автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Изменение структуры и свойств литейного жаропрочного никелевого сплава при температурно-силовом воздействии

На правах рукописи

■^¿рп-ъс/к

ТИХОМИРОВА Елена Александровна

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЛИТЕИНОГО ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ПРИ ТЕМПЕРАТУРНО-СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРЕАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005059531

Санкт-Петербург 2013

005059531

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Климов» Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, А.И. Рыбников

Заведующий отделом ОАО «НПО ЦКТИ»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, В.И. Горынин

Заведующий лабораторией ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей»

кандидат технических наук, А.Г. Ковалев

Ведущий специалист ЗАО НПФ «Энтехмаш»

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации

Защита диссертации состоится « 2J-) » 201 Зг в - Q0 часов

на заседании диссертационного Совета Д 520.023.01 при открытом акционерном обществе «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова» (ОАО «НПО ЦКТИ»)

по адресу: 191167, г. Санкт-Петербург, ул. Атаманская, д. 3/6

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ОАО «НПО ЦКТИ»

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета ОАО «НПО ЦКТИ»: 191167, г. Санкт-Петербург, ул. Атаманская, д.3/6 факс: (812) 717-43-00, e-mail: general@ckti.ru

Автореферат разослан « ^ » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /

кандидат технических наук L В.М.Ляпунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Турбина высокого давления относится к числу наиболее высоконапряженных узлов авиационного газотурбинного двигателя (АГТД). Высокие окружные скорости и температуры, работа в агрессивной газовой среде, частая смена температурных режимов значительно ограничивают надежность и ресурс турбинных лопаток. Требуемый ресурс рабочих лопаток (РЛ) (10-ь20)Т03 циклов, поэтому основным конструкционным материалом для них являются высокожаропрочные никелевые сплавы монокристаллической структуры. Литейные жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС) относятся к многокомпонентным сложнолегированным дисперсионно-твердеющим сплавам. Уровень служебных характеристик таких сплавов и их сопротивление разрушению в значительной степени зависит от параметров упрочняющих фаз (состав, форма, размер, расположение в твердом растворе). Последнее для выбранной композиции легирующих элементов определяется технологией получения и режимами термической обработки (ТО) материала.

Частой причиной выхода из строя современных АГТД в условиях эксплуатации с предельными параметрами рабочего цикла является разрушение РЛ, которое зачастую объясняют термической усталостью (неизотермическая малоцикловая усталость). Термическая усталость обусловлена многократными теплосменами на нестационарных режимах работы. Особенности механизма термической усталости ЖНС остаются недостаточно изученными.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния температурно-силового воздействия, приближенного к предельным параметрам рабочего цикла турбины, на структуру и свойства материала РЛ. Исследования проводились в рамках ОКР по увеличению ресурса двигателя РД-33, а также с целью создания научно-технического задела для реализации работ по внедрению новых материалов в конструкцию перспективных вертолетных двигателей. Технологическое опробование предусмотрено на 2013-2014 годы в рамках программы ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года».

Цель работы - при температурно-силовом воздействии, приближенном к условиям эксплуатации АГТД изучить комплекс эксплуатационных свойств и структурные особенности сплава ЖС32-ВИ, определяющие работоспособность материала рабочих лопаток.

В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:

- исследовать фазовый состав и микроструктуру (состав, форма, размер, расположение в твердом растворе упрочняющих фаз) при термическом воздействии;

- изучить структуру и свойства, при варьировании технологических параметров термической обработки РЛ для целенаправленного улучшения характеристик материала;

- исследовать влияние структурного состояния материала на уровень механических свойств, сопротивление ползучести и термической усталости;

- исследовать особенности разрушения монокристаллов в процессе испытаний на термическую усталость;

- разработать методы, необходимые для проведения исследований на монокристаллах

Научная новизна работы:

1. Изучено влияние температурно-силового воздействия на структуру и уровень свойств монокристаллов сплава ЖС32-ВИ. Выявлено снижение прочностных свойств сплава ЖС32-ВИ после длительных изотермических выдержек по сравнению с данными сертификата. Установлена зависимость свойств монокристаллов сплава ЖС32-ВИ от выделения карбидной фазы М6С в исследуемом температурно-временном интервале.

2. Разработана методика определения параметров кристаллографической ориентировки монокристальных изделий.

3. Предложен новый принцип испытания материалов на термическую усталость, заключающийся в создании упругопластической деформации путем использования нагружающей рамы из материала с коэффициентом линейного расширения, отличного от исследуемого образца.

4. Определены особенности термической усталости сплава ЖС32-ВИ:

- установлен механизм возникновения пластической деформации при испытаниях сопротивления материала термической усталости на корсетных образцах; разработана методика расчета величины пластической деформации в цикле;

- выявлена и показана важная роль нулевого полуцикла при термоциклических испытаниях и в процессе термической усталости изделий;

- разработан способ устранения отрицательного воздействия нулевого полуцикла на долговечность в термоциклических испытаниях, заключающийся

в варьировании максимальной или минимальной температуры в нулевом полуцикле;

— объяснено влияние выдержки при максимальной температуре цикла на снижение долговечности, заключающееся в увеличении продолжительности температурного диапазона протекания пластической деформации в полуцикле охлаждения;

— объяснено влияние изотермических выдержек, предшествующих термоциклическим испытаниям, на снижение долговечности материала, в связи с увеличением пластической деформации в цикле из-за снижения его предела текучести.

Практическая ценность работы:

— сформулированы технологические рекомендации и обоснован выбор режима ТО отливок лопаток из сплава ЖС32-ВИ, способствующего увеличению запасов прочности РЛ двигателей типа РД-33 до первого капитального ремонта;

— получены характеристики ползучести и термической усталости сплава ЖС32-ВИ;

— разработана методика определения параметров кристаллографической ориентировки (КГО) монокристальных изделий при производстве турбинных и установка РДУ «КРОС-3»;

— разработано автономное устройство для испытаний на термическую усталость экспериментальных образцов, готовых изделий и защитных покрытий.

