Введение к работе
Актуальность проблемы. Материаловедчес-кое обеспечение создания новых жаропрочных коррозионностойких материалов приобрело за последние двадцать лет значительную актуальность в связи с существенным ростом инженерного использования высокотемпературных систем, таких как газовые турбины, паровые генераторы, газификациокные установки, установки для сжигания мусора и других отходов. Все они работают в условиях высоких температур С 600-1100'О и контакта металлических или керамических материалов с продуктами сгорания топлив, содержащих неорганические примеси. Особое место среди них принадлежит газотурбинным установкам СПУ).
Одним из важнейших преимуществ газовой турбины является способность г использованию многих газообразных или жидких топлив, в том числе тяжелых нефтяных фракций, топливных смесей, тяжелых дистилятних топлив, даже сырой нефти, в связи с чем возникает необходимость обеспечения надежной работа ПУ при контакта с коррозионноакитвными примесями этих топлив CS, Na, V, СІ и др. 3. Требование достижения высокой стойкости материалов ПУ к коррозионному воздействию эоловых и газообразных продуктов сгорания топлива, что определяется в наиболее общем случае как высокотемпературная коррозия СВТК), имеет не меньшее значение, чем гарантированные высокие механические свойства.
Прогресс газотурбостроения за последние 20-25 лет в значительной степени определяется созданием новых конструкционных материалов, использование которых позволило улучшить важнейшие параметры ПУ. причем реализация масштабных программ СCOST 50, NAVSIA, VAMAS и др.) в ведущих странах способствовала как выяснению определенных закономерностей механизма коррозионного разрушения и влияния легирования на показатели ВТК, так и разработке сплавов с достаточно высокой коррозионной стойкостью С IN 738, Ш 939, Rene 80 и др.). Внедрение этих материалов позволило в начале 80-х годов обеспечить рабочие температуры зарубежных ПУ с
неохлаждаемыми лопатками в пределах 900-940'С а для ПУ с охлаж-
« даемыми лопатками - 1000-1080'С
Существенное отставание отечественного газотурбостроения не
в последнюю очередь определялось отсутствием материалов для изготовления наиболее ответственных деталей эффективных стационарных и судовых ПУ, так как использование в установках первого поколения деформируемых жаропрочных сплавов резко ограничивало возможности повышения температуры газа и, как следствие, экономичности газовой турбины. Попытки решения проблемы за счет заимствования высокожаропрочных литейных сплавов СЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12У и др.Э. нашедших широкое внедрение в авиационном моторостроении, были неудачными из-за чрезвычайно низкой стойкости деталей из этих сплавов вследствие процессов поверхностного взаимодействия с продуктами сгорания загрязненных топлив. Не оправдались также попытки создания модификаций существовавших материалов без реализации новых подходов к схеме легирования в целом! это привело лишь к ухудшение их механических свойств, не удовлетворив требований к уровни коррозионной стойкости. В связи с этим, в отечественной практике в начале 80-х годов вынужденным было решение использовать такие сплавы как ВЖЛ18 СЗП539ІЮ для судовых турбин и ЖС6К, ЭИ893, ЭИ307А - для энергетических турбин, несмотря на их неудовлетворительные характеристики.
Созданию принципиально новых коррозионностойких материалов препятствовало отсутствие научных подходов к легированию таких сплавов, которые прошли бы экспериментальное обоснование. Потребности развития соответствующих отраслей обусловили проведение в 1975-1995 годах достаточно интенсивных исследований отечественных ученых, причем наиболее весомые результаты были получены школой В. И. Никитина, учеными ИПЛ АН Украины СО.СКостырко. И.В,Оры-шич). КИНГА С Е.Н. КарповЭ, ЦНИИТМаш СА.В.Рябченков. А. И. Максимов} и некоторыми другими.
Учитывая чрезвычайное научное и практическое значение упомянутой проблемы для материаловедения в энергетическом и судовом машиностроении Украины на протяжении 1975-95 годов в Запорожском государственном техническом университете Сбывший Запорожский машиностроительный институт) учеными школы, которуп создал Б. С.На-тапов и возглавляет А. Д. Коваль, был выполнен широкий комплекс исследований, направленных на отработку научных основ легирования жаропрочных сплавов на никелевой основе, стойких в условиях ВТК.
