WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Орлов Михаил Романович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСА РАБОЧИХ ЛОПАТОК ПЕРВЫХ СТУПЕНЕЙ ТУРБИНЫ АВИАЦИОННЫХ И НАЗЕМНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.16.01 «Металловедение и термическая обработка металлов»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 2008 Диссертационная работа выполнена на Федеральном Государственном Унитарном Предприятии «Московское Моторостроительное Производственное Предприятие «Салют»

Официальные оппоненты:

- д. т. н., профессор Беломытцев М.Ю. (Государственный технологический университет «МИСиС»);

- д. ф-м. н., профессор Разумовский И.М. (ОАО «Композит»);

- д. т. н., профессор Светлов И.Л. (ФГУП «ВИАМ»).

Ведущая организация:

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Центральный Институт Авиационного Моторостроения им. П. И. Баранова

Защита диссертации состоится «02» апреля 2009 г. в «15-30» на заседании Диссертационного совета Д.212.132.08 в Государственном технологическом университете «Московский институт стали и сплавов» по адресу:

119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4, аудитория «Б 436»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного технологического университета «МИСиС»

Автореферат разослан «___» _____________ 2008 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.132.д. ф-м. н., профессор Мухин С.И.

Актуальность темы Обострение конкурентной борьбы на мировом рынке авиационного двигателестроения выдвигает новые требования по повышению надежности, работоспособности и экономичности газотурбинных двигателей (ГТД).

Эти требования в свою очередь ставят перед разработчиками и производителями ГТД задачи увеличения гарантированного ресурса, повышения мощности двигателей при одновременном снижении их веса. Ресурс и экономичность двигателей определяются работоспособностью турбины, в первую очередь, наиболее нагруженной ее частью - I и II ступенями.

Ужесточение температурно-силовых условий эксплуатации рабочих лопаток первых ступеней турбины обусловило разработку конструкций пустотелых охлаждаемых лопаток и технологии их изготовления методом литья с равноосной и направленной кристаллизацией жаропрочных никелевых сплавов.

Разработка новых конструкций охлаждаемых лопаток основана на инженерных расчетах динамики газового потока, расчетах температурных полей, полей напряжений и полей упруго-пластических деформаций материала лопаток, а также на опыте создания и доводки лопаток ГТД предшествующих поколений, на анализе их эксплуатационных повреждений, разрушений и исследованиях причин исчерпания эксплуатационного ресурса.

Применение новых технологий и материалов предопределило изменение традиционных подходов к проблемам производства турбинных лопаток. В первую очередь это относится к необходимости учитывать высокую анизотропию упругопластических свойств монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов, как на стадии конструирования лопаток, так и в технологическом цикле их производства. Изготовление монокристаллических лопаток потребовало изменения технологических схем производства с целью исключения появления хрупких технологических трещин в отливках, образования рекристаллизованных зерен на поверхности лопаток после пневмоабразивной и механической обработки, а также электроэрозионного прожига перфорационных отверстий.

Использование множества прикладных программ по оптимизации процессов равноосной и направленной кристаллизации отливок и расчету температурно-силовых условий работы турбинных лопаток ГТД не может заменить результаты практических исследований состояния материала лопаток после различных этапов технологического цикла производства, а также стендовых испытаний и наработки на двигателях с максимальным ресурсом.

Это обусловлено тем, что каждая из многопараметрических моделей, применяемая на этапах создания лопатки – от проектирования ее конструкции до разработки технологии производства, содержит неопределенное количество параметров с неизвестным межпараметрическим взаимодействием и основана на численных методах расчета нестационарных тепловых полей и упруго-пластических деформаций.

Неопределенность в оценке повреждаемости материала лопатки и защитного диффузионного покрытия в процессе длительной эксплуатации обусловлена сочетанием влияющих факторов, включая конструктивные особенности лопаток, свойства материала лопатки и защитного покрытия, технологические параметры производства и специфические условия эксплуатации двигателей различного назначения.

В настоящее время основой технологического обеспечения повышения работоспособности и надежности лопаток первых ступеней турбины в процессе доводки серийных ГТД и разработки новых двигателей остается диагностика необратимых структурных изменений в материале лопаток, исследование эксплуатационных повреждений и разрушений лопаток. Обратная связь в цепочке «конструкция – технология – эксплуатация», основанная на диагностике лопаток, становится подтверждением правильности выполненных расчетов, выбора состава материала лопаток и защитных диффузионных покрытий, технологической схемы производства, или является основанием для доработки конструкции лопатки и оптимизации технологии ее производства.

Работоспособность лопаток первых ступеней турбины, лимитирующая ресурс авиационных ГТД, описывается совокупностью факторов, включающих:

- температурно-силовую нагрузку жаропрочного сплава (конструкция изделия);

- структурное состояние жаропрочного сплава (состав материалов и технология производства лопаток);

- накопление необратимых изменений тонкой структуры сплава в процессе длительной работы на взлетном режиме и при забросах температуры газового потока на чрезвычайном режиме (ЧР) работы двигателя, высокотемпературное окисление и коррозионное повреждение проточных поверхностей лопаток (состав материалов и эксплуатация);

- фреттинг-износ замков и бандажных полок, образование механических забоин от попадания в трактовую часть двигателя посторонних предметов (эксплуатация);

- работа лопаток в резонансном режиме с зарождением и последующим развитием усталостных трещин и др. (эксплуатация).

Наиболее сложными и малоизученными являются вопросы исследования влияния технологической наследственности на снижение эксплуатационного ресурса лопаток. Для решения этих задач требуется детальный анализ технологических дефектов производства лопаток, моделирование условий образования дефектов в процессе технологических операций путем варьирования технологических параметров и пооперационного исследования изменения дефектов в лопатках до конца технологического цикла производства.

В соответствии с изложенным, решение проблемы технологического обеспечения повышения работоспособности и надежности лопаток первых ступеней ГТД, основанное на всесторонних исследованиях структурных изменений материала турбинных лопаток, а также их эксплуатационных повреждений и разрушений, является важной и актуальной задачей.

Цель работы

Работа посвящена решению важной народно-хозяйственной задачи – повышению надежности и ресурса авиационных ГТД для пассажирских, транспортных и боевых самолетов, а также наземных газотурбинных установок (ГТУ).

В связи с тем, что надежность и ресурс ГТД и ГТУ определяются работоспособностью лопаток турбины первых ступеней, поставленная в работе цель – повышение ресурса рабочих лопаток турбины требует решения следующих основных задач:

- проведение диагностики эксплуатационных разрушений и структурных повреждений, как основного материала лопаток – литых жаропрочных никелевых сплавов, так и диффузионных защитных покрытий;

- исследование свойств и поведения материала рабочих лопаток турбины первых ступеней в условиях температурно-силового воздействия, близкого к условиям работы лопаток – развития необратимых структурных изменений, анизотропии механических характеристик и усталостной прочности, механизма пластической деформации, статического, усталостного и термоусталостного разрушения;

- установление наследственных технологических дефектов, проявляющихся в эксплуатации, моделирование их происхождения в технологическом цикле производства и оптимизация технологии изготовления лопаток;

- разработка и научное обоснование критериев выбора жаропрочных сплавов для рабочих лопаток турбины первых ступеней ГТД и ГТУ;

- регламентация аксиальной и азимутальной кристаллографической ориентировки монокристаллического сплава, для лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции;

- разработка технологии горячего изостатического прессования рабочих лопаток ГТД и ГТУ охлаждаемой конструкции;

- разработка технологии восстановительного ремонта рабочих лопаток турбины после отработки ресурса на ГТД и ГТУ.

Научная новизна 1. Исследованы механизмы образования наследственных технологических дефектов, ограничивающих ресурс рабочих лопаток турбины с равноосной, направленной и монокристаллической макроструктурой. Классифицированы структурные повреждения жаропрочных никелевых сплавов, обусловленные условиями эксплуатации двигателей, особенностями конструкции, а также отклонениями в технологии производства лопаток.

2. Установлен механизм образования хрупких технологических трещин в монокристаллических отливках рабочих лопаток турбины охлаждаемой конструкции, заключающийся в водородном охрупчивании жаропрочных никелевых сплавов в условиях действия растягивающих напряжений. Определены условия образования водородных трещин в технологическом цикле производства и ремонта лопаток.

3. Установлена аналитическая зависимость кратковременных прочностных свойств, пластичности, длительной прочности и усталостной прочности монокристаллических рабочих лопаток турбины высокого давления (ТВД) от аксиальной кристаллографической ориентировки (КГО) монокристаллического жаропрочного сплава.

На основании полученных зависимостей расчета напряженно-деформированного состояния лопаток, выполнена регламентация аксиальной КГО монокристаллического жаропрочного сплава для лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции.

4. На основании фрактографических исследований эксплуатационных разрушений рабочих лопаток ТВД ГТД АЛ-31Ф и оценочных расчетов условий перехода термоусталостного механизма развития эксплуатационных трещин к усталостному механизму в наиболее нагруженном сечении пера, регламентирована азимутальная КГО сплава ЖС32-ВИ.

5. Исследованы особенности пластической деформации и разрушения монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов при нормальной температуре в условиях статического и циклического нагружения, а также в условиях высокотемпературной ползучести.

6. Разработан способ усталостных испытаний рабочих лопаток, основанный на силовом методе тарировки амплитудной нагрузки, позволяющей проводить усталостные испытания монокристаллических лопаток с произвольной КГО, а также усталостные испытания лопаток с направленной макроструктурой.

7. Предложена кинетическая модель устранения усадочных кристаллизационных пор в процессе горячего изостатического прессования (ГИП) лопаток, основанная на решении задачи Ламе для толстостенной полой сферы в условиях гидростатического сжатия и экспериментальных данных для высокотемпературной ползучести жаропрочного сплава. Разработан способ ГИП лопаток с неудаленными керамическими стержнями, оформляющими внутреннюю полость, для защиты внутренних поверхностей от окисления с последующим их удалением методом гидротермического автоклавного выщелачивания.

8. Разработан способ очистки труднодоступных поверхностей охлаждаемых каналов турбинных лопаток от продуктов высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии, включающий восстановительный отжиг в водородсодержащей среде и последующее травление частично восстановленной полиметаллической губки в водных растворах кислот.

9. Разработан способ ремонта турбинных лопаток, включающий выполнение операции ГИП с защитой контактных поверхностей хвостовика керамикой, удаление защитной керамики, высокотемпературных окислов и продуктов сульфидной коррозии, с последующим нанесением защитных диффузионных покрытий на внутреннюю поверхность охлаждаемых каналов и проточную поверхность пера.

Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Модель образования эксплуатационных диффузионных пор в литых лопатках турбины – трефовидной морфологии в прослойках никелевой матрицы при температуре ниже температуры формирования «рафт» структуры и октаэдрической морфологии в пластинах упрочняющей фазы при более высоких температурах.

Механизм растворения эксплуатационных пор в процессе восстановительной высокотемпературной вакуумной обработки по механизму диффузии вакансий под действием сил поверхностного натяжения.

2. Механизм образования газовых пор на поверхности керамики в процессе литья лопаток из никелевых жаропрочных сплавов.

Кинетическая модель формирования диффузионных пор в процессе термической обработки отливок турбинных лопаток.

Кинетическая модель устранения усадочных кристаллизационных пор в отливках турбинных лопаток в процессе ГИП.

