Содержание к диссертации
Введение
Глава 1: Литературный обзор 14
1.1 Анализ условий работы и повреждаемости лопаток турбины авиационных двигателей и промышленных газовых турбин 14
1.1.1 Термоусталостное разрушение деталей ГТД и ГТУ 15
1.1.2 Повреждение деталей ГТД и ГТУ в услови5ГХ высокотемпературного окисления и коррозии 17
1.2 Анализ возможностей проведения эквивалентных ускоренных испытаний с целью создания искусственной наработки поверх ности 35
1.3 Состояние вопроса по восстановлению и повышению эксплуата ционных свойств лопаток газовых турбин 40;
1.3.1 Способы удаления дефектных покрытий с ремонтных лопаток турбины ГТД и ГТУ 42
1.3.2 Анализ способов повышения служебных характеристик поверхности лопаток газовых турбин 49
Выводы по литературному обзору. Пути решения поставленных задач 68
Глава 2 Изучаемые материалы и методы исследования 73
2.1 Химический состав и свойства сплава ЦНК-7П 73
2.2 Технология нанесения защитных покрытий Al-Si и ВСДП-11 на поверхность сплава ЦНК-7П 75
2.3 Оборудование для ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П 77
2.4 Методики определения жаростойкости и проведения ускоренных высокотемпературных коррозионных испытаний 78
2.5 Методики определения микротвердости, длительной прочности, сопротивления усталости и термоусталости 80
2.6 Методы анализа физико-химического и структурно-фазового,со става поверхностного слоя исследуемых материалов 87
2.7." Методика исследования процессов удаления, покрытия с поверх ности образцов химическим методом. Обработка результатов 90
Глава 3 Изучение закономерностей процесса высокотемпературной кор розии сплаваЦНКТП с алюмосилицидным покрытием A1-S1 91
3.1 Исследование влияния природы и концентрации компонентов синтетической золы и температуры испытаний на процесс ВТК. Выбор режима ускоренных высокотемпературных коррозионных испытаний 91=
3.2 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии поверхности сплава ЦНК7П 102
3.3 Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием 109
Выводы к Главе 3 119
Глава 4 Изучение механизма удаления дефектного алюмосилицидного покрытия со сплава ЦНК-7П химическим методом 121
4.1 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего дефект «несоответствие толщины», с поверхности сплава ЦНК7П 121
4.2 Закономерности удаления Al-Si покрытия, имеющего высокотемпературное коррозионное повреждение 134
Выводы к Главе 4 144
Глава 5 Исследование влияния вакуумно-плазменного и ионно-плазменного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П; на его эксплуатационные характеристики 146
5.1 Исследование влияния диффузионного вакуумного ионно-плазменного покрытия ВСДП-II на эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П 146
5.2 Изучение влияния ионной имплантации иттербия на долговеч ность и выносливость сплава ЦНК-7П 165
Выводы к Главе 5 178
Глава 6 Изучение влияние комбинированной обработки поверхности ионно-плазменными методами на свойства сплава ЦНК-7П. Разработка: ремонтной технологии лопаток турбины изделия АЛ-31СТ 180
6.1 Исследование влияния ионного модифицирования поверхности сплава иттербием на состав и структуру диффузионного вакуумного ионно-плазменного покрытия ВСДП-11 180
6.2 Исследование влияния комбинированной обработки (ионное модифицирование + вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11) на эксплуатационные характеристики сплава ЦНК-7П 192
6.3 Разработка ремонтно-восстановительной технологии лопаток турбины из сплава ЦНК-7П газотурбинного привода АЛ-31СТ 212
Выводы к Главе 6 219
Основные выводы и результаты работы 221
Заключение 223
Список литературы
- Термоусталостное разрушение деталей ГТД и ГТУ
- Состояние вопроса по восстановлению и повышению эксплуата ционных свойств лопаток газовых турбин
- Оборудование для ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П
- Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием
Введение к работе
Интенсивное развитие отечественного и зарубежного энергетического комплекса связано в настоящее время со значительными достижениями в авиационном двигателестроении. Энергоустановки наземного применения различной мощности, в состав которых входит газогенератор, нашли широкое применение как в установках для выработки тепла и электроэнергии, так и в агрегатах для транспортировки газа по территории России и за ее пределы. Такое целевое назначение энергоустановок и агрегатов обусловливает жесткие требования к их надежности в работе в течение длительного времени. Ресурс современных ГТУ и ГПА достигает 30...35 тысяч часов при межремонтном ресурсе ~ 10...15 тысяч часов. В данных условиях изделие должно обладать высокими коэффициентами готовности пуска и технического использования.
Одним из основных узлов газотурбинных установок и агрегатов является турбина, и к наиболее ответственным деталям, к которым предъявляются самые высокие требования в производстве и при эксплуатации, относятся рабочие лопатки. В процессе наработки в условиях повышенных температур, нагрузок и агрессивных сред в лопатках возникают различные дефекты, ограничивающие их ресурс.
