Введение к работе
Актуальность диссертации. Современные газотурбинные двигатели (ГТД) нашли широкое применение в конверсионных областях в качестве морских и наземных энергетических установок (ГТУ), при этом требование высокой надежности является основным условием, в значительной мере, определяющим безопасность и эффективность использования данного типа техники.
Как известно, ресурс газотурбинных двигателей в значительной степени зависит от надежности работы лопаток турбины, которые эксплуатируются в экстремальных условиях, подвергаясь воздействию высоких температур (800…1200 оС) и сочетаниям статических, циклических и вибрационных нагрузок.
В этих условиях происходит постепенное накопление повреждений материала, приводящее к образованию трещин, их развитию и усталостному разрушению. Как показывает практика эксплуатации газотурбинных двигателей, преждевременный выход из строя (разрушение) лопаток турбины, обусловлено недостаточной усталостной прочностью материала лопаток. В связи с этим, задача по разработке технологических методов и средств, обеспечивающих повышению служебных характеристик лопаток, является весьма актуальной.
В настоящее время, основными материалами для изготовления рабочих лопаток являются жаропрочные никелевые литейные сплавы, которые являются сложными многокомпонентными гетерофазными системами. Поэтому основные механические свойства, такие как жаропрочность, пластичность, сопротивление усталости напрямую зависят от их структуры и фазового состава. Как показал анализ литературных источников, существует большое количество технологических методов воздействия на процесс формирования фазового состава и структуры никелевых жаропрочных сплавов. Вместе с тем на текущий момент еще не выработано единого подхода по применению данных методов при решении проблемы повышения усталостной прочности материала лопаток.
Поэтому исследования для выявления возможностей различных технологических методов воздействия на структуру и свойства применительно к конкретному сплаву и к конкретной отливке, и разработка на этой основе комплексной методики повышения усталостной прочности лопаток являются, несомненно, актуальными.
Целью работы является повышение надежности лопаток газовых турбин из никелевых жаропрочных сплавов, на основе совершенствования технологии литья, поверхностного модифицирования и термической обработки.
Для достижения данной цели в работе решались следующие задачи:
1.Анализ разрушения рабочих лопаток 1 ступени ГТУ из сплава ЧС88У-ВИ в эксплуатации, с целью выявления причин образования дефектов.
2. Анализ условий литья, выявление причин появления металлургических дефектов и разработка мероприятий по их устранению.
-
Исследование влияния поверхностного модифицирования на макро и микроструктуру отливки "Лопатка рабочая 1 ступени" из никелевого жаропрочного сплава ЧС88У-ВИ.
-
Исследование изменения структуры, степени ликвационной неоднородности отливки при температурах гомогенизации и уточнение на этой основе режимов термической обработки отливок рабочих лопаток 1 ступени из сплава ЧС88У-ВИ.
-
Установление влияния различных технологических методов воздействия на структуру и свойства отливок типа "Лопатка" и разработка на этой основе комплексной методики повышения их характеристик.
Научная новизна работы:
-
Установлено, что основными причинами появления микротрещин, приводящих к усталостному разрушению лопаток являются: низкое металлургическое качество литых заготовок, а также неоднородная макро и микроструктура материала лопаток.
-
Выявлены закономерности изменения структуры поверхностного слоя отливки при модифицировании, позволившие предложить технологические режимы литья, обеспечивающие повышение усталостных характеристик сплава.
3. Определены значения коэффициентов ликвации и диффузии легирую
щих элементов сплава ЧС88У-ВИ, позволившие получить зависимость для вы
бора параметров гомогенизирующего отжига, обеспечивающего устранение
дендритной ликвации после литья.
Практическая значимость работы:
-
Разработана конструкция литниково-питающей системы и технология утепления литейной формы, обеспечивающие получение плотной отливки без рассосредоточенной усадочной пористости.
-
Предложен состав модификаторов, технологические режимы поверхностного модифицирования, обеспечивающие повышение усталостных характеристик сплава ЧС88У-ВИ.
-
Разработана методика по определению оптимального времени выдержки при гомогенизации, приводящего к максимально возможному снижению уровня дендритной ликвации, возникающей в процессе литья в никелевых жаропрочных сплавах с равноосной структурой.
-
Предложен режим термической обработки крупногабаритных рабочих лопаток 1 ступени из сплава ЧС88У, обеспечивающий максимально возможное устранение степени дендритной ликвации в сплаве, получение удовлетворительной микроструктуры и механических свойств, соответствующих требованиям технических условий на лопатки.
5. Разработана комплексная методика повышения усталостных
характеристик лопаток газовых турбин, изготавливаемых из никелевых
жаропрочных сплавов с литой равноосной структурой
Личный вклад автора состоит в теоретическом обосновании поставленных целей и задач, проведении экспериментальных исследований, анализе полученных результатов и их обобщении.
Разработанная комплексная методика, а также режимы термической обработки и литья опробованы в ПАО «НПО «Сатурн».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Факторы, влияющие на снижение усталостной прочности рабочих лопаток, сформулированные на основании выявления причин разрушения лопаток при эксплуатации изделия.
-
Технологические методы воздействия на процесс формирования структуры никелевых жаропрочных сплавов, обеспечивающие повышение усталостных характеристик рабочих лопаток.
-
Предложенные зависимости для определения оптимального времени выдержки при гомогенизации, обеспечивающего максимально возможное снижение уровня дендритной ликвации, возникающей в никелевых жаропрочных сплавах в процессе литья.
4. Комплексный подход к решению задачи повышения основных
эксплуатационных свойств рабочих лопаток турбины, как серийных
газотурбинных двигателей энергетических установок, так и авиационных
двигателей.
Методы исследования и достоверность результатов. Для достижения поставленной цели применяли: оптическую и электронную микроскопию, спектральный и, микрорентгеноспектральный анализы. Среди дополнительных методик исследования необходимо отметить: методы оценки качества отливок, включающие рентгеновский и ЛЮМ контроль, методы определения механических свойств сплава, включая испытания на кратковременную и длительную прочность, а также испытания на усталость. Достоверность, полученных научных результатов, обеспечивается применением современных методов исследований, обработки полученных данных и подтверждается положительными результатами при опробовании и внедрении результатов исследований в производственных условиях.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях: VII Международной научно-практической конференции Прогрессивные литейные технологии, Москва, МиСиС, 2013; Международной конференции Новые перспективные материалы и технологии их получения. Волгоград. 2014, Международном технологическом форуме, конференции, посвященной 100-летию П.А.Колесова. – Рыбинск. – 2015, Всероссийской научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития литейных технологий и оборудования в цифровую эпоху», Москва, МАМИ, 2016.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях, 4 из которых в изданиях, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников и приложений; изложена на 178 страницах, содержит 84 рисунка и 22 таблицы.