыление на обрабатываемую поверхность жаростойкого сплава, содержащего Ре, Сг, Мо, Р и С, и последующий нагрев лучом непрерывного лазера путем сканирования поверхности спостоянной скоростью, о т л и ч а -ю щ и й с я тем, что, с целью повышения долговечности труб в условияхгазоабразивного износа и деформационной способности труб в холодномсостоянии за счет повышения пластичности покрытия, на обрабатываемуюповерхность предварительно наносятплазменным напылением жаропрочныйсплав на основе железа толщиной 3040 мкм, после чего нагревают его дооплавления лучом непрерывного лазеразатем напыляют жаростойкий сплавтолщиной 15-25 мкм и нагревают лазерным лучом со скоростью сканирования20-30 мм/с.1514823 Таблица 3 Таблица 4 ОтносительЛинейный Тип покрытия Тип покрытия износ,ДЯ, 1,09 1,39 0,0078 ю 10 0,62 но-лазерное покрытие (заявл. составы) 0,11 0,00781 О 173,7 Составитель А, БулгачРедактор М, Бандура, Техред А.Кравчук Корректор А, Обручар Заказ 6197/29 Тираж 942 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат ."Патент", г.ужгород, ул, Гагарина, 101 АлюминийХромОднослойное покрытие на базеРе-И-Сг2-слойное покрытие (предлагаемый состав) ная скорость изна. шивания, У, м/гМ 40,091 10 10 0,10210 А 1А 1 + 10 ХСгА 10 зПГСР 15 2-слойное плазменКоэфАициент износостойкостиК ионМДж/к г 21,2 22,5 9,8 22,9