Положения, выносимые на защиту:

— результаты структурных исследований и определения уровня эксплуатационных свойств материала после полного цикла ТО и температурно-силового воздействия в условиях приближенных к эксплуатации;

— экспериментальное обоснование технологии ТО отливок монокристаллических лопаток для увеличения запаса прочности;

— разработанная рентгенографическая методика и установка определения параметров КГО монокристальных изделий и автономное устройство для термоциклических испытаний;

— особенности сопротивления термической усталости сплава ЖС32-ВИ.

Достоверность результатов работы подтверждается достаточным

экспериментальным материалом, с привлечением современных методов

исследования (стандартных и специально разработанных). Достоверность научных выводов и рекомендаций обеспечивается удовлетворительным согласованием расчетных и экспериментальных данных.

Личный вклад автора - разработан режим ТО рабочих лопаток, опробованный в условиях серийного производства ОАО «ММП имени В.В. Чернышева» и программа аттестации свойств материала. Получены экспериментальные данные в лабораториях ОАО «Климов» и выполнены последующие расчетные работы. В соавторстве разработаны: установка РДУ «КРОС-3» и автономное устройство для проведения термоциклических испытаний. Автору принадлежит постановка задачи по определению сопротивления термической усталости сплава ЖС32-ВИ и методика расчета пластической деформации при термоциклических испытаниях на плоских образцах корсетной формы.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях: «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, в 2009 и 201 lr.r,VI международной научно-технической конференции, Казань 2011 г; V Международной научно-технической конференции молодых специалистов авиамоторостроительной отрасли «Молодежь и авиация новые решения и передовые технологии» 16-20 мая 2011 Украина, Запорожье; Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые решения и технологии в газотурбостроении» 5-8 октября 20Юг в ФГУП «ЦИАМ»; Международном научно-техническом симпозиуме «Авиационные технологии XXI века» 16 августа 2011 , Москва, ЦИАМ; III международной научно-технической конференции "Авиадвигатели XXI века", 20 Юг, Москва, ЦИАМ; Международной научно-практической конференции 510 декабря 2011 г. ХХХХ «Неделя науки СПбГПУ»; Международной научно-технической конференция «Новые материалы и Технологии глубокой переработки сырья - основа инновационного развития экономики России», Москва «ВИАМ» 25-28 июня 2012 г; Международном научно-техническом форуме, посвященном 100-летию ОАО «Кузнецов» и 70-летию СГАУ, 5-7 сентября 2012г; XVII Международном конгрессе двигателестроителей, Рыбачье-Украина 14-19 сентября 2012г; 19-th European Conference on Fracture (ECF19) Kazan, Russia, 26-31 August, 2012.

Публикации. Основное содержание отражено в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата, в том числе 9 работ опубликованы в

изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 3 патента на полезную модель.

6

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и пяти приложений. Работа изложена на 220 страницах машинописного текста, содержит 158 рисунков и 45 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности проблемы, новизну и

практическую значимость, определяет цель и задачи работы.

В главе 1 рассмотрены современные ЖНС, предназначенные для

изготовления монокристаллических PJT. Проанализированы основные причины

разрушения PJ1 на примере летной эксплуатации АГТД гражданского и двойного

назначения. Рассмотрена технологическая цепочка производства PJT, и

теоретические вопросы выбора ТО, включая гомогенизацию как важную стадию

формирования структуры и комплекса эксплуатационных свойств материала

лопаток. Рассмотрено влияние объемной доли упрочняющей у'-фазы и

распределения карбидной фазы на уровень эксплуатационных характеристик

материала PJI. Подчеркивается роль определения КТО при проведении

комплексных исследований на монокристаллах для аттестации их свойств.

Приведены отличительные особенности термоусталостного разрушения

(неизотермической малоцикловой усталости) от испытаний на малоцикловую

усталость (изотермическая малоцикловая усталость). Проанализированы

результаты современных экспериментальных работ по изучению термической

усталости на монокристаллах. По результатам обзора сделан вывод о влиянии

параметров структуры на эксплуатационные характеристики материала PJI.

В главе 2 представлены: материал, методики испытаний и оборудование -

промышленное и экспериментальное, которые использовались при проведении

работы, результаты разработки программно-методического обеспечения, установки

и методики определения параметров КТО на монокристаллах методом Лауэ по

техническим требованиям ФГУП «ВИАМ». Приведены результаты сравнительных

испытаний разработанной методики и установки РДУ «КРОС-3» и

дифрактометрического способа контроля на аппарате ДРОН-3, показана

сходимость результатов в пределах 1-2 градусов. Разработано автономное

устройство для проведения термоциклических испытаний. Устройство

предназначено для проведения термоциклических испытаний в условиях

исследовательских лабораторий предприятий. Оно представляет собой жесткую

рамку (С~со) по отношению к жесткости образца. Принцип и способ проведения

испытаний на термическую усталость с помощью устройства основан на разнице в

7

коэффициентах линейного расширения образца Оц, и нагружающей рамы. Практическое опробование устройства для термоусталостных испытаний со съемкой лауэграмм на установке РДУ «КРОС-3» позволили наблюдать за процессами, происходящими в зоне пластической деформации исследуемых объектов: изменение исходной ориентировки, образование блочности (явление астеризма), размытие дифракционных пятен и изгиб от суммарной поперечной составляющей вектора сдвига, действующих систем скольжения. Разработанное устройство позволяет определить расчетное значение упругопластической деформации исследуемого материала и число циклов до разрушения в процессе термоусталостных испытаний. Устройство также помогает реализовать схему растяжения исследуемого образца в процессе нагрева.

Структурные исследования и испытания выполнены на углеродсодержащем сплаве ЖС32-ВИ, предназначенном для изготовления монокристаллических РЛ. Химический состав отливок исследуемых плавок для проведения ТО находится в пределах марочного состава по сертификату на сплав ЖС32 и указан в таблице 1. Исследования свойств материала при температурно-силовом воздействии проводилось на трех режимах ТО, с расчетом баланса легирования (ДЕ).

