Removal of Thermal Barrier Coating by Laser Cleaning

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Лопатки имеют высокую себестоимость изготовления ввиду сложной геометрии и дорогостоящих материалов, из которых они производятся, но быстро изнашиваются из-за условий, в которых работают [3].

Рабочих лопаток (РЛ) турбин в процессе эксплуатации подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок, работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре, подвергаются механическому износу. Под воздействием перечисленных факторов происходит разрушение тела лопаток [2].

Важным пунктом является подготовка поверхности, то есть очищение слоя загрязнений, т.к. поверхности РЛ газотурбинных двигателей (ГТД) во время работы подвергаются воздействию различных загрязняющих веществ, таких как летучая зола, мелкий песок, горячее масло [3]. Кроме того, на лопатку наносится термобарьерное покрытие (ТБП) для продления времени работы, и для сохранения эффективности в термически активной среде. Примеры химического состава покрытий: Me–Cr–Al–Y; Ni–Co–Cr–Al–Y; Ni–Co–Cr–Al–Y + ZrO₂ [4].

Основной задачей является снятие ТБП (для нанесения нового) без повреждения основного материала лопатки. Следовательно, необходима технология, с помощью которой можно выполнить эту операцию.

В данной работе рассматривается технология лазерной очистки как более точная и качественная в сравнении с альтернативными вариантами, такими как: химическая очистка при помощи различных веществ, например, фтористого водорода (HF); механическая очистка с использованием абразивных составов; пескоструйная; дробеструйная; ультразвуковая. Лазерная очистка — это передовая технология очистки поверхности, которая позволяет мгновенно удалять загрязнения, ржавчину и покрытия посредством высокоэнергетического лазерного луча для облучения поверхности компонентов [5].

Цель работы: определение оптимального режима лазерной очистки для снятия термобарьерного покрытия (ТБП) с РЛ ГТД.

В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:

• провести литературный обзор по теме исследования;
• провести серию экспериментов по очистке РЛ на разных режимах;
• исследовать структуру обработанных лопаток и выбрать лучший режим.

МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА

Материалы

В данной работе использовалась РЛ из жаропрочного сплава ЧС-70ВИ на основе никеля (Ni). В табл. 1 представлен химический состав этого сплава (содержание некоторых элементов, % по массе).

 

Таблица 1. Химический состав некоторых элементов сплава ЧС-70ВИ [8]

Table 1. Chemical composition of some CS-70VI alloying elements [8]

Элемент	Cr	Mo	Ti	Al	W	Co
Содержание, %	15–16,7	1,5–2,5	4,2–5,0	2,4–3,2	4,5–5,9	10–11,5

 

Жаростойкость сплава ЧС-70ВИ обусловлена включением в его состав большего количества хрома (до 16 %). Следует отметить, что в данном случае концентрация вольфрама (W) находится на нижней границе легирования, поскольку технические условия допускают его содержание от 3,5 до 5%. Именно этот элемент ответственен за уменьшение диффузии в сплаве и в значительной степени обеспечивает его жаропрочность. Сплав ЧС-70 обладает высокой длительной прочностью и жаростойкостью в интервале температур до 900 °C, в частности высокой стойкостью к сульфидной коррозии и термической стойкостью к окислению [6].

На наружную поверхность пера и верхнюю часть полки лопаток нанесено двухслойное жаростойкое покрытие системы Co–Cr–Al–Y (СДП-3А) толщиной ~ 120 мкм + ZrO₂ (КДП-1) – ~ 50 мкм [9].

Процентное содержание химических элементов (по массе) защитного покрытия приведено в табл. 2.

 

Таблица 2. Химический состав защитного покрытия СДП-3А [9]

Table 2. Chemical composition of SDP-3A protective coating [9]

Элемент	Co	Cr	Al	Y
Содержание, %	62,5–66,8	22–24	11–13	0,2–0,5

 

На рис. 1 приведена фотография образца до очистки.

 

Рис. 1. Образец до очистки.

Fig. 1. Test piece before cleaning.