Изучение стойкости материалов в высокотемпературных корро-
лонноактивных средах как предпосылки успешного решения вышеупо-янутой проблемы была начата и выполнялась при непосредственном частий автора неотъемлемой составной частью комплекса исследова-ий. осуществленных в соответствии с Постановлением Президиума АН ССР N 455 от 8.12.1977 г. "Исследование и разработка жаропроч-ых сплавов для работы в продуктах сгорания сернистого топлива", КНТ СССР N 180 от 3.05.1979 г. "Создать жаропрочный сплав и раз-аботать технологию изготовления охлаждаемых лопаток газотурбинах установок, работающих на высокосернистых топливах при темпе-втуре газа перед турбиной 1000-1100'С". ГКНТ СССР. Госплана СР, Президиума АН СССР N 516/272/174 от 29.12.1981 г. "Защита еталлов от коррозии, создание и развитие производства коррозион-гостойких материалов". Комиссии Президиума СМ СССР N 249 от '.07.1982 г., ГКНТ СССР N 319 от 30.06.1983 г. - задания ЦКП Э.Ц.017 "Создать рабочие, направляпцие лопатки для газоперекачивающих установок из коррозионностойких жаропрочных сплавов на ни-селевой основе", планов госбюджетных НИР Минвуза и Минобразования /крайни С1980-1996 гг.Э.
Представляемая работа посвящена развитии закономерностей коррозионностойкого легирования и механизмов разрушения поверхностных слоев никелевых сплавов, работающих в условиях контакта с продуктами сгорания газотурбинных топлив, характерных для судовых и энергетических ПУ. и направлена на решение важной хозяйственной проблемы - созданию на этой основе широкого спектра новых сплавов с различным соотношением коррозионной стойкости и механических свойств для удовлетворения потребностей хозяйственного комплекса Украины и СНГ в материалах для изготовления лопаток и других деталей горячей части ПУ. В работе были поставлены и решены следующие вопросы:
выбор и обоснование методики оценки коррозионной стойкости сплавов исходя из морфологии продуктов коррозионного разрушения деталей энергетических и судовых ПУ;
обоснование выбора основы сплавов и необходимых легирующих элементов для дальнейшего исследования с учетом термодинамики процессов ВТГК;
выяснение механизма процессов развития коррозионного раз-
рушения, включая соотношение объемной и локальной ВТГК:
систематическое изучение влияния легирующих элементов н высокотемпературную коррозионную стойкость никелевых сплавов:
Формулирование принципов коррозионностойкого компромиссно го легирования сплавов для энергетических и судовых ПУ с учета закономерностей влияния легирующих элементов как с точки зрени: обеспечения достаточного уровня стойкости в условиях ВТГК, так і достижения высокой жаропрочности:
создание на основе установленных закономерностей серии жаропрочных сплавов, стойких в условиях ВТГК. определение уровня и] коррозионной стойкости в разных условиях испытания и основных механических характеристик, внедрения их для изготовления опытных і опытно-промышленных образцов лопаток ПУ с изучением состояли* после ресурсных испытаний.
Научная новизна.
С использованием специально созданного лабораторного стенде для высокотемпературных коррозионных исследований и разработанной методики ускоренных испытаний в условиях, обеспечивших имитацию коррозионноактивных сред стационарных и судовых ПУ с достижением качественного и количественного соответствия полученных результатов с наблюдаемыми на реальных деталях газовых турбин после длительной эксплуатации:
1 Установлены новые концентрационные зависимости раздельного и совместного влиянием легирующих компонентов Схрома, титана, алюминия, вольфрама, молибдена, кобальта, ниобия, тантала, редкоземельных металлов и иттрия) на показатели высокотемпературной горячей коррозии СВТГК) литейных жаропрочных никелевых сплавов.
