Содержание к диссертации
Введение
1. Исследование необратимых структурных изменений в никелевых жаропрочных сплавах в процессе длительной эксплуатации рабочих лопаток турбины 8
1.1. Формирование упрочняющей у' фазы в результате высокотемпературных технологических нагревов при изготовлении лопаток и образование «рафт» структуры в процессе длительной эксплуатации 8
1.2. Исследование особенностей образования ТПУ фаз в никелевых жаропрочных сплавах в технологическом цикле производства турбинных лопаток и в процессе эксплуатации 16
1.3. Развитие карбидных реакций в жаропрочных никелевых сплавах в процессе изготовления и эксплуатации рабочих лопаток ГТД 25
1.4. Структурная повреждаемость и работоспособность рабочих лопаток турбины с равноосной, направленной и монокристаллической структурой 29
Выводы по главе 1 43
2. Особенности эксплуатационных повреждений и разрушений рабочих лопаток первых ступеней ГТД и ГТУ 45
2.1. Статический обрыв пера рабочих лопаток турбины 45
2.2. Термоусталостное и усталостное разрушение рабочих лопаток с равноосной и монокристаллической структурой 52
Выводы по главе 2 74
3. Исследование условий образования технологических пор в жаропрочных никелевых сплавах и разработка способов их устранения 75
3.1. Формирование усадочной и газовой пористости при литье турбинных лопаток из никелевых жаропрочных сплавов 75
3.2. Образование пор в рабочих лопатках турбины с монокристаллической и равноосной структурой в процессе технологических нагревов 81
3.3. Образование зернограничных пор в рабочих лопатках турбины с направленной и равноосной структурой на операциях глубинного шлифования елки хвостовика и электроннолучевой пайки износостойких пластин 91
3.4. Применение ГИП для устранения технологических пор в турбинных лопатках из жаропрочных никелевых сплавов 93
3.5. Разработка технологии ГИП охлаждаемых турбинных лопатках из жаропрочных никелевых сплавов 99
3.5.1. Разработка технологии ГИП рабочих лопаток ТНД ГТД АЛ-31Ф из жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ 100
3.5.2. Разработка технологии ГИП монокристаллических рабочих лопаток ТВД ГТД АЛ-31Ф из жаропрочного сплава ЖС32-ВИ 104
Выводы по главе 3 110
4. Исследование механизма и условий образования хрупких технологических трещин в монокристаллических отливках рабочих лопаток ГТД охлаждаемой конструкции 112
4.1. Исследование взаимодействия щелочных и кислотных электролитов с жаропрочными никелевыми сплавами 113
4.2. Оценка напряженно-деформированного состояния монокристаллических охлаждаемых лопаток с керамическим стержнем внутри после кристаллизации 122
4.3. Отработка технологии релаксационного отжига монокристаллических жаропрочных сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ с целью снижения величины объемных растягивающих напряжений лопаток перед операцией удаления керамических стержней 131
4.4. Отработка технологии удаления керамических стержней из монокристаллических отливок турбинных лопаток из жаропрочных сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ 134
Выводы по главе 4 137
5. Исследование анизотропии свойств жаропрочных никелевых сплавов и регламентация кристаллографической ориентировки сплавов в составе рабочих лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкции 139
5.1. Применение жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ для изготовления монокристаллических охлаждаемых лопаток ТВД ГТД Д-18Т. Исследование анизотропии прочностных, пластических характеристик и длительной прочности монокристаллических образцов и усталостной прочности монокристаллических рабочих лопаток ТВД 140
5.2. Обоснование выбора оптимальной КГО монокристаллического жаропрочного сплава для охлаждаемых и неохлаждаемых рабочих лопаток турбины 150
5.3. Разработка метода определения аксиальной, азимутальной КГО и разориентировки субструктуры монокристаллических жаропрочных сплавов в рабочих лопатках турбины 156
5.4. Разработка метода усталостных испытаний рабочих лопатках турбины с направленной макроструктурой 159
Выводы по главе 5 164
6. Исследование повреждения рабочих лопаток турбины в результате окисления, эрозии и сульфидной коррозии и разработка технологии ремонта лопаток 165