3. Механизм образования хрупких технологических трещин в охлаждаемых монокристаллических лопатках турбины в процессе гидротермического автоклавного выщелачивания керамических стержней, макротравления отливок, электрохимической очистки лопаток при ремонте в щелочном растворе по катодному режиму.

3. Аналитические зависимости прочностных, пластических характеристик и длительной прочности монокристаллических образцов, усталостной прочности монокристаллических рабочих лопаток ТВД от КГО сплава ЖС6У-ВИ.

Регламентация аксиальной ориентировки монокристаллических жаропрочных сплавов для рабочих лопаток турбины охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции.

4. Регламентация азимутальной ориентировки монокристаллического жаропрочного сплава ЖС32-ВИ для рабочей лопатки ТВД ГТД АЛ-31Ф.

5. Обоснование последовательности технологических операций в производстве охлаждаемых рабочих лопаток турбины, проходящих уплотнение методом ГИП.

6. Механизм удаления продуктов высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии в разработанном способе ремонта пустотелых турбинных лопаток с применением восстановительного отжига в водородсодержащей атмосфере и последующим травлением в водных растворах кислот.

7. Регламентация параметров технологических операций и их последовательности в разработанной технологии ремонта охлаждаемых рабочих лопаток турбины, включающей операцию ГИП с защитой керамикой контактных поверхностей елки хвостовика от окисления, очистку внутренних поверхностей охлаждаемых каналов от продуктов высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии, нанесение защитных жаростойких покрытий.

Практическая значимость работы Практическое применение результатов диссертационной работы заключается в следующем.

1. Результаты классификации структурных повреждений и разрушений рабочих лопаток турбины ГТД и ГТУ были использованы для диагностики отказов авиационных и наземных двигателей в условиях производств ОАО «Мотор Сич» и ГП ЗМКБ «Прогресс» (г. Запорожье, Украина), а также ФГУП «ММПП «Салют» (г. Москва, Российская Федерация).

2. В условиях производства ГП ЗМКБ «Прогресс» реализован комплекс мероприятий, направленных на предупреждение образования технологических трещин в охлаждаемых монокристаллических лопатках турбины ГТД Д-18Т и Д-436, развивающихся по механизму водородного охрупчивания.

3. В производстве ГП ЗМКБ «Прогресс» внедрена технология ремонта лопаток секторов соплового аппарата II ступени турбины вентилятора ГТД Д-18Т с использованием восстановительного отжига в водородсодержащей атмосфере, удалением продуктов сульфидной коррозии и высокотемпературного окисления из внутренних полостей лопаток и последующим нанесением защитного жаростойкого диффузионного покрытия шликерным методом.

4. В производстве ФГУП «ММПП «Салют» внедрена технология литья монокристаллических лопаток ТВД ГТД АЛ-31Ф из жаропрочного сплава ЖС32-ВИ с заданной азимутальной ориентировкой сплава и направленной кристаллизацией отливок с переменной скоростью, позволившая увеличить выход годного монокристаллических лопаток до 90 % и повысить их усталостную прочность от 150 до 230 МПа.

5. В производстве ФГУП «ММПП «Салют» внедрена технология ГИП отливок охлаждаемых рабочих лопаток турбины с защитой внутренней поверхности охлаждаемых каналов от окисления неудаленными керамическими стержнями.

6. В производстве ФГУП «ММПП «Салют» внедрена технология восстановительного ремонта рабочих лопаток ТВД ГТД АЛ-21Ф с применением операции ГИП, защитой керамикой елки хвостовика лопаток и последующим удалением продуктов сульфидной коррозии и высокотемпературного окисления из охлаждаемых каналов, нанесением жаростойкого диффузионного покрытия на внутреннюю поверхность охлаждаемых каналов и проточную поверхность пера методами газоциркуляционного и порошкового хромоалитирования.

7. Результаты работы, представленные в монографии «Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Часть II», используются при обучении студентов Национального аэрокосмического университета «ХАИ» (г. Харьков, Украина) и Запорожского национального технического университета (г. Запорожье, Украина) по специальностям «технология авиационного двигателестроения» и «материаловедение».

8. В результате реализации мероприятий по повышению работоспособности и надежности лопаток турбины первых ступеней, разработанных в представленной работе, решена важная задача увеличения ресурса ГТД:

- с 4000 до 12000 часов для ГТД Д-18Т производства ГП ЗМКБ «Прогресс» (фактическое увеличение ресурса);

- с 1000 до 2000 часов для ГТД АЛ-31Ф производства ФГУП ММПП «Салют» (ожидаемое увеличение ресурса).

Апробация работы Основные результаты работы доложены на конференциях:

IV Всесоюзная научно-техническая конференция «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (Запорожье, 1989).

VII Международная научно-техническая конференция «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (Запорожье, 1998).

5-й Международный научно-технический симпозиум «Авиационные технологии века». (Жуковский, 1999).

Международная научно-техническая конференция «Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций» (Киев, 2000).

Семинар ЦИАМ «Проблемы конструкционной прочности ГТД» (Москва, 2000).

Пятый международный конгресс двигателестроителей (Рыбачье, 2000).

Международная научно-техническая конференция «Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок» (Запорожье, 2000).

Международная научная конференция «Двигатели XXI века» (Москва, 2000).

Международная научно-техническая конференция «Неметаллические включения и газы в литейных сплавах» (Запорожье 2000).

VIII Международная научно-техническая конференция «Новые конструкционные материалы и сплавы, методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (Запорожье, 2000).

Международный симпозиум «Авиационные технологии XXI века: новые рубежи авиационной науки» (Жуковский, 2001).

Вторая Международная научно-техническая конференция «Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок» (Алушта, 2002).

Семинар с международным участием «Новое в разработке, производстве и применении специальных сталей и сплавов» (Запорожье, 2006).

X Международный конгресс двигателестроителей (Рыбачье, 2005).

XI Международный конгресс двигателестроителей (Рыбачье, 2006).

Семинар ЦИАМ «Проблемы конструкционной прочности ГТД» (Москва, 2007).

Международная научно-техническая конференция «Актуальные вопросы авиационного материаловедения» (Москва, 2007).

Научно-технический конгресс по двигателестроению НТКД – 2008 (Москва, 2008).

Основные результаты диссертации представлены в более 50 публикациях, включая 1 монографию в двух изданиях, статьи, тезисы докладов на конференциях и описания патентов, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Материал диссертации изложен на 207 страницах текста компьютерной верстки в формате 12 pt, Times New Roman, содержит 83 рисунка, 16 таблиц. Список литературных источников содержит 149 наименований. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов и списка литературных источников, списка публикаций по теме диссертации, трех приложений, подтверждающих использование результатов диссертационной работы в промышленности и образовании.

Краткое содержание работы Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, цели и задачи, новизна и научно-техническая значимость работы. Рассмотрен круг вопросов, являющихся предметом исследований, сформулированы проблемы, стоящие перед авиационным производством в области обеспечения и повышения надежности и ресурса рабочих лопаток турбины первых ступеней ГТД и ГТУ. Сформулированы основные направления решения проблемы технологического обеспечения работоспособности турбинных лопаток.

Глава 1 посвящена исследованию необратимых структурных изменений в литых никелевых жаропрочных сплавах в процессе длительной эксплуатации рабочих лопаток турбины ГТД.

Представлен анализ имеющейся информации по проблемам структурных изменений в литых жаропрочных сплавах на никелевой основе отечественного и зарубежного производства в процессе длительного температурно-силового нагружения:

- Рассмотрены механизмы формирования «рафт» структуры в результате высокотемпературной ползучести сплавов с положительным и отрицательным значениями мисфита – структурного несоответствия кристаллических решеток никелевой матрицы и упрочняющей фазы на основе интерметаллида Ni3Al;

- Проведен анализ литературных данных и представлены собственные результаты исследований развития карбидных реакций и формирования ТПУ- фаз в никелевых жаропрочных сплавах в течение длительной работы лопаток.

В главе 1 представлены результаты исследований развития необратимых структурных изменений в жаропрочных сплавах ЖС6У-ВИ, ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ с равноосной и монокристаллической структурой в процессе длительной эксплуатации рабочих лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции авиационных и наземных ГТД: Д-18Т; Д-36; Д-436; Д-336; АИ-222-25; ТВ3-117ВМА-СБМ1; АЛ-31Ф; АЛ-21Ф.

Приведен анализ работоспособности жаропрочных сплавов в лопатках различной конструкции, рассмотрены случаи эксплуатационного перегрева с полным или частичным растворением упрочняющей фазы, исследованы особенности формирования «рафт» структуры и коагуляции упрочняющей фазы в наиболее горячих зонах пера турбинных лопаток.

Представлены результаты исследований повреждения структуры монокристаллических сплавов со стороны внутренней поверхности охлаждаемых каналов в условиях диффузионной ползучести при температуре ниже температуры начала формирования «рафт» структуры.

Выполнен расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) изотропного жаропрочного сплава на входной кромке охлаждаемой турбинной лопатки в стационарных условиях применительно к термоусталостным испытаниям лопаток и при наложении центробежных нагрузок применительно к условиям эксплуатации лопаток.

Результаты расчета НДС методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS5.5 и расчета аналитическим методом для термонопряженного полого цилиндра показали хорошую сходимость и явились основой для анализа температурно-силовых условий формирования «рафт» структуры, зарождения и роста диффузионных пор в процессе длительной эксплуатации лопаток.

Рассмотрены условия формирования диффузионных пор в никелевой матрице в процессе эксплуатации охлаждаемых лопаток в приповерхностной зоне охлаждаемых каналов и в скоагулированной фазе со стороны проточной поверхности на входной кромке. Методом металлографии высокого разрешения с использованием растровой электронной микроскопии (РЭМ) установлено, что диффузионные поры в никелевой матрице отражают морфологию прослоек фазы (рис. 1а), а диффузионные поры в скоагулированной фазе приобретают огранку по кристаллографическим плоскостям плотной упаковки, снижая за счет этого поверхностную энергию пор (рис. 1б).

Выполнена оценка кинетики растворения диффузионных пор эксплуатационного происхождения в процессе восстановительной термообработки лопаток под действием сил поверхностного натяжения. Скорость уменьшения поры радиусом RP в результате направленной диффузии вакансий можно представить в виде дифференциального уравнения:

D & RP = -2, (1) RP R T где: D – коэффициент самодиффузии никеля при температуре ГИП D = 3,2·10-14 м2/с;

– мольный объем для чистого никеля = 6.6·10-6 м3/моль;

– поверхностное натяжение для чистого никеля = 1,8 Дж/м2;

R – газовая постоянная R = 8,31 Дж/К·моль;

T – температура ГИП, К.

Решение дифференциального уравнения (1) позволяет определить время t полного растворения поры радиусом RP под воздействием сил поверхностного натяжения:

1 R T t = RP. (2) 6 D [110] [110] х30000 х10000 б а х5000 х25в г Рис. 1. Структурная повреждаемость монокристаллических лопаток ТВД в процессе длительной эксплуатации.

а – образование трефовидных диффузионных пор в никелевой матрице при температуре ниже начала формирования «рафт» структуры в сплаве ЖС32-ВИ;

б – образование октаэдрических диффузионных пор в скоагулированной фазе сплава ЖС26-ВИ;

в, г – ТПУ фаза в монокристаллической рабочей лопатке из сплава ЖС26-ВИ в сечении шлифа (в) и в изломе (г).

