Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние проблемы ускоренных испытаний лопаток турбин гтд на высокотемпе ратурную газовую коррозию 11
1.1. Актуальность проблемы ускоренных испытаний ГТД 11
1.2. Анализ условий работы и повреждений лопаток турбин ГТД, обусловленных высокотемпературной газовой коррозией 16
1.3. Методы испытаний лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию 19
1.3.1. Испытания лопаток в системе двигателя 20
1.3.2. Автономные испытания лопаток на стендах 21
1.3.3. Испытания лопаток в тиглях в расплавах солей 24
1.3.4. Испытания лопаток в расплавах солей с электрохимическим воздействием 27
1.3.5. Испытания лопаток с предварительным нанесением коррозионной обмазки на их поверхность 28
1.4. Сравнительный анализ методов испытаний лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию 29
Выводы по главе 1 31
Цель работы и решаемые в диссертации задачи 32
ГЛАВА 2. Теоретические основы метода ускоренных испытаний лопаток турбин гтд на высокотемпературную газовую коррозию 33
2.1. Основные принципы, используемые при обосновании ускоренных испытаний 33
2.1.2. Условие эквивалентности ускоренных и длительных испытаний 40
2.1.3. Критерии эффективности ускоренных испытаний 43
2.1.4. Целевая функция, реализующая условие эквивалентности ускоренных и длительных испытаний 45
2.2. Теоретическое обоснование метода ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию 47
Выводы по главе 2 55
ГЛАВА 3. Структура и содержание основных этапов метода ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин гтд на высокотемпера турную газовую коррозию 58
3.1. Общая структура метода 58
3.2. Содержание основных этапов ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию 60
3.2.1. Подготовка образцов лопаток для испытаний 60
3.2.2. Травление 65
3.2.3. Электрохимическая обработка 69
3.2.4. Высокотемпературная обработка 78
Выводы по главе 3 86
ГЛАВА 4. Экспериментальная апробация метода ускоренных испытаний сопловых лопа ток на высокотемпературную газовую коррозию 88
4.1. Условия проведения исследования 88
4.2. Подготовка образцов 89
4.3. Травление 91
4.4. Электрохимическая обработка 92
4.5. Высокотемпературная обработка 99
4.6. Анализ результатов ускоренных испытаний сопловых лопаток на высокотемпературную газовую коррозию 103
Выводы по главе 4 108
Основные результаты работы и выводы 111
Приложения 114
Приложение 1. Условия работы лопаток турбин ГТД 114
Приложение 2. Повреждения лопаток турбин, обусловленные высоко температурной газовой коррозией
Приложение 3. Особенности механизма высокотемпературной сульфидной коррозии лопаток турбин 128
Список литературы
- Актуальность проблемы ускоренных испытаний ГТД
- Основные принципы, используемые при обосновании ускоренных испытаний
- Содержание основных этапов ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию
- Анализ результатов ускоренных испытаний сопловых лопаток на высокотемпературную газовую коррозию
Введение к работе
Актуальность работы. Современный период развития техники характеризуется высокими требованиями к ее надежности, большому ресурсу, сжатыми сроками создания и внедрения в эксплуатацию. В этих условиях актуальными являются разработка и внедрение научно-обоснованных методов ускоренных испытаний ГТД, обеспечивающих получение необходимой информации о надежности и ресурсе при минимальных временных и материальных затратах.
Известно, что надежность и ресурс газотурбинных двигателей определяются в основном элементами «горячей» части (рабочими и сопловыми лопатками, дисками турбин), подверженными действию статических, циклических, повторно-статических нагрузок, а также действию процессов газовой коррозии.
Сульфидно-оксидная газовая коррозия, связанная с коррозионным воздействием золовых и газовых продуктов сгорания ГТД, поступающих в их проточную часть, является одним из серьезных видов повреждений лопаток, вызывающих снижение надежности и экономичности газовых турбин. Интенсивность сульфидно-оксидной коррозии в некоторых случаях столь велика, что лопатки турбины выходят из строя в течение нескольких сот часов.