В настоящее время доказано, что в условиях значительного парка эксплуатируемых ГТП и ГПА наиболее экономичным вариантом поддержания энергоустановок в рабочем состоянии является проведение регламентных ремонтных мероприятий. Основная цель таких работ сводится к тому, чтобы при сравнительно невысоких затратах обеспечить гарантированный ресурс как отдельных деталей, например, лопаток турбины, так и изделия в целом. В виду того, что ремонтные работы, как правило, осуществляются на тех же предприятиях, на которых производится выпуск того или иного типа энергоустановок, то данным организациям в целях обеспечения конкурентоспособности своих изделий приходится затрачивать средства на разработку и реализацию ремонтно-восстановительных технологий. В большинстве случаев этап создания и внедрения новых ремонтных технологий наступает лишь при выработке изделием своего межремонтного ресурса, что
вызывает неоправданные простои энергооборудования. В связи с этим на многих предприятиях авиационной отрасли используется принцип опережающей отработки новых конструкторских и технологических решений, касающихся проблем ремонта и восстановления деталей и узлов изделия. Такой подход требует получения информации о степени повреждаемости деталей в процессе эксплуатации, а при решении задач, связанных с повышением качества и работоспособности деталей, использования новых научных достижений.
В данной работе в качестве объекта исследования выбрана рабочая лопатка турбины низкого давления привода АЛ-31СТ, входящего в состав газоперекачивающего агрегата ГПА-16Р «Уфа», выпускаемых ОАО УМПО. Ресурс изделия составляет 30 тысяч часов при межремонтном ресурсе 10 тысяч часов. В настоящее время привод в составе лидерного ГПА имеет наработку ~ 9 тысяч часов, т.е. информация об изменении состояния лопаток за межремонтный период времени отсутствует.
В тоже время опыт ряда предприятий, например ОАО «Волготрансгаза», ОАО НПК «Трибоника» и др., показывает, что лопатки данного типа при их эксплуатации в составе ГПА ГТК-25И не выдерживают гарантированного ресурса. При наработке в материале лопаток развиваются процессы старения, которые проявляются в виде деформационного упрочнения поверхностного слоя (на глубину - 100 мкм) и деградации микро- и субструктуры (распад фазы y'-Ni3Al, размельчение субзерен никеля и возрастание плотности дефектов на их границах). В результате дальнейшая эксплуатация турбинных лопаток будет продолжаться за счет уменьшения запаса пластичности, перехода поверхностного слоя в режим ускоренной стадии ползучести и увеличения вероятности хрупкого разрушения.
В отличие от лопаток, используемых в агрегате ГТК-25И, лопатки турбины привода АЛ-31СТ имеют защитное алюмосилицидное покрытие, предохраняющее материал деталей от высокотемпературного окисления и коррозии. Однако опыт эксплуатации лопаток турбины с данным покрытием в составе
8 двигателя АЛ-31Ф, являющегося базовой частью привода АЛ-31СТ, показывает сравнительно невысокую долговечность покрытия. При наработке возникают термоусталостные трещины и коррозионные повреждения, распространяющиеся как на всю глубину покрытия, так и заходящие в основной материал на глубину до 10...15 мкм.
В связи с вышеизложенным, уже на стадии эксплуатации изделия возникает проблема обеспечения и повышения ресурса лопаток турбины, что определяет необходимость разработки мероприятий по восстановительному- ремонту. При разработке программы исследования для создания ремонтно-восстановительной технологии исходили из опыта предприятий авиационной отрасли и анализа большого объема данных патентной и научной литературы. Известно, что на первой стадии с целью выявления ремонтопригодных деталей проводится их дефектация. Отсутствие данных по повреждаемости Al-Si покрытия при эксплуатации лопаток из сплава ЦНК-7П вызывает необходимость проведения ускоренных испытании и на базе полученной информации выбора стратегии построения ремонтной технологии.
Лопатки, на которых в процессе дефектации обнаруживаются повреждения защитного покрытия без нарушения структуры материала подложки, подвергаются операции удаления дефектного покрытия с последующим перепокрытием деталей. Для обеспечения экологических требований производства требуется подобрать травильные растворы, не содержащие токсичной и не поддающейся утилизации плавиковой кислоты, входящей в состав электролитов, используемых в серийном производстве для удаления алюминидных покрытий.
Мероприятия по дефектации и удалению дефектных покрытий являются стандартными видами регламентных работ при ремонте деталей. Дальнейшее повышение ресурса лопаток турбины после удаления покрытия требует введения в ремонтную технологию операций обработки поверхности сплава более эффективными методами. Защитное Al-Si покрытие, наносимое на поверхность сплава ЦНК-7П, обладает рядом существенных недостатков, присущих шли-керной технологии. Анализ последних работ ВИАМа, института им. О.Е. Пато-на и ряда других отраслевых НИИ показывает, что наиболее перспективными
9 защитными покрытиями для никелевых жаропрочных сплавов являются ваку-умно-плазменные покрытия. Учитывая, что вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11, наносимое на лопатки из сплавов типа ЖС, обладает повышенным сроком службы, то для увеличения ресурса деталей необходимо исследовать целесообразность замены Al-Si покрытия на покрытие ВСДП-11.