6.1. Эрозия защитных диффузионных покрытий и сульфидное коррозионное повреждение внутренних поверхностей охлаждаемых каналов рабочих лопаток турбины 168
6.2. Разработка технологии ремонта лопаток ГТД с использованием восстановительного отжига в водородной среде 172
6.3. Разработка восстановительного ремонта рабочих лопаток ГТД с применением ГИП и защитой контактных поверхностей елки хвостовика 175
Выводы по главе 6 183
Общие выводы 184
Литература 185
Список работ, опубликованных по теме диссертации 197
Приложения
- Исследование особенностей образования ТПУ фаз в никелевых жаропрочных сплавах в технологическом цикле производства турбинных лопаток и в процессе эксплуатации
- Термоусталостное и усталостное разрушение рабочих лопаток с равноосной и монокристаллической структурой
- Образование пор в рабочих лопатках турбины с монокристаллической и равноосной структурой в процессе технологических нагревов
- Оценка напряженно-деформированного состояния монокристаллических охлаждаемых лопаток с керамическим стержнем внутри после кристаллизации
Введение к работе
Обострение конкурентной борьбы на мировом рынке авиационного двигателестроения выдвигает новые требования по повышению надежности, работоспособности и экономичности газотурбинных двигателей (ГТД).
Эти требования в свою очередь ставят перед разработчиками и производителями ГТД задачи увеличения гарантированного ресурса, повышения мощности двигателей при одновременном снижении их веса. Ресурс и экономичность двигателей определяются работоспособностью турбины, в первую очередь, наиболее нагруженной ее частью - I и II ступенями.
Ужесточение температурно-силовых условий эксплуатации рабочих лопаток первых ступеней турбины обусловило разработку конструкций пустотелых охлаждаемых лопаток и технологии их изготовления методом литья с равноосной и направленной кристаллизацией жаропрочных никелевых сплавов.
Разработка новых конструкций охлаждаемых лопаток основана на инженерных расчетах динамики газового потока, расчетах температурных полей, полей напряжений и полей упруго-пластических деформаций материала лопаток, а также на опыте создания и доводки лопаток ГТД предшествующих поколений, на анализе их эксплуатационных повреждений, разрушений и исследованиях причин исчерпания эксплуатационного ресурса.
Применение новых технологий и материалов предопределило изменение традиционных подходов к проблемам производства турбинных лопаток. В первую очередь это относится к необходимости учитывать высокую анизотропию упруго-пластических свойств монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов, как на стадии конструирования лопаток, так и в технологическом цикле их производства. Изготовление монокристаллических лопаток потребовало изменения технологических схем производства с целью исключения появления хрупких технологических трещин в отливках, образования рекристаллизованных зерен на поверхности лопаток после пневмоабразивной и механической обработки, а также электроэрозионного прожига перфорационных отверстий.
Использование множества прикладных программ по оптимизации процессов равноосной и направленной кристаллизации отливок и расчету температурно-силовых условий работы турбинных лопаток ГТД не может заменить результаты практических исследований состояния материала лопаток после различных этапов технологического цикла производства, а также стендовых испытаний и наработки на двигателях с максимальным ресурсом.
Это обусловлено тем, что каждая из многопараметрических моделей, применяемая на этапах создания лопатки - от проектирования ее конструкции до разработки технологии производства, содержит неопределенное количество параметров с неизвестным межпараметрическим взаимодействием и основана на численных методах расчета нестационарных тепловых полей и упруго-пластических деформаций.
Неопределенность в оценке повреждаемости материала лопатки и защитного диффузионного покрытия в процессе длительной эксплуатации обусловлена сочетанием влияющих факторов, включая конструктивные особенности лопаток, свойства материала лопатки и защитного покрытия, технологические параметры производства и специфические условия эксплуатации двигателей различного назначения.