Таблица 1 — Химический состав сплава ЖС32-ВИ после литья (вес.%)

метод вснк Режим ТО С Сг Со Мо Та Яе № А1 N1 ДЕ

2 партии отливок 1 0,15 4,60 9,30 1,20 8,70 3,50 3,90 1,55 5,80 Оси -0,0377

2 партии отливок 2 0,15 4,60 9,40 1,15 8,70 3,50 4,00 1,60 5,60 Оси -0,0105

2 партии отливок 3 0,16 4,50 9,40 1,10 8,60 3,50 4,00 1,60 5,60 Оси -0,0187

Предложен способ гомогенизации со скоростью охлаждения 80+110°/мин в опытном (режим 1) и в серийном производстве в закалочных печах «Элтерма» (режим 2,3). После гомогенизации отливки подвергались технологическим нагревам согласно директивной технологии производства РЛ.

Аттестация механических свойств при температурах осуществлялась по ГОСТ 1497, ГОСТ 9651. Испытания на ползучесть проводились по ГОСТ 10145 и ГОСТ 3248. Испытания на термическую усталость проводились на плоских корсетных образцах в вакууме с нагревом электрическим током. Металлографические и фрактографические исследования выполнялись на растровых электронных микроскопах ТЕЯСАЫ и ЛЮЬ, а также на оптических

8

микроскопах ZEISS, Neophot с системами количественной обработки изображений. Фазовый состав определялся методом рентгенофазового анализа, с предварительным электрохимическим изолированием соединений, образующихся в сплаве.

В главе 3 представлены результаты анализа режима ТО (по серийной технологии), а также структурные исследования образцов, в ходе отработки ТО РЛ после трех режимов гомогенизации (режимы 1, 2, 3). Технология высокотемпературной термической обработки в части определения температуры гомогенизации оптимизировалась на основании металлографических исследований структуры сплава ЖС32-ВИ и данных об уровне эксплуатационных свойств РЛ. При температуре 1235-1240°С гомогенизация приводила к неполной перекристаллизации упрочняющей у'-фазы. Перекристаллизация у'-фазы происходила только в осях дендритов 1-го и 2-го порядков, при этом в межосном пространстве у'-фаза интенсивно коагулировала, что формировало структуру «недогрева» после гомогенизации. Увеличение температуры гомогенизации до 1280°С привело к полной перекристаллизации упрочняющей у'-фазы в осях и межосных пространствах. Последующим этапом оптимизации ТО являлось варьирование скорости охлаждения после гомогенизации от 80 до 110°/мин, с целью получения однородной мелкодисперсной упрочняющей у'-фазы и уменьшения разницы в размерном несоответствии упрочняющей у'-фазы в осях дендритов и межосных пространствах. Микроструктура, полученная с высокой скоростью охлаждения (110°/мин) после гомогенизации (режим 1) отличается однородностью распределения упрочняющей у'- фазы по всему объему отливки. Среднее значение времени до разрушения образцов, термообработанных по режиму 1, при испытаниях на длительную прочность (о=300МПа и Т=975°С) составляло 180 часов, а после технологических отжигов при Т=1050-1080°С в течение 12 часов снижалось до 130 часов, что связано с коагуляцией у'-фазы и началом карбидных превращений.

При ТО по режимам 2 и 3 в структуре обнаружено начало выделения карбида М6С игольчатой морфологии рисунок 1. Выделение и рост карбида М6С происходит на этапе длительных нагревов под гомогенизацию и пайку в промышленном производстве и в процессе технологических отжигов защитных покрытий. По результатам испытаний механических свойств построена температурная зависимость условного предела текучести а0д после ТО, включающей гомогенизацию и многократные отжиги (рисунок 2).

4271 11 43 эе|

Рисунок 1- Игольчатый карбид М6С в сплаве ЖС32 после ТО

Рисунок 2 -Температурная зависимость Оо.г (средние значения) сплава ЖС32 после ТО по сравнению с минимальными значениями паспорта V

Значение Сто,2, рассчитанные с учетом ориентационной зависимости для сплава ЖС32-ВИ при Т=20°С и Т=500°С, приведены на рисунке 3. Согласно экспериментальным данным при Т=20°С увеличение Сто,2 на 10-15% зафиксировано на образцах с положением осей в области мягких ориентировок, т.е. при выделенной системе скольжения, а при 500°С в области твердых ориентировок, т.е. при одновременной работе всех систем скольжения. Значительного снижения пластичности у сплава ЖС32-ВИ, в отличие от безуглеродистых сплавов ЖС36, СМБХ-4 (рассматривались в работе для сравнения свойств и структуры), при Т=500°С не обнаружено. Испытания при 500°С показали, что для ориентировки <011> происходит смена действующих систем скольжения по достижении деформации 5% с (111)[-211] на (-111)[101]. Движение оси растяжения показано на рисунке 36.

Шй

а) б)

Рисунок 3 - Ориентационная зависимость предела текучести ао,2 сплава ЖС32 (а) при Т=20°С, (б) при Т= 500°С

Деформирование в области температур 800^850°С показало, что максимальные значения сто,2 отмечаются при Т=850°С. В области температур 800-н850°С пластичность зависит от КГО. При отклонении оси образца на 4, 6 и 8 градусов от <001> пластичность растет (ц/,%). Высокотемпературная деформация при температурах 975°С и 1050°С при увеличении скорости деформирования с 10~3 с ' до 10~2 с"1 приводит к увеличению Стод.

Влияние структуры, сформированной после изотермических выдержек при 1050°С - 75ч, 1100°С - 50ч, 1150°С - 10ч, 1200°С - 5ч, 1250°С-2,5ч, 1300°С-1ч, соответствующих «кратковременным» забросам температуры на профильной части пера РЛ в условиях эксплуатации, на снижение экспериментальных значений а0,2 при Т=20°С по отношению к расчетным для конкретной ориентировки образца показано на рисунке 4.

Рисунок 4 - Влияние изотермических выдержек на а0,2 при Т=20°С

Установлено, что изменение а()2 обусловлено снижением содержания объемной доли у'-фазы, изменением морфологии частиц и карбидными превращениями. После изотермических выдержек в области температур 1050-И250°С по данным фазового анализа установлено присутствие карбидных фаз типа МС и М6С. Фаза типа М6С стабильна в этой области температур.

