Файл: 1. Конструктивные особенности лопаток турбины 5 Материалы, применяемые при изготовлении лопаток турбины 9.docx

Материалы, применяемые при изготовлении лопаток турбины

Лопаткитурбиныизготавливаютсяизжаропрочныхсплавов,выборкоторыхопределяетсярабочейтемпературойприэксплуатациидвигателя(таблица2).Таблица2.Жаропрочныесплавыдляизготовлениялопатоктурбины[7].

Рабочая температура, град С	Марка сплава
650-800	ЭИ437А, ЭИ437Б
800-850	ЭИ617, ЭИ598, ЭИ896
850-950	ЭИ929, ЭИ867, ЭП109
950-1000	ЖС6К, ЖС6У
1000-1200	ЖС6К, ЖС3ДК, ВЖЛ12, ВЖЛ12Э, ЖС26-ВИ, ЖС32-ВИ

Внедрениевпрактикусплавовснаправленнойкристаллизациейимонокристаллическихсплавовпозволилодостичьзначимогопрогрессавповышениерабочихпараметровтурбиныидолговечностисопловыхирабочих лопаток. Применение этих технологий позволяет минимизироватьграницы между зернами, перпендикулярными направлению центробежныхсил(направленнаякристаллизация)длясниженияползучестииразрушениянаграницахзерен.Монокристаллическиедеталиимеютминимальнуюпротяженностьграниц,поэтомуониимеетоптимальныехарактеристикипрочности. В России в настоящее время применяются монокристаллическиесплавы для рабочих лопаток ЖС32 и ЖС36ВИ, разработанные в ВИАМ.Длядвигателейназемногоприменения,использующихвкачестветоплива природный или попутный газ

---

, одним из основных критериев выбора материала для лопаток турбины являются характеристики по сопротивлению солевой коррозии. Такие свойства материалу придает увеличенное содержание хрома. В России в турбинах наземных двигателей применяются
коррозионностойкие сплавы ЧС70-ВИ, ЧС-80, ЦНК-7НК. В ВИАМ разработаны перспективные коррозионностойкие сплавы нового поколения ЖСКС-1 и ЖСКС-2. По жаропрочности ЖСКС-1 превосходит существующие сплавы ЦНК-7НК, ЧС-80 и зарубежные аналоги GTD-111, IN738L, не уступая им по сопротивлению горячей коррозии. Безуглеродистый сплав ЖСКС-2, легированный 2% тантала и 1 % рения, и предназначенный для литья монокристаллических лопаток, по жаропрочности не уступает авиационным сплавам направленной кристаллизации ЖС30-НК и ЖС26-ВНК, значительно превосходя последние по сопротивлению солевой коррозии [9].

За рубежом в середине 1960-х на первой ступени наземной турбины для рабочих лопаток использовался сплав UDIMET-500 (на основе Ni). В настоящее время он используется на последних ступенях турбины, на некоторых установках GE. Сплав IN738 (на основе Ni) использовался для рабочих лопаток первой ступени в 1971-1984 годах. В настоящее время его используют для рабочих лопаток второй ступени. Сплав имеет прекрасную комбинацию высокотемпературной прочности и устойчивости к горячей коррозии, что делает его привлекательным для применения в наземных турбинных установках. GE разработали сплав GTD-111 по прочностным показателям превышающий IN738.

---

GTD-111 заменил IN738 как материал рабочих лопаток в различных моделях наземных турбинных установок GE. Для сопловых лопаток используются сплавы на основе Со – Х40, Х45, FSX414, а также сплав на основе никеля GTD-222 (на 2 и 3 ступенях). Также начинают широко применяться направленно-кристаллизованные (DTD 111, TMD-103 (на основе никеля)) и монокристаллические (CMSX11B, AF56, PWA1483, SC16 (на основе никеля)) сплавы.

Сложнолегированные сплавы с гетерофазной структурой, главными структурными элементами которой являются сложнолегированный никелевый γ-твердый раствор и дисперсные частицы γʹ-фазы на основе упорядоченного интерметаллидного соединения Ni₃ (Al, Ti, Nb, Ta) (сверхструктура L1₂).
Основными фазами сплава ЖС32 являются твердый раствор на основе никеля и упрочняющая фаза на основе интерметаллида Ni₃Al со сверхструктурой типа L1₂ (γ' фаза). Кроме этого присутствуют карбиды (MeC и Me₂₃C₆), которые выделяются на границах и внутри зёрен. Сплав содержит более 50% γ' фазы и имеет верхний предел рабочих температур 1050°C.

Наиболее важной фазой для создания подобных суперсплавов на никелевой основе фактически послужила фаза Ni₃Al. Как в самой простой форме А, В (Ni₃Al), так и в сложной форме А₃ (ВС), например, Ni₃ (Al, Ti), и еще в более сложных вариантах, например Ni₃ (Al, Ti, Hf), её свойства во многом определяют механическое поведение этих материалов в широком температурном интервале. Кристаллическая решетка фазы Ni₃Al совпадает с кристаллической решеткой фазы Cu₃Au. Она повторяет элементарную ячейку фазы Cu₃

---

Au, но теперь в центрах граней расположены атомы Ni, в вершинах куба — атомы Аl. Поэтому при составе, близком к стехиометрическому (атомные доли: Ni — 0,75, А1 — 0,25), вполне упорядоченное состояние сохраняется вплоть до значений Т_пл.

Фазовая диаграмма бинарной системы Ni — Аl является важной для конструирования жаропрочных сплавов на никелевой основе. Она приведена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4. Диаграмма фазового состояния двойной системы Ni — Аl

Сверхструктура L1₂ (γ'-фаза) реализуется при комнатной температуре в интервале концентраций 22,3—27,0 ат. % Аl. С увеличением температуры концентрационная область существования фазы Ni₃Al уменьшается.

При концентрации Аl меньше стехиометрической, γ'-фаза (Ni₃Al) соседствует с γ-фазой — твердым раствором Аl в Ni на базе ГЦК- решетки. Растворимость Аl в Ni значительно понижается с уменьшением температуры. В соответствии с этим фазы γ и γ' разделены широкой (при 673 К более 15 ат.

%) двухфазной областью состава γ + γ' [10].

3. 1   2   3   4   5   6   7   8   9

---

Причины повреждения лопаток турбины

Повреждениеиразрушениерабочихлопатоктурбинвысокогодавления(ТВД)итурбиннизкогодавления(ТНД)можетвозникнутьврезультатеследующих воздействий[11],[12],[13]:

1. 
   Вследствие образования усталостных трещин. При этом основными дефектами рабочих лопаток ТВД являются трещины на профиле пера со стороны корыта и спинки, трещины на торце пера лопатки (вдоль оси лопатки), растрескивание на кромке отверстий перфорации, поверхностное растрескивание покрытия на входной кромке пера лопатки, пятна на пере лопатки.
   
2. 
   Вследствие попадания в проточную часть посторонних предметов (рисунок 1.5). Например, прогар жаровых труб камеры сгорания приводит к повышению температуры перед ТВД, а в некоторых случаях при попадании частичек жаровой трубы на лопаточный аппарат ТВД и ТНД, и к их разрушению.
   

Рисунок.15.ЛопаткиТНДГТДГТК-10-4сзабоиной[13].

3. 
   В результате превышения предельно допустимой температуры газов (рисунок 1.6). Характерными дефектами в этом случае являются: местное выкрашивание, вытяжка или обрыв части пера рабочей лопатки,
   

термоусталостное растрескивание, выгорание легирующих элементовповерхностногослоя,ростзернавлопаткахизникелевыхсплавов,сильная

---