В настоящее время основой технологического обеспечения повышения работоспособности и надежности лопаток первых ступеней турбины в процессе доводки серийных ГТД и разработки новых двигателей остается диагностика необратимых структурных ' изменений в материале лопаток, исследование эксплуатационных повреждений и разрушений лопаток. Обратная связь в цепочке «конструкция -технология - эксплуатация», основанная на диагностике лопаток, становится подтверждением правильности выполненных расчетов, выбора состава материала лопаток и защитных диффузионных покрытий, технологической схемы производства, или является основанием для доработки конструкции лопатки и оптимизации технологии ее производства.
Работоспособность лопаток первых ступеней турбины, лимитирующая ресурс авиационных ГТД, описывается совокупностью факторов, включающих:
температурно-силовую нагрузку жаропрочного сплава (конструкция изделия);
структурное состояние жаропрочного сплава (состав материалов и технология производства лопаток);
- накопление необратимых изменений тонкой структуры сплава в процессе
длительной работы на взлетном режиме и при забросах температуры газового потока на
чрезвычайном режиме (ЧР) работы двигателя, высокотемпературное окисление и
коррозионное повреждение проточных поверхностей лопаток (состав материалов и
эксплуатация);
- фреттинг-износ замков и бандажных полок, образование механических забоин от
попадания в трактовую часть двигателя посторонних предметов (эксплуатация);
- работа лопаток в резонансном режиме автоколебаний с зарождением и
последующим развитием усталостных трещин и др. (эксплуатация).
Наиболее сложными и неоднозначными являются вопросы технологической наследственности снижения эксплуатационного ресурса лопаток. Для решения этих задач требуется детальный анализ технологических дефектов производства лопаток, моделирование условий образования дефектов в процессе технологических операций путем варьирования технологических параметров и пооперационного исследования изменения дефектов в лопатках до конца технологического цикла производства.
В соответствии с изложенным, решение проблемы технологического обеспечения повышения работоспособности и надежности лопаток первых ступеней ГТД, основанное на всесторонних исследованиях структурных изменений материала турбинных лопаток, а также их эксплуатационных повреждений и разрушений, является важной и актуальной задачей.
Работа посвящена решению важной народно-хозяйственной задачи - повышению надежности и ресурса авиационных ГТД для пассажирских, транспортных и боевых самолетов, а также наземных газотурбинных установок (ГТУ).
В связи с тем, что надежность и ресурс ГТД и ГТУ определяются работоспособностью лопаток турбины первых ступеней, поставленная в работе цель -повышение ресурса рабочих лопаток турбины требует решения следующих основных задач:
- проведение диагностики эксплуатационных разрушений и структурных
повреждений, как основного материала лопаток - литых жаропрочных никелевых
сплавов, так и диффузионных защитных покрытий;
- исследование свойств и поведения материала рабочих лопаток турбины первых
ступеней в условиях температурно-силового воздействия, близкого к условиям работы
лопаток - развития необратимых структурных изменений, анизотропии механических
характеристик и усталостной прочности, механизма пластической деформации,
статического, усталостного и термоусталостного разрушения;
установление наследственных технологических дефектов, проявляющихся в эксплуатации, моделирование их происхождения в технологическом цикле производства и оптимизация технологии изготовления лопаток;
обоснование выбора жаропрочных сплавов и защитных покрытий для рабочих лопаток турбины первых ступеней ГТД и ГТУ различных конструкций, для монокристаллических лопаток - регламентация аксиальной и азимутальной кристаллографической ориентировки сплава относительно геометрических осей лопатки;
разработка технологии восстановительного ремонта рабочих лопаток турбины после отработки ресурса на ГТД и ГТУ.