Существующие методы автономных испытаний лопаток на надежность и ресурс при длительном статическом, повторно-статическом и других видах механического нагружения не воспроизводят полную картину повреждаемости, поскольку при этом не моделируется рабочая среда, и это естественно снижает достоверность оценки надежности и ресурса лопаток. Ускоренные испытания лопаток в системе двигателя, проводимые с форсированием режима нагружения по частоте вращения, температуре, вибрации и др., также не воспроизводят полную картину коррозии по причине малой (по сравнению с ресурсом) длительности пребывания лопатки в газовой среде.
Таким образом, существующие методы испытаний лопаток турбин имеют или низкий уровень воспроизведения коррозионной повреждаемости или требуют большой длительности и затрат на испытания. Воспроизведение коррозионной повреждаемости лопаток в испытаниях позволяет повысить достоверность оценки таких механических свойств материалов как длительная прочность, ползучесть, усталостная прочность, в результате чего возрастает достоверность комплексной оценки надежности лопаток ГТД. В связи с этим акту-
альным является разработка методов ускоренных испытаний, обеспечивающих достоверную проверку коррозионной стойкости в условиях высокотемпературной газовой коррозии при минимальных временных и материальных затратах на испытания.
Исследования по теме диссертационной работы проводились в рамках «Государственных научно-технических программ АН РБ (Темы "Прочность, надежность и ресурс технических изделий авиа-, энерго- и общего машиностроения" (2002-2004 гг.), "Разработка методов оценки и прогнозирования технического состояния энергетических установок" (2005 - 2007гг.)), а также в рамках гранта ""Исследование и разработка методики ускоренных испытаний на надежность и ресурс лопаток газотурбинных двигателей" (АОЗ-3.18-472, 2003-2004 гг., С.Петербург).
Актуальность темы исследований по надежности и ресурсу двигателей отражена также в Федеральной целевой Программе «Развитие гражданской авиационной техники России на 2001 ...2010 годы и на период до 2015 года».
Цель работы. Разработка метода ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин ГТД на высокотемпературную газовую коррозию.
Для достижения данной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
теоретическое обоснование метода ускоренных испытаний лопаток турбин ГТД, выполненных из жаропрочного никелевого сплава и подверженных действию высокотемпературной газовой коррозии;
разработка метода ускоренных испытаний на высокотемпературную газовую коррозию сопловых лопаток турбин, выполненных из жаропрочного никелевого сплава ЖС6К;
экспериментальное исследование влияния различных факторов на эффективность ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин как в плане сокращения их длительности, так и обеспечения их эквивалентности эксплуатационным по толщине коррозионного слоя, содержанию легирующих элементов и фазовому составу;
экспериментальная проверка метода ускоренных испытаний сопловых лопаток 1 ступени турбины ВСУ ТА-6А на высокотемпературную газовую коррозию.
Методы исследования и аппаратура. Полученные автором результаты базируются на использовании методов теорий: высокотемпературной газовой коррозии, химического травления, электрохимической обработки, надежности, моделирования, эффективности, планирования эксперимента, воздушно-реактивных двигателей и лопаточных машин, системного анализа.
В процессе экспериментальных исследований использовалась аппаратура: потенциостат "ЕР-21", стабилизатор "ESN-550", микроскопы "МБР-Iм, "Neo-fot-2" (Zeiss), вольтметр "В7-26", твердомер ПМТ-3, разработанная для испытаний экспериментальная малоинерционная электрическая печь с кремний-органическими нагревателями, тигель из жаростойкого бетона, трансформатор, весы "ВЛА-200", потенциометр "КС-4" с хромель-алюмелевыми термопарами, оже-спектрометр "LAS-200", микрорентгеноспектроанализатор "Superprob-733".
Основные результаты исследования, выносимые на защиту:
Теоретически обоснованный метод ускоренных испытаний лопаток турбин ГТД на высокотемпературную газовую коррозию, реализуемых в последовательности: подготовка образцов, травление, электрохимическая обработка, высокотемпературная обработка в среде агрессивных газов.