Влияние изотермических выдержек на длительную прочность при (ст=300МПа Т=975°С) монокристаллических образцов, с отклонением оси менее 10 градусов от <001>, связано с изменениями микроструктуры: с соотношением объемной доли первичной у'-фазы в межосных пространствах и средним размером частиц у'-фазы (рисунок 5). В области температур от 1150°С происходит значительное снижение содержания первичной у'-фазы и идет выделение вторичной мелкодисперсной у'-фазы размером 0,05-0,1 мкм, которая оказывает

упрочняющий эффект на стадии роста частиц и тем самым приводит к увеличению времени до разрушения.

250

? 200

Л* tI 150

I

i 100

козгу/ *ци*

■зблзсз: втор^чкс фазе

Ш0С-75час

шос-50 чек

1150С- 12000 1250С-10чзк 5час 2.5ча< Режим выдержки

13МС-1чк

$ ЧЙСТИЦЫ.МКМ < 10-1 $Удс*ля. до испыт%

:ÍO:C iíEC- i-iVZ-

д) Режим выдержки ^

Рисунок 5 - Влияние выдержек на длительную прочность (а=300МПа, Т=975°С)

(а) изменение долговечности от режима предварительной выдержки; (б) изменение объемной доли первичной у'-фазы в межосном пространстве и средней площади частиц в осях и межосных пространствах

Имитация условий длительной эксплуатации РЛ проводилась выдержкой образцов и лопаток при температурах 850, 950 и 1050°С длительностью от 500 до 2500 часов. Структурные изменения обусловлены процессами коагуляции у'-фазы, вторичными выделениями у'-фазы и карбидными превращениями:

МС+у—>МбС-+У и МС+у^МиСб+у.

При увеличении содержания у' и карбидообразующих элементов в исходном химическом составе ЖС32 с (ДЕ=+0,04, где №-1,8%, Та-4,0%, \¥-9,0%, С-0,16%), выделения вторичных фаз игольчатой морфологии отмечены после 1500 часов. Выделения игольчатого карбида М6С в количестве 2% по всем исследуемым режимам ТО (режимы 1,2,3) с химическим составом,

согласно таблице 1, обнаружены Рисунок 6 - Изменение размера частиц

у'-фазы от режима выдержки (где м/о-после выдержки 2000 часов. , ,

размер у -фазы в межосном пространстве)

- «™ф™*850°С

f

i ......1в50'е-ось'

s

i t vmx-Ф

/

l i А

i / J*

500

1000 1500 время, час

2000 2500

Структурные изменения при Т= 950°С связаны с выделением карбида М(1С уже после 500 часов выдержки. Установлен фазовый состав по исследуемым режимам. Наряду с у, у'-фазами, МС, М^С, в структуре материала, обнаружен карбид М2зСб при ТО по режиму 2. Сравнение данных фазового анализа образцов после термообработки и выдержки, указывают на процессы обеднения твердого раствора легирующими элементами и выделением вторичных фаз (рисунок 7).

Режим 1 Режим 2

35 40 45 50 35 40 45 50

2в. град. 26, град.

а) в>М,С оМС оЦр, V уфаза в МЧС <> МС оМЦС, -> у-фаза

Рисунок 7 - Пример сравнения дифрактограмм сплава ЖС32-ВИ (а) после ТО, (б) после выдержки при Т=950°С-500 ч

Дальнейшие выдержки до 1000 и 1500 часов соответственно, при температуре 950°С ведут к увеличению содержания карбида М6С и сопровождаются процессом коагуляции у'- фазы (рисунки 6, 8-1, 8-2). Выдержки при 1050°С в течение 500 и 1000 часов приводят к значительным изменениям структуры (рисунки 6,8). Фазовый состав сплава в исследуемых режимах одинаков: у, у'-фазы, МС, М6С, при ТО по режиму 2 обнаружен карбид М2зС6. Измерение периода кристаллической решетки карбидной фазы типа М6С показало, что ее значение в области температур длительных и кратковременных выдержек (850-1250°С) соответствует величине 11,03-11,05 А. Величина периода решетки соответствует данным для карбидных фаз данного типа, образующихся в сплавах на никелевой основе, легированных Мо и Рентгенографическими исследованиями присутствие ТПУ-фаз в сплаве ЖС32 в исследуемом температурно-временном интервале в режимах 1,2,3 не обнаружено. Однако, при исследовании в растровом электронном микроскопе отмечены выделения игольчатой формы, похожие на выделения ТПУ-фаз.

Рисунок 8-2- Игольчатые выделения после выдержек в сплаве ЖС32-ВИ (а) Т=850°С-2500 ч (б) Т=950°С-1500 ч (в) Т=1050°С- 1000 ч

Металлографические и рентгеноструктурные исследования образцов и лопаток позволили построить сруктурно-фазовую диаграмму выделения карбида МбС (рисунок 9а). Размер игольчатых выделений изменяется в зависимости от режима выдержки (рисунок 96).

Рисунок 8-1 - Изменение микроструктуры в сплаве ЖС32-ВИ (а) Т=850°С - 2500 ч; (б) Т=950°С-1500 ч; (в) Т=1050°С-1000 ч

О 200 400 6С0 8Ш 1003 1200 1«0 1600

Рисунок 9а - Структурно-фазовая диаграмма выделения игольчатого карбида М6С

60 %0 | 40 10 0 — -4- ч

- "Т й7

! I ? и 1 1 1 1 1 1

Рисунок 96 - Размер игольчатых выделений от режима выдержки

Исследование механических свойств при Т=20°С после длительных выдержек выявило снижение а0,2 в результате структурных изменений. Отмечено снижение о0,2 на 20-30% по сравнению с образцами без выдержки. Выделение вторичных фаз неблагоприятной игольчатой морфологии вносит вклад в снижение пластичности. При активной деформации в области температур 850°С и 1050°С влияние микроструктуры оказывается менее выраженным, характеристики прочности и пластичности снижаются на 10-15%, наибольшее снижение зафиксировано у образцов с точной ориентировкой [001], при этом \|/,% зависит от КГО. Установлено, что снижение прочностных характеристик материала после выдержек, оказывает влияние на снижение долговечности в 2 раза при термоциклических испытаниях.

