Введение к работе
Актуальность работы. С увеличением мощности паровых турбин, появляется необходимость увеличения длины рабочих лопаток цилиндра низкого давления, поэтому возрастают требования, предъявляемые к лопаточному материалу. На практике применение лопаток длиной более 1000 мм из нержавеющих сталей оказывается затруднительным, так как это приводит к резкому увеличению массы конструкции и возрастанию центробежных нагрузок, действующих на лопатки. Для сопротивления возросшим нагрузкам необходимо применять высокопрочные лопаточные материалы с малой плотностью, и с более высокой удельной прочностью.
Практика показала, что наиболее перспективными материалами являются высокопрочные титановые сплавы, которые по сравнению со сталями, обладают в 2-2,5 раза более высокой удельной прочностью, более высокой коррозионно-эрозионной и усталостной стойкостью. Применение титановых сплавов сделало возможным создать рабочую лопатку длиной 1400 мм, но для этого было необходимо совершенствовать технологию её производства.
Поэтому возникла необходимость исследования качества металла титановых лопаток изготовленных по различным технологическим процессам на основе разработанных представлений о температурно-временных особенностях формирования структуры и перераспределения легирующих элементов, с учетом упруго-напряженного поля создаваемого в объеме деформированных титановых полуфабрикатов в ходе их металлургического передела на всех структурных уровнях и в разработке путей повышения эксплуатационных свойств за счет выбора оптимальных режимов термомеханической обработки.
Паровые лопатки работают в условиях высоких каплеударных нагрузок, что приводит к интенсивному эрозионному износу их входных кромок, снижению КПД турбины АЭС. Их эрозия возрастает по мере увеличения длины и окружной скорости лопаток и, следовательно, по мере увеличения скорости соударения с частицами капель пара от 150 до 600 м/с. Сложность решения проблемы эрозионного разрушения паровых лопаток турбин заключается в том, что до последнего времени не удавалось найти общую зависимость между величиной износа и структурно-фазовым состоянием поверхностных и осевых слоев материала лопаток.
Таким образом, сегодня, мы стоим на пути необходимости создания научно-обоснованных, контролируемых технологических процессов, учитывающих структурные и фазовые превращения, как в материале заготовки на этапе её изготовления, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации, что обеспечит повышение качества и надежности работы деталей машин и изделий, увеличение их срока службы, что является одной из наиболее важных народнохозяйственных задач.
Поэтому, работа по установлению закономерностей структурных и фазовых превращений, а также их влияния на повышение стойкости штампованных заготовок лопаток паровых турбин и надежности работы готовых изделий в процессе кап-леударной эрозии, является, безусловно, актуальной.
Цель работы и задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в изучении закономерностей структурных и фазовых превращений в объеме титано-
вых лопаток паровых турбин, как на этапе формирования штампованных заготовок, так и в материале готового изделия на этапе его эксплуатации в процессе ударного воздействия частицами пара.
Дня достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
рассмотреть вопрос о возможности создания научно-обоснованного технологического процесса, учитывающего структурные и фазовые превращения в материале заготовок титановых лопаток паровых турбин на этапе их изготовления (штамповки);
исследовать структурные и фазовые превращения в объёме титановых лопаток паровых турбин на этапе их эксплуатации;
разработать методический подход, который позволит адекватно моделировать вы-
сокоскоростное каплеударное нагружение и проводить количественную оценку не только эрозионного повреждения, но и динамических свойств образцов-свидетелей из лопаточных материалов с учетом волновой природы пластической деформации и разрушения;
выбрать научно-обоснованный параметр для количественной оценки динамической прочности лопаточных материалов, получаемый при одноосном ударном нагружении, моделирующем действие частиц пара при скоростях 150...600 м/с;
разработать испытательную центробежную установку (ИЦУ), имитирующую кап-
леударное воздействие частицами пара со скоростью 150...600 м/сек.;
Научная новизна.