Определены концентрационные пределы легирования хромом, разделяющие группы сплавов с принципиально различным уровнем стойкости С сплавы с ограниченной концентрацией до 1,5% Сг; низ-кохромистые 1,5-7% Сг: умеренно легированные 7-15% Сг и с повышенным уровнем легирования >15% Сг). Установлен минимально допустимое С13-15Х) содержание хрома, обеспечивающее удовлетворительную стойкость сплавов в условиях ВТГК.
Показан механизм положительного влияния титана на уровень коррозионной стойкости сплавов вследствие связывания серы в стабильные сульфиды и предотвращения возникновения зон. обедненных
легирующими элементами, и Формирования легкоплавких звтектик. Установлено, что выбор соотношения концентраций Т1/А1>1 является необходимым условием создания коррозионностойких композиций.
Определены предельные концентрации и количественные соотношения молибдена, вольфрама, ниобия, не вызывающие ускорение процессов коррозионного разрушения и обеспечивающие сохранение допустимых значений параметров ВТГК.
Установлено положительное воздействие тантала на показатели ВТГК, которое с ростом температуры испытаний превосходит влияние титана.
Показана преимущественная роль механизма диффузии кратчайшими путями в развитии коррозионного разрушения, что требует использования микролегирующих элементов Ситтрий, РЗЮ для блокирования зернограничной диффузии за счет образования стабильных ок-сисульфидных включений.
-
На основе установленных количественных соотношений легирующих элементов и полученных уравнений регрессии углублены научные принципы коррозионностойкого легирования литейных жаропрочных никелевых сплавов, стойких в условиях ВТГК, как базы для последующего обоснования концентрационных границ с точки зрения жаропрочности и технологичности. Математические модели, связывающие показатели ВТГК и легирование сплавов, использованы для прогнозирования коррозионной стойкости материалов.
-
Развита комплексная оценка влияние легирующих и микролеги-рупцих элементов на коррозионную стойкость, структуру и Фазовый состав продуктов ВТГК и приповерхностных зон во взаимосвязи со структурой и основными свойствами сплавов.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоят в;
- использовании принципов коррозионностойкого легирования для создания жаропрочных никелевых сплавов с различным соотношением уровня стойкости к ВТГК и уровня механических свойств в соответствии с требованиями условий эксплуатации конкретных деталей горячей части ГТУ. использующих низкосортные топлива. Следствием, этого стало создание нового класса жаропрочных коррозионностойких сплавов СЗМИ-2, ЧС70ВИ. ЗМИ-3. ЗМИ-ЗУ, ЗМИ-6), которые защищены авторскими свидетельствами на изобретения;
использовании некоторых из разработанных композиций д: изготовления лопаток и других деталей ПУ с проведением onw но-промышленных и эксплуатационных испытаний для определен! уровня их коррозионной стойкости в реальных условиях работы газе вых турбин. Разработанные жаропрочные коррозионностойкие сплэе серии ЗМИ СЗМИ-3, ЧС70ВИ. ЗМИ-ЗУ, СНЛ-1) после определения осное ных характеристик структуры и свойств, паспортизации и утвержде ния технических условий на получение шихтовой заготовки были ре комендованы к использованию и внедрены для изготовления опытных опытно-промышленных партий деталей горячей части ПУ. Сплав ЗМИ-испытан в условиях ПО "Союзгазификация" совместно с НПО ЦКТ им.Ползунова и фирмой "ТИССЕН" СФРГ), следствием чего стало реше ние о промышленном использовании этого сплава для изготовлени лопаток газовых турбин ГГК-10И и ГТК-25И вместо сплава IN738, ко торый традиционно используется зарубежными фирмами. Сплав ЧС^ОВ] использован для изготовления рабочих лопаток судовых ПД в условиях СПБ "Машпроект" С г.Николаев), прошедших испытания на опытных образцах корабельных двигателей с суммарной наработкой д< 2000 часов Св том числе, на максимальных режимах до 350-540 часов), что до 2,3 раз превышает ресурсные требования, без появления дефектов:
внедрении коррозионностойких сплавов для серийного изготовления деталей ПУ, работающих в продуктах сгорания коррозион-ноактивных топлив. Сплав ЗМИ-3 СХН84ВМКЮТ) используется на ПС "Турбомоторный завод" С г. Екатеринбург) в качестве материала направляющих лопаток и сегментов газоперекачивающих агрегатов типе ГТН-16: ГТН-16М Ссерийного выпуска) и ПН-25-1 С опытно-промышленный образец). Внедрение разработанных сплавов позволило повысить температуру газа перед турбиной до 920'С в газоперекачивающем агрегате типа ГТН-16 и до 1020'С - в агрегате типа ГТН-25 и увеличить ресурс работа направляющих лопаток в 2,5 раза, а рабочих лопаток - в 1,5 раза па сравнению с ранее исполъзоваными сплавами СЖС6К. ЭИ893Л, ЭП402). Использование сплава ЧС70ВИ на судовых ПУ дало увеличение ресурса деталей горячей части в 3 раза по сравнению со сплавом ЭП539Ж за счет увеличения коррозионной стойкости на 30-40Х и жаропрочности на 20-25Х.