В главе 4 представлены результаты исследования ползучести на I и II стадии при температурах 850, 975, 1050°С в состоянии после полной ТО и после длительных изотермических выдержек. Результаты испытаний на ползучесть при Т=850°С показали, что на I стадии, при о=480МПа, деформация ползучести у образцов с точной ориентировкой [001] больше, в случае, когда частицы у'-фазы крупнее (режим 2,3). В испытаниях при а=550МПа и Т=850°С влияния длительной выдержки (при Т=950°С, 1500 часов) не обнаружено, поскольку скорости ползучести на образцах после ТО и после длительной выдержки одинаковы £st =1,2-10~4ч~'.

Исследования ползучести при о=150МПа и Т=1050°С позволили установить, что частицы у'-фазы размером от 0,25-0,35 мкм, упорядоченно расположенные в твердом растворе, благоприятно влияют на образование и стабильность рафт-структуры на II стадии ползучести, что приводит к увеличению долговечности на 10-15%. Предварительная высокотемпературная деформация образцов на 8~1% при о=550МПа и Т=850°С в течение 8 часов приводит к снижению долговечности на 30%. Предварительная выдержка при Т=950°С в течение 1500 часов, увеличивает скорость ползучести на порядок, по сравнению с образцами без выдержек. В испытаниях при а=300МПа и Т=975°С установлено, что изотермические выдержки при Т=1050°С в течение 500 часов снижают долговечность в 2-3 раза. На кривых ползучести при о=300МПа и Т=975°С после выдержки при Т=850°С в течение 1500 часов отмечен рост деформации без выраженной I и II стадии ползучести со скоростями £st~2,3- 10"3ч"' (рисунок 10а). Об интенсивной пластической

деформации образцов можно судить по увеличению длительной пластичности. Экспериментальные данные показывают, что связь скорости установившейся ползучести £8( и приложенных напряжений подчиняется степенному закону Нортона: ё^ =А-а" (рисунок 106). У материала, подвергнутого предварительной

выдержке (Т=1050°С, 500 часов), угол наклона прямой существенно больше, чем у материала только после ТО. Результаты удовлетворительно согласуются с эмпирической зависимостью Ё^ -Тр^сог^ .

¿5

5833 10000 15500 20800 25000 30030 а) Бремя, т б)

Рисунок 10а - Кривые ползучести при а=300МПа и Т=975°С образцов после выдержки 850°С, 1500 часов

97 ^Сстар^

.....975*C/f 1 ^ •

V /

19"

19

Ю'5 ¡О"1 ¿да1 Рисунок 106 - Зависимость скорости ползучести на II стадии от приложенных напряжений

Получены изохронные кривые при температурах 850, 975, 1050°С, позволяющие проводить расчеты прочности лопаток в условиях ползучести (рисунок 11).

Г -•■-етноБйадя 1Qti№m ыгнсгешая Uz с 5'iac

/ Ü :

Ja

fr..............................

f ......."

1.2 1.6 2 деформация %

а) » « •• «SL-Jt 2 11 » » б) Рисунок 11 - Пример изохронных кривых для сплава ЖС32 (а)Т=1050°С, (б)Т=975°С

В главе 5 приведены результаты исследования термической усталости сплава ЖС32. Испытания на термическую усталость сплава ЖС32 проведены на плоских корсетных образцах. Выбор образцов корсетной формы обусловлен возможностью осуществлять моделирование термической усталости стенок лопаток в условиях эксплуатации благодаря созданню стеснения термической деформации в локальной рабочей зоне образца. Испытания выполнены в условиях абсолютной жесткости (С~со), которая обеспечивает полный переход термической деформации А1тсрм в упругопластическую Д1уПр+пл. по режимам, приведенным в таблице 2.

Таблица 2- Режимы термоциклических испытаний

Тт;„ °С=СОП51 Тшах°С=соп51 Примечание

200 1050 Сильная зависимость а0,2И 8% после 900°С

200 1100

500, 600, 700 1050

500, 600, 700 1100

500 1000

150 900 Слабая зависимость и0.2 от Т°С

Температурный цикл включает 2-х мин.выдержу при Тпшх

Оценка сопротивления материала термической усталости включает построение зависимости долговечности 1\тр (число циклов до разрушения) от пластической деформации в цикле епл. В связи с этим, проанализировано развитие пластической деформации в локальной зоне корсетного образца. Установлено, что она формируется под воздействием заплечиков образца, которые стеснены с одной стороны (со стороны головок образца). Для оценки пластической деформации еплр (растяжение) и (сжатие) в локальной зоне /0, разработан метод расчета, который включает вклад в ее величину термической и упругой деформации всего объема образца и учитывает установленное экспериментально распределение температуры в корсетном образце (рисунок 12). Результаты испытаний приведены на рисунке 13.

По результатам эксперимента была построена зависимость между размахом пластической деформации (сп.,р+г.п,|'"А) в цикле и долговечностью до разрушения в логарифмических координатах. Она удовлетворительно описывается эмпирическим соотношением Коффина (£плр+£Ш1сж)-Мрп=соп51 с показателем степени п = 1,6 для ТП1ах=1100°С и п = 0,57 для Ттах=1050°С (рисунок 13).

а)

Рисунок 13- Результаты ТЦ испытаний

........ Гпдас / ......./ 1с50т

/ л» ' ®!50-9сс'сс осо'с

: /

1 2 "з ' ' " ТЕМ Рисунок 14- Зависимость еШ1 от

Проведенные эксперименты и расчеты позволили сформировать представления о процессах, происходящих в полуциклах испытаний. Установлено, что в конце нулевого полуцикла («нагрев-сжатие») в центральной зоне образца пластическая деформация достигает несколько процентов и составляет до половины относительного удлинения материала при растяжении. Высокая деформация еплсж объясняет раннее появление микротрещин в испытаниях. Она создает в материале дефектную структуру - «зоны микропластичности и микротрещин», которые развиваются последующим нагревом и охлаждением, приводя в конечном итоге к разрушению. Такой характер развития термической усталости в корсетных образцах существенно отличается от принятой модели накопления повреждений и предельного состояния материала. Устранять воздействие нулевого полуцикла на результаты последующих ТЦ испытаний предлагается посредством варьирования максимальной или минимальной температуры в нулевом полуцикле. Предложено объяснение причины снижения долговечности в

испытаниях, включающих выдержку при Т1ШХ. Анализ показывает, что к этому приводит удлинение температурного интервала, в пределах которого протекает пластическая деформация в полуцикле охлаждения, в связи с тем, что во время выдержки релаксируют напряжения сжатия от полуцикла нагрева и отпадает необходимость их снятия во время охлаждения (рисунок 15).