Исследование особенностей образования ТПУ фаз в никелевых жаропрочных сплавах в технологическом цикле производства турбинных лопаток и в процессе эксплуатации
Для оценки склонности сплава к образованию ТПУ фаз и, прежде всего, пластинчатых выделений а фазы, в мировой практике применяется теория расчета средней
концентрации электронных вакансий N у по программе РНАСОМР [42]. Программа оценки структурной стабильности жаропрочного сплава в процессе эксплуатации двигателя основана на положении, что а фаза выделяется в никелевой матрице и в ее формировании принимают участие d- переходные металлы с большим числом электронных дырок Ny: Та, Nb (Ny = 5,66); W, Mo, Cr (Ny = 4,66); Re {Ny 3,66). Однако, собственный опыт исследований выделений о фазы в никелевых жаропрочных сплавах (рис. 2 б - 2 г, 3, 4), а также образование пластин а фазы в диффузионных слоях защитных покрытий непосредственно в интерметаллиде №зА1, свидетельствуют о прямом участии у фазы в формировании выделений а фазы. В этой связи большой интерес представляет состав пленочной зернограничной у фазы толщиной 1-2 мкм, образующейся в процессе эксплуатации в сплавах с равноосной и направленной макроструктурой.
Известно, что пленочные выделения зернограничной у фазы оказывают положительное влияние на эксплуатационные характеристики жаропрочного сплава. По данным авторов работы [32] пленочные выделения у фазы обволакивают зернограничные карбиды, контролируют зернограничное скольжение и препятствуют началу межзеренного разрушения сплава Rene-80. Однако, при нагреве выше 1100С возможно ослабление границ зерен в сплаве ЖС32-ВИ, так как температура плавления эвтектики у у, также выделяющейся по границам зерен и в межосных зонах дендритов, на 39 С ниже температуры солидус сплава [3]. Кроме этого, длительная выдержка сплава при высокой температуре может привести к образованию ТПУ фаз за счет несбалансированного увеличения содержания на межзеренной границе тугоплавких d- переходных металлов: W, Mo, Re, Та, и Сг. Образование ТПУ фаз наблюдали в сплавах CMSX-10 и Rene-б после выдержки при температурах 1050 - 1100С при суммарном содержании d- переходных металлов в количестве 19,4 и 20,0 % мае. соответственно [3].
Состав зернограничной пленочной у фазы в жаропрочном сплаве ЖС32-ВИ с направленной макроструктурой после испытаний на длительную прочность при 1000С в течение 20 часов определяли методом энергодисперсионного РСМА. Содержание легирующих компонентов в зернограничной у фазе представлено в таблице 2 в сравнении с марочным составом сплава.
Результаты определения состава зернограничной у фазы показывают, что она более легирована тугоплавкими металлами, чем упрочняющая у фаза кубической морфологии. Снижение содержания алюминия в зернограничной у фазе обусловлено заменой его танталом и ниобием, располагающимися в алюминиевой подрешетке интерметаллида №зА1. Снижение содержания в зернограничной у фазе никеля свидетельствует о замещении его атомов вольфрамом, хромом, молибденом и рением.
Суммарное содержание d- переходных металлов с высоким значением Ny в пленочной зернограничной у фазе жаропрочного сплава ЖС32-ВИ составляет (Та + Nb + W + Mo + Re) = 32,3 % мас, что значительно превышает их содержание в составе сплава, и повышает вероятность выделения ТПУ фаз.
Серия исследований состава и кристаллографической структуры ТПУ фаз, выполненная отечественными зарубежными специалистами, позволяет разделить их на несколько типов [3, 11, 42 - 46]: а фаза с тетрагональной кристаллической решеткой; Р фаза с орторомбической кристаллической решеткой; R и //. фазы с ромбоэдрической кристаллической решеткой. Наиболее высокую склонность к выделению пластинчатых ТПУ фаз в процессе длительной эксплуатации из отечественных сплавов жаропрочных имеет сплав ЖС26-ВИ (рис. 26, 2в, 3). В меньшей степени склонность выделению ТПУ фаз проявляет жаропрочный сплав ЖС32-ВИ (рис. 4).
Исследование методом РЭМ ориентационного положения пластин ТПУ фазы в монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ с известной кристаллографической ориентировкой позволило определить, что пластины ТПУ фазы риентированы по кристаллографическим плоскостям {111} никелевой матрицы. Металлографические исследования также показали, что пластины ТПУ фазы окаймлены сплошным слоем у фазы, участков контакта пластин ТПУ фазы с никелевой матрицей не обнаружено.
