Введение к работе
Актуальность
Одной из актуальных комплексных и экономически выгодных задач является продление ресурса турбинных лопаток газотурбинных установок путем восстановительной технологии, обеспечивающей улучшение функциональных характеристик структуры поверхности деталей в сочетании с мероприятиями по повышению материало- и энергосбережения, обеспечение экологичности и безопасности ремонтных технологий.
Лопатки турбины высокого давления (ТВД) являются наиболее ответствен-ными деталями газотурбинных двигателей. Они эксплуатируются в сложных условиях при высоких температурах, больших механических нагрузках, которые при наложении центробежных сил, влиянии активных газовых сред, могут достигать критических значений.
Большое влияние на работоспособность оказывает повреждение лопаток. Появление трещин в процессе эксплуатации, обеднение поверхностного слоя легирующими элементами (хромом, титаном, алюминием, бором) способны приводить к существенному изменению структуры, ухудшению свойств материала, а в дальнейшем и к разрушению. На состояние поверхностного слоя лопаток оказывают влияние состав рабочей газовой среды и скорость ее потока. Поэтому работоспособность связана с наработкой двигателя в процессе эксплуатации, особенно, когда детали работают при высоких температурах (800 – 850)С. Применение жаростойкого покрытия повышает работоспособность и эксплуатационную стойкость.
Работа выполнялась по ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические технологии в машиностроении» по направлению «Разработка научных основ низко- и высокоупрочняющих технологий на основе исследований закономерностей поведения структур, строения изломов и предельных характеристик металлов» в 2005 г., по ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту: «Развитие эффективной системы научно-исследовательской работы и подготовки кадров на кафедре «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов» НГТУ и ее филиалах (НфИМАШ РАН, ОАО «Красная Этна», РУМО) по этапам: этап 1 – «Развитие методики оценки и выбора состояний материалов на основе принципов управления предельным состоянием для совершенствования наукоемких технологий»; этап 2 – «Совершенствование наукоемких технологий на основе принципов синергетики и повышения предельного состояния металлов» с 2005 по 2006 г., при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (гос. контракт №4702р/4113 от 15.01.07; гос. контракт №5505р/7944 от 17.12.07) «Разработка технологии продления ресурса рабочих и сопловых лопаток турбин повышенной надежности и долговечности с плазменными покрытиями для газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов импортного производства».
Целью работы является изучение и оценка постэксплуатационного состояния структуры лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЧС88У–ВИ, ЧС70–ВИ, ЗМИ–3У и In 738, отработавших назначенный ресурс (~ 30 000 час), изыскание путей и разработка наукоемкой восстановительной технологии, обеспечивающей продление общего ресурса (на ~ 24 000 часов) на основе управления структурно-энергетическими параметрами и повышения предельных характеристик материала.
Научные и практические задачи, решение которых необходимо для
достижения цели:
-
Выявление закономерностей связи предельных характеристик жаропрочных никелевых сплавов с внутренними факторами (размер зерна, форма границ зерен, распределение упрочняющих карбидных и интерметаллидных фаз, их фрактальная размерность, концентрация) и внешними факторами (газовая среда, высокие рабочие температуры).
-
Расчет величины энергоемкости, критерия зарождения трещин, критерия распространения трещин и их использование для оценки предельного состояния и работоспособности материала лопаток ТВД.
-
Разработка вариантов восстановительной технологии лопаток ТВД и их апробация.
-
Изучение структурно-энергетического состояния жаропрочных никелевых сплавов в постэксплуатационном состояния и после высокотемпературной восстановительной обработки в зависимости от:
а) количества, формы и места расположения карбидной фазы в структуре
материала;
б) формы и длины границ зерен (размер зерна), разнозернистости сплавов;
в) фрактальной размерности границ зерен;
г) механических свойств (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение, микротвердость), структуры металла (макроанализ, микроанализа) никелевых сплавов.
5. Анализ влияния структурно-энергетического состояния и энергоемкости на предельную деформацию до разрушения с позиции современных представлений (кинетической теории С.Н. Журкова, теории повреждаемости Л.М. Качанова, обобщения предельных состояний В.А. Скуднова).