В условиях реальной работы двигателя при стационарном режиме в лопатках аналогичным образом происходит релаксация напряжений и переход к нестационарному режиму сопровождается охлаждением, как в нулевом полуцикле, с высокой епл по его завершении и высоким уровнем растягивающих напряжений в низкотемпературной области, где пластичность ЖНС существенно падает по сравнению с пластичностью при высоких температурах.

Анализ полученных экспериментальных данных дает основания полагать, что вся совокупность явлений, вызывающих разрушение от термической усталости, должна быть разделена на две области. В первой области, протекающие процессы связаны с пластической деформацией в цикле и в исследованиях с помощью термоциклических испытаний с варьируемой жесткостью нагружения задают епл с помощью упругих элементов (эта область наиболее изучена) или температурного интервала цикла. Во второй области, стеснение свободной термической деформации не достаточно, чтобы привести к пластической деформации, и здесь доминирует достигаемый уровень напряжений, как при механической усталости, но уровень этот может быть очень высоким - близким к пределу текучести материала. Долговечность материала в этой области следует изучать в зависимости от напряжений и,

[!ин ](< к.]

АТ

Рисунок 15 —Влияние О-полуцикла на долговечность (а), влияние выдержки на удлинение температурного интервала еш|р (б)

возможно, по аналогии с механической усталостью, понадобится ввести понятие предела выносливости термической усталости.

По данным фрактографических исследований проведен расчет средней скорости роста трещин термической усталости (СРТУ) с учетом инициации трещин в нулевом полуцикле. В области больших деформаций и малых долговечностей (1+4)-101 СРТУ составляет 310"2 мм за цикл, в области малых деформаций и больших долговечностей 3 (102-103) СРТУ в среднем 4-10" мм за цикл. Фрактографические признаки термической усталости: многоочаговость, сглаженность изломов, наличие крупных как бы оплавленных микробороздок обнаружены в зоне средней долговечности при циклировании по режимам (500, 600, 700°С<->1050°С и 1100°С). Характерными микроструктурными изменениями при этом является коагуляция у'-фазы и выделение мелкодисперсных карбидов.

В области больших деформаций (2,4-3,6%) и малых долговечностей строение излома характерно для статического разрушения, а долговечность зависит от количества действующих систем скольжения в образце и направленности вектора сдвига относительно рабочей поверхности образцов. При больших долговечностях (3-ь4)-103 и работе материала в упругой области, обнаружено, что развитие разрушения происходит в основном от первичных очагов, однако ярковыраженных признаков развития усталостного разрушения не обнаружено. Микроструктурные изменения заключаются в ротации и рафтировании у'-фазы в следах сдвига.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведено исследование структуры и свойств материала, влияющих на работоспособность монокристальных РЛ, при температурно-силовом воздействии, приближенном к условиям эксплуатации АГТД с предельными параметрами рабочего цикла. Полученные данные на монокристаллах сплава ЖС32-ВИ включают: атласы микроструктур, результаты фазового анализа, данные по механическим свойствам, ползучести, длительной прочности и термической усталости с учетом кристаллографической ориентации. Выявлено снижение прочностных свойств монокристаллов сплава ЖС32-ВИ после длительных изотермических выдержек по сравнению с данными сертификата. Количественно показано влияние структурных изменений, связанных с

выделением вторичных фаз и коагуляцией упрочняющей у'-фазы, на снижение условного предела текучести ст0,2 и пластичности 5,%, а также на увеличение скорости ползучести и снижение долговечности в исследуемом интервале температурно-силового воздействия.

2. Для целенаправленного улучшения свойств материала разработан режим термической обработки, обеспечивающий повышение статической прочности на 10-15% (условного предела текучести и длительной прочности). Формирование требуемой структуры обеспечивается повышением скорости охлаждения после гомогенизации и пайки при производстве рабочих лопаток и снижением времени выхода на температурный режим гомогенизации и пайки. Разработанный режим термообработки рабочих лопаток опробован в серийном производстве двигателей РД-33 на ОАО «ММП имени В.В. Чернышева».

3. Разработаны методика для определения параметров кристаллографической ориентировки монокристальных изделий произвольных размеров и установка РДУ «КРОС-3». Разработано автономное устройство для проведения термоциклических испытаний ЖНС и защитных покрытий на образцах и натурных изделиях. Технические решения защищены патентами РФ и практически опробованы в условиях опытных и серийных предприятий авиационной отрасли.

4. Разработана методика расчета величины пластической деформации в цикле на плоских образцах корсетной формы при термоциклических испытаниях. Предложена новая трактовка влияния выдержки при максимальной температуре цикла на долговечность. Даны объяснения о влиянии нулевого полуцикла на термоусталостную долговечность изделий и рекомендации по его устранению при проведении термоциклических испытаний. Исследованы особенности разрушения монокристаллов сплава ЖС32-ВИ в процессе испытаний на термическую усталость, построена кривая термоусталостной долговечности и рассчитаны скорости роста трещин усталости в диапазонах термоциклирования и фрактографическая карта признаков термической усталости в исследуемых интервалах.