Методом энергодисперсионного РСМА определен состав пластин ТПУ фаз в сплавах ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ (рис. 3, 4). Установлено, что основой ТПУ фазы в сплаве ЖС26-ВИ является интерметаллид Ni-W с соотношением компонентов в атомных долях в пределах (0,51...0,56)Ni-(0,44...0,49)W, что можно представить стехиометрическим выражением NiW. Основой ТПУ фазы в сплаве ЖС32-ВИ является интерметаллидная Ni-W-Re фаза с соотношением компонентов в атомных долях в пределах (0,64... 0,7 l)Ni-(0,16...0,19)W-(0,10...0,14)Re, что можно представить стехиометрическим выражением Ni7W2Re.
Анализ состава пленочной у фазы, окаймляющей пластины ТПУ фаз в сплавах ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ (рис. 3, 4), показывает тенденцию перераспределения легирующих компонентов в процессе роста пластин. Так, например, алюминий и титан диффундируют в пленочную у фазу, ванадий, хром, ниобий и тантал распределены между фазами практически поровну (с учетом точности метода РСМА), кобальт ведет себя аналогично никелю (вероятно, частично замещая его в никелевой подрешетке интерметаллидов), вольфрам, рений и молибден диффундирует преимущественно в пластины ТПУ фаз.
Исследования образцов монокристаллических жаропрочных сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ после испытаний на длительную прочность, а также рабочих лопаток турбины ГТД, отработавших ресурс, показывают, что пластины ТПУ фаз расположены преимущественно в осях дендритов. Причиной этому является эффект дендритной ликвации, сопровождающийся обогащением осей дендритов вольфрамом и рением, повышающими температуру ликвидус расплава в соответствии с диаграммами состояния Ni-WnNi-Re[47].
Анализ структуры отечественных жаропрочных сплавов, полученных методом равноосной кристаллизации, показал, что неблагоприятные интерметаллиды и ТПУ фазы на их основе могут формироваться также и в межосных зонах дендритов.
Термоусталостное и усталостное разрушение рабочих лопаток с равноосной и монокристаллической структурой
Статическому разрушению пера лопаток, как правило, предшествует усталостное или термоусталостное развитие эксплуатационных трещин [73 — 80]. Оба механизма развития трещин реализуются в условиях сочетания ряда факторов: - возникновение циклических напряжений высокого уровня в зонах действия высоких тепловых градиентов, обусловленных сменой теплового режима работы лопатки (термоупругие нагрузки), а также конструктивными особенностями лопатки; - высокий уровень вибрационных нагрузок, возникающих в результате резонансных колебаний лопатки, ухудшения условий демпфирования по контактным поверхностям хвостовика и бандажным полкам, а также касание верхнего торца пера об уплотнительное покрытие корпуса турбины; - высокий уровень статических растягивающих напряжений, возникающий в результате сложения центробежных нагрузок, нагрузок от воздействия газового потока и термических напряжений, обусловленных неоднородностью тепловых полей в сечении пера. В большей степени термоусталостному повреждению подвержены охлаждаемые рабочие лопатки турбины, имеющие, как правило, высокие значения температурных градиентов в зонах расположения охлаждаемых каналов. Примером термоусталостного разрушения турбинных лопаток является множественное эксплуатационное повреждение охлаждаемых рабочих лопаток ТВД ГТД Д-18Т из сплава ЖС6У-ВИ с равноосной структурой. Начиная с 1994 г. до настоящего времени было выполнено исследование рабочих лопаток ТВД с двадцати шести двигателей Д-18Т. На семи двигателях произошел обрыв пера (по одной лопатке на каждом ГТД). Кроме оборвавшейся лопатки в моторокомплектах шести двигателей методом ЛЮМ1-ОВ обнаружены лопатки с трещинами в количестве от 1 до 36 штук (рис. 23). Все двигатели с обрывом пера проходили ремонт с полной заменой рабочих лопаток ТВД. Наработка двигателей после последнего ремонта на момент разрушения (или выявления эксплуатационных трещин) имели наработку в пределах 355-1351 ч. За период с 1994 г. было пять случаев выявления лопаток с термоусталостными трещинами непосредственно после сдаточных испытаний ремонтных ГТД, и два случая образования термоусталостных трещин в процессе обкаточных испытаний. Массовое выявление термоусталостных трещин ставит под сомнение гарантированный ресурс рабочих лопаток ТВД ГТД Д-18Т из сплава ЖС6У-ВИ. установить, что лопатки ТВД ГТД Д-18Т отлиты из жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ методом равноосной кристаллизации. Сплав поставки СМК (г. Ступино) по химическому составу и механическим характеристикам отвечает требованиям ОСТ 1.90126-85. Микроструктура сплава в хвостовике лопаток соответствует термообработанному состоянию без признаков технологического перегрева.