Показано, что при высокоскоростном нагружении лопаток паровых турбин из двухфазных титановых сплавов, в материале формируется нагружающая волна пластической деформации, которая по мере своего движения модулирует структуру материала, разбивая ее на периодические самосогласованные мезо-объемы.
Показано, что после прохождения прямой волны, от тыльной стороны в материале лопатки формируется разгрузочная волна пластической деформации и разрушения, которая, проходя вдоль границ мезо-объёмов, подключает ротационные (поворотные) моды пластической деформации и в условиях интенсивного тепловыделения совершает периодические локализованные адиабатические сдвиги и отрыв, приводящие к выкрашиванию мезо - объемов и каплеударному износу лопаток паровых турбин.
Сделан выбор оптимального режима термомеханической обработки металла лопаток паровых турбин из сплавов ВТ6 и ТС5, как результат понимания структурно-фазовых превращений в процессе обработки.
Показано, что основным механизмом торможения ударной волны при каплеудар-
ном воздействии является превращение Р- фазы в относительно мягкий ортором-бический мартенсит (3 —> а".
В результате проведенных исследований получены новые технические решения,
подтвержденные патентом РФ.
Практическая значимость работы заключается в том, что полученный комплекс результатов структурных и фазовых превращений и физико-механических
свойств титановых сплавов в процессе высокоскоростной обработки позволил дать рекомендации для повышения качества поверхности титановых изделий, путем создания регламентированной структуры с заданными и стабильными свойствами.
Результаты работы были использованы на предприятиях ОАО "ЛМЗ", ООО "Орис - ММ", ОАО НПО ЦКТИ.
Результаты работы нашли отражение в разработке методических указаний в рамках проводимых преподавателями лабораторных работ по дисциплине «Физика технологических процессов в машиностроении», в разработке учебного пособия.
Результаты работы нашли отражение при чтении автором лекций по дисциплине «Основы триботехники».
Достоверность результатов обеспечивается использованием фундаментальных положений физики твёрдого тела, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на 11 научно-технических конференциях и семинарах, в том числе на: II Международной школе «Физическое материаловедение», УГТУ, Тольятти, 2006; 8ой, 9ой, 10ой Международных конференциях «Материаловедческие проблемы при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС», ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2008; XVI-ых «Петербургских чтениях по проблемам прочности», СПб., 2006; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», СамГТУ, Самара, 2007; II Международных симпозиумах «Физика и механика больших пластических деформаций», ЦНИИ КМ «Прометей», СПб., 2007; The 11th World Conference on Titanium, Kyoto, Japan, 2007; XIII международной научно-технической конференции «Проблемы ресурса и безопасной эксплуатации материалов», Санкт-Петербург, 2007; IV-ой Межвузовской конференции молодых ученых, Санкт-Петербург, 2007; XVI «Зимней школе по механике сплошных сред», Пермь, 2009 г.; на научно-технических семинарах кафедры "Триботехника" ПИМаш 2006-2009 г.г.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 21 печатных работах, в том числе в 1 патенте. 2 работы опубликованы в рецензируемом научном журнале, рекомендованном ВАК в области машиностроения. Библиографический список основных работ приведён в конце автореферата.
Диссертационная работа была выполнена автором: - в рамках Гранта РФФИ на тему «Структурно-фазовые превращения в металле лопаток паровых турбин из сплавов титана после высокоскоростной обработки» № 05-08-65442 (2005-2008 гг.) (н.р. проф. М.А. Скотникова); - в рамках целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы" на тему «Повышение каплеударной эрозионной стойкости титановых лопаток паровых турбин атомных электростанций, как результат понимания и контроля структурно-фазовых превращений протекающих в материале зоны динамического контактного взаимодействия» № 2.1.2/1147 (2009-2010 гг.) (н.р. проф. М.А. Скотникова).
Структура и объем работы Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы из 144 наименований и приложения, изложена на 204 страницах, включая: 24 - таблицы, 97 рисунка.
