Файл: 1. Конструктивные особенности лопаток турбины 5 Материалы, применяемые при изготовлении лопаток турбины 9.docx
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 310
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
эрозия при исчезновении защитного покрытия [13].
Рисунок 1.6. Местное выкрашивание лопатки ТВД ГТД ГТН 25 (наработка 32152 ч.) [13].
В процессе эксплуатации на сегментах соплового аппарата могут возникать поры или цепочки пор, микротрещины, трещины, рыхлоты,
растрескивания поверхностного слоя, забоины, смятие материала (рисунок 1.7), вырывы материала на гребешках уплотнений, выработка материала по поверхностям вращения, биения, засорения щелей. Также встречаются литейные дефекты в виде раковин и окисных включений. Поры проявляются на поверхности в виде отдельных (локальных) дефектов. Рыхлота является следствием деградации основного материала и потери им прочностных свойств, например, вследствие термоциклической усталости. Забоина, смятие
материала — дефект, возникающий при механическом воздействии на поверхность инородного тела [13], [14].
Рисунок 1.7. Деформация в виде забоин и вырывов материала соплового блока ГТУ ГТН25 [13].
Таким образом, лопатки компрессоров и турбин подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок, кроме того, лопатки испытывают циклические, термические напряжения; работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре и подвергаются газовой коррозии [5]. Лопатки ГТД имеют сложную пространственную геометрию и изготавливаются из трудно-деформируемых материалов: жаропрочных никелевых и титановых сплавов. К ним предъявляются повышенные требования по структуре металла, его химическому составу, механическим
свойствам, геометрическим размерам и наличию дефектов (заковы, прострелы, пережоги, прижоги и т.д.) [4], [15].
Рабочие лопатки турбины газотурбинных установок имеют установленный разработчиком ресурс работы (обычно 25 000 часов). Поскольку ЖНС обладают довольно высокой стоимостью, то ремонт изношенных изделий часто является экономически целесообразным решением, чем замена. Например, компоненты турбинного двигателя, такие как рамы, ковши и лопатки, могут ремонтироваться несколько раз в течение срока их службы. В общем случае ремонт заключается в выполнении следующих операций: демонтаж лопаток, чистка, дефектация, восстановление микроструктуры основного материала, восстановление геометрии и формы, восстановление покрытий, контроль качества [1]. Поскольку исходная микроструктура основного металла может быть претерпеть изменения при воздействии повышенной температуры, то технологические приёмы процесса ремонтной сварки/наплавки, могут значительно отличаться от используемых для первоначального изготовления. В случае дисперсно-упрочненных (precipitation – strengthened) и монокристаллических сплавов, состав присадочных материалов может отличаться от основного металла. В ситуациях, когда после сварки для восстановления механических свойств требуется термическая обработка, растрескивание может быть проблемой, особенно в высокоэффективных сплавах, упрочненных выделением
фазы гамма-штрих (γ') и / или гамма-2 штриха (γ″) [16].
В деталях высокотемпературных ступеней турбины, работающих продолжительное время при высокой температуре и больших нагрузках, происходит потеря начальных эксплуатационных свойств. В ходе такой эксплуатации происходит деградация микроструктуры. Для снижения стоимости жизненного цикла лопаток турбины были разработаны процессы
для ее восстановления к исходному состоянию. Процессы включает в себя горячее изостатическое прессование (ГИП) и восстановительную термообработку [17].
Восстановительная термовакуумная обработка (ВТВО) один из способов устранения нежелательных изменений в структуре и свойствах сплава лопаток, полученных в процессе эксплуатации. Неoбхoдимoсть применения вoсстановительнoй термooбрабoтки при ремoнте лoпатoк oпределяется пo структурнoму сoстoянию материала, кoтoрoе oценивается электрoннo-микрoскoпическим метoдoм, и меxаническими свoйствами материала пoсле нарабoтки лoпаток в сoставе двигателя [12]. В работе [18] показана возможность полного восстановления структуры и свойств сплава ЖС6У-ВИ, подвергнутого воздействию высоких эксплуатационных температур путем проведения ВТВО.