Микроструктура сплава в зоне термоусталостного разрушения (сечения пера Аз - Аз) за время эксплуатации остается без изменений, что согласуется с результатами термометрирования лопаток. Рабочая температура лопаток в зоне разрушения находится ниже температуры начала растворения упрочняющей у фазы, которая по данным РТМ 1.2.031-83 для сплава ЖС6У-ВИ соответствует 867С. Согласно техническим требованиям чертежа, рабочие лопатки ТВД ГТД Д-18Т из сплава ЖС6У-ВИ не имеют защитного жаростойкого покрытия. Зарождение и развитие термоусталостных трещин начинается от внутренней поверхности охлаждаемого канала в зоне действия максимальных растягивающих напряжений, обусловленных наличием «теплового пятна». В зоне «теплового пятна» температура стенки пера со стороны спинки значительно ниже средней температуры по сечению Аз - Аз, что обусловлено подводом в эту зону охлаждаемого воздуха. По результатам расчетов ЦИАМ, в зоне зарождения термоусталостных трещин величина суммарных растягивающих напряжений в процессе эксплуатации достигает 380 МПА при температуре внутренней поверхности охлаждаемого канала 750С. Первоначально термоусталостные трещины развиваются преимущественно по границам зерен (рис. 24а). После выхода термоусталостных трещин на наружную поверхность пера направление их движения разворачивается в сторону входной и выходной кромок, а механизм развития становится внутризерненным, что согласуется с данными работ [75 - 78]. Рельеф поверхности трещин отражает смену режима работы двигателя остановками и ускорением движения фронта трещины (рис. 246). Зарождение и развитие межзеренных трещин в процессе эксплуатации сопровождается обеднением поверхности трещин у образующими химическими элементами - алюминием и титаном, что приводит к растворению упрочняющей у фазы на глубину до 3 мкм. Вершины трещин плотно заполнены окислами металлов, входящих в состав жаропрочного сплава (рис. 25). Металлографический и фрактографический анализ рабочих лопаток ТВД ГТД Д-18Т с термоусталостными трещинами показал, что в зоне разрушения в сечение стенки пера выходят крупные дендритные зерна, размер которых достигает 6-8 мм при толщине стенки 1,6 - 1,8 мм. Термопрочность стенки пера фактически определяется прочностью
Образование пор в рабочих лопатках турбины с монокристаллической и равноосной структурой в процессе технологических нагревов
Исследование структуры жаропрочных сплавов в рабочих лопатках турбины с монокристаллической, направленной и равноосной структурой после различных технологических операций позволило выявить поры, появление которых обусловлено не только процессом кристаллизации, но и последующими операциями, связанными с технологическими нагревами литых заготовок.
К порам термического происхождения следует отнести четыре типа пор: - Поры, образующиеся при перегреве отливок рабочих лопаток ТВД в процессе высокотемпературной вакуумной обработки (ВТВО) и печной пайки в результате плавления и повторной кристаллизации глобулярных выделений у-у эвтектики.