 

Оборудование

Для лазерной очистки экспериментальных образцов применялся аппарат Raptor SFW-3000 (рис. 2, а) — комплекс для лазерной чистки, резки и сварки с лазерной головкой RELFAR FWH20-S10A (рис. 2, b).

 

Рис. 2. Оборудование для чистки: а — аппарат Raptor SFW-3000R; b — лазерная головка RELFAR FWH20-S10A.

Fig. 2. Cleaning equipment: а, Raptor SFW-3000R device; b, RELFAR FWH20-S10A laser head.

 

Технические характеристики аппарата Raptor SFW-3000R представлены в табл. 3.

 

Таблица 3. Технические характеристики Raptor SFW-3000R

Table 3. Raptor SFW-3000R specifications

Характеристика	Значение
Диапазон длин волн, нм	1080
Номинальная мощность, Вт	≤ 3000
Коллиматорное фокусное расстояние, мм	50
Фокусное расстояние, мм	150
Диапазон регулировки фокуса, мм	±10
Максимальное давление газа, МПа	≤ 1
Максимальная ширина чистки, мм	80
Частота, Гц	50–5000
Скорость сканирования, мм/с	1000–10 000

 

Для проведения металлографических исследований микро- и макрошлифов образцы были подготовлены с использованием шлифовально-полировальной машины SAPHIR 250 A1-ECO, представленной на рис. 3.

 

Рис. 3. Шлифовально-полировальная машина SAPHIR 250 A1-ECO.

Fig. 3. Grinding and polishing system (SAPHIR 250 A1-ECO).

 

Для измерения микротвердости образца по шкалам Виккерса был использован микротвердомер Future Tech FM-31, представленный на рис. 4. Расстояние между отпечатками измерений составляло 150 мкм, измерения проводились по методу Виккерса с нагрузкой в 300 г.

 

Рис. 4. Микротвердомер Future Tech FM-31.

Fig. 4. Microhardness tester (Future Tech FM-31).

 

Методика

Для достижения цели лопатка из сплава ЧС-70ВИ подверглась резке по длине пера на несколько частей, одна из которых стала образцом-свидетелем. Эта часть не подвергалась очистке. С остальными образцами были проведены лабораторные экспериментальные исследования, направленные на изучение влияния входных параметров процесса лазерной очистки на полноту удаления ТБП. Далее все образцы подвергались металлографическим исследованиям для определения структуры материала, микротвердости и толщины ТБП.

В качестве основных технологических параметров служили: мощность лазерного излучения (Вт), частота (кГц), скорость сканирования (мм/с), ширина луча (мм).

В процессе анализа литературных источников по данной теме были выбраны варьируемые диапазоны параметров режимов очистки, приведенные в табл. 4.

 

Таблица 4. Варьируемые диапазоны параметров очистки образцов

Table 4. Variable ranges of test piece cleaning parameters

Мощность излучения, Вт	Частота, кГц	Скорость сканирования, мм/с	Ширина луча, мм
500–2000	3–5	5000–7000	40–60

 

Лазерная обработка экспериментальных образцов проводилась по нормали к обрабатываемой поверхности на расстоянии 300 мм от источника излучения посредством двух проходов с реверсивным движением [5].

РЕЗУЛЬТАТЫ

Визуальный контроль (ВК)

После проведения лазерной чистки был произведен ВК обработанных поверхностей. Контролировались дефекты поверхности типа трещин, перегрева (цвета побежалости), неравномерности удаления слоя. Внешний вид некоторых образцов представлен на рис. 5.

 

Рис. 5. Образцы после чистки.

Fig. 5. Test pieces after cleaning.

 

В результате ВК наблюдались образцы с неравномерностью очищения, проплавлениями и трещинами.

На рис. 6 представлен образец, на котором видна неравномерность очищения, вызванная малой скоростью сканирования.

 

Рис. 6. Образец с неравномерностью очищения.

Fig. 6. Unevenly cleaned test piece.

 

На рис. 7 представлена фотография образца, на котором заметны повреждения от обработки: трещины и проплавления. У данного образца множество трещин и проплавлений, что обусловлено мощностью, на которой проводилась чистка, а именно 2000 Вт. Повреждения по краям, в отличие от середины, объясняются более тонким слоем материала.