Метод ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин ГТД, выполненных из жаропрочного никелевого сплава ЖС6К и подверженных действию высокотемпературной газовой коррозии.
Результаты экспериментального исследования влияния различных факторов на эффективность ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин как в плане сокращения их длительности, так и обеспечения их эквивалентности эксплуатационным по толщине коррозионного слоя, содержанию легирующих элементов и фазовому составу
Результаты экспериментальной проверки метода ускоренных испытаний сопловых лопаток 1 ступени турбины ВСУ ТА-6А на высокотемпературную газовую коррозию.
Научная новизна
1. Впервые теоретически обоснован метод ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин ГТД, изготовленных из жаропрочного никелевого сплава и подверженных в эксплуатации действию высокотемпературной газовой коррозии, который позволяет обеспечивать эквивалентность ускоренных и эксплуа-
8 тационных испытаний по толщине коррозионного слоя, содержанию легирующих элементов в поверхностном слое и микроструктуре. При этом эквивалентность испытаний достигается нагружением лопаток в последовательности: "травление - электрохимическая обработка - высокотемпературная обработка в среде агрессивных газов".
2. Впервые определены:
режим травления, заключающийся в выдерживании образцов лопаток в течение 5 мин в электролите состава 0,8% лимонной кислоты в водном растворе, 0,9% сульфата аммония (NH^SC^, чем обеспечивается получение обезлеги-рованного слоя образцов лопаток, эквивалентного эксплуатационному по содержанию легирующих элементов;
состав электролита, включающий 15% NaNCb, 5% Na2S и 5% глицерина и позволяющий формировать в ускоренных испытаниях коррозионный слой образцов лопаток, эквивалентный эксплуатационному по толщине;
режим высокотемпературной обработки образцов лопаток, заключающийся в нагреве до температуры 920 С, выдержке в течение 5 час в среде агрессивных газов, получаемых разложением солей MgC03 и Na2S03, и охлаждении до комнатной температуры в течение 2,5 час, что позволяет воспроизводить механизм ускоренной коррозии, свойственный эксплуатационному по фазовому составу.
3. Установлено:
применение катализаторов процесса коррозии V2O5 и NaCl (часто используемых при проведении ускоренных испытаний с целью сокращения их длительности) в данном методе ускоренных испытаний приводит к изменению механизма коррозии и поэтому является неприемлемым;
исключение эффекта Ребиндера, искажающего реальный механизм коррозии в ускоренных испытаниях, обеспечивается за счет применения при высокотемпературной обработке образцов лопаток фиксирующей подставки из сплава ЭИ-437Б.
4. На примере сопловых лопаток 1 ступени турбины ВСУ ТА-6А, выпол
ненных из сплава ЖС6К, получено существенное сокращение длительности
коррозионных испытаний (в 146 раз) с обеспечением эквивалентности испыта
ний по толщине коррозионного слоя, содержанию легирующих элементов в по
верхностном слое и микроструктуре.
9 Обоснованность и достоверность результатов исследования.
Достоверность проведенных в работе исследований подтверждена:
использованием известных методов электрохимической обработки,
травления, подготовки шлифов для анализа поверхностного слоя и др.;
совпадением результатов ускоренных испытаний лопаток с результата
ми эксплуатационных испытаний по толщине коррозионного слоя, содержа
нию легирующих элементов и фазовому составу;
проведением анализов поверхностного слоя с применением методов
электронной оже-спектроскопии (LAS-200), микроренгеноспектрального ана
лиза поверхностного слоя (Superprob-733).
Практическая значимость. Практическая значимость работы заключается в возможности применения данного метода ускоренных испытаний для экспресс оценки коррозионной стойкости лопаток турбин ГТД при проведении испытаний как на отдельных установках, так и в системе двигателя (когда проверяется надежность одновременно нескольких наиболее важных элементов, ответственных за надежность и ресурс двигателя в целом).