Показано, что диффузионные поры размером RP =0,25 мкм растворяются в процессе восстановительной термообработки в течение 100 с, а размером RP =1 мкм – в течение 100 мин.

Методом РЭМ установлено, что пластины ТПУ фазы, формирующиеся в жаропрочных сплавах ЖС6У-ВИ, ЖС26-ВИ, ЖС32-ВИ в процессе технологических нагревов и длительной эксплуатации лопаток турбины, ориентированы по плоскостям плотной упаковки металлической матрицы {111} и окаймлены скоагулированной фазой (рис. 1в). Методом энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) установлен химических состав пластин ТПУ фазы, представляющей собой интерметаллид переменного состава на основе Ni (50 ат. %) - W (25 ат. %) - Re, Cr, Mo (25 ат. %).

В результате микроструктурных и фрактографических исследований установлено, что пластины ТПУ фазы разрушаются по механизму квазискола в процессе пластической деформации сплава при нормальной температуре (рис. 1г), а в условиях высокотемпературной ползучести являются очагами зарождения деформационных пор и трещин.

На основании полученных результатов исследований необратимых структурных изменений литых жаропрочных сплавов в процессе длительной эксплуатации рабочих лопаток турбины даны рекомендации по использованию серийных жаропрочных сплавов для лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции для авиационных и наземных ГТД.

Выводы по главе 1.

1. Исследованы и систематизированы основные структурные признаки исчерпания работоспособности жаропрочных никелевых сплавов в процессе длительной эксплуатации турбинных лопаток.

2. Методами металлографии высокого разрешения с использованием растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа, помимо известных ТПУ- фаз (, P, R, ), выделяющихся в процессе длительной эксплуатации лопаток, обнаружены ТПУ- фазы на основе -Cr и интерметаллида ZrNi5.

3. В результате исследований структуры жаропрочного сплава ЖС32-ВИ в монокристаллических охлаждаемых рабочих лопаток ТВД установлено, что процессы диффузионной ползучести приводящие к формированию «рафт» структуры в более горячей зоне пера – на проточной поверхности, приводят к образованию пор со стороны охлаждаемого канала. Образование пор происходит в никелевой - матрице между частицами упрочняющей '- фазы кубической формы, что предопределяет трефовидную форму пор.

4. В процессе длительной эксплуатации монокристаллических охлаждаемых рабочих лопаток ТВД из сплава ЖС26-ВИ при повышенных температурах, образование диффузионных пор происходит в скоагулированной '- фазе. Диффузионные поры, образующиеся в скоагулированной '- фазе имеют октаэдрическую огранку по плоскостям плотной упаковки {111} интерметаллида Ni3Al.

5. Зарождение и рост пор в процессе эксплуатации рабочих лопаток ТВД, обусловлены повышением равновесной концентрации вакансий в результате развития дислокационных реакций, а также направленным диффузионным потоком вакансий от внутренней поверхности охлаждаемого канала, находящейся в состоянии растяжения, к проточной поверхности входной кромки, находящейся в состоянии сжатия.

6. Рассмотрен механизм растворения пор, образующихся в процессе длительной эксплуатации рабочих лопаток ТВД и достигающих величины около 0,5 мкм, по механизму диффузии вакансий в условиях высокотемпературного нагрева под действием сил поверхностного натяжения. Показано, что стандартная высокотемпературная вакуумная термическая обработка лопаток, отработавших ресурс, позволяет полностью восстановить структуру упрочняющей '- фазы и устранить диффузионную пористость.

В главе 2 приведена классификация эксплуатационных повреждений рабочих лопаток первых ступеней турбины с равноосной, направленной и монокристаллической макроструктурой, представлены результаты исследований эксплуатационных повреждений лопаток ГТД. Выполнен анализ проявления технологических дефектов в процессе эксплуатации.

На примере авиационных и наземных ГТД рассмотрены случаи статического обрыва литых рабочих лопаток в результате попадания в газовый тракт посторонних предметов, а также по причине выхода в зону наиболее нагруженных сечений пера и хвостовика технологических дефектов, не выявленных в цикле производства лопаток.

Приведены результаты исследований термоусталостного разрушения рабочих лопаток с равноосной и монокристаллической структурой. Рассмотрены случаи технологической наследственности термоусталостного разрушения лопаток, связанные с изменением структуры и состава сплава в поверхностных слоях охлаждаемых каналов в результате выполнения операций удаления керамических стержней, термической обработки, электроэрозионного прожига перфорационных отверстий, нанесения защитных жаростойких диффузионных покрытий.

Выполнен анализ усталостных эксплуатационных разрушений охлаждаемых монокристаллических лопаток из жаропрочного сплава ЖС32-ВИ, в результате которого определен комплекс условий зарождения и развития усталостных трещин, включающий:

- наличие технологических дефектов в виде пор критического размера в наиболее нагруженных сечениях пера;

- неблагоприятная азимутальная ориентировка сплава, предопределяющая совмещение кристаллографических плоскостей наилегчайшего скольжения, по которым развивается усталостная трещина по сдвиговому механизму, с геометрическими концентраторами напряжений;

- утонение стенок между пересекающимися охлаждаемыми каналами, приводящее к локальному снижению температуры стенок и возникновению дополнительных растягивающих термических напряжений;

- окисление поверхности охлаждаемых каналов и снижение концентрации алюминия в приповерхностных зонах охлаждаемых каналов в процессе эксплуатации, приводящее к зарождению термоусталостных трещин.

С позиций механики разрушения выполнена оценка условий перехода от механизма термической усталости растущей эксплуатационной трещины к усталостному механизму разрушения. Выполнены исследования кинетики роста усталостной трещины при повышенных температурах для монокристаллического сплава ЖС26-ВИ, определены пороговые значения коэффициента интенсивности напряжений KIth при симметричном цикле нагружения. Выполнены фрактографические исследования механизма усталостного разрушения монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов.

В процессе фрактографических исследований эксплуатационных повреждений и разрушений монокристаллических рабочих лопаток турбины двигателя Д-18Т обнаружены технологические трещины, не выявленные в процессе производства, и расположенные параллельно кристаллографическим плоскостям {100} сплава, в отличие от усталостных трещин, развивающихся по плоскостям {111} при температуре до 750 – 800оС (рис. 2).

Установлено, что технологические трещины (рис. 2а) образуются по механизму водородного охрупчивания монокристаллических жаропрочных сплавов в процессе производства и ремонта охлаждаемых монокристаллических лопаток. Механизм образования хрупких водородных трещин в производстве детально исследован в главе 4.

Выводы по главе 2.

1. Обобщены результаты исследований эксплуатационных повреждений и разрушений рабочих лопаток турбины ГТД с равноосной, направленной и монокристаллической макроструктурой.

2. Определены и систематизированы наследственные технологические дефекты, ограничивающие ресурс и надежность рабочих лопаток турбины.

3. Установлен и воспроизведен технологический дефект – образование хрупких водородных трещин в процессе производства и ремонта монокристаллических рабочих лопаток ГТД.

4. Внедрен в технологию изготовления лопаток ТВД и ТНД двигателя АЛ-31Ф ряд патентуемых в настоящее время технических решений, направленных на повышение их работоспособности:

- направленная кристаллизации лопаток ТВД с переменной скоростью перемещения залитых блоков в жидкометаллический кристаллизатор;

- задание фиксированной азимутальной ориентировки сплава относительно геометрических осей лопатки ТВД с помощью никель-вольфрамовой затравки;

- горячее изостатическое прессование ГИП отливок рабочих лопаток ТВД и ТНД вместе с неудаленными керамическими стержнями, выполняющими роль защитного экрана от окисления труднодоступных поверхностей охлаждаемых каналов при операции ГИП;

- ГИП защитного диффузионного покрытия на проточной поверхности и внутренней поверхности охлаждаемых каналов.

(111) (100) х100 а х5000 б Рис. 2. Разрушение монокристаллического сплава ЖС26-ВИ.

а – технологические водородные трещины по кристаллографическим плоскостям {100} в отливке рабочей лопатки ТСД двигателя Д-18Т;

б – усталостное разрушение рабочей лопатки ТВД двигателя Д-436Т по кристаллографическим плоскостям {111};

В главе 3 представлены результаты исследований происхождения технологических пор, являющихся концентраторами напряжений и способствующих зарождению термоусталостных и усталостных трещин, таких как:

- усадочные кристаллизационные поры;

- поверхностные газовые поры;

- поры термического перегрева;

- зернограничные поры, образующиеся при высоких скоростях охлаждения в процессе ВТВО, пайки и при глубинном шлифовании профиля хвостовика;

- диффузионные поры от нескомпенсированных диффузионных потоков, образующиеся в процессе высокотемпературной вакуумной обработки (ВТВО) лопаток.

Исследовано влияние скорости направленной кристаллизации жаропрочного сплава ЖС32-ВИ на размер усадочных кристаллизационных пор и расстояние между осями дендритов первого порядка.

В рамках модели высокотемпературной ползучести жаропрочного сплава ЖС6УВИ выполнены кинетические расчеты процесса устранения кристаллизационных усадочных пор при ГИП отливок лопаток.

На основе решения задачи Ламе для полой сферы в условиях гидростатического сжатия показано, что в приповерхностной зоне поры радиусом Rp действуют эквивалентные растягивающие напряжения, предопределяющие направленную 3 RP экв пластическую деформацию: (r) = P , (3) rr 2 r где: PN – гидростатическое давление;

r – текущий радиус (расстояние от центра поры).

Эквивалентные растягивающие напряжения в приповерхностной зоне поры приводят к формированию «рафт» структуры в процессе ползучести сплава, с концентрическим расположением пластин (рис. 3).

Предложена кинетическая модель уменьшения размера поры при ГИП, учитывающая вклад механизма ползучести сплава от действия внешней нагрузки и вклад механизма растворения поры в результате диффузии вакансий под действием сил поверхностного натяжения:

D экв -& & RP (t) = -PN (T, ) RP (t) - 2 RP (t), (4) rr R T экв & где (T, ) – скорость высокотемпературной ползучести сплава при параметрах ГИП.

rr RN RP а rrэкв(r) х1500 в МПа 2Рис. 3. Распределение 1эквивалентных растягивающих 1напряжений (б) в полой сфере (а) с наружным радиусом RN и радиусом внутренней полости RP под воздействием внешнего б гидростатического давления 1МПа.

r, м в – формирование «рафт» структуры вокруг поры с концентрическим расположением пластин.

Решение дифференциального уравнения (4) позволяет определить время полного устранения поры размером RP:

1 D экв & t = ln (T, ) RP + 2 + C, (5) rr экв & 3 (T, ) R T rr где С – константа, определяемая при условии: при RP = 0, t = 0.

В соответствии с этим решением, время, необходимое для устранения пор размером RP = 25 мкм в жаропрочном сплаве ЖС6У-ВИ при параметрах ГИП PN = 1МПа, T = 1210оС, составит около 20 минут.

В главе 3 выполнен термодинамический расчет условий образования газовых пор в процессе заливки жаропрочного сплава в установке для направленной кристаллизации УВНК-8П в результате восстановления углеродом, присутствующим в сплаве, материалов керамического стержня и оболочковой формы – электрокорунда и кварца:

Al2O3 + 3C = 2Al + 3CO, (6) (7) SiO2 + 2C = Si + 2CO.