Вoсстановительную термoобработку прoводят в вакуумных печах при oстаточном давлении не более 1х10-4 мм рт. cт. и скoрости oхлаждения не мeнее 40 град/мин, чтo oбусловлено нe тoлько защитoй дeтали oт oкисления, нo и вoзможностью удалeния газа из микрoдефектов матeриала лoпатки, чтo неoбходимо для бoлее успешнoго их залeчивания [12].
Выбор оптимального режима ВТВО определяется конструктивными особенностями восстанавливаемых лопаток
и состоянием их материала, которое зависит от продолжительности работы при наиболее «жёстких» режимах. Температура процесса ВТВО должна быть в большинстве случаев достаточна для полной гомогенизации сплава, что позволяет достичь исходной плотности дислокаций, а также обеспечить оптимальную морфологию и размеры частиц упрочняющей фазы.
Продолжительность ВТВО определяется компромиссом между необходимостью достаточно полного «залечивания» микропор по границам зёрен и предотвращением значительного распада монокарбидной фазы. Отрицательные последствия последней реакции связаны не только с образованием двойных карбидов неблагоприятной морфологии, но и с
разупрочнением твердого раствора из-за обеднения тугоплавкими легирующими элементами областей вокруг этих выделений. Для сплавов с устойчивой монокарбидной фазой такой опасности не существует, и они могут подвергаться вакуумной восстановительной обработке многократно [19].
Применяемая на ряде российских предприятий ВТВО по режиму высокотемпературной гомогенизации не обеспечивает стабильного восстановления структуры и свойств, вследствие сохранения микропористости в лопатках, что приводит к существенному снижению эксплуатационных свойств, в частности предела выносливости [20].
Сущность ГИП заключается в одновременном воздействии на обрабатываемую деталь высокого давления и высокой температуры. В результате ГИП происходит залечивание внутренних дефектов
Рисунок 1.6. Местное выкрашивание лопатки ТВД ГТД ГТН 25 (наработка 32152 ч.) [13].
-
Часть разрушений обусловлена причинами технологического характера: следы касания торца пера лопатки о вставки, литейные дефекты в виде раковин и оксидных включений. Наибольшее количество отказов приходится на рабочие лопатки, прошедшие ремонт. -
Оплавление лопаток турбины вызывается преимущественно попаданием конденсата в топливный газ, а прогары полых охлаждаемых лопаток — нарушениями в работе системы их охлаждения, иногда (при встроенных камерах сгорания) чрезмерной длиной факела. -
Коррозионное повреждение лопаток, снижающее предел выносливости их материала на 10—30%. -
В редких случаях разрушения обусловлены повторными, периодически повторяющимися термическими напряжениями при частых пусках и остановках турбин [13].
В процессе эксплуатации на сегментах соплового аппарата могут возникать поры или цепочки пор, микротрещины, трещины, рыхлоты,
растрескивания поверхностного слоя, забоины, смятие материала (рисунок 1.7), вырывы материала на гребешках уплотнений, выработка материала по поверхностям вращения, биения, засорения щелей. Также встречаются литейные дефекты в виде раковин и окисных включений. Поры проявляются на поверхности в виде отдельных (локальных) дефектов. Рыхлота является следствием деградации основного материала и потери им прочностных свойств, например, вследствие термоциклической усталости. Забоина, смятие
материала — дефект, возникающий при механическом воздействии на поверхность инородного тела [13], [14].
Рисунок 1.7. Деформация в виде забоин и вырывов материала соплового блока ГТУ ГТН25 [13].
Таким образом, лопатки компрессоров и турбин подвергаются действию статических, динамических и циклических нагрузок, кроме того, лопатки испытывают циклические, термические напряжения; работают в условиях агрессивной газовой среды при высокой температуре и подвергаются газовой коррозии [5]. Лопатки ГТД имеют сложную пространственную геометрию и изготавливаются из трудно-деформируемых материалов: жаропрочных никелевых и титановых сплавов. К ним предъявляются повышенные требования по структуре металла, его химическому составу, механическим
свойствам, геометрическим размерам и наличию дефектов (заковы, прострелы, пережоги, прижоги и т.д.) [4], [15].