Работы, посвященные проблеме создания поверхности деталей со специальными свойствами, показывают, что одним из приоритетных направлений в данной области является имплантирование сплавов на никелевой основе рядом редкоземельных элементов, в частности иттербием, который повышает жаростойкость чистого никеля. Поэтому для более полного использования эксплуатационных свойств жаропрочного сплава ЦНК-7П требуется изучение влияния на его свойства ионной имплантации иттербием.
Предполагается далее, что в результате сочетания ионно-импланта-ционного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности может быть сформирована более эффективная композиция «поверхность сплава - покрытие», которая позволит в значительной мере повысить ресурс деталей.
Анализ проблемы позволили сформулировать цель и задачи работы. Цель исследования. Исследование возможности повышения эксплуатационных свойств лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П на стадии их восстановительного ремонта путем удаления дефектного Al-Si покрытия и комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.
Задачи исследования:
Разработка методики ускоренных испытаний турбинных лопаток для имитации коррозионной повреждаемости их поверхности,
Изучение закономерностей удаления Al-Si покрытия химическим методом. Выявление эффективных составов электролитов для удаления покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.
Исследование возможности повышения ресурса турбинных лопаток путем замены Al-Si покрытия на вакуумно-плазменное покрытие ВСДП-11.
4. Изучение влияния ионно-имплантационного модифицирования по
верхности сплава ЦНК-7П на его эксплуатационные свойства и определение
эффективного режима обработки.
Исследование влияния комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности на эксплуатационные свойства лопаток турбины.
Разработка технологии ремонта рабочих лопаток турбины ГТД из сплава ЦНК-7П с целью обеспечения их ресурса.
Научная новизна
На основе анализа функционального действия компонентов различных синтетических зол и золовых отложений на лопатках из никелевых сплавов отечественного и зарубежного производства подобран состав синтетической золы и режим испытания, обеспечивающие совместное проявление сульфидно-оксидной и ванадиевой коррозии, позволяющей за минимальное время получить коррозионные повреждения покрытия аналогичные эксплуатационным.
Для решения проблемы удаления дефектного Al-Si покрытия со сплава ЦНК-7Пна основе анализа процессов на межфазовой границе «электролит — поверхность детали» и физико-химического взаимодействия между компонентами травильного раствора впервые объяснен механизм удаления дефектного покрытия и последующая пассивация поверхности сплава.
Установлено, что увеличение жаростойкости и циклической термостойкости покрытия ВСДП-11 по сравнению с Al-Si покрытием обусловлено более благоприятным распределением элементов по глубине покрытия и снижением вероятности образования хрупкой мартенситной структуры между внешней и внутренней зонами покрытия ВСДП-11.
Установлен идентичный характер зависимости механических и физико-химических свойств поверхности сплава ЦНК-7П от дозы облучения ионами иттербия, характеризующейся наличием экстремума при дозе 5*10 ион/см, обеспечивающей повышение выносливости, жаропрочности и жаростойкости
сплава за счет тормозящего действия дислокационной структуры и фаз выделения на основе иттербия.
5. Впервые показана возможность значительного повышения жаростойкости никелевых сплавов при сохранении требуемого уровня усталостной и длительной прочности за1 счет использования комбинированного ионно-имплантационного и вакуумно-плазменного модифицирования поверхности.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Разработана и запатентована методика ускоренных испытаний по
верхности никелевых сплавов с защитными покрытиями, позволяющая за 8-10
час получить коррозионные повреждения аналогичные эксплуатационным за
10-15 тыс. час наработки в составе изделия (патент РФ № 2247359). Данный
способ может быть использован для ускоренной оценки коррозионной стойко
сти защитных покрытий на никелевых сплавах и выбора эффективных раство
ров для удаления дефектного покрытия.
Разработаны составы травильных электролитов и режимы химического удаления дефектного,алюмосилицидного покрытия, имеющего наработку и без наработки. Данные составы позволяют обеспечить приемлемое качество поверхности при значительной экономии материальных ресурсов, снижении экологической нагрузки на производство и увеличении загрузки мощностей серийного гальванического участка.
Показана возможность использования вакуумно-плазменного покрытия ВСДП-11 для длительной защиты поверхности лопаток из сплава ЦНК-7П от коррозии и окисления при дополнительном повышении термостойкости в 1,2 раза и долговечности материала в 1,5 раза в сравнении с Al-Si покрытием и сохранении предела выносливости на уровне исходного состояния сплава.