Метод применим при создании двигателей на этапе научно-исследовательских работ, при их доводке, а также в процессе серийного производства.
При этом достигается существенное сокращение длительности испытаний по сравнению с существующими методами.
Совместная реализация метода ускоренных испытаний (при автономных испытаниях образцов лопаток) с испытаниями на длительную прочность, мало-и многоцикловую прочность позволяет повысить достоверность комплексной оценки надежности и ресурса лопаток турбин ГТД.
Внедрение. Результаты работы внедрены в ФГУП УАП «Гидравлика», а также в учебном процессе УГАТУ в дисциплине «Испытания авиационных двигателей» специальности 160301 «Авиационные двигатели и энергетические установки».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на МНТК "Интеллектуальные системы управления и обработки информации", Уфа, УГАТУ, 2001; РНТК "Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках", Тамбов, ИМФИ ТГУ; РНТК "Проблемы современного энергомашино-
10 строения" Уфа, УГАТУ, 2002; МНТК "Проблемы и перспективы развития дви-гателестроения", Самара, СГАУ, 2003; МНТК "VII Королевские чтения", Самара, СГАУ, 2003; МНТК "XXX Гагаринские чтения", Москва, МАТИ, 2004; МНТК «Проблемы современного машиностроения», Уфа, УГАТУ, 2004; МНТК "XXXI Гагаринские чтения", Москва, МАТИ, 2005; РНТК "Инновационные проблемы развития машиностроения в Башкортостане", Уфа, УГАТУ, 2003, 2004; МНТК "Рабочие процессы и технология двигателей" КГТУ, Казань, 2005; РНТК «Мавлютовские чтения. Современные проблемы расчета, проектирования и производства авиационно-ракетной техники», Уфа, УГАТУ, 2006; МНТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2006; LIII научно-техническая сессия по проблемам газовых турбин. Москва, 2006; IX РНТК «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермь, 2006.
Публикации. Результаты исследований отражены в 29 публикациях.
На способ ускоренных испытаний авиационного ГТД получен патент RU 2270431 С1.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и результатов работы, приложений, списка литературы (181 наименование).
Основная часть работы содержит 113 страниц, 49 иллюстраций, 26 таблиц.
Актуальность проблемы ускоренных испытаний ГТД
В условиях постоянного роста надежности и ресурса газотурбинных двигателей и установок особую актуальность приобретают вопросы ускоренной оценки ресурсных возможностей основных элементов двигателя, что позволяет, в конечном итоге, более оперативно управлять их надежностью и ресурсом с минимальными временными и материальными затратами.
В результате успехов, достигнутых научно-исследовательскими, опытно-конструкторскими и эксплуатирующими организациями за последнее десятилетие, значительно повысился ресурс технических систем, таких как изделия авиационной техники, изделия энергетического и общего машиностроения. Например, ресурс авиационных двигателей вырос в 2...4 раза, авиационных турбоагрегатов - в 2...6 раз и т.д. [45, 81].
В настоящее время широко распространяются передвижные электростанции, использующие в качестве привод - генератора стационарные ГТД, отличающиеся от авиационных большим разбросом ресурса работы [150].
Наиболее достоверно ресурс определяется проведением испытаний (стендовых, эксплуатационных) [26, 87,126,145,149,152,157 и др.].
Ресурсные испытания в настоящее время представляют собой длительный и дорогостоящий процесс. Как свидетельствует анализ статистических данных [45], при создании новых технических изделий продолжительность доводочных испытаний составляет 63...78% общего времени разработки конструкции. По данным [82], на специальные и официальные испытания таких изделий, как авиационные ГТД приходится до 98% всех затрат, выделяемых на разработку новых конструкций двигателей. При этом затрачивается 11000...16000 газочасов, наработанных в 180...230 испытаниях. Огромные средства расходуются и в серийном производстве на проведение периодических и технологических ресурсных испытаний [157]. Однако, доля отказов изделий, обусловленная конструктивными и производственными причинами, остается значительной и составляет 20...25% для маршевых ГТД, 30...35% для вспомогательных ГТД, 50...55% для авиационных турбоагрегатов [45].