Получены зависимости энергии Гиббса для реакций восстановления керамики углеродом с учетом температуры заливки сплава и глубины вакуума:

0 0 G(T, P) = 3GCO(T ) - GAl O3 (T) + RT ln PCO; (8) 0 0 G(T, P) = 2GC 0 (T ) - GSiO (T ) + RT ln PCO. (9) В результате выполненных расчетов показано, что при рабочем вакууме происходит образование газовых пор по реакции (6) при температуре расплава выше 15о С и по реакции (7) – выше 1300 оС.

Представлены результаты расчета кинетики образования диффузионных пор в монокристаллическом жаропрочном сплаве ЖС32-ВИ в процессе ВТВО в результате нескомпенсированных диффузионных потоков химических компонентов сплава, имеющих различную диффузионную подвижность и различную дендритную ликвацию.

Показано, что учет диффузии всех компонентов сплава и их распределения в дендритной структуре позволяет оценить изменение концентрации вакансий в межосных зонах дендритов сv(t) при температуре ВТВО:

4 -Di (T ) t Scv (t) = - (0) e, (10) ci i где: сi(0) – амплитудное значение ликвационной неоднородности i-го компонента сплава в литом состоянии;

Di(T) – коэффициент диффузии i-го компонента сплава при температуре Т;

S1 – расстояние между осями дендрита первого порядка;

t – время ВТВО.

В рамках предположения, что все избыточные вакансии, образующиеся в межосных зонах дендритов, коагулируют в диффузионные поры, получена удовлетворительная сходимость результатов расчета и эксперимента – пористость межосных зон жаропрочного сплава ЖС32-ВИ после ВТВО при 1280 оС в течение 1ч мин составляет около 1 % объем.

В главе 3 представлены также результаты исследований исчерпания работоспособности защитных диффузионных покрытий рабочих лопаток турбины в процессе длительной эксплуатации. Рассмотрены случаи эрозионного и коррозионного повреждения защитных покрытий, высокотемпературного окисления поверхности перфорационных отверстий и охлаждаемых каналов.

Выводы по главе 3.

1. Исследованы структурные особенности технологических пор, образующихся в процессе кристаллизации монокристаллических рабочих лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов.

2. Выполнена термодинамическая оценка условий восстановления материалов оболочковых керамических форм и керамических стержней – электрокорунда Al2O3 и кварца SiO2 в восстановительной атмосфере установки для направленной кристаллизации УВНК-8П. Предложен механизм образования поверхностных газовых пор в отливках монокристаллических лопаток турбины.

3. Выполнены расчеты кинетики роста и снижения концентрации вакансий определяющей образование и растворение диффузионных пор в межосных зонах дендритов сплава ЖС32-ВИ в процессе ВТВО.

4. Методом растровой электронной микроскопии исследованы структурные особенности жаропрочных сплавов после ГИП. Установлено, что в результате высокотемпературной ползучести сплава в зонах расположения усадочных пор формируется «рафт» структура с концентрическим расположением пластин упрочняющей фазы.

5. Предложена кинетическая модель устранения усадочной пористости в отливках лопаток турбины в процессе ГИП, сочетающая механизм высокотемпературной ползучести жаропрочного сплава под воздействием гидростатического давления и механизм растворения пор в результате диффузии вакансий.

6. Разработана технология ГИП рабочих лопаток ТВД и ТНД двигателя АЛ-31Ф с неудаленными керамическими стержнями в целях защиты внутренней поверхности охлаждаемых каналов от окисления, позволившая повысить усталостную прочность -лопаток ТВД от 150 до 230 МПа, и лопаток ТНД от 180 до 230 МПа. На разработанную технологию ГИП пустотелых рабочих лопаток турбины подано заявление на оформление патента на изобретение и получено положительное решение.

В главе 4 представлены результаты исследований условий образования хрупких технологических трещин в охлаждаемых монокристаллических лопатках по механизму водородного охрупчивания жаропрочных сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ.

Внимание к водороду и к его влиянию на технологические свойства жаропрочных никелевых сплавов было обращено после выявления в охлаждаемых монокристаллических рабочих лопаток турбины хрупких технологических трещин, образующихся на операциях выщелачивания керамических стержней и макротравления отливок в производственном цикле ряда авиационных моторостроительных предприятий.

Характерной особенностью водородных трещин, образующихся в охлаждаемых рабочих лопатках турбины с монокристаллической макроструктурой, является их высокая плотность (ширина раскрытия, как правило, не превышает 1 мкм) и направление развития изнутри отливки без выхода на наружную поверхность пера лопатки.

Такие водородные трещины не выявляются существующими методами неразрушающего контроля. Этот дефект можно обнаружить методом люминесцентного контроля только в случае выхода водородной трещины на поверхность отливки, а также при ее вскрытии в процессе механической обработки проточной поверхности пера лопатки. В некоторых случаях трещины были обнаружены после обкатки лопаток на двигателе (рис. 4а). Случай множественного поражения отливки рабочей лопатки водородными трещинами, приведшего к ее разрушению в процессе автоклавного выщелачивания керамических стержней, приведен на рис. 4б.

б а Рис. 4. Водородные трещины в монокристаллических лопатках ТВД.

а – трещина, выявленная после сдаточных испытаний двигателя Д-18Т;

б – разрушение отливки лопатки в процессе выщелачивания керамического стержня.

Необходимым условием развития водородных трещин в лопатках, как в щелочной, так и в кислотной среде является напряженно-деформированное состояние монокристаллического сплава и наличие в электролите водорода. Растягивающие напряжения в отливке охлаждаемой лопатки появляются в процессе охлаждения после направленной кристаллизации в результате различия линейных коэффициентов теплового расширения жаропрочного сплава и керамического стержня, оформляющего внутренние каналы.

Показано, что при температуре гидротермического автоклавного удаления керамических стержней из отливок величина растягивающих напряжений в металле на границе с керамикой достигает значений 660 МПа, а при температуре макротравления отливок превышает предел текучести монокристаллических жаропрочных сплавов в кристаллографическом направлении <100>.

Установлено, что причиной выделения водорода в процессе макротравления и выщелачивания отливок является наличие остатков свободного алюминия и его субокислов в керамике, изначально содержащей алюминиевый порошок в составе стержневой массы. Наличие следов алюминия и его субокислов отмечается в составе стержней как после их обжига, так и после заливки блоков керамических форм лопаток жаропрочным сплавом. Выделение водорода в электролитах обусловлено способностью алюминия и его субокислов вступать в химические реакции с кислотами и щелочами по следующим реакциям:

2 AlxOy + 6x HCl = 2x AlCl3 + (3x - 2y) H2 + 2y H2O (11) 2 AlxOy + 2x NaOH + 2x H2O = 2x AlNaO2 + (3x - 2y) H2 + 2y H2O (12) Кроме описанных химических реакций выделение водорода в процессе выщелачивания стержней может быть обусловлено гидролизом железа при повышенных температурах, входящего в состав нержавеющей стали, из которой изготовлены автоклавы:

+ Fe3+ + 3 H2O = Fe(OH)3 + 3 H. (13) В результате выполненных исследований водородной хрупкости монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ установлена кристаллографическая ориентационная зависимость разрушающего напряжения, определены пороговые значения номинального растягивающего напряжения вдоль кристаллографического направления сплава <100>, соответствующие началу движения водородных трещин.

Установлено, что керамические стержни, изготовленные с использованием в качестве связующего компонента алюминиевый порошок АСД-4, после прокалки и последующего нагрева по режиму заливки блоков лопаток на установке УВНК-8П, сохраняют способность выделять водород по реакции (12) в количестве до 1 см3/г при атмосферном давлении.

Разработан состав керамики для изготовления стержней, содержащий в качестве минерализатора окись хрома, позволяющую полностью окислить субокислы алюминия при изотермической выдержке и заливке блоков на установке УВНК-8П и за счет этого исключить процесс выделения водорода при гидротермическом автоклавном выщелачивании стержней.

Экспериментально установлены технологические параметры процесса выщелачивания керамических стержней, приводящие к образованию таких дефектов, как растрав карбидов МС на поверхности отливок лопаток из никелевых жаропрочных сплавов ЖС6У-ВИ, ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ, осаждение никелевого слоя на поверхности отливок в результате анодного окисления упрочняющей фазы:

4 Ni3Al + 2 O2 = 2 Al2O3 +12 Ni (14) Выводы по главе 4.

1. Исследованы механизмы химического и электрохимического взаимодействия поверхности литых жаропрочных никелевых сплавов в кислотных и щелочных электролитах. Установлено, что как в кислотном, так и в щелочном реактиве упрочняющая ' – фаза проявляет анодные свойства.

2. Установлено, что удаление керамических стержней из пустотелых турбинных лопаток в автоклавах закрытого типа приводит к образованию таких дефектов, как выщелачивание карбидов на глубину до 50 мкм, анодное окисление упрочняющей ' – фазы в присутствии кислорода с образованием окислов алюминия и чистого никеля, осаждающегося на поверхности лопаток.

3. Установлен и воспроизведен механизм образования хрупких технологических трещин в отливках пустотелых монокристаллических лопаток. показано, что технологические трещины развиваются в процессе выщелачивания керамических стержней по механизму водородного охрупчивания жаропрочных никелевых сплавов.

Установлено, что развитие водородных трещин происходит в никелевой - фазе и в частицах упрочняющей - фазы по кристаллографическим плоскостям {100} в отличие от других механизмов разрушения жаропрочных никелевых сплавов.

4. В приближении пустотелого цилиндра из жаропрочного никелевого сплава с керамическим стержнем во внутренней полости выполнены расчеты напряженнодеформированного состояния металла при температуре выщелачивания керамики.

Показано, что остывание монокристаллического цилиндра из жаропрочного сплава с керамическим стержнем после направленной кристаллизации приводит к возникновению растягивающих напряжений со стороны внутреннего диаметра, достаточных для зарождения и развития водородных трещин в процессе выщелачивания керамики.

5. Определены пороговые значения напряжения растяжения, соответствующие началу развития водородных трещин в монокристаллических жаропрочных сплавах ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ. Установлено, что сплав ЖС26-ВИ имеет более низкое значение порогового напряжения старта водородных трещин в сравнении со сплавом ЖС32-ВИ.

6. Исследована кинетика релаксации монокристаллического жаропрочного сплава ЖС26-ВИ с КГО [001] в температурном интервале 700 – 900оС. Разработан режим релаксационного отжига, позволяющий снизить величину растягивающих напряжений на внутренней поверхности отливки охлаждаемой лопатки до значений ниже порогового напряжения старта водородных трещин в сплаве ЖС26-ВИ.

7. Установлены технологические параметры процесса выщелачивания керамических стержней на основе электрокорунда из монокристаллических лопаток из жаропрочных сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ при циклическом изменении давления и температуры в реакционной камере автоклава с защитной атмосферой инертного газа.

В главе 5 представлены результаты исследований анизотропии прочностных и пластических характеристик, длительной прочности монокристаллических образцов и усталостной прочности монокристаллических лопаток ТВД ГТД Д-18Т, а также результаты исследований механизмов деформации и разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов в условиях статического, циклического нагружения и в условиях высокотемпературной ползучести.

В связи с множественными разрушениями рабочих лопаток ТВД из сплава ЖС6УВИ с равноосной структурой по механизму термической усталости в зоне наиболее низких температур в сечении пера (глава 2), была поставлена задача установления причин эксплуатационных разрушений и поиска технического решения проблемы повышения ресурса лопаток. В результате исследований тонкой структуры лопаток ТВД с термоусталостными эксплуатационными трещинами было установлено (глава 1), что в зоне развития трещин структура не имеет изменений, связанных с температурно-силовым нагружением сплава.