Разработаны режим и технология имплантации иттербием поверхности лопаток турбины из никелевых сплавов, обеспечивающие повышение предела выносливости материала на 11;% и жаростойкости в 1,4 раза. На ФГУП НПП «Мотор» проведена обработка партии рабочих лопаток II ступени свободной турбины ГТП-10/953 на базе ТРД Р95Ш, которые прошли без замечаний приемо-сдаточные испытания в составе изделия в КЦ-5 ОАО «Башкирэнерго».
5. Разработана ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П, включающая удаление дефектного покрытия и проведение комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки поверхности деталей. Данный технологический процесс позволяет на стадии ремонта лопаток увеличить жаростойкость в 2,35 раза, коррозионную стойкость в 1,9 раз, жаропрочность в-1,6 раз и выносливость в 1,2 раза, в результате чего достигается увеличение ресурса деталей в 1,2 раза. Данный техпроцесс принят к внедрению на ОАО УМПО.
На защиту выносится:
Методика ускоренных испытаний: по моделированию коррозионной повреждаемости поверхности лопаток.
Закономерности и режимы химического удаления Al-Si покрытия с поверхности лопаток, имеющих наработку и без наработки.
Результаты сравнительных испытании, на жаростойкость, циклическую термостойкость и выносливость сплава ЦНК-7П с серийным Al-Si покрытием и вакуумно-плазменным покрытием ВСДП-11.
Закономерности влияния дозы облучения иттербием- на физико-химические, механические и эксплуатационные свойства сплава ЦНК-7П.
Результаты исследований жаростойкости, длительной прочности и сопротивления усталости сплава ЦНК-7П после комбинированной ионно-имплантационной и вакуумно-плазменной обработки его поверхности.
Ремонтно-восстановительная технология лопаток турбины ГПА из сплава ЦНК-7П по повышению их эксплуатационной надежности.
Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Уфимского государственного авиационного технического университета с привлечением мощностей серийных участков и лабораторного оборудования ОАО УМПО, ФГУПНПП «Мотор» и кафедры общей химии УГАТУ.
По результатам получен 1 патент на изобретение, опубликовано 7 статей в центральной печати. Работа докладывалась на 10 международных и 5 Всероссийских конференциях и семинарах.
В работе использованы следующие методы исследований: специально разработанные и усовершенствованные методы ускоренных коррозионных тигельных испытаний, оценки циклической термостойкости, определения съема покрытия, измерения электродного потенциала поверхности, а также стандартные методики измерения жаростойкости (ГОСТ 6130-71), усталостной прочности (ГОСТ 25.502-81), длительной прочности (ГОСТ 10145-81), металлографического (микроскоп METAVAE), рентгеноструктурного (дифрактометр РW-1800, Philips) и микрорентгеноспектрального анализа (электронный микроскоп JXA-6400, JEOL), микротвердости (микротвердомер JIMT-3M) и шероховатости поверхности (профилометр 283), изучения масс-спектров вторичных ионов (масс-спектрометр «Полюс-4» (МС-7201М). Обработка данных проводилась с использованием методов математической статистики на ЭВМ.
Диссертационная работа выполнена на 249 страницах, содержит 72 рисунка, 31 таблицу и 3 приложения.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Генеральному директору, Генеральному конструктору ФГУП HI 111 «Мотор» А. Ф. Иваху, техническому директору ОАО УМПО, к.т.н: СП. Павлиничу, нач. бюро имплантации ОАО УМПО Н.Ф.Измайловой, к.т.н. М.К.Смысловой, к.т.н. ИЛ. Семеновой, к.т.н. Е.В. Парфенову, вед. инженеру ОАО УМПО P.P. Мухамет-шину, к.ф.-м.н, Ю.М. Юмагузину, инженеру ОАО УМПО Н.Н. Кузюре, О.Г. Смольниковой, А.А. Багаутдинову за помощь, оказанную в работе.
Термоусталостное разрушение деталей ГТД и ГТУ
В условиях высокой начальной температуры газов основным фактором, ограничивающим ресурс турбинных лопаток, становится высокотемпературная газовая коррозия (ВТК). Данное явление состоит в ускоренном воздействии на поверхность деталей горячего тракта двигателя примесей, обычно присутствующих в топливе и воздухе: серы, ванадия, солей щелочных металлов. Как указывается в работе [29] присутствие этих. примесей необходимо для начала коррозии.
Основным источником коррозионных, агентов является топливо, благодаря чему в тракт попадают соединения серы, ванадия, некоторые соли щелочных и щелочноземельных металлов [30, 31]. Соединения, вызывающие ВТК или способствующие ее развитию, могут попадать в проточную часть двигателя и вместе с воздухом, поступающим в воздухозаборные камеры, а затем в компрессор и далее в камеру сгорания и турбину. Одним из наиболее агрессивных соединений является хлорид натрия [32], поступающий в турбину вместе с воздухом при эксплуатации морских и авиационных двигателей, турбоустановок в районах с засоленной почвой. Источниками примесей могут быть также грунтовые воды, проникающие в плохо оборудованное хранилище для топлива. Примеси в виде солей щелочных и щелочноземельных металлов, соединений ванадия и др. могут вызвать загрязнение высококачественного топлива при транспортировке его в цистернах, в которых ранее перевозили мазут или другое топливо с большим содержанием примесей [4].