Большая длительность ресурсных испытаний и низкий уровень их обоснованности снижают эффективность системы управления качеством выпускаемой продукции {как серийной, так и опытной), что, в конечном итоге, требует больших затрат на перепроверку заделов и браковку изготовленной по данным техническим условиям продукции, значительно сдерживает темпы роста ресурсов технических изделий [10].
Методы установления и продления ресурса, основанные на сборе и обработке информации о надежности изделий в период их доводки на стенде и при эксплуатации на объекте, а также путем проведения длительных (стендовых, эксплуатационных) испытаний требуют значительного времени и часто являются неприемлемыми. Поэтому для сокращения времени получения требуемой информации по результатам стендовых ресурсных испытаний и для ускоренной доводки изделий на заданный ресурс широко применяются ускоренные испытания (УИ), позволяющие эффективно выявлять конструктивно-производственные дефекты, проявление которых связано с наработкой [5, 20, 26,34,38,45,65,79, 121, 149 и др.].
Основные принципы, используемые при обосновании ускоренных испытаний
Обоснование ускоренных испытаний (УИ) основано на определенных принципах их ускорения - совокупности теоретически и экспериментально обоснованных закономерностей или допущений, на применении которых основано проведение испытаний с сокращением их длительности. Метод ускоренных испытаний - совокупность правил применения принципов ускоренных испытаний для получения показателей надежности определенных групп или видов изделий.
Применение конкретного метода УИ зависит от многих факторов: сложности и степени ответственности конструкции, ее стоимости, степени изученности процессов расходования ресурса, возможностей испытательного оборудования, вида задач, решаемых при испытании и других факторов.
Принципиально возможны два подхода к моделированию ускоренных испытаний: статистический и физико-статистический [45,149,159].
Высокая надежность современных сложных технических изделий, а следовательно, небольшое число их отказов при испытаниях затрудняют получение достоверной информации о надежности с использованием статистических методов. Поэтому статистические методы, основанные на определении или подтверждении заданной интенсивности отказов, из-за большой трудоемкости испытаний становятся нерациональными. Например, чтобы для авиационного двигателя определить или подтвердить требуемое значение интенсивности от-казов X =10 1/ч, необходимо испытать 1000 двигателей в течение 10 лет. Стоимость таких испытаний чрезмерно велика, а полученная информация о надежности из-за большого промежутка времени испытаний теряет смысл.
Кроме того, величина интенсивности отказов синтезирует дефекты различной природы и должна относится к отказам, определяющим ресурс изделия. Такие отказы имеют серьезные последствия и в условиях эксплуатации встречаются крайне редко.
Более эффективным для моделирования ускоренных испытаний является физико-статистический подход, согласно которому любое реальное техническое изделие непрерывно изменяется вследствие глобального принципа роста энтропии, поскольку представляет собой термодинамически неустойчивую систему.
Знания о протекании физико-химических процессов, происходящих в изделии, позволяют принимать решения по совершенствованию конструкции, технологии изготовления, а также обоснованно выбирать объем, режимы и длительность ускоренных испытаний.
Реализация физико-статистического подхода к моделированию ускоренных испытаний проводится на основе обобщенной математической модели расходования ресурса, полученной объединением моделей расходования ресурса отдельных элементов изделия [11,46, 51,178].
Моделирование процессов расходования ресурса элементов узлов ГТД, включая ускоренные испытания, основано на положениях термодинамики необратимых процессов. По определению Гленсдорфа и Пригожина классическая термодинамика в сущности есть теория разрушения структур, а производство энтропии - это мера скорости этого разрушения [45,159].
Энтропийный критерий эквивалентности модельных (ускоренных) и эксплуатационных испытаний может быть использован при выборе режимов ускоренных испытаний: два режима испытаний в смысле накопленных повреждений являются одинаковыми, если вызывают одно и тоже приращение термодинамической энтропии: где 5і(т), Siii) - скорости роста энтропии соответственно в первом и втором режимах нагружения.
