Регина Белякова
Московскй энергетический институт уже давно превратился в кузницу технических идей.
Фото агентства «Москва»
Специалисты НИУ «МЭИ» разработали технические решения для увеличения ресурса рабочих лопаток последних ступеней мощных паровых турбин с применением износостойких покрытий, сформированных с использованием PVD-технологий. PVD (physical vapourdeposition) – это обработка поверхности металла в вакуумной среде микрочастицами других металлов для получения особо прочной и твердой поверхности. Для процесса в основном используются титан и цирконий. Технология разработана под руководством ведущего научного сотрудника научного центра повышения износостойкости энергетического оборудования электрических станций НИУ «МЭИ» Алексея Медникова.
Главная ценность PVD-технологии заключается в способности модифицировать свойства поверхности изделия, не нарушая при этом свойства и физико-химическую функциональность основного материала. PVD-покрытие чрезвычайно плотно и равномерно прилегает к основе, не содержит микротрещин, является защитным слоем, устойчивым к истиранию и появлению царапин. Метод PVD может применяться для обработки различных материалов, в том числе для нержавеющей стали и латуни. Заготовка из стали сначала тщательно полируется, после чего применяется PVD-обработка. Изделие же из латуни предварительно никелируется, потом хромируется, и только затем наносится PVD-покрытие.
Процесс обработки поверхности происходит следующим образом: в закрытой вакуумной камере микрочастицы циркония «бомбардируют» поверхность металла и распределяются в поверхностном слое под воздействием высокого давления и температуры (до 1200 градусов Цельсия). Затем в течение 30 минут металл постепенно застывает. Комбинирование вакуумного воздействия и процесса затвердевания дает возможность получить покрытие, которое будет обладать уже качественно другими характеристиками.
PVD-поверхность устойчива к царапинам, ударам и механическим воздействиям. Слишком тяжелые механические нагрузки могут привести к механическим деформациям материала, но при этом его характеристики, в том числе и поверхностные свойства, прочность останутся неизменными.
PVD-слой не поддается воздействию окружающей среды, например разъеданию соленым воздухом, что актуально при использовании в условиях морского или океанического климата; воздействию человеческого пота или кислотной среды. Кроме того, PVD-технология обеспечивает максимальную биосовместимость. Именно поэтому она так широко используется при производстве медицинских приборов и хирургических инструментов: электронные стимуляторы сердца, ортопедические имплантаты. Изделия, изготовленные с применением данной технологии, пригодны для паровой и химической стерилизации, обработки в автоклаве.
Назвать PVD-технологию новой будет не совсем верно. В космической и медицинской промышленности она применяется достаточно давно. Эксплуатируемые во влажном паре рабочие лопатки паровых турбин подвергаются высокоскоростному воздействию находящихся в потоке капель жидкости, поведение которых подобно абсолютно твердому телу при столкновении с лопатками. Как результат – критическое разрушение входных и выходных кромок лопаточного аппарата. Увеличивающийся со временем износ материала лопаток приводит к снижению КПД и преждевременной замене турбинной ступени, а также к отрыву части лопатки, аварийному останову турбоагрегата.
Ученые МЭИ с использованием созданного в университете технологического оборудования по формированию PVD-покрытий и уникальной научной установки «Эрозия-М» разработали технологические решения по продлению ресурса и повышению надежности лопаточного аппарата влажнопаровых ступеней турбин.
Предлагаемые решения базируются на предварительной модификации поверхности стеллита (износостойкий сплав, который наносится на части оборудования для повышения их ресурса) с последующим формированием износостойкого покрытия на всей поверхности лопатки, защищающего не только входные, но и выходные кромки. Уверенность в полученных результатах основана на экспериментальных исследованиях модификации стеллитовых пластин, повышающей эрозионную стойкость стеллита более чем в два раза, а также на натурных испытаниях эффективности покрытия на реально работающих паровых турбинах, увеличивающего более чем в 1,5 раза срок износа и снижающего потери от недовыработки электроэнергии.