Объекты исследования:
Жаропрочные сплавы на никелевой основе ХН58КВТЮМБЛ–ВИ (ЧС70–ВИ) ТУ14–1–3658–83, ХН57КВЮТМБРЛ–ВИ (ЧС88У–ВИ) ТУ–14–1–4828–90, In738, ЗМИ–3У (ХН64ВМКЮТ) – в исходном (предэксплуатационном), постэксплуатационном состоянии и в состоянии после восстановительной термической обработки. Газоплазменное порошковое покрытие (ПНХ20К20Ю13-3). Химический состав покрытия представлен в табл. 1, исследуемых сплавов в табл. 2.
Таблица 1
Химический состав покрытия
Таблица 2
Химический состав жаропрочных никелевых сплавов
Методы исследования: электронная микроскопия и элементный состав с помощью электронного микроскопа Vega//TESCAN, оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах МБС–9 и «NEOPHOT 32» с применением цифровой фотокамеры «Olympus»; механические испытания на растяжение (У10Т) по ГОСТ 1497, измерение твердости по Виккерсу на ультразвуковом приборе МЕТ–У1 по ГОСТ 2276; измерение микротвердости на микротвердомере ПМТ–3 при нагрузке на индентор 2 Н; рентгенофазовый анализ на дифрактометре ДРОН–3; определение плотности и пористости методом гидростатического взвешивания на аналитических весах ВЛА–200г–М; статистическая обработка данных с использованием Excel 2007.
Научная новизна работы
-
Установление возможности регенерации микроструктуры и основных рабочих характеристик материала лопаток ТВД, отработавших назначенный ресурс, разработка технологии восстановления структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов методом высокотемпературной обработки.
-
Формирование «зубчатых» границ микроструктуры сплава после эксплуатации с помощью термической обработки. Установление влияния «зубчатых» границ на основные характеристики сплава.
-
Разработка режимов нанесения жаростойкого газоплазменного покрытия на основе интерметаллидной b– фазы для продления ресурса рабочих лопаток ТВД.
-
Качественная модель связи предельных характеристик сплава с внутренними и внешними факторами. Применение новых критериев разрушения синергетики для определения работоспособности материала.
Практическая ценность работы:
-
В исследовании постэксплуатационного состояния материала лопаток, отработавших назначенный ресурс, практической разработке технологий продления их общего ресурса.
-
В применении «зубчатых» границ зерен в повышении прочностных и пластических характеристик материала.
-
В разработке и применении комплекса восстановительных технологических операций (термическая обработка, нанесение жаростойкого покрытия) для существенного улучшения стойкости к высокотемпературной газовой коррозии рабочей поверхности лопаток.
-
В оценке работоспособности двух сплавов ЧС70–ВИ и ЧС88У–ВИ с помощью новых синергетических критериев разрушения, позволяющих получить новые данные о работоспособности лопаток, которые нельзя получить по механическим свойствам.
Апробация работы
Работа доложена на 10 конференциях: на Научно-технической конференции «Будущее технической науки», НГТУ, Нижний Новгород, 26–27 мая 2005 г., на 11-ой (12–16 февраля 2006 г.), 12-ой (12–6 февраля 2007 г.), 13-ой (25–28 февраля 2008г.) Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки); V Международной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона», 19 мая 2006 г., 16 мая 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 21–23 июня 2006 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы машиноведения: новые технологии и материалы», Нижний Новгород, 2006 г.; 5-ой Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», Украина, 22–26 сентября 2008 г.; Юбилейной конференции ИМАШ РАН «Проблемы машиноведения», Москва, 12–14 ноября 2008 г.
Выражаю глубокую благодарность заведующему лабораторией Нф ИМАШ РАН, к.ф-м.н. Тарасенко Ю.П. за предоставленный экспериментальный материал для научных исследований.
Публикации
Основное содержание опубликовано в 16 печатных работах.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и 2 приложений. Содержит текст на 174 страницах, 24 таблицы, 64 рисунка (включая фотографии микро – и макроструктур), список литературы из 102 наименований.
Похожие диссертации на Разработка ресурсосберегающей восстановительной технологии для лопаток турбины высокого давления из жаропрочных никелевых сплавов