На практике приращение энтропии для элемента узла изделия оценивается через модели расходования ресурса (повреждаемости) [44,45,159]: где r(x,R) - скорость расходования ресурса (накопления повреждаемости) элемента.
Однозначно определяя в каждый момент времени т количество расходуемого ресурса элемента изделия, модели являются разновидностями аддитивно-марковских моделей расходования ресурса, основные предпосылки (принципы) которых сводятся к следующему [45].
Считается, что изделие имеет некоторый запас ресурса, который оно утрачивает в процессе эксплуатации. Ресурс, расходуемый изделием в режиме R(T) на интервале времени (хи т2), характеризуется одномерной функцией П(ть І2, R) и удовлетворяет условиям аддитивности, марковости и независимости суммарного запаса ресурса изделия от режима испытаний.
1. Условие аддитивности. При любом т из интервала (ті, іг) имеет место равенство П(т,, 12, До) = Щт,, т, R0) + П(т, т2, До) (2.3) или более общее соотношение П(т„т2,Л) = П(т„т/+1,Л) при любых 0 (/-1) т. (2.4) (=1
Фактически соотношение (2.4) означает, что ресурс изделия в испытаниях утрачивается аддитивно.
2. Условие марковости (принцип Седякина). Функция П(ть х2, R) зависит от величины выработанного ресурса в прошлом П(0, ть R) за время Т\ и не зависит от того, каким образом он выработан (в каком режиме R): если R(x+X\) = R(x+x2) при всех т є [О, Ъ] и П(0, ц, Д2)=П(0, х2, Rt), то П(ть Х\ + т, R2) = П(т2, т2 + т, R\) при любом т е [О, Ь] (рис. 2.1).
3. Наряду с перечисленными условиями 1 и 2 необходимо еще указать, каким первоначальным запасом ресурса обладает изделие. Поэтому вводится еще одно допущение: условие независимости суммарного запаса ресурса изделия от режима испытаний.
Содержание основных этапов ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию
Место вырезки образца из лопатки ГТД должно соответствовать максимальной эксплуатационной температуре, поскольку для турбин ГТД характерной тенденцией является повышение степени коррозионных повреждений лопаток при повышении температуры. Эта закономерность наблюдается как при повышении мощности турбины, так и в пределах проточной части одной турбины при перемещении от последней ступени к первой [100]. Теоретически это объясняется тем, что скорость химической реакции определяется кинетическим уравнением Аррениуса, устанавливающим зависимость константы скорости химической реакции от температуры: -ЕА k = A-eRT, (3.1) где А - частота столкновений реагирующих молекул, ЕА- энергия активации, R -универсальная газовая постоянная (R = 8,314 J/(K mol)). Для скорости коррозии уравнение (3.1) принимает вид: q = q0expl-Q/RT], (3.2) где q - удельная потеря массы вещества, г/см ; Т - температура, К; q0 - константа, г/см2; Q - энергия активации коррозии, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К.
Определение температуры лопатки проводится экспериментально испытаниями двигателя с замером окружной и радиальной неравномерностей температурного поля лопатки (рис. 3.2). Например, для ВСУ ТА-6А определение окружной неравномерности проводится по 18-ти термопарам, а радиальной неравномерности - по 3-м термопарам. С учетом вышеизложенного условие выбора образца можно записать в виде: Пэкс = тахПЭкс/; maxП,- =f(Tmax); Tmax=f{r,h\ (3.3) где г - радиус; h - длина окружности; Т- температура.
На поверхности металлов в исходном состоянии всегда присутствуют следы различных загрязнений. Загрязнения на поверхности металла могут быть различными по своей природе и свойствам. Термическая окалина, продукты коррозии, сульфидные или окисные пленки появляются в результате взаимодействия металла с окружающей средой и довольно прочно связаны с ним силами химического сродства. Загрязнения в виде жиров, консервационных смазок, остатков полировочных паст, абразивов, охлаждающих эмульсий связаны с металлом адгезионными силами. Поэтому перед проведением испытаний необходимо удалить с поверхности образца загрязнения различной природы: жировые и другие загрязнения, окисные и солевые пленки, препятствующие равномерному травлению поверхностного слоя образца.