Повреждения лопаток газовых турбин имеют различный характер [1, 34-36, 177]. Первым признаком повреждения лопаток мощных стационарных энергетических турбин типа ГТ-100, сжигающих жидкое топливо, обычно является наличие мелких бугорков, образование которых происходит в результате локального пробоя первоначально возникшей оксидной пленки. Пробой пленки может происходить из-за резких колебаний температуры, из-за ударного воздействия твердых частиц, содержащихся в газовом потоке. В местах пробоя облегчается доступ агрессивных компонентов среды к поверхности металла, поэтому интенсивная коррозия начинается здесь раньше. Появившиеся после 300...1000 ч эксплуатации при 750...800 С бугорки, сначала внешне выглядят как локальное повреждение поверхности пера лопаток и имеют конусообразный вид. При дальнейшем развитии образуется бугорок в виде сферы, который после наработки - 1500 ч может скалываться. Скол бугорков обнаруживает на поверхности язвы глубиной до 0,5 мм. Кроме того, если в начале бугорки располагаются по поверхности отдельно друг от друга, то со временем их размеры и количество увеличиваются, и на пораженном участке образуется сплошная корка продуктов интенсивно протекающей коррозии [34]. # Развитая форма ВТК лопаток стационарных и транспортных ГТУ пред ставляет собой интенсивное образование продуктов коррозии по всей поверхности пера лопатки [35]. Слой продуктов коррозии относительно неравномерный, образует шероховатую корку; при комнатной температуре он твердый и трудно удаляется.
Иной характер коррозии наблюдается при повреждении лопаток газопе рекачивающих турбин, сжигающих газообразное топливо [36]. Существенные __ коррозионные повреждения наблюдаются после 10000...25000 ч работы. При чиной возникновения коррозии является попадание в проточную часть турбин вместе с газом газового конденсата, содержащего серу, а также,вместе с пылью воздуха солей щелочных металлов и соединений ванадия. При этом в работе [14} отмечается, что повреждения имеют локализованный характер и представляет собой наросты, относительно равномерные по толщине. Они располагаются чаще всего на входной кромке и на вогнутой поверхности. Такие наросты характеризуются высокой твердостью, хорошо сцеплены с металлом, часто имеют четкую границу с остальной поверхностью пера лопатки. Исследование поперечных микрошлифов показывает, что наросты лишь немного выступают над поверхностью лопатки, при этом глубоко внедряясь в глубь металла. Такой вид коррозионных повреждений лопаток автор работы [1] назвал черной чумой. Следует также заметить, что аналогичный тип коррозии наблюдался и на авиационных газовых турбинах двадцати типов самолетов [21, 37-39, 177].
Несмотря на то, что явление ВТК было обнаружено еще в 60-х годах ХХ-го столетия, вопрос о механизме разрушения материалов остается актуаль ным и в настоящее время. В литературе выдвинут ряд гипотез, которые, однако, не со всей полнотой отражают это сложное явление и не объясняют влияния "ф всех факторов, действие которых обнаружено экспериментально. В работах [1, 40, 41] рассмотрены основные гипотезы высокотемпературной коррозии.
Приведем их основные положения. Высокотемпературная коррозия может происходить в средах, находящихся в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Присутствующие в окружающей среде сера, ванадий, кислород, которые могут быть в виде простых веществ или соединений, играют роль агрессивных окислителей.
Ряд авторов [21, 31, 32] отмечает, что очень часто при испытаниях наблюдается инкубационный период, связанный с тем, что вначале на поверхности металла образуется только оксидная пленка, оказывающая большее защитное действие, чем последующая, «деградирующая» в результате проникновения в нее других элементов, например, серы или ванадия. Образование оксидной пленки на начальном этапе коррозии вызвано тем, что активность кислорода в среде наибольшая и, кроме того, велика термодинамическая вероятность образования оксидов в таких условиях. Принимая во внимание соотношение парциальных давлений основных окислителей, например серы и кислорода, в газовой среде, следует отметить, что термодинамически стабильны (судя по диаграмме состояния M-O-S) именно оксиды. Продолжительность инкубационного периода зависит от многих факторов: природы материала, агрессивности среды температуры, структуры и состава коррозионных продуктов и пр. [42].
Состояние вопроса по восстановлению и повышению эксплуата ционных свойств лопаток газовых турбин
Высокий уровень рабочих параметров изделий и сложные условия их эксплуатации требуют создания материалов, обладающих высокой прочностью, вязкостью, жаропрочностью, жаро- и коррозионной стойкостью. Таким комплексом свойств одновременно не обладает ни один из сплавов [68].