Переход к литью монокристаллических лопаток ТВД ГТД Д-18Т из сплавов следующего поколения - ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ с точки зрения повышения жаропрочности представляется не вполне оправданным, так как в зоне образования эксплуатационных трещин, с температурой стенки пера 750 – 850оС, эти сплавы обладают близкими прочностными характеристиками и структурной стабильностью. Кроме этого, при производстве монокристаллических лопаток ТВД ГТД Д-18Т из сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ с КГО [001], в лопатках были обнаружены хрупкие технологические трещины, образующиеся по водородному механизму (глава 4), и невыявляемые методами неразрушающего контроля, что также ограничивает ресурс ГТД.

В соответствии с изложенным, была проведена серия работ по исследованию возможности использования сплава ЖС6У-ВИ для получения монокристаллических отливок с различными аксиальными КГО с целью повышения работоспособности лопаток ТВД ГТД Д-18Т:

- литье лопаток и образцов из сплава ЖС6У-ВИ методом направленной кристаллизации без использования никель-вольфрамовых затравок с целью получения аксиальной КГО в пределах всего стандартного стереографического треугольника и определения выхода годного в зависимости от КГО;

- исследование анизотропии прочностных, пластических характеристик и длительной прочности монокристаллических образцов и усталостной прочности монокристаллических рабочих лопаток ТВД, получение аналитических зависимостей свойств от КГО;

- разработка метода определения модуля упругости Юнга по данным КГО лопатки, полученным с помощью рентгеноструктурного анализа, для проведения усталостных испытаний;

- разработка метода усталостных испытаний лопаток, основанная на силовом методе определения амплитудной нагрузки лопаток с произвольным модулем упругости и лопаток с направленной макроструктурой;

- регламентация аксиальной КГО монокристаллического жаропрочного сплава для рабочих лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции по результатам расчета коэффициентов запаса прочности в пределах стандартного стереографического треугольника.

Для исследований анизотропии свойств монокристаллического сплава ЖС6У-ВИ, на установке направленной кристаллизации УВНК-8П беззатравочным методом были отлиты заготовки образцов для механических испытаний и лопатки ТВД ГТД Д-18Т с монокристаллической макроструктурой.

Результаты испытаний монокристаллических образцов жаропрочного сплава с различной КГО представлены в таблице 1. Значения фактора Шмида F и модуля Юнга E рассчитаны по программе на основании данных КГО и температурных зависимостей компонент матрицы упругих податливостей никелевого сплава, а напряжение сдвига в системе наилегчайшего скольжения {111}<110>, рассчитано по формуле = 0,2F. (15) Величина фактора Шмида определяется углом между осью нагружения образца и плоскостью скольжения монокристалла и углом между осью нагружения и направлением скольжения:

F = sin cos. (16) Исследование разворота кристаллической решетки жаропрочного сплава в процессе холодных и жаропрочных испытаний монокристаллических образцов, выполненное методом рентгеноструктурного анализа, позволило установить, что при нормальной температуре пластическая деформация осуществляется по октаэдрической системе скольжения, а при 975оС дополнительно участвует система скольжения {111}<112>.

В результате регрессионного анализа установлено, что прочностные характеристики и пластичность монокристаллического сплава ЖС6У-ВИ связана с ориентационным фактором Шмида соотношениями:

0,2 = 361 F + 51; (17) = 476 F -107; (18) В = -11 F + 37, (19) а время до разрушения при испытании образцов на длительную прочность:

lg(t) = 0,66 F + 0,57. (20) Усталостные испытания монокристаллических рабочих лопаток ТВД ГТД Д-18Т с различными КГО сплава ЖС6У-ВИ проводили методом ступенчатого повышения нагрузки с шагом 20 МПа после отработки лопатки 2·107 циклов на предыдущем уровне нагрузки. Для проведения усталостных испытаний для каждой лопатки рассчитывали значение фактического модуля упругости Е по результатам определения КГО.

Регрессионный анализ результатов усталостных испытаний дает линейную зависимость усталостной прочности рабочих лопаток ТВД двигателя Д-18Т от величины ориентационного фактора F:

= 75,5 F +11,3. (21) -Предел выносливости неохлаждаемых монокристаллических рабочих лопаток I ступени турбины компрессора ГТД ТВ3-117ВМА-СБМ1 из сплава ЖС26-ВИ, изготавливаемых на стадии освоения производства методом направленной кристаллизации без использования никель-вольфрамовых затравок, имеет подобную зависимость от величины ориентационного фактора F:

= 84,4 F +13,8. (22) -По данным КГО монокристаллической лопатки и по формулам 1 – 4 можно рассчитать прогнозируемые свойства сплава. Такие расчеты были выполнены для монокристаллических рабочих лопаток ТВД ГТД Д-18Т из сплава ЖС6У-ВИ (таблица 2), имеющих КГО, близкую к одному из кристаллографических направлений [001], [011], [111].

Таблица 1.

Свойства монокристаллических образцов сплава ЖС6У-ВИ после серийной ВТВО* № КГО, град. Мех.свойства при 20оС, Фак- Модуль Е, Длительная п/ МПа тор ГПа прочн., час п 0,2, В, , , F 20 975 975 10о о о о [111] [011] [001] МПа МПа МПа % С С С, С, 230 2МПа МПа 1 38,0 19.8 24,4 764 840 380 19,5 0,498 181 130 88,3 2 38,1 20,4 23,6 758 806 377 15,0 0,498 179 128 62,0 3 42,4 30,9 14,5 817 879 395 10,0 0,483 153 108 118,0 4 26,5 8,8 42,6 858 903 386 12,1 0,450 242 179 58,0 5 18,3 20,0 39,9 859 955 383 13,9 0,446 254 189 103,0 7 18,6 20,6 39,5 865 951 386 15,7 0,446 253 188 106,0 6 21,4 27,6 33,5 952 1161 414 9,5 0,435 226 166 228,0 8 14,8 23,8 42,0 926 1065 387 10,7 0,418 268 201 143,3 9 14,4 25,7 41,5 904 1047 370 10,2 0,410 268 201 163,3 11 10,2 25,1 45,8 990 1125 385 12,3 0,389 286 217 162,8 10 13,0 30,3 41,6 904 1040 337 6,4 0,373 272 204 - 20,12 4,9 29,9 50,5 1182 1344 396 5,0 0,336 304 233 - 22,* - образы для испытаний на растяжение при 20оС и для испытаний на длительную прочность имеют попарно одинаковые номера и КГО, так как изготовлены из одной монокристаллической заготовки диаметром 15 мм и длиной 130 мм.

В настоящее время лопатки, представленные в табл. 2, проходят эквивалентноциклические испытания на технологическом двигателе. Наработка лопаток на текущий момент превышает 2170 часов, что вдвое превышает ресурс рабочих лопаток ТВД ГТД Д-18Т из сплава ЖС6У-ВИ с равноосной структурой.

Наиболее высокий комплекс свойств имеет монокристаллическая лопатка с КГО, близкой к направлению [111]. Однако, для охлаждаемых рабочих лопаток, имеющих высокие температурные градиенты в осевом направлении, приращение прочностных характеристик в направлении [111] нивелируется термическими напряжениями вследствие более высокого значения модуля упругости никелевого сплава в этом направлении и изотропности температурного коэффициента линейного расширения. Для неохлаждаемых рабочих лопаток турбины преимущество КГО [111] остается неизменным.

Таблица Данные КГО, Е, F и прогнозируемые свойства монокристаллических лопаток ТВД ГТД Д-18Т из сплава ЖС6У-ВИ, проходящих испытания на технологическом двигателе КГО, град. Расчетные значения № Фактор Длительная прочность лопа Е20°C Е975°C 0,2,* -1,** F t, ч***, при = тки [111] [011] [001] ГПа ГПа МПа МПа 230МПа, Т = 975 °С 1 5,1 29,8 52,5 0,329 305 235 1165 240 32 15,4 19,3 47,0 0,413 275 205 930 195 13 39,5 34,6 15,0 0,461 155 110 830 175 14 29,0 13,3 34,2 0,485 220 160 790 170 5 28,5 14,4 34,0 0,485 220 160 790 170 * - Расчет по формуле (17) и среднему значению для сплава ЖС6У-ВИ.

** - Расчет по формуле (21).

*** - Расчет по формуле (20).

С целью обоснования выбора оптимальной КГО монокристаллического сплава для охлаждаемых и неохлаждаемых рабочих лопаток турбины были выполнены аналитические расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) охлаждаемой рабочей лопатки ТВД ГТД Д-18Т и неохлаждаемой рабочей лопатки 1 ступени ТК ГТД ТВ3-117ВМА-СБМ1 в режиме «взлет» в момент действия максимальных температурносиловых нагрузок. Расчет НДС лопаток выполнили с учетом анизотропии монокристаллического жаропрочного сплава. В расчетах учитывали температуру и температурный градиент в рассматриваемой точке, модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона, коэффициент линейного расширения, напряжения от центробежных нагрузок и напряжения от действия сил газового потока. Для сравнения величин приведенных напряжений различных критических зон лопатки, имеющих разную температуру, рассчитывали коэффициенты запаса несущей способности Кз.

Расчеты, выполненные для критических зон лопаток охлаждаемой (рабочая лопатка ТВД ГТД Д-18Т) и неохлаждаемой конструкции (рабочая лопатка 1 ступени ТК ГТД ТВ3-117ВМА-СБМ1), показали следующее. В случае аксиально-ориентированного монокристалла при произвольном азимуте, для лопатки охлаждаемой конструкции преимущество имеет аксиальная ориентировка [001], а для лопатки неохлаждаемой конструкции – аксиальная ориентировка [111] (рис. 5).

Одним из резервов повышения несущей способности монокристаллических рабочих лопаток турбины является регламентация азимутальной КГО. Для лопаток ТВД ГТД Д-18Т и лопаток 1 ступени ТК ГТД ТВ3-117ВМА-СБМ1 с аксиальной КГО сплава [001] фиксированный азимут позволяет достичь максимальных значений коэффициента запаса прочности Кзmax. Например, оптимальное значение азимутальной КГО монокристаллического сплава для лопаток ТВД ГТД Д-18Т, определяемое углом х-[100] между кристаллографическим направлением [100] и геометрической осью лопатки Х, о соответствует величине х-[100] = 22,5, а для лопаток 1 ступени ТК ГТД ТВ3-117ВМАСБМ1 х-[100] = 0 о.

Необходимо отметить, что рассчитанные оптимальные значения азимутальной КГО монокристаллического сплава имеют отношения к лопаткам конкретной конструкции и учитывают запас статической прочности сплава в конкретных проблемных зонах пера.

а б Рис. 5. Относительное изменение коэффициента минимального запаса прочности Кзmin в зоне зарождения термоусталостной трещины со стороны охлаждаемого канала рабочей лопатки ТВД ГТД Д-18Т (а) и на поверхности входной кромки в прикомлевом сечении рабочей лопатки 1 ступени ТК ГТД ТВ3-117ВМАСБМ1 (б) в зависимости от аксиальной ориентировки монокристаллического жаропрочного сплава в пределах стандартного стереографического треугольника.