Загрязнения первого типа удаляют травлением, в процессе которого нарушается их химическая связь с металлом. Загрязнения второго типа удаляют в процессе обезжиривания, разрушающего адгезионные связи [62].
Под обезжириванием понимают операцию очистки поверхности изделия от механически приставших загрязнений, не соединенных химически с металлом. При этом удаляются не только жировые загрязнения, но и механически приставшие твердые загрязнения.
Обезжиривание выполняется в несколько этапов, первым из которых является очистка, поскольку только после удаления приставшего к металлу слоя жировых загрязнений, возможно снятие загрязнений второй группы (окисных пленок, окалины, ржавчины). Обезжиривание в щелочных растворах в органических растворителях и эмульсионное обезжиривание относятся к черновой очистке, при которой с поверхности материала удаляются в большей или меньшей степени загрязнения, попавшие на нее при хранении, механической обработке и т. п. Если слой загрязнений на детали значителен, то для ускорения операции чернового обезжиривания и увеличения срока службы раствора поверхность предварительно подвергают механической очистке - обтиранием тряпками, паклей и т. п. или нагревом до такой температуры, при которой жиры с поверхности металла начинают стекать [19].
Способ очистки поверхности деталей от жировых загрязнений определяется их природой. Жиры минерального происхождения, к которым относятся полировочные пасты, консистентные смазки, минеральные масла, не растворяются в воде, и для их удаления применяют специальные органические растворители. Органические растворители предпочтительно использовать в связи с тем, что они не оказывают последующего коррозионного воздействия на поверхность деталей и не вносят свой вклад в моделирование высокотемпературной сульфидно-оксидной коррозии [133]. Жиры растительного или животного происхождения практически не растворяются в воде, но взаимодействуют с водными растворами щелочей или солей щелочных металлов, образуя растворимые в воде мыла.
Щелочные растворы обеспечивают удаление с поверхности металла животных и растительных жиров в результате химического взаимодействия с ними. При этом, хотя минеральные жиры не участвуют в реакции, но при определенных условиях под воздействием щелочных растворов они могут образовывать водные эмульсии, что облегчает их последующее удаление с поверхности металла. Введение в щелочные растворы поверхностно-активных веществ позволяет усилить их эмульгирующее действие и тем самым повысить активность влияния на минеральные жировые загрязнения. Под воздействием горячего щелочного раствора, содержащего эмульгаторы и вещества, понижающие поверхностное натяжение на границе «раствор - воздух» и «раствор - твердое тело» (загрязнение), происходит разрыв жировой пленки, уменьшение ее толщины, образование отдельных капель масла и отрыв их от поверхности металла. При этом отделяются также мелкие механические загрязнения.
От качества проведения подготовительных операций (полирование, обезжиривание) в значительной степени зависит конечный результат всех работ.
Процесс обезжиривания поверхности новых металлических деталей проводят, как правило, когда эти детали только что обработаны (отшлифованы или отполированы) и на их поверхности нет ржавчины, окалины и других посторонних продуктов.
Анализ результатов ускоренных испытаний сопловых лопаток на высокотемпературную газовую коррозию
После завершения испытаний образцы лопаток: а - прошедшие испытания; б - отработавшие в эксплуатации, а также в - полученные из новых лопаток, исследовались в ВИАМЕ. Исследование проводилось с применением метода электронной оже-спектроскопии на спектрометре ЛАС-200 фирмы РИБЕР (Франция), метода растровой электронной микроскопии (РЭМ) и микрорентгеновского анализа (МСРА) на установке «Суперпроб-733» с приставкой «Линк».
Перед проведением исследований готовились микрошлифы образцов для анализов: образец разрезался перпендикулярно внешней поверхности, далее исследуемый разрез шлифовался с использованием мелкозернистых шкурок, постепенно уменьшая величину зернистости. Далее микрошлифы полировались полировочными пастами.