Общий экономический эффект от внедрения жаропрочных корро-
ионностойких сплавов, разработанных в соответствии с предложен-ыми в представляемой работе принципами коррозионностойкого леги-ования при непосредственном участии автора составил 5720тыс. руб. в ценах 1990 года), в том числе доля автора 1269 тыс.руб. На защиту выносятся:
-
Комплексная методика ускоренных испытаний жаропрочных ма-ериалов в условиях ВТГК с использованием разработанного стенда ля изотермических испытаний.
-
Результаты комплексного исследования влияния принци-иально важных компонентов жаропрочных никелевых сплавов на пока-атели стойкости в условиях ВТГК во взаимосвязи со структурой и азовым составом образующихся продуктов коррозии.
-
Обоснованные принципы коррозионностойкого легирования жа-опрочных никелевых сплавов для достижения определенных крите-иальных показателей параметров ВТГК как предпосылки обеспечения ксплуатацианной долговечности создаваемых материалов.
-
Химические составы серии высококоррозионностойких жароп-очных сплавов, защищенных авторскими свидетельствами на изобре-эния: результаты апробации сплавов іопытно-промышленных и промыш-энных испытаний и внедрения для изготовления деталей горячей асти ПУ. которые прошли ресурсные испытания.
Апробация работы. Основные результаты и поло-
эния докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзных,
эспубликанских научно-технических конференциях и семинарах, а
менно! First International Conference on Engineering and
imctlonal Materials: Theory, experiment, interaction CLvlv,
Э93), International Conferences "Problems of Corrosion and
ntlcorroslon Protection of Construction Materials"
"Corrosion-94","Corroslon-96"J CLviv. 1994. 1996). International anference "New Structural Steels and Alloys" CZaporo2hye, 1995), -nd International Symposium of Ukrainian Mechanical Engineers in rov, 1995, на Всесоюзном семинаре "Основы технологии и принципы денки жаропрочных сталей и сплавов для изготовления деталей га-эвых турбин" С Ленинград, 1978). семинаре "Легирование и свой-гаа сталей и сплавов" СКиев» 1980), I-V Всесоюзных конференциях Човые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для эвышения надежности и долговечности изделий" С Запорожье. 1980,
1983Л986,1989,1992), Республиканской конференции "Новые корро-зионностойкие металлические сплавы, неметаллические материалы v покрытия" СКиев, 1983), IV—VII Республиканских научно-технических конференциях "Неметаллические включения и газы в литейных сплавах" СЗапорожье, 1985, 1988,1991.1994). Всесоюзной конференции "Физико-химические аспекты жаростойкости неорганических материалов" С Запорожье,1986), семинаре "Новыа стали и сплавы, режимы ил термической обработки" С Ленинград, 1991), II Международной конференции "Проблемы украинской научно-технической терминологии" С Львов, 1993), семинаре "Проблемы современного материаловедения " С Днепропетровск. 1995) и других.
Публикации. По материалам диссертации издано 35 печатных трудов, новизна и оригинальность разработки серии сплавон защищена 5 авторскими свидетельствами на изобретения.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, перечне ссылок из 461 названия и дополнений, содержащих сведения о практической реализации результатов работы. Диссертация изложена н 180 страницах печатного текста, содержит 111 рисунков и ЗО таблиі