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Существующие методы ремонта лопаток
Рабочие лопатки турбины газотурбинных установок имеют установленный разработчиком ресурс работы (обычно 25 000 часов). Поскольку ЖНС обладают довольно высокой стоимостью, то ремонт изношенных изделий часто является экономически целесообразным решением, чем замена. Например, компоненты турбинного двигателя, такие как рамы, ковши и лопатки, могут ремонтироваться несколько раз в течение срока их службы. В общем случае ремонт заключается в выполнении следующих операций: демонтаж лопаток, чистка, дефектация, восстановление микроструктуры основного материала, восстановление геометрии и формы, восстановление покрытий, контроль качества [1]. Поскольку исходная микроструктура основного металла может быть претерпеть изменения при воздействии повышенной температуры, то технологические приёмы процесса ремонтной сварки/наплавки, могут значительно отличаться от используемых для первоначального изготовления. В случае дисперсно-упрочненных (precipitation – strengthened) и монокристаллических сплавов, состав присадочных материалов может отличаться от основного металла. В ситуациях, когда после сварки для восстановления механических свойств требуется термическая обработка, растрескивание может быть проблемой, особенно в высокоэффективных сплавах, упрочненных выделением
фазы гамма-штрих (γ') и / или гамма-2 штриха (γ″) [16].
-
Восстановительная термообработка
В деталях высокотемпературных ступеней турбины, работающих продолжительное время при высокой температуре и больших нагрузках, происходит потеря начальных эксплуатационных свойств. В ходе такой эксплуатации происходит деградация микроструктуры. Для снижения стоимости жизненного цикла лопаток турбины были разработаны процессы
для ее восстановления к исходному состоянию. Процессы включает в себя горячее изостатическое прессование (ГИП) и восстановительную термообработку [17].
Восстановительная термовакуумная обработка (ВТВО) один из способов устранения нежелательных изменений в структуре и свойствах сплава лопаток, полученных в процессе эксплуатации. Неoбхoдимoсть применения вoсстановительнoй термooбрабoтки при ремoнте лoпатoк oпределяется пo структурнoму сoстoянию материала, кoтoрoе oценивается электрoннo-микрoскoпическим метoдoм, и меxаническими свoйствами материала пoсле нарабoтки лoпаток в сoставе двигателя [12]. В работе [18] показана возможность полного восстановления структуры и свойств сплава ЖС6У-ВИ, подвергнутого воздействию высоких эксплуатационных температур путем проведения ВТВО.
Вoсстановительную термoобработку прoводят в вакуумных печах при oстаточном давлении не более 1х10-4 мм рт. cт. и скoрости oхлаждения не мeнее 40 град/мин, чтo oбусловлено нe тoлько защитoй дeтали oт oкисления, нo и вoзможностью удалeния газа из микрoдефектов матeриала лoпатки, чтo неoбходимо для бoлее успешнoго их залeчивания [12].
Выбор оптимального режима ВТВО определяется конструктивными особенностями восстанавливаемых лопаток
и состоянием их материала, которое зависит от продолжительности работы при наиболее «жёстких» режимах. Температура процесса ВТВО должна быть в большинстве случаев достаточна для полной гомогенизации сплава, что позволяет достичь исходной плотности дислокаций, а также обеспечить оптимальную морфологию и размеры частиц упрочняющей фазы.
Продолжительность ВТВО определяется компромиссом между необходимостью достаточно полного «залечивания» микропор по границам зёрен и предотвращением значительного распада монокарбидной фазы. Отрицательные последствия последней реакции связаны не только с образованием двойных карбидов неблагоприятной морфологии, но и с
разупрочнением твердого раствора из-за обеднения тугоплавкими легирующими элементами областей вокруг этих выделений. Для сплавов с устойчивой монокарбидной фазой такой опасности не существует, и они могут подвергаться вакуумной восстановительной обработке многократно [19].
Применяемая на ряде российских предприятий ВТВО по режиму высокотемпературной гомогенизации не обеспечивает стабильного восстановления структуры и свойств, вследствие сохранения микропористости в лопатках, что приводит к существенному снижению эксплуатационных свойств, в частности предела выносливости [20].
Сущность ГИП заключается в одновременном воздействии на обрабатываемую деталь высокого давления и высокой температуры. В результате ГИП происходит залечивание внутренних дефектов