doi: 10.52899/24141437_2025_02_237
УДК: 621.793

Лазерно-индукционное термоупрочнение жаропрочных сталей

Ахметов А. Д., Цибульский И. А., Сидоренко А. О., Сомонов В. В.
Язык статьи: русский
Ссылка для цитирования: Ахметов А.Д., Цибульский И.А., Сидоренко А.О., Сомонов В.В. Лазерно-индукционное термоупрочнение жаропрочных сталей // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2025. Т. 4, № 2. С. 237–244. DOI: 10.52899/24141437_2025_02_237 EDN: LRDSXT

Аннотация

Актуальность. Эрозия лопаток паровых турбин в процессе эксплуатации — существенная проблема энергетической отрасли. В настоящее время существуют способы по борьбе с ней, которые, однако, имеют существенные недостатки. Предлагаемая в статье технология лазерно-индукционного термоупрочнения дает возможность, сочетая современные технологические инструменты, нивелировать явление эрозии и существенно увеличить ресурс лопаток турбин. Цель работы. Исследование возможностей лазерного и индукционного источников нагрева, а именно, создание переменного глубокого упрочненного слоя в образцах из лопаточной стали, путем поверхностного термуопрочнения, а также исследования его свойств (структура и твердость, деформации образцов). Материалы и методы. В настоящей статье представлены результаты экспериментальных исследований лазерноиндукционного термоупрочнения плоских образцов из жаропрочных сталей 15Х11МФ, 20Х13, ЭИ-961. Исследования выполнены в рамках работ по разработке технологии закалки поверхности лопаток паровых турбин из мартенситных сталей для защиты входных кромок от эрозии. Результаты. Получена единая зона упрочнения на входной кромке и примыкающем участке спинки образцов без дефектов в виде микротрещин и несплошностей, без оплавления поверхности. Твердость в границах упрочненного слоя со стороны входной кромки — не менее 400 HV0.5. При этом глубина упрочненного слоя в области входной кромки составляет не менее 5 мм, а на примыкающем участке спинки лопатки — не менее 2 мм. Максимальная деформация образца после термоупрочнения не превышает 1,2 мм. Заключение. По результатам экспериментов лазерно-индукционного термоупрочнения плоских образцов из жаропрочных сталей 15Х11МФ, 20Х13, ЭИ-961 можно заключить, что данный вид обработки является перспективным для замены традиционных способов термоупрочнения поверхности изделий, выполненных из этих материалов, в борьбе против эрозии. Ключевые слова: лазерно-индукционное термоупрочнение, жаропрочные стали, механические свойства, повышение твердости, закалка, деформации, эрозия.

Список литературы

1. Cook S.S. Erosion by Water-Hammer // Proceedings of The Royal Society: A. Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1928. Vol. 119, № 783. P. 481–488. doi: 10.1098/rspa.1928.0107
2. Gardner G.C. Events leading to erosion in the steam turbines // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. 1963. Vol. 178, № 1. P. 593–601.
3. Heymann F., Thiruvengadam A. Characterization and Determination of Erosion Resistance ASTM STP 474. In: A Symposium Presented at the Seventy-second Annual Meeting. Atlantic City: American Society for Testing and Materials, 1969.
4. Heymann F. J. Liquid impingement erosion // ASM Handbook, ASM International Material Park, OH. 1992. Vol. 18. P. 221–232.
5. Schuerhoff J., Ghicov A., Sattler K. Advanced water droplet erosion protection for modern low pressure steam turbine steel blades. In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2015: Turbine Technical Conference and Exposition. 2015. Vol. 8. doi: 10.1115/GT2015-43140
6. Yuwei Wei, Yongjun Li, Jiafeng Lai, et al. Analysis on corrosion fatigue cracking mechanism of 17-4PH blade of low-pressure rotor of steam turbine // Engineering Failure Analysis. 2020. Vol. 118. doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.104925 EDN: YUPAWJ
7. Тополянский П. А. Повышение эрозионной стойкости входных кромок лопаток ступеней низкого давления паровых турбин (обзор). В кн.: Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин,
механизмов, оборудования и металлоконструкций. Материалы 4-й Всероссийской практической конференции 16–18 апреля 2002 г. Санкт-Петербург: СПбГТУ, 2002. С. 30–49. EDN: XCWSXB
8. Sabaa Sattar, Yaser Alaiwi, Nabaa Sattar Radhi, et al. Corrosion reduction in steam turbine blades using nano-composite coating // Journal of King Saud University. 2023. Vol. 35. № 8. doi: 10.1016/j.jksus.2023.102861
9. Неуймин В. М. О стойкости стеллитовой защиты рабочих лопаток последних ступеней паровых турбин // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. № 2 (64). C. 52–54. EDN: MVKDGH
10. Сомонов В.В. Цибульский И.А. Эффективность использования волоконных лазеров для лазерной закалки изделий в промышленности // Металлообработка. 2014. № 1 (79). С. 9–12. EDN: SITSQF
11. Somonov V.V. Tsibulskiy I.A., Mendagaliyev R., Akhmetov A. Investigation of the Technological Possibility of Laser Hardening of Stainless Steel 14Cr17Ni2 to a Deep Depth of the Surface // Metals. 2022. Vol. 12. № 1. P. 5. doi: 10.3390/met12010005 EDN: LAUUMX
12. Kennedy E. Byrne G., Collins D.N. A review of the use of high power diode lasers in surface hardening // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 155–156. P. 1855–1860. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2004.04.276 EDN: KLQSXL
13. Jianhua Yao, Qunli Zhang, Fanzhi Kong, Qingming Ding. Laser hardening techniques on steam turbine blade and application // Physics Procedia. 2010. Vol. 5. P. 399–406. doi: 10.1016/j.phpro.2010.08.161
14. Pavan A.H.V., Somnath Nandi, Amit Kumar, Swamy M. Effect of laser hardening and post hardening shot peening on residual stress evolution in X5CrNiCuNb16-4 steel for steam turbine blade applications // Procedia Structural Integrity. 2024. Vol. 60. P. 277–285. doi: 10.1016/j.prostr.2024.05.049