Результаты показывают, что необратимая деформация в профильной части лопаток в процессе длительной эксплуатации может быть заметно выше расчетной, в связи с изменениями структуры материала лопаток, влияющей на снижение условного предела текучести а0 2, пластичности, увеличения скорости ползучести на I и II стадиях и снижения длительной прочности, и

термоусталостной долговечности. Результаты работы используются при уточненных прочностных расчетах долговечности рабочих лопаток перспективных авиационных ГТД (вертолетных и самолетных) при стационарных и нестационарных режимах нагружения. Результаты исследования могут быть использованы при постановке задач по определению работоспособности современных ЖНС 4-го и 5-го поколения в составе перспективных АГТД.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Научные статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК:

1. Тихомирова Е.А. К вопросу о выборе новых жаропрочных никелевых сплавов для перспективных авиационных ГТД / H.A. Шарова, Е.А.Тихомирова, А.Л. Барабаш, A.A. Живушкин, В.Э. Брауэр // Вестник СГАУ.- 2009. - №3(19). часть 3. -С.249-255.

2. Тихомирова Е.А. Оценка состояния развития и применяемости современных материалов для деталей турбины перспективного авиационного двигателя / H.A. Шарова, A.A. Живушкин, А.Л. Барабаш, Е.А. Тихомирова // Научно-технические ведомости СПбГПУ серия «Наука и образование». - 2010. - №2-2(100).

- С.93-98.

3. Тихомирова Е.А. Определение методом Лауэ кристаллографической ориентировки и разориентировки блоков монокристаллических изделий при производстве турбинных лопаток / Е.Ф. Сидохин, Е.А.Тихомирова // Вестник СГАУ.

- 2011. - №3(27). часть 3. - С. 43-49.

4. Тихомирова Е.А. К вопросу исследования свойств жаропрочных никелевых монокристаллических суперсплавов / A.A. Живушкин, Л.Б. Гецов, А.И. Рыбников, Е.А. Тихомирова // Вестник СГАУ. - 2011. - №3(27). часть 2. - С. 89-96.

5. Тихомирова Е.А. Об исследованиях влияния кристаллографической ориентировки на эксплуатационные свойства монокристальных турбинных лопаток / A.A. Живушкин, Е.Ф. Сидохин, Е.А.Тихомирова // Вестник СГАУ. - 2011. - №3(27). часть 3. - С.50-54.

6. Тихомирова Е.А. К вопросу исследования свойств жаропрочных никелевых монокристаллических суперсплавов - II часть / A.A. Живушкин, Е.А. Тихомирова, Л.Б. Гецов, А.И. Рыбников // Тяжелое машиностроение. - 2011. - №9. - С.24-29.

7. Тихомирова Е.А. Сопротивление деформированию и разрушению монокристаллических сплавов при статическом и термоциклическом нагружении /

Jl.Б. Гецов, А.И. Рыбников, A.C. Семенов, A.B. Григорьев, Е.А. Тихомирова // Надежность и безопасность энергетики. -2012. —№3 сентябрь. - С.53-62.

8. Тихомирова Е.А. Устройство для контроля сопротивления материалов термической усталости / Е.А. Тихомирова, Т.Н. Азизов, Е.Ф. Сидохин // Вестник СГАУ.-2012. -№3(34). часть 1. - С. 122-126.

9. Тихомирова Е. А. Термоциклические испытания монокристальных образцов / Е.Ф. Сидохин, Т.Н. Азизов, Е.А. Тихомирова // Заводская лаборатория и диагностика материалов. 2013, №2, С.59-62.

кроме того в следующих изданиях: Ю.Тихомирова Е.А. Об исследовании влияния кристаллографической ориентации на эксплуатационные свойства монокристальных турбинных лопаток / A.A. Живушкин, Е.А. Тихомирова // Материалы VI Международной научно-технической конференции - Казань: Изд-во Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева, 2011. — Т.2. — С.149-153.

11. Тихомирова Е.А. Технологии повышения уровня эксплуатационных характеристик рабочих лопаток авиационных ГТД из жаропрочных никелевых сплавов / Е.А. Тихомирова // Сборник Итоги диссертационных исследований М:РАН. МИАСС, 2011. - Т.З. - С. 15-26.

12. Тихомирова Е. А. Критерии разрушения монокристаллических сплавов при статическом и термоциклическом нагружении / Л.Б. Гецов, A.C. Семёнов, А.И. Рыбников, Е.А. Тихомирова // Вестник двигателестроения. - 2012. - №2. - С255-263.

13. Тихомирова Е. А. О термической усталости жаропрочных сплавов

/ Е.А. Тихомирова, Т.Н. Азизов, Е.Ф. Сидохин // Авиационные материалы и технологии. Сборник ВИАМ. - 2012. - №3. - С.3-9.

14. Патент на полезную модель №115487 РФ, МКП G01N 23/20 (2006.01) Устройство для определения ориентировки монокристаллов / Е.А. Тихомирова, Е.Ф. Сидохин.

15. Патент на полезную модель № 123157 РФ, МПК G01N 3/00 (2006.01) Устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости

/ Е.А. Тихомирова, Т.Н. Азизов, Е.Ф. Сидохин.

16. Патент на полезную модель № 123523 РФ, МКП G01N 3/00 (2006.01) Устройство для испытания сопротивления материалов термической усталости

/Е.А. Тихомирова, Т.Н. Азизов, Е.Ф. Сидохин.

Подписано в печать 15.04.2013. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 10566Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ им. И.И. ПОЛЗУНОВА

На правах рукописи

042013564-35

Тихомирова Елена Александровна

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЛИТЕЙНОГО ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ПРИ ТЕМПЕРАТУРНО-

СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ том 1

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.И.Рыбников

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ТОМ 1

Введение............................................................................. 6

ГЛАВА 1 Современные жаропрочные материалы для рабочих лопаток ТВД перспективных авиационных ГТД, их свойства и особенности разрушения в эксплуатации..................................... 11

1.1 Анализ повреждаемости рабочих лопаток ТВД серийных и опытных перспективных АГТД................................................ 11

1.2 Особенности термической усталости (неизотермическая малоцикловая усталость) и малоцикловой усталости (изотермическая малоцикловая усталость).................................. 23

1.3 Жаропрочные материалы для перспективных АГТД................. 27

1.4 Структурная и фазовая стабильность жаропрочных сплавов....... 34

1.5 Технология производства монокристальных лопаток из ЖНС..... 38

1.6 Термическая обработка ЖНС.............................................. 40

1.7 Структурные изменения после термической обработки и температурных выдержек ЖНС................................................ 46

ГЛАВА 2 Материал и методика эксперимента............................. 55

2.1 Химический состав и термическая обработка исследуемого материала............................................................................ 55

2.2 Методы испытаний и исследований..................................... 57

2.3 Разработка методики и установки для определения ориентировки монокристальных изделий методом Лауэ................... 60

2.4 Разработка принципа и методики для термоциклических испытаний........................................................................... 68

2.5 Возможности применения устройства для исследования работоспособности защитных покрытий.............................................. 72

2.6 Испытание разработанного устройства для исследования сопротивления материалов термической усталости............................... 73

ГЛАВА 3 Структурные исследования сплава ЖС32 .