Методом электронной оже-спектроскопии анализировался элементный и химический состав непосредственно поверхностного слоя (глубина «20 А). Для изучения изменения состава образца по глубине применялось травление ионами аргона с энергией 6 КэВ непосредственно в камере спектрометра, что позволило анализировать "профиль концентрации" электронов по глубине. Скорость травления составляла «100 А/мин.
Для проведения сравнения анализировались следующие образцы лопаток: отработавшие в эксплуатации на двигателях; прошедшие ЭХО в растворе солей, содержащем 15% NaNC 3, 5% Na2S, 5% глицерина и нагрев в печи до 920...950 С в течение 5 час в контейнере с солями MgCC 3 nNa2S03.
Исследование поверхности методом электронной оже-сперктроскопии показало следующее:
поверхность лопаток, отработавших в эксплуатации (рис. 4.11), загряз нена кремнием, азотом, углеродом, кислородом и серой. Вероятной причиной присутствия этих элементов на поверхности лопаток является контакт с возду хом (N и 0) и продуктами сгорания топлива (С и S). После ионного травления на глубину 0,2...0,3 мкм в спектре наблюдались только пики AL в химической модификации AL3+ и кислорода, т.е. АЬ20з;
оже-анализ в сочетании с ионным профилированием образцов лопаток, прошедших ускоренные испытания, показал наличие в приповерхностном слое металла азота, серы, углерода и кислорода, т.е. ЭХО в растворах, содержащих ионы азота и серы, с последующей термообработкой в атмосфере СОг приводит к переносу этих элементов в поверхностный слой металла (рис. 4.12);
Исследование более глубоких слоев сплава проводилось методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на установке "Суперпроб - 733" с приставкой "Линк". Из образцов лопаток были изготовлены шлифы, что позволило изучить изменение их структуры и состав поверхностного слоя под воздействием ЭХО.
Методом РЭМ в режиме отраженных электронов "СОМРО" были получены изображения структуры: лопаток с различными видами ЭХО; отработавших в эксплуатации, а также новой лопатки. Режим "СОМРО" позволил, кроме информации о структуре исследуемого материала, получить данные о химиче ском составе фаз, слоев и т. д. В этом режиме фазы с высоким средним атомным номером светлее, чем фазы с более низким номером. Это определяется большей отражательной способность элементов с высоким атомным номером по отношению к электронам первичного пучка.
Метод МРСА позволил непосредственно получить информацию о составе с локальностью около 1 мкм. Сравнение микроструктуры новой лопатки (рис. 4.13), лопаток, прошедших отработку в эксплуатации (рис. 4.14) и лопаток, прошедших ускоренные испытания (рис. 4.15), показало наличие изменений в структуре и составе поверхностного слоя лопаток. На поверхности образцов лопаток, прошедших ускоренные испытания, наблюдалась зона шириной около 5 мкм, обедненная легкими элементами (она светлее основного металла (рис. 4.15). Это подтвердилось результатами МРСА, свидетельствующими об обеднении поверхностного слоя А1-м и Ті-м по сравнению с их содержанием в сердцевине лопатки (табл. 4.8).
По литературным данным известно, что высокотемпературное окисление никелевых жаропрочных сплавов с высоким содержанием хрома и алюминия связано с потерей алюминия и образованием обедненной приповерхностной зоны [100]. Аналогичный результат наблюдался на образцах, прошедших ускоренные испытания.
Содержание основных легирующих элементов по атомарному составу в сплаве ЖС6К, определенному на установке "Суперпроб-733" с приставкой "Линк", приведено в табл. 4.8.
Исследование твердости приповерхностной зоны образцов лопаток, прошедших ускоренные испытания и отработавших в эксплуатации, проводилось на твердомере ПМТ-3 при нагрузке 50 г (относительная погрешность 15%). Результаты приведены в табл. 4.9. В табл. 4.10 приведено относительное изменение веса лопаток и образцов.