Некоторые жаропрочные материалы, отвечая своему главному назначению - выдерживать требуемые рабочие напряжения при высоких температурах, способны одновременно обладать и необходимым уровнем жаростойкости, если при этом контактные нагрузки невелики и их действие непродолжительно. Например, деформируемые жаропрочные стали и сплавы ЭИ437Б, ЭИ617, ЭИ388 и др., которые использовались для производства рабочих лопаток турбины ГТД первых поколений, наряду с требуемым уровнем жаропрочности имели вполне удовлетворительное сопротивление газовой коррозии [69]. Достаточность уровня жаростойкости объяснялась в основном сравнительно низкими параметрами работы указанных двигателей: низкая температура газа перед турбиной Тг =750...850 С, небольшие рабочие напряжения в лопатках О"=100..Д50 МПа, непродолжительный ресурс т=100...500 ч. Газовые турбины новых поколений характеризуются несравнимо более жесткими параметрами эксплуатации лопаток: Тг 1400 С, а=200...350 МПа, т=5000...30000 ч [55]. Высокие эксплуатационные характеристики турбинных лопаток зависят в основном от состояния поверхности. Разрушение при любой схеме нагружения начинается с зарождения трещин на поверхности детали и последующего их распространения, что приводит к необходимости придания поверхности определенных свойств, повышающих долговечность детали.
Ранее отмечалось, что обеспечение назначенного ресурса энергоустановок во многом зависит от уровня повреждаемости рабочих лопаток турбины. В свою очередь, ресурс лопаток ограничивается работоспособностью защитного жаростойкого покрытия. В настоящее время лопатки с поврежденным в процессе эксплуатации покрытием подлежат замене на новые, хотя основной материал лопатки назначенный ресурс не вырабатывает [70]. В работе [71] отмечается, что в ходе ремонтно-технического обслуживания производится замена 28 тысяч лопаток в год при общем количестве 255 тысяч рабочих лопаток турбин, эксплуатируемых в составе стационарных ГТУ. Кроме того, как показывает опыт производства лопаток [72], по дефектам, возникающим в процессе нане сения различных видов защитных покрытий, отбраковывается до 20 % лопаток. Несмотря на указанную проблему, восстановительный ремонт таких лопаток
Ф турбин широкого применения на производстве не находит. Тем не менее, в на учной литературе отмечается, что проведение восстановительного ремонта турбинных лопаток позволяет продлить срок службы и сохранить в допустимых пределах базовые технические характеристики энергоустановок [71]. Продление срока службы лопаток требует решение проблемы качественного удаления дефектных покрытий с турбинных лопаток, основной материал которых не имеет повреждений, с последующим их перепокрытием. С целью повышения ресурса деталей целесообразно проведение таких мероприятий, которые на ста дии восстановительного ремонта позволили бы увеличить уровень эксплуата ционных свойств жаропрочного сплава, В настоящее время в научной и патентной литературе приводятся сведения по нескольким видам ремонта лопаток газовых турбин: механический способ [73, 74], химический метод [68, 70, 75-78] и ионно-плазменные методы обработки поверхности [79, 80].
В практике существуют два механических способа удаления покрытий.
Первый заключается в удалении покрытия на полировальном круге без врезания в основной материал [73]. Процесс весьма трудоемкий, требует высокой квалификации рабочего-полировщика, характеризуется малой производительностью и большим процентом брака деталей из-за нарушения их геометрических размеров при обработке. Второй способ предусматривает удаление покрытия путем обдувки поверхности пера электрокорундом с размером частиц 20...40 мкм [73, 74]. Недостатками процесса также являются высокая трудо ф емкость, малая производительность, отсутствие контроля за ходом процесса и полнотой удаления покрытия, неравномерность его удаления из-за сложной конфигурации изделия и разной толщины покрытия, изменившейся в процессе эксплуатации. Вследствие наличия большого количества недостатков механические методы не нашли широкого применения в производстве [72];
Оборудование для ионно-имплантационного модифицирования поверхности сплава ЦНК-7П
Исследование жаростойкости образцов проводилось весовым методом в соответствии с ГОСТ 6130-71. В качестве объекта испытания использовались образцы размером 20x10x3 мм. Перед испытаниями поверхность образцов промывалась спиртом и высушивалась. Обезжиренные образцы взвешивались на аналитических весах ВЛА-200г-М с точностью 0,0001 г и размещались в; фарфоровые тигли, доведенные до постоянной массы, после чего определялась масса образцов с тиглями. Выдержку образцов проводили в муфельной печи типа МП2У при температуре 850 ±2 С. Через каждые 10 ч испытаний тигли с образцами вынимались из печи, помещались в эксикатор для охлаждения до комнатной температуры и взвешивались. После этого цикл повторялся снова. Удельный привес образцов (q) вычислялся по формуле: q = (mi-m0)/S, (2.1) где ні; - масса образца в i-ый момент времени испытаний, г; т0 - масса образца в начальный момент времени испытаний, г; S - площадь поверхности образца, м2. Жаростойкость образцов с тем или иным видом обработки или покрытием определялась как среднее из 5-ти параллельно испытанных образцов.