Влияние структуры на свойства сплава ЖС32.............................. 79

3.1 Изменение структуры сплава ЖС32 в процессе технологии

производства рабочей лопатки. Влияние структуры на свойства....... 79

3.1.1 Гомогенизация со структурой «недогрева»........................... 79

3.1.2 Исключение структуры «недогрева» при гомогенизации.......... 83

3.1.3 Изменение структуры и длительной прочности после гомогенизации с повышенной скоростью охлаждения.................... 88

3.1.4 Применение технологии гомогенизации с повышенной скоростью охлаждения в промышленном производстве. Влияние

структуры на механические свойства.............................................. 93

3.2 Влияние стационарных выдержек на структуру и свойства

сплава ЖС32........................................................................ 104

3.2.1 Влияние высокотемпературных стационарных выдержек

на структуру сплава ЖС32....................................................... 104

3.2.2 Влияние структуры после высокотемпературных кратковременных выдержек на длительную прочность сплава ЖС32............... 110

3.2.3 Влияние структуры после высокотемпературных кратковременных выдержек на механические свойства сплава ЖС32.............. 115

3.2.4 Влияние длительных выдержек на структуру и свойства ЖНС .. 117

3.2.5 Влияние структуры после длительных выдержек на

механические свойства сплава ЖС32.......................................... 126

ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование

ползучести и длительной прочности сплава ЖС32.......................... 133

4.1 Исследование ползучести при температуре 850°С.................... 135

4.2 Исследование ползучести при температуре 1050°С.................. 139

4.2.1 Ползучесть при 1050°С после предварительной деформации ... 139

4.2.2 Ползучесть при 1050°С при различных уровнях напряжений и влияние предварительной деформации и длительного термического воздействия.......................................................................... 143

4.2.3 Исследование ползучести при 1050°С и различных уровнях напряжений......................................................................... 147

4.3 Исследование ползучести при температуре 975°С и влияние предварительной изотермической выдержки ............................... 154

4.4 Обобщение результатов исследования ползучести................... 160

4.5 Построение изохронных кривых ползучести для расчетов

прочности монокристальных рабочих лопаток.............................. 166

ГЛАВА 5 Термическая усталость жаропрочных сплавов................. 170

5.1 Особенности термоциклических испытаний........................... 170

5.2 Развитие деформации в одном термическом цикле испытаний ... 173

5.3 Термоциклические испытания сплава ЖС32 и методика расчета пластической деформации..............................................................................................................178

5.4 Обсуждение особенностей термической усталости......................................193

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................198

ВЫВОДЫ........................................................................................................................................................201

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................................203

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ............................................................218

Условные обозначения........................................................................................................................221

ТОМ 2

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А............................................................................................................................................3

1 Примеры термоусталостного разрушения рабочих лопаток........................3

2 Химический состав некоторых ЖНС и зависимость свойств

ЖНС от количества у'-фазы............................................................................................................6

Приложение Б............................................................................................................................................15

1 Оборудование и методы испытаний на термоусталость..................................15

2 Анализ результатов отечественных испытаний на термоусталость

на монокристаллах..................................................................................................................................20

3 Современная методология структурных исследований на монокристаллах ........................................................................................................................................25

4 Особенности пластической деформации монокристаллов..........................29

5 Исследования ползучести..........................................................................................................34

6 Пластическая деформация монокристаллов в режиме

активного нагружения..........................................................................................................................39

Приложение В............................................................................................................................................45

1 Образцы для аттестации свойств исследуемого материала..........................45

2 Подготовка объектов исследования для растровой электронной микроскопии (РЭМ) и оптической микроскопии........................................................47

3 Методика расчета содержания количества фаз при помощи количественной металлографии..................................................................................................49

4 Методика расчета фаз при помощи анализаторов изображения............50

5 Определение остаточных напряжений в поверхностных слоях..............51

Приложение Г............................................................................................................................................53

1 Установка РДУ «КРОС» и программное обеспечение

для определения параметров кристаллографической

ориентации монокристаллов...................................................... 53

2 Дополнительные возможности применения автономного устройства для термоциклических испытаний при

исследовании работоспособности защитных покрытий................... 69

Приложение Д

Фрактография изломов при термоциклических испытаниях............. 73

Введение

Развитие перспективных авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) происходит в направлении повышения экономичности, минимизации габаритных размеров и массы, что приводит к росту степени повышения давления компрессора, рабочей температуры газа перед турбиной (рисунок А) и увеличению окружных скоростей. Ресурс и экономичность двигателей в большой степени определяются работоспособностью лопаточного аппарата турбины. Разработка новых конструкций рабочих лопаток (PJT) основана на инженерных ЗО-расчетах динамики газового потока и прочностных расчетах, а также на опыте создания и доводки лопаток АГТД предшествующих поколений.

Для современных АГТД на сегодняшний день максимальная температура газа

составляет: для двигателей в классе мощности 2500 л.с. - 1650 К, 1500 л.с. - 1450 К, до

1000 л.с. - 1380 К. Для ТРДДФ достигнута максимальная температура газа перед

рабочей лопаткой ТВД - 2100 К [ 127].

2000 Т,К

1700 1400 1100 800

1950 1960 1970 1980 1990 2000

Годы производства

Рисунок А Тенденция повышения температуры газа на входе в ротор турбины высокого давления

Сегодня российские авиадвигателестроители применяют лопаточные никелевые сплавы разработки ФГУП «ВИАМ» (типа ЖС6/26/32/36 - сплавы второго и третьего поколения