Эксплуатационные разрушения рабочих лопаток ТВД ГТД АЛ-31Ф обусловлены сочетанием комплекса факторов (глава 2), в число которых входит неблагоприятная азимутальная КГО сплава, предопределяющая совмещение геометрического концентратора напряжений – наклонного перфорационного канала с кристаллографической плоскостью системы наилегчайшего скольжения {111}<110>, в которой развивается усталостная трещина по сдвиговому механизму. В результате выполненных фрактографических исследований разрушенных лопаток и оценочных расчетов определена благоприятная азимутальная КГО монокристаллического сплава ЖС32-ВИ в рабочей лопатки ТВД ГТД АЛ-31Ф, соответствующая углу х-[100] = -35 о.

На основании выполненных исследований и расчетов показано, что регламентация аксиальной и азимутальной кристаллографической ориентировки монокристаллического жаропрочного сплава позволяет повысить несущую способность рабочих лопаток турбины, как охлаждаемой, так и неохлаждаемой конструкции до 2 раза.

Выводы по главе 5.

1. Исследована ориентационная зависимость прочностных свойств и пластичности монокристаллических образцов и усталостной прочности монокристаллических рабочих лопаток ТВД охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции.

2. Получены аналитические зависимости прочностных свойств монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов позволяющие прогнозировать работоспособность лопаток.

3. Выполнена регламентация аксиальной КГО монокристаллического жаропрочного сплава для лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции.

4. Изготовлены и проходят эквивалентно-циклические испытания в условиях ГП ЗМКБ «Прогресс» монокристаллические рабочие лопатки ТВД ГТД Д-18Т из жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ с различной КГО, наработка которых на настоящий момент более чем вдвое превысила ресурс лопаток с равноосной структурой.

5. Разработано техническое задание на изготовление рентгеновских дифрактометров ДРОН-6 РМ, позволяющих определять аксиальную и азимутальную КГО лопаток, анализировать профиль интенсивности дифрагированного рентгеновского луча в полярной системе координат - для контроля совершенства структуры монокристаллов.

6. Разработан способ усталостных испытаний рабочих лопаток ГТД, основанный на деформационном подходе к определению амплитудной нагрузки, позволяющий испытывать лопатки как с произвольной КГО, так и лопатки с направленной макроструктурой, на который получен патент на изобретение UA 51825 C2.

В главе 6 представлены результаты исследований механизма высокотемпературной сульфидной коррозии жаропрочных никелевых сплавов, структуры и фазового состава продуктов коррозионного повреждения.

Из всех известных механизмов эксплуатационного повреждения рабочих лопаток ТВД наиболее опасным является сульфидная коррозия жаропрочных никелевых сплавов.

Поражение труднодоступных внутренних поверхностей охлаждаемых каналов существенно осложняет задачу восстановительного ремонта лопаток. В этой связи, детальное исследование механизма сульфидной коррозии рабочих лопаток турбины необходимо как для предупреждения развития этого явления, так и с целью разработки способов их ремонта.

Анализ механизма сульфидной коррозии и высокотемпературного окисления был выполнен на рабочих лопатках турбины и секторах соплового аппарата ГТД Д-18Т, Д-36, ГТП 336-1Т-12, АЛ-21Ф из жаропрочных сплавов ЖС6К-ВИ, ЖС6У-ВИ, ЖС26-ВИ, а также на образцах жаропрочного коррозионно-стойкого сплава ЗМИ-3У и модельных сплавах на его основе.

Исследование структуры и фазового состава поврежденных сульфидной коррозией лопаток был выполнен методами металлографии высокого разрешения с применением РЭМ и РСМА, а также методом рентгеноструктурного фазового анализа РСФА.

В результате выполненных исследований подтверждена классическая картина распределения химических элементов в зоне развития фронта коррозионного повреждения никелевого жаропрочного сплава - за движущимся фронтом сульфидов расположены окислы металлов, входящих в состав жаропрочного сплава.

Детальный анализ фронта коррозионного повреждения позволил установить следующие особенности его фазового состава. В зоне границы раздела продуктов коррозионного повреждения и жаропрочного никелевого сплава отсутствуют оксиды, наличие которых отвечает известным моделям солевой и сульфидной коррозии:

Ni + 2NaCl + S2 + 4O2 = Na2SO4 + NiSO4 + Cl2; (23) 7Ni + 2SO2 = 4NiO + Ni3S2; (24) 9Ni + 2NiSO4 = 8NiO + Ni3S2; (25) Послойный анализ механически отделенного от жаропрочного сплава слоя продуктов сульфидной коррозии, выполненный методом РСФА, позволил определить, что со стороны фронта коррозионного повреждения продукты коррозии представлены матричной никелевой фазой с гранецентрированной кубической решеткой и сульфидами Ni3S2 - модификации с ромбоэдрической решеткой.

Исследование химического состава методом РСМА фазовых составляющих продуктов сульфидной коррозии на участке фронта его развития показало (рис. 6г, табл.

3), что монолитная матрица (зона анализа 1), в которой расположены сферические включения сульфидов Ni3S2 (зоны анализа 2, 3), характеризуется повышенным в сравнении с составом сплава (зона анализа 4) содержанием никеля и пониженным содержанием легирующих компонентов.

Согласно диаграмме состояния двойной системы Ni-S температура плавления эвтектики Ni-Ni3S2 составляет 645С. Существование низкотемпературной жидкой фазы на поверхности жаропрочного сплава под слоем окислов подтверждается структурным состоянием эвтектики, кристаллизующейся с образованием сферических включений Ni3Sв никелевой матрице.

Исследование химического состава продуктов коррозии в зоне существования жидкой сульфидной пленки на поверхности жаропрочного сплава методом РСМА позволило установить следующие особенности. По мере насыщения жидкой сульфидной фазы кислородом в соответствии с изотермическим сечением фазовой диаграммы Ni-S-О, происходит окисление растворенных в ней металлов, входящих в состав сплава.

Окисление алюминия, титана, вольфрама и хрома, сопровождается снижением их содержания в жидкой сульфидной пленке, что инициирует дальнейшее растворение жаропрочного сплава.

В соответствии с моделью существования жидкой фазы в зоне фронта сульфидного коррозионного повреждения жаропрочного никелевого сплава, скорость движения фронта будет контролироваться не процессом насыщения серой (или ее соединениями) поверхности поврежденной лопатки, а скоростью диффузии металлов, растворенных в жидкой сульфидной фазе, к поверхности лопатки, где окисляясь, они выводятся из состава жидкой фазы.

Проблемой, возникающей при ремонте рабочих лопаток ТВД, является очистка труднодоступных внутренних поверхностей охлаждаемых каналов от продуктов сульфидной коррозии и высокотемпературного окисления жаропрочного сплава. Высокая термодинамическая устойчивость оксидов и продуктов сульфидной коррозии к кислотам и щелочам и их высокая твердость не позволяют применять традиционные методы химической и гидроабразивной очистки поврежденных поверхностей для последующего восстановительного ремонта.

Для очистки внутренних поверхностей охлаждаемых каналов от продуктов высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии был применен метод восстановительного отжига лопаток в водородной атмосфере.

х100 а х100 в 4 2 1 х4000 г х1500 б Рис. 6. Повреждение жаростойкого защитного покрытия на наружной поверхности входной кромки монокристаллической рабочей лопатки ТВД из сплава ЖС26-ВИ в результате окисления и эрозии (а, б);

Повреждение внутренней поверхности охлаждаемого канала на входной кромке рабочей лопатки ТВД из сплава ЖС6У-ВИ в результате развития сернистой коррозии (в, г). Стрелками указаны зоны анализа состава методом РСМА.

Таблица 3.

Результаты определения состава фаз в месте коррозионного поражения жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ, выполненного методом РСМА в зонах, отмеченных на рис. 6г.

№ Содержание химических элементов, % масс.

зоны O Al S Ti Cr Co Ni Mo W 1 0.00 2.20 1.15 0.50 0.50 5.15 87.40 0.35 2.2 0.00 1.65 14.80 4.45 2.80 3.95 70.20 0.80 2.3 0.00 1.40 11.60 3.85 3.55 4.45 68.95 4.65 1.4 0.00 5.35 0.00 2.05 7.35 9.50 64.65 2.25 8.Технологические параметры восстановительного отжига поврежденных сульфидной коррозией ремонтных лопаток определяются, с одной стороны, термодинамической устойчивостью оксидов металлов, входящих в состав жаропрочного сплава, в восстановительной атмосфере водорода, а с другой стороны – температурой солидус сплава (или припоя, которым был выполнена пайка заглушек на стадии изготовления лопаток).

В результате восстановительного отжига лопаток в водородной атмосфере, высокотемпературные окислы и продукты сульфидной коррозии превращаются в полиметаллическую губку вследствие восстановления части переходных металлов: Ni, Co, Mo. Термодинамически более устойчивые окислы Al2O3, Cr2O3, TiO2 присутствуют в составе полиметаллической губки в форме вкраплений.

Пористая структура восстановленной губки и полиметаллический гетерофазный состав предопределяют относительно легкое удаление продуктов коррозии в водных растворах кислот за счет протекания локальных электрохимических реакций между частицами металлов, имеющих различную электроотрицательность (стандартный электродный потенциал).

Технология ремонта лопаток ГТД с использованием восстановительного отжига в водородной среде серийно применяется в условиях ЗМКБ «Прогресс» для продления ресурса секторов лопаток соплового аппарата ГТД Д-18Т.

Стационарные условия эксплуатации секторов сопловых лопаток исключают процесс образования диффузионных пор в результате высокотемпературной ползучести сплава, и связанную с этим необходимость применять операцию ГИП в технологии их ремонта.

Применение операции ГИП при ремонте рабочих лопаток ТВД приводит к образованию высокотемпературных окислов алюминия пластинчатой морфологии на поверхности жаропрочного сплава, которые не восстанавливаются в процессе водородного отжига лопаток. Причиной образования пластинчатых окислов алюминия является высокая температура процесса ГИП, соответствующая температуре ВТВО сплава, и наличие в защитной атмосфере газостата кислорода. Еще одной проблемой ремонта рабочих лопаток ТВД является наличие на хвостовике шлифованных контактных плоскостей, требующих защиты от повреждения при ремонте.

В результате выполненных исследований разработана новая технология ремонта рабочих лопаток ТВД, включающая защиту хвостовика керамикой на основе порошков электрокорунда, операцию ГИП, удаление продуктов сульфидной коррозии, высокотемпературного окисления и защитной керамики на хвостовике методом гидротермического автоклавного выщелачивания и обработкой в расплаве бифторида калия, операцию ВТВО, нанесение защитных жаростойких покрытий.

Разработанная технология ремонта рабочих лопаток ТВД позволяет сохранить контактные поверхности хвостовика и при этом (рис. 7):

- устранить диффузионную и усадочную литейную пористость;

- восстановить морфологию упрочняющей фазы;

- очистить проточную поверхность пера от высокотемпературных окислов и остатков защитного покрытия;

- очистить внутреннюю поверхность охлаждаемых каналов от продуктов сульфидной коррозии и окислов;

- нанести защитное диффузионное покрытие на внутреннюю поверхность охлаждаемых каналов методами порошкового или газоциркуляционного хромоалитирования;

- нанести защитное диффузионное или конденсационное покрытие на проточную поверхность пера любыми известными способами.