Поры, образующиеся в результате нескомпенсированных встречных диффузионных потоков легирующих компонентов монокристаллического жаропрочного сплава, обладающих различной подвижностью, - диффузией алюминия из межосных зон в оси дендритов и встречной диффузией вольфрама и рения из осей дендритов в межосные зоны.
Поры, образующиеся в зоне поверхностного наклепа от механической обработки профиля пера в результате диффузионного стока вакансий в процессе ВТВО на межфазные границы и межзеренные границы, которые формируются в процессе рекристаллизации.
Поры, образующиеся на границах дендритных зерен в результате локального разогрева на операциях электроннолучевой пайки и глубинного шлифования профиля елки хвостовика.
В жаропрочных никелевых сплавах после направленной кристаллизации наблюдается существенная неоднородность по составу, заключающаяся в обогащении осей дендритов тугоплавкими металлами - вольфрамом, рением, молибденом, хромом, а межосных участков у - образующими металлами - алюминием, титаном, ниобием и танталом [3, 97, 98]. Химическая неоднородность обусловлена процессом роста дендрита жаропрочного никелевого сплава, при котором происходит изменение состава жидкой фазы с понижением температуры, в соответствии с положением поверхности ликвидус фазовой диаграммы сплава. Жидкая металлическая фаза, расположенная в межосных зонах, обогащается у - образующими металлами до момента достижения температуры эвтектического превращения ТЕ, после чего происходит кристаллизация у-у эвтектики.
Дальнейшее снижение температуры сплава в процессе направленной кристаллизации отливки сопровождается выделением упрочняющей у фазы в межосных зонах дендрита, а затем и в осях дендрита.
При проведении технологических нагревов отливок монокристаллических турбинных лопаток (ВТВО, пайка), выполняемых, как правило, при температурах выше температуры полного растворения упрочняющей у фазы, но ниже температуры плавления у-у эвтектики (3. существует вероятность перегрева сплава. Она определяется как забросом температуры печи, так и фактическим значением температуры ТЕ Перегрев монокристаллического жаропрочного сплава регистрируется металлографическим методом на шлифах по наличию признаков оплавления и повторной кристаллизации глобулярных выделений у-у эвтектики (рис. 37). При оплавлении у-у эвтектики в результате объемного эффекта происходит пластическая деформация никелевой матрицы, а при последующей кристаллизации эвтектики образуются усадочные поры по всему объему жидкой фазы. Кристаллизация эвтектики сопровождается формированием характерных «розеток», отражающих положение фронта кристаллизации эвтектики при охлаждении.
Рис. 3.4. Оплавление и повторная кристаллизация у-у эвтектики с образованием усадочных кристаллизационных пор в монокристаллической рабочей лопатке ТВД из жаропрочного сплава ЖС6У-ВИ при температуре пайки 1240С. а - образование розеток; б - стрелкой отмечена усадочная пора.
Поры перегрева, образующиеся при оплавлении и последующей кристаллизации у-"у эвтектики, представляют собой ансамбли пор в пределах эвтектической фазы.
Перегрев монокристаллических жаропрочных сплавов не может быть устранен путем выполнения повторной операции ВТВО. Устранение пор перегрева, как и усадочных кристаллизационных пор, возможно только методом ГИП.
Снижение вероятности перегрева монокристаллических жаропрочных сплавов при выполнении операций ВТВО и пайки турбинных лопаток связано с повышением скорости направленной кристаллизации отливки лопатки в результате уменьшения ликвационных эффектов. Увеличение скорости кристаллизации приводит к уменьшению, как размеров
Оценка напряженно-деформированного состояния монокристаллических охлаждаемых лопаток с керамическим стержнем внутри после кристаллизации
В процессе остывания монокристаллической отливки охлаждаемой турбинной лопатки после направленной кристаллизации происходит усадка металла, определяемая величиной линейного коэффициента температурного расширения ос жаропрочного сплава и температурой охлаждения отливки относительно температуры солидус Ts Наличие внутри отливки керамического стержня, оформляющего внутреннюю полость лопатки и имеющего меньшую величину линейного коэффициента температурного расширения, приводит к возникновению термических напряжений — растягивающих в металле и сжимающих в керамике. Величина термических напряжений в отливке определяется соотношением значений модуля упругости Е металла и керамики, а также температурой охлаждения отливки относительно Т$.