 

Рис. 7. Образец с трещинами и проплавлениями.

Fig. 7. Test piece with cracks and penetrations.

 

На рис. 8 приведена фотография образца, обработанного на мощности 1500 Вт. На левом краю этого образца видно потемнение, вызванное чрезмерным нагревом поверхности.

 

Рис. 8. Образец, обработанный на мощности 1500 Вт.

Fig. 8. Test piece processed at 1500 W.

 

На рис. 9 приведенные образцы более светлые, чем предыдущие, следовательно, ТБП не снято.

 

Рис. 9. Образцы с неснятым термобарьерным покрытием.

Fig. 9. Test pieces with the thermal barrier coating not removed.

 

Далее все образцы, вне зависимости от дефектов, были отправлены на металлографический анализ.

Металлографический анализ

С образцов, отправленных на металлографический анализ, снимались характеристики: толщина ТБП, микротвердость, химический состав. После получения результатов были составлены графики и диаграммы, отображающие зависимости измеряемых характеристик от мощности излучения лазера.

На рис. 10 приведена зависимость толщины ТБП от мощности. Исходное значение толщины ТБП — 150 мкм.

 

Рис. 10. Зависимость толщины термобарьерного покрытия от мощности.

Fig. 10. Relationship between the thermal barrier coating thickness and the power.

 

Из этого графика следует, что наиболее эффективной мощностью является 500 Вт, т.к. при этом значении достигается минимальная толщина ТБП.

На рис. 11 показан график зависимости микротвердости от мощности. Начальное значение микротвердости поверхности — 402 HV.

 

Рис. 11. Зависимость микротвердости от мощности.

Fig. 11. Relationship between the microhardness and the power.

 

По графику видно, что значение микротвердости в зависимости от мощности резко не изменяется и находится в установленном техническими условиями диапазоне, следовательно, основной металл не поврежден, что означает правильно выбранные характеристики обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В соответствии с задачами был проведен литературный обзор статей по теме лазерной очистки. Далее были выбраны диапазоны варьирования основных параметров обработки. Произведена серия экспериментов, после которой образцы были отправлены на металлографический анализ. На основе полученных в результате металлографического анализа данных определен режим, обеспечивающий полное снятие ТБП, и установлена зависимость толщины ТБП от мощности излучения.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. В. Жданов и Г. Аккузин — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, редактирование текста рукописи, редактирование текста рукописи, создание изображений; Г. Задыкян и Р. Корсмик — экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали один рецензент, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: V.S. Zhdanov, G.A. Akkuzin: investigation, writing ― original draft, writing ― review & editing, visualization; G.G. Zadykyan, R.S. Korsmik: expert review, validation. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agree to be accountable for all aspects of the work, ensuring that issues related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This work was submitted to the journal on its own initiative and reviewed according to the usual procedure. One reviewer, a member of the editorial board and the scientific editor of the publication participated in the review..

作者简介

Vladislav Zhdanov

Institute of Laser and Welding Technologies of the Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: fylhtq1995ujlf@gmail.com

Master’s Student at the Department of Digital Laser Technologies

俄罗斯联邦, 38a, Marshal Zhukov Ave., Saint Petersburg, 198262

Grigory Akkuzin

Institute of Laser and Welding Technologies of the Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: Akkuzyn@yandex.ru

Master’s Student at the Department of Digital Laser Technologies

俄罗斯联邦, 38a, Marshal Zhukov Ave., Saint Petersburg, 198262

Grigory Zadykyan

Institute of Laser and Welding Technologies of the Saint Petersburg State Marine Technical University

编辑信件的主要联系方式.
Email: gzadykyan@mail.ru
SPIN 代码: 5240-2062

Engineer at the Technology Department

俄罗斯联邦, 38a, Marshal Zhukov Ave., Saint Petersburg, 198262

Rudolf Korsmik

Institute of Laser and Welding Technologies of the Saint Petersburg State Marine Technical University

Email: r.korsmik@ltc.ru
SPIN 代码: 6726-2629

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor at the Department of Digital Laser Technologies

俄罗斯联邦, 38a, Marshal Zhukov Ave., Saint Petersburg, 198262

参考

补充文件