Необходимо отметить, что рассмотренная технологическая схема восстановительного ремонта рабочих лопаток ТВД не позволяет устранить такие структурные составляющие жаропрочных сплавов, как выделения хромистых карбидов со структурой Ме23С6, образующиеся из карбидов МеС в процессе длительной эксплуатации лопаток, и пластины ТПУ фаз. Это обусловлено тем, что для восстановления карбидов МеС и растворения пластин ТПУ фаз в жаропрочном никелевом сплаве необходим нагрев слава выше температуры солидус, что подтверждается литературными данными дифференциального термического анализа.

х2000 а х2000 б х2000 в х2000 г Рис. 7. Рабочая лопатка ТВД из сплава ЖС6У-ВИ после восстановительного ремонта и нанесения защитного диффузионного покрытия методом одностадийного порошкового хромоалитирования.

а, б – изображение наружной поверхности входной кромки во вторичных (а) и отраженных (б) электронах;

в – внутренняя поверхность охлаждаемого канала на входной кромке. Представлена поврежденная сульфидной коррозией граница зерна после очистки от продуктов коррозии и нанесения защитного покрытия;

г – контактная поверхность елки хвостовика.

Выводы по главе 6.

1. Выполнены исследования повреждений защитных диффузионных покрытий на проточной поверхности пера рабочих лопаток ТВД, и сульфидного коррозионного повреждения внутренних поверхностей охлаждаемых каналов.

2. В результате выполненных исследований состава и кристаллической структуры продуктов сульфидного коррозионного повреждения лопаток турбины из никелевых жаропрочных сплавов уточнен механизм сульфидной коррозии.

3. Разработана технология ремонта лопаток ГТД с использованием восстановительного отжига в водородной среде, которая серийно применяется в условиях ЗМКБ «Прогресс» для ремонта секторов лопаток соплового аппарата II ступени турбины вентилятора двигателя Д-18Т. На способ очистки лопаток турбины ГТД из жаропрочных никелевых сплавов от продуктов высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии получен патент Украины UA 46104 C2.

4. Разработан способ ремонта рабочих лопаток ТВД, позволяющий удалять продукты высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии из полостей охлаждаемых каналов, восстанавливать структуру упрочняющей ' фазы, устранять усадочные кристаллизационные и диффузионные поры, наносить защитные диффузионные покрытия на внутренние поверхности охлаждаемых каналов и проточную поверхность пера, при этом сохранять контактные поверхности хвостовика.

5. На разработанный способ восстановительного ремонта рабочих лопаток ТВД поданы заявления на оформление патентов Российской Федерации и получены положительные решения.

Общие выводы 1. В результате выполненных в рамках представленной диссертационной работы исследований и технических разработок решена важная народнохозяйственная задача повышения ресурса и эксплуатационной надежности рабочих лопаток первых ступеней турбины ГТД и ГТУ. Внедрение мероприятий, основанных на результатах представленной работы в условиях ЗМКБ «Прогресс» позволил увеличить ресурс двигателя Д-18Т с 40до 12000 часов. Результаты представленной работы использованы в разработке перспективного двигателя 5 поколения в рамках Федеральной целевой программы РФ.

2. На основе всестороннего анализа, систематизации и исследований эксплуатационных повреждений рабочих лопаток первых ступеней турбины авиационных ГТД и наземных ГТУ, изучения необратимых структурных изменений жаропрочных никелевых сплавах в процессе длительной эксплуатации лопаток из жаропрочных сплавов с равноосной и монокристаллической структурой выработаны подходы к диагностике и оценке работоспособности турбинных лопаток. Методом растровой электронной микроскопии выявлено и экспериментально подтверждено образование микропор в прослойках никелевой - матрицы в процессе диффузионной ползучести монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов при температуре ниже начала формирования «рафт» структуры. Установлено что при повышенной температуре эксплуатации лопаток, сопровождающейся коагуляцией упрочняющей - фазы, микропоры образуются в - фазе и приобретают октаэдрическую огранку.

3. Исследованы наследственные технологические дефекты литых рабочих лопаток турбины с равноосной и направленной структурой, образующиеся во всем технологическом цикле производства лопаток, включая процессы кристаллизации, удаления керамических стержней, ГИП, термообработки, пайки, механической обработки и нанесения защитных диффузионных покрытий. На основании выполненных металлофизических исследований, а также термодинамических и кинетических расчетов образования и устранения технологических пор в процессе ГИП разработаны и внедрены в производство технологии, обеспечивающие повышение надежности и ресурса рабочих лопаток турбины:

- литье монокристаллических лопаток с заданной аксиальной и азимутальной ориентировкой монокристаллического сплава и переменной скоростью направленной кристаллизации;

- технология ГИП пустотелых лопаток с защитой внутренних полостей охлаждаемых каналов от окисления неудаленными керамическими стержнями и последующим удалением керамики методом гидротермического автоклавного выщелачивания, подготовка поверхности под нанесение защитных диффузионных и конденсационных покрытий.

4. Установлен и исследован водородный механизм развития хрупких технологических трещин, образующихся в процессе производства и ремонта монокристаллических рабочих лопаток турбины первых ступеней. Выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния пустотелой лопатки с керамическим стержнем при температуре автоклавного выщелачивания керамики, исследована кинетика релаксации и установлены пороговые значения растягивающих напряжений предопределяющих начало движения водородных трещин в монокристаллических жаропрочных сплавах ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ. На основе выполненных расчетов и исследований разработан ряд технологических мероприятий в производственном цикле, позволяющий исключить вероятность образования водородных трещин в монокристаллических рабочих лопатках турбины при автоклавном гидротермическом выщелачивании керамических стержней из отливок лопаток, при макротравлении отливок и при электрохимической щелочной очистке лопаток после эксплуатации.

5. Исследован механизм деформации и разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов в процессе статического, циклического нагружения и высокотемпературной ползучести. Получены регрессионные зависимости прочностных свойств, длительной прочности и усталостной прочности рабочих лопаток турбины от кристаллографической ориентировки монокристаллического жаропрочного никелевого сплава позволяющие прогнозировать работоспособность монокристаллических турбинных лопаток. Выполнена регламентация аксиальной кристаллографической ориентировки монокристаллического жаропрочного сплава для рабочих лопаток турбины охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции.

6. На основании исследований рентгеноструктурным методом кристаллографической ориентировки монокристаллических образцов и лопаток, а также разворота кристаллической решетки монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов в процессе высокотемпературной ползучести и холодной пластической деформации, разработан и реализован способ определения аксиальной, азимутальной кристаллографической ориентировки сплава и малоугловой разориентировки субструктуры.

Разработан способ усталостных испытаний, позволяющий выполнять усталостные испытания монокристаллических лопаток с произвольной кристаллографической ориентировкой сплава, а также лопатки с направленной макроструктурой.

7. Исследован механизм сульфидного коррозионного повреждения жаропрочных никелевых сплавов. Разработан и реализован в серийном производстве способ ремонта сопловых лопаток турбины, поврежденных сульфидной коррозией. Разработанный способ ремонта включает восстановительный отжиг лопаток в водородсодержащей атмосфере, травление частично восстановленной полиметаллической губки в растворах кислот, при котором полностью удаляются продукты сульфидной коррозии и высокотемпературного окисления без повреждения основного металла лопаток.

8. Разработан и реализован в производстве ФГУП «ММПП «Салют» способ восстановительного ремонта рабочих лопаток турбины, включающий выполнение операции ГИП с защитой хвостовика лопаток керамикой, восстановительную термообработку, очистку проточной и внутренней поверхностей лопаток от продуктов высокотемпературного окисления и продуктов сульфидной коррозии, нанесение защитных покрытий. Разработанный способ ремонта превосходит по эффективности очистки труднодоступных поверхностей охлаждаемых каналов и полостей термоусталостных трещин известные в настоящее время галоидные способы очистки лопаток ГТД.

Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Бокштейн Б.С., Есин В.А., Ларионов В.Н., Орлов М.Р., Оспенникова О.Г.

Диффузионная модель вакансионного растворения пор в условиях газоизостатического прессования монокристалла жаропрочного сплава на никелевой основе. // Известия вузов.

Черная металлургия, - 2006. - № 3. – С. 5 – 9.

2. Орлов М.Р., Оспенникова О.Г. Эксплуатационные повреждения и ремонт литых рабочих лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов. //Литейное производство.

– 2007. – № 8. – С. 48 – 52.

3. Оспенникова О.Г., Орлов М.Р. Повышение свойств жаропрочного сплава ЖС6УВИ путем горячего изостатического прессования и последующей термической обработки.

Материаловедение. – 2007. - № 9. – С. 32 – 36.

4. Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Губенко Л.А. Обеспечение качества поверхности лопаток в процессе гидротермического выщелачивания керамических стержней.

//Литейное производство. – 2007. – № 8. – С. 31 – 34.

5. Орлов М.Р. Образование пор в монокристаллических рабочих лопатках турбины в процессе направленной кристаллизации. // Металлы. – 2008. – № 1. – С. 70 – 75.

6. Орлов М.Р. Физико-химические особенности образования пор термического происхождения и работоспособность монокристаллических лопаток турбины. //ДиРМ. – 2008. – №6. – С. 43 – 48.

7. Орлов М.Р., Орлов Е.М. Водородная хрупкость монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов. //ДиРМ. – 2008. – №7. – С. 36 – 41.

8. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Качан А.Я., Цивирко Э.И., Беликов С.Б., Орлов М.Р., Замковой В.Е., Мозговой В.Ф., Рубель О.В.

Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Часть II. Монография. г. Запорожье, изд. ОАО „Мотор Сич”. – 2003. – 420 с.

9. Богуслаев В.А., Муравченко Ф.М., Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Качан А.Я., Цивирко Э.И., Беликов С.Б., Орлов М.Р., Замковой В.Е., Мозговой В.Ф., Рубель О.В.

Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Часть II. Монография. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. г. Запорожье, изд. ОАО „Мотор Сич”. – 2007. – 496 с.

10. Орлов М.Р. Образование пор в монокристаллических охлаждаемых рабочих лопатках турбины в процессе эксплуатации. ЖФМ. – 2007. – № 8. – С. 306 – 312.

11. Поклад В.А., Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Судинин М.А. Технология удаления керамических стержней из охлаждаемых лопаток газотурбинных двигателей.

//Авиационно-космическая техника и технология. – 2006. – № 9/35. – С. 24 – 30.

12. Орлов М.Р., Орлов Е.М. Аналитическая оценка кинетики релаксационных процессов в никелевом жаропрочном сплаве ЖС6У-ВИ. // Авиационно-космическая техника и технология. – 2005. - № 1/17. – С. 26 – 29.

13. Поклад В.А., Оспенникова О.Г., Орлов М.Р. Восстановительный ремонт монокристаллических рабочих лопаток турбины высокого давления из сплава ЖС32-ВИ.

// Авиационно-космическая техника и технология. – 2005. - № 9/25. – С. 17 – 21.

14. Орлов М.Р., Красников О.А. Применение жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ для монокристаллических рабочих лопаток турбины высокого давления. // Вестник двигателестроения. – 2005. - № 1. – С. 154 – 158.

15. Орлов М.Р. О работоспособности лопаток турбины высокого давления, полученных методом направленной кристаллизации. // Вопросы авиационной науки и техники. Серия: Авиационное двигателестроение. Выпуск 1 (1323). – М.: - ЦИАМ. – С. – 59.

16. Орлов М.Р., Клочихин В.Г. К вопросу о сульфидной коррозии жаропрочных никелевых сплавов. // Вестник двигателестроения. – 2003. - № 1. – С. 166 – 170.