Задачей оценки НДС металла лопатки на операции выщелачивания керамического стержня является определение условий старта водородных трещин в металле, а также условий перехода водородных трещин в закритическую стадию развития - статический долом.
Развитие водородных трещин по базисным плоскостям куба кристаллической решетки никелевого сплава требует дополнительного рассмотрения НДС металла в отливке лопатки для однозначного вывода о том, является ли кристаллографическая ориентировка водородных трещин по плоскостям {100} спецификой механизма водородной хрупкости или определяется геометрией лопатки. При аксиальной ориентировке монокристаллического сплава в лопатке, заключающейся в задании кристаллографического направления [001] вдоль вертикальной оси Z лопатки, при произвольном азимуте монокристалла возможны случайные совпадения упругомягких направлений с направлениями действия максимальных термических напряжений в отливке лопатки с керамическим стержнем внутри.
Для решения этого вопроса был проведен следующий эксперимент. На поверхности монокристаллического образца жаропрочного сплава ЖС26-ВИ, параллельной кристаллографической плоскости (100) никелевой матрицы, с помощью твердомера Бринелля получили сферические отпечатки, имеющие плосконапряженное состояние растяжения на вогнутой поверхности. При насыщении поверхности образца водородом на катоде электролитической ячейки в щелочном электролите при плотности тока 1 = 2 А/см2 в образце образовались водородные трещины (рис. 57). Как показали фрактографические исследования, водородные трещины развиваются только по кристаллографическим плоскостям {100}, несмотря на то, что через центр отпечатка индентора проходит множество других кристаллографических плоскостей. На основании результатов эксперимента можно утверждать, что развитие водородных трещин по кристаллографическим плоскостям {100} обусловлено не особенностями напряженно-деформированного состояния (НДС) металла, а собственно механизмом водородного разрушения.
Для оценки НДС монокристаллического сплава в охлаждаемой турбинной лопатке на операции выщелачивания керамического стержня рассмотрим зону входной кромки пера, имеющую цилиндрическую форму - охлаждаемый канал радиусом R\ и наружную цилиндрическую поверхность радиусом ІІ2.
Упрощенную модель входной кромки можно представить в виде полого цилиндра с внутренним радиусом R\ = 1,2 мм и наружным радиусом i?2 = 2,1 мм из монокристаллического сплава ЖС32-ВИ с аксиальной кристаллографической ориентировкой [001] и керамическим стержнем из корунда (АЬОз) внутри. При охлаждении отливки в процессе направленной кристаллизации в момент достижения температуры солидус (7 = 1345 С, [3]) металл и керамика находятся в равновесии - все компоненты тензора напряжений в зоне контакта, как для жаропрочного сплава, так и для корундового стержня равны нулю. При дальнейшем охлаждении отливки на границе контакта металл - керамика возникают термические напряжения, обусловленные различием свойств материалов. В рассматриваемом случае необходимо определить НДС металла со стороны керамического стержня при температуре процесса автоклавного гидротермического выщелачивания керамики (ТА = 390С).
В связи с тем, что задача расчета НДС в предложенной модели связана с неоднородностью свойств материалов, рассмотрим решение для каждого материала отдельно, предположив согласованность граничных условий на их общей границе, т. е. равенство нормальных напряжений на границе со стороны металла и керамики и равенство координат внутренней поверхности металлического цилиндра и поверхности керамического стержня.
Воспользуемся известными решениями [60, 103] для НДС бесконечного полого цилиндра. В цилиндрической системе координат формулы для расчета радиальных orr(r) и тангенциальных 0фф(г) напряжений в зависимости от внутреннего (Pi) и внешнего {Pi) давления имеют вид