Ускоренные высокотемпературные коррозионные испытания проводили на плоских образцах размером 20x10x3 мм, которые во время испытаний размещались в алундовом тигле на расстоянии 20 мм от поверхности синтетической золы, засыпанной на дно тигля (рис. 2.3).
Тигель устанавливался в керамическом контейнере с крышкой, который затем помещался в муфельную печь типа МГТ2У. Испытания проводились при выбранной температуре с выдержкой в печи в течение 5 часов. После выдержки контейнер с тиглем и образцом вынимался из печи и охлаждался до комнатной температуры со скоростью 7 С/мин. Далее образцы очищались волосяной щеткой от отслоившихся продуктов коррозии и взвешивались на аналитических весах ВЛА-200г-М с точностью 0,0001 г. После замены синтетической золы в тигле цикл испытаний повторялся. Изменение, удельной массы образцов после каждого цикла испытаний вычислялось по формуле (2.1). Численные значения изменения удельной массы образцов с тем или иным видом обработки во время испытаний на ВТК представляют собой среднее из 5-ти параллельно испытанных образцов. HV = P/F.= 1,854 xd"2, (2.2)-. где Р - нагрузка, Н; F - условная площадь боковой поверхности отпечатка, мм; d - длина диагонали отпечатка алмазной пирамидки, мм. Длительность опускания индентора составляла около 15 с, продолжительность выдержки - 5 с. Расчетная погрешность при измерении не превышала 5 %.
Для оценки глубины и степени упрочнения поверхности использовался метод измерения микротвердости на косых шлифах [132]. Измерение проводи лось на участке, который располагался под углом а=3 (рис. 2.4) к исследуемой поверхности. Рисунок 2.4 - Форма косого шлифа
Косой шлиф изготавливался путем шлифования на чугунном полировальном круге в специальном приспособлении с использованием порошка карбида бора. Затем шлиф доводился вручную на стекле до необходимой чистоты с помощью пасты ГОИ с керосином. При изготовлении косого шлифа выдерживались следующие режимы обработки: скорость вращения чугунного круга 500 об/мин, зернистость порошка карбида бора № 3, паста ГОИ № 4.
При использовании метода косых шлифов глубина исследуемого слоя подсчитывалась по результатам измерения расстояния между центрами полученных отпечатков и угла скоса шлифа (рис. 2.4) по формуле: h = / sin а, (2.3) где h - действительная глубина слоя, мкм; / - расстояние между началом косого шлифа и местом измерения, мкм; а - угол скоса шлифа, град.
Микротвердость измерялась на приборе ПМТ-ЗМ. Для оценки микротвердости тонких поверхностных слоев нагрузка на индентор составляла 20 г. Отпечатки, наносились примерно через 0,04-0,05 мм (по длине косого шлифа). Расчетная погрешность при измерении не превышала 5 %.
Изучение особенностей высокотемпературного окисления и газовой коррозии сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием
Для увеличения ресурса рабочих лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов на их поверхность наносят защитные алюминидные покрытия [21, 23, 50]. Рабочие лопатки турбины привода АЛ-31СТ изготавливаются из литейного никелевого сплава ЦНК-7П, который характеризуется высокими жаропрочными свойствами, оптимальным сочетанием прочности и пластичности, заметно превосходит по коррозионной стойкости серийный зарубежный сплав IN73 8LG [127]. Однако в случае длительной эксплуатации ( 25.. .3 0 тыс, ч) при температурах,— 800 С данный сплав нуждается в защите от высокотемпературной коррозии [2]. Поэтому на окончательно готовые лопатки шликерным способом наносится алюмосилицидное покрытие.
Алюмосилицидное покрытие после диффузионного отжига состоит из двух зон: внешней и внутренней:(рис. 3.7). Основной структурной составляющей внешней зоны является Р-фаза NiAl, легированная хромом [44]. Кремний в слое присутствует в виде твердого раствора замещения и силицидов тугоплавких элементов [36]: Карбиды на основе хрома, молибдена и вольфрама в наружном слое отсутствуют [31]. На границе между внешней и внутренней зонами наблюдается цепочка карбидов МеС и MegC, которые являются марке- рами первоначальной поверхности сплава [44]. Матрица внутренней зоны покрытия представляет собой смесь интерметаллидных фаз (З-NiAl и y -Ni3Al. По всей толщине зоны наблюдаются отдельные выделения карбидов ТІС и МебС (например, Ni3W3C) [45]. Ближе к границе с внешней зоной имеются крупные выделения карбидов на основе хрома Сг2зСб, а к границе со сплавом -пальцеобразные выделения а-фазы на основе соединения СоСг. Кремний в виду его малой диффузионной подвижности во внутренней зоне практически отсутствует [36].