17. Орлов М.Р., Гасик Л.И., Костенко Ф.Д., Взаимодействие литых жаропрочных никелевых сплавов с кислотными и щелочными электролитами. // Вестник двигателестроения. – 2002. - № 1. – С. 157 – 164.

18. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Рубель О.В., Орлов М.Р. Регламентация выбора КГО лопаток турбины, полученных методом направленной кристаллизации. // Технологические системы. – 2001. - № 3(9). – С. 46 – 50.

19. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Рубель О.В., Орлов М.Р. Зарождение и развитие трещин в направленно закристаллизованном жаропрочном сплаве при деформации растяжением. // Вибрации в технике и технологиях. – 2001. - № 5(21). – С. 34 – 36.

20. Орлов М.Р., Костенко Ф.Д., Росс М.Ю. Применение растровой электронной микроскопии для диагностики усталостных разрушений. // Технологические системы. – 2001. - № 3(9). – С. 81 – 84.

21. Петрик И.А., Орлов М.Р., Шестопалов В.В. Высокотемпературная термообработка для очистки деталей и узлов при изготовлении и ремонте. // Изобретатель и рационализатор. – 2000. – № 1. – С. 14 – 18.

22. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Рубель О.В., Орлов М.Р. Аналитическая оценка анизотропии напряженно-деформированного состояния монокристаллических лопаток турбины. // Авиационно-космическая техника и технология. 2000. – Вып. 19. – С. 246 – 251.

23. Жеманюк П.Д., Рубель О.В., Яценко В.К., Орлов М.Р. Моделирование кристаллографической анизотропии длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов. // Авиационно-космическая техника и технология. – 1999. Вып. 9. – С. 346 – 350.

24. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Орлов М.Р., Рубель О.В. Особенности механизма пластической деформации сплава ЖС6У-ВИ при нормальной и повышенной температурах. // Металознавство та обробка металів. – 2000. – № 3. – С. 31 – 37.

25. Орлов М.Р., Тарабин В.В., Цивирко Э.И., Попова М.В. Исследование интерметаллидной фазы в сплаве Х20Н80 с цирконием. // Металознавство та обробка металів. – 2003. – № 4. – С. 19 – 22.

26. Рубель О.В., Яцеко В.К., Банас Ф.П., Орлов М.Р., Лукьянов В.С. Оценка выносливости монокристаллов жаропрочных сплавов на никелевой основе. // Нові матеріали та технології в металургії та машинобудуванні. – 1998. - № 2. – С. 38 – 41.

27. Жеманюк П.Д., Орлов М.Р., Яценко В.К., Рубель О.В. Ориентационная зависимость прочности и пластичности монокристаллов сплава ЖС6У-ВИ. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 1999. – № 2. – С. 9 – 12.

29. Орлов М.Р. Развитие водородных трещин в монокристаллических отливках охлаждаемых рабочих лопаток турбины ГТД. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2000. – № 2. – С. 23 – 27.

30. Орлов М.Р. Структура направленно закристаллизованных жаропрочных сплавов и работоспособность лопаток турбины высокого давления (ТВД). // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2002. – № 1. – С. 70 – 74.

31. Орлов М.Р. К вопросу о диагностике повреждений лопаток газотурбинных двигателей. // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 2004. - № 2.

– С. 19 – 23.

32. Рубель О.В., Яценко В.К., Орлов М.Р. Метод испытаний на усталость лопаток ГТД, полученных методом направленной кристаллизации. // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. – 1998. – № 52 (119). – С. 24 – 30.

33. Яценко В.К., Рубель О.В., Банас Ф.П., Орлов М.Р., Лукьянов В.С.

Ориентационная зависимость выносливости монокристальных лопаток турбины ГТД. // Новые конструкционные стали и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Сборник научных трудов ЗГТУ. Запорожье. – 1998. – С. 72 – 73.

34. Жеманюк П.Д., Орлов М.Р., Рубель О.В. Влияние наработки на структуру и свойства жаропрочного сплава ЖС32-ВИ монокристальных лопаток ГТД. // Новые конструкционные стали и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. Сборник научных трудов ЗГТУ. Запорожье. – 1998. – С. 77 – 78.

35. Орлов М.Р., Рубель О.В. Ориентационная зависимость механических свойств, жаропрочности и усталостной прочности охлаждаемых рабочих лопаток турбины высокого давления из монокристаллического жаропрочного сплава. // Авиационные технологии 21-го века. / Сборник трудов 5-го международного научно-технического симпозиума 17 – 22 августа 1999. г. Жуковский, Россия. – С. 66 – 71.

36. Орлов М.Р. К вопросу об образовании хрупких технологических трещин в охлаждаемых монокристаллических рабочих лопатках турбины из сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ. // Авиационные технологии 21-го века. / Сборник трудов 5-го международного научно-технического симпозиума 17 – 22 августа 1999. г. Жуковский, Россия. – С.197 – 201.

37. Орлов М.Р. Водородная хрупкость литых жаропрочных сплавов на никелевой основе. // Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах. // Збірник наукових праць IX міжнародної науково-технічної конференції. Запоріжжя. – 2000. – С. 12 – 14.

38. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Рубель О.В., Орлов М.Р., Гарин О.Л., Лукьянов В.С. Выбор оптимальной КГО монокристаллических лопаток турбины по результатам оценки их напряженного состояния. // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций. / Труды конференции «Ресурс 2000». Т 2. ИПМ НАН Украины.

Киев. 2000. – С. 787 – 793.

39. Грязнов Б.А., Яценко В.К., Ежов В.Н., Рубель О.В., Орлов М.Р. Циклическая трещиностойкость монокристаллов сплава ЖС26-ВИ при высокой температуре. // Новые технологии. Методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок. / Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Запорожье. – 2000. – С. 22 – 25.

40. Орлов М.Р. Восстановительный ремонт секторов соплового аппарата 1 ступени турбины вентилятора. // Новые технологии. Методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок. / Тезисы докладов международной научно-технической конференции. Запорожье. – 2000. – С. 99 – 101.

41. Жеманюк П.Д., Орлов М.Р., Яценко В.К., Рубель О.В. Особенности пластической деформации монокристаллов жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ при нормальной и высокой температурах. // Двигатели XXI века. / Тезисы докладов международной научной конференции. Москва. – 2000. – С. 262 – 264.

42. Орлов М.Р., Росс М.Ю. Трансформация тонкой структуры монокристаллических жаропрочных сплавов на никелевой основе в процессе работы лопаток ГТД. // Нові конструкційні матеріали та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів. / Збірник наукових праць VIII міжнародної науково-технічної конференції. Запоріжжя. – 2000. – С. 5 – 8.

43. Орлов М.Р., Наконечный Е.Л. К вопросу о высокотемпературной коррозии лопаток соплового аппарата ГТД. // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции.

Запорожье, сентябрь, 1989. – С. 13.

44. Орлов М.Р. Фрактографический анализ разрушения рабочей лопатки 2 ступени турбины компрессора в процессе стендовых испытаний двигателя ТВ3-117ВМА-СБМ1. // Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок. / Тезисы докладов Второй международной научно-технической конференции 23-сентября 2002 г. Украина, Запорожье – Алушта. – С. 127 – 129.

45. Оспенникова О.Г., Орлов М.Р. Трансформация тонкой структуры литого жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ в процессе горячего изостатического прессования и термической обработки лопаток турбины. // Новое в разработке и применении специальных сталей и сплавов. / Тезисы докладов семинара с международным участием.

Запорожье 15 – 19 мая 2006 г., УкрНИИспецсталь. – С. 11 – 12.

46. Оспенникова О.Г., Орлов М.Р. Структурная повреждаемость охлаждаемых монокристаллических рабочих лопаток турбины. // Актуальные вопросы авиационного материаловедения. / Тезисы докладов международной научно-технической конференции.

– М. – ФГУП ВИАМ. – 2007. – С. 30.

47. Шкретов Ю.П., Оспенникова О.Г., Орлов М.Р. Технология газоциркуляционного хромоалитирования внутренних поверхностей охлаждаемых каналов рабочих лопаток турбины. // Сборник тезисов докладов научно-технического конгресса по двигателестроению НТКД-2008. Десятый Международный салон «Двигатели – 2008». Москва, 16 – 18 апреля 2008 г. – С. 169 – 171.

48. Орлов М.Р., Оспенникова О.Г., Шкретов Ю.П. Технология очистки деталей турбины из никелевых жаропрочных сплавов от высокотемпературных окислов и продуктов сульфидной коррозии // Сборник тезисов докладов научно-технического конгресса по двигателестроению НТКД-2008. Десятый Международный салон «Двигатели – 2008». Москва, 16 – 18 апреля 2008 г. – С. 172 – 173.

49. Орлов М.Р. Способ очистки деталей из жаропрочных сплавов. Патент Украины UA 46104 C2.

50. Орлов М.Р., Быков И.Д., Замковой Е.В., Гасик Л.И. Состав вещества для изготовления керамических стержней. Патент Украины. UA 46881UA C2.

51. Орлов М.Р., Лукьянов В.С., Яценко В.К., Рубель О.В. Способ испытания на усталостную прочность рабочих лопаток газотурбинного двигателя, отлитых методом направленной кристаллизации. Патент Украины UA 51825 C2.

52. Елисеев Ю.С., Поклад В.А, Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Шкретов Ю.П.

Способ изготовления заготовки пустотелой лопатки турбины газотурбинного двигателя.

Патент Российской Федерации RU 2325246 C1.

53. Елисеев Ю.С., Поклад В.А, Оспенникова О.Г., Орлов М.Р. Способ изготовления монокристаллической отливки рабочей лопатки турбины газотурбинного двигателя с заданными аксиальной и азимутальной ориентацией сплава. Патент Российской Федерации RU 2329120 C1.

54. Елисеев Ю.С., Поклад В.А, Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Шкретов Ю.П.

Способ изготовления заготовки пустотелой лопатки турбины газотурбинного двигателя.

Заявка на изобретение Российской Федерации RU 2006143177 А.

55. Елисеев Ю.С., Абраимов Н.В., Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Шкретов Ю.П., Терехин А.М. Способ упрочнения покрытий деталей из жаропрочных сплавов. Заявка на изобретение Российской Федерации RU 2007115483/02. Приоритет от 25.04.2007 г.

56. Елисеев Ю.С., Поклад В.А, Оспенникова О.Г., Андриенко А.Г., Гайдук С.В., Орлов М.Р., Кононов В.В. Сплав на никелевой основе для литья монокристаллических лопаток турбины газотурбинного двигателя. Заявка на изобретение Российской Федерации RU 2007123936/02. Приоритет от 27.06.2007 г.

57. Поклад В.А, Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Шкретов Ю.П., Терехин А.М., Минаков А.И. Способ ремонта лопаток турбины газотурбинного двигателя. Заявка на изобретение Российской Федерации RU 2007141041/02. Приоритет от 08.11.2007 г.

58. Поклад В.А, Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Шкретов Ю.П., Рассохина Л.И., Ковтун Л.А. Способ защиты поверхности лопаток. Заявка на изобретение Российской Федерации RU 2007146966/02. Приоритет от 20.12.2007 г.

59. Поклад В.А, Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Шкретов Ю.П., Терехин А.М., Минаков А.И. Способ очистки деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе газотурбинного двигателя от продуктов высокотемпературного окисления и сульфидной коррозии. Заявка на изобретение Российской Федерации RU 2007148000/02. Приоритет от 25.12.2007 г.







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.