Рассмотрим результаты исследований высокотемпературного окисления и коррозии в парах компонентов синтетической золы образцов из сплава ЦНК7П с алюмосилицидным покрытием [46]. Кинетическая зависимость изменения удельной массы образцов имеет вид близкий к логарифмическому и аналогична кривой, характерной для образцов из сплава ЦНК-7П без покрытия (рис. 3.8). Однако величина привеса образцов с покрытием за 300 ч испытаний уменьшается в 1,4 раза, что свидетельствует о повышении сопротивления высокотемпературному окислению. Процесс начинается с окисления основной составляющей внешней зоны покрытия - фазы (З-NiAl. Взаимодействие с кислородом приводит к образованию оксидов А1203 по границам зерен 3-фазы и превращению ее в фазу у-Ni3Al по реакции:
Динамика окисления сплава ЦНК-7П с Al-Si покрытием на воздухе при температуре 850 С: 7 - без покрытия; 2-е Al-Si покрытием P-NiAl + 3/2 02 = А1203 + f- Ni3AI. (ЗЛО).
Образовавшаяся на поверхности образцов оксидная пленка обусловливает замедление процесса окисления. Наличие кремния во внешней зоне покрытия способствует замене катионов с менее высокой валентностью Al + на катионы Si + в оксиде AI2O3, что приводит к снижению анионных вакансий в оксиде и дополнительно тормозит диффузию кислорода.
Далее процесс окисления связан с диффузией кислорода от поверхности вглубь покрытия, в основном по границам зерен оксидов, и кремния из внешней зоны покрытия во внутреннюю, а также встречной диффузией никеля и тугоплавких элементов из внутренней зоны покрытия и сплава.
Так как коэффициент диффузии алюминия в Р-фазе меньше, чем никеля [35], то алюминий практически не диффундирует во внутреннюю зону покрытия, а в основном расходуется на образование защитных оксидов, располагающихся в поверхностном слое. Никель активно диффундирует в покрытие, о чем свидетельствуют результаты микрорентгеноспектрального анализа (табл. 3.7).
Как отмечается в работе [48], при температурах 800...850 С в результате диффузии вольфрама из сплава возможно образование легко возгоняющихся оксидов WO2 и W2O5. Формирование оксидов вольфрама наряду с возможным образованием дефектных границ между перовскитами №ТіОз и шпинелями NiAI204 и NiCr204 должно способствовать разрыхлению оксидной пленки А1203 и снижать ее защитные свойства. Однако, в связи со значительной диффузией кремния во внутреннюю зону покрытия, на границе между его внутренней зоной и сплавом образуются силициды тугоплавких элементов на основе хрома, вольфрама и молибдена. Данные фазы обладают частично ковалентной связью и выступают в качестве диффузионных барьеров для проникновения тугоплавких элементов во внешнюю зону покрытия, что повышает его устойчивость.
С другой стороны, процесс обеднения }-фазы внешней зоны кремнием способствует некоторой ее дестабилизации. Диффузия никеля из сплава в покрытие способствует тому, что фаза (З-NiAl обогащается никелем. Поэтому при охлаждении образцов, согласно данным работы [44]j на границе между внутренней и внешней зонами покрытия может происходить образование мартен-ситной структуры, обладающей повышенной микротвердостью. В работе [35] отмечается также, что мартенситная прослойка может формироваться и под оксидной пленкой А120з- Наличие мартенситной структуры в покрытии, по видимому, объясняет повышение микротвердости в рассматриваемых областях покрытия после испытаний (табл. 3.8).
Образование мартенситной прослойки вызывает наличие сколов внешней зоны покрытия на локальных участках, что подтверждается изучением микроструктуры покрытия после испытаний (рис. 3.9).
Следует также отметить, что снижение защитных свойств покрытия обусловлено и распадом а-фазы, приводящим к увеличению доли карбидных фаз Ме2зС6. Данный факт подтверждается увеличением содержания хрома во внутренней зоне и кобальта, как во внешней, так и во внутренней зоне покрытия (табл. 3.7), а также некоторым возрастанием микротвердости внутренней зоны покрытия после испытаний (табл. 3.8). В результате рассмотренных про цессов защитная способность алюминидного покрытия несколько снижается и процесс окисления продолжается хотя и с малой скоростью.
Также как и для сплава ЦНК-7П процесс высокотемпературной коррозии сплава с Al-Si покрытием протекает с большей скоростью, по сравнению с окислением на воздухе (рис. 3.10). Из рисунка следует, что впервые 5 ч испытаний проявляется инкубационный период, для которого характерно незначительное увеличение массы образцов. Анализ, микроструктуры поперечных шлифов (рис. 3.11) и данные рентгенофазового анализа (таблица 3.9) позволяют полагать, что впервые 5 ч происходит оксидно-сульфидная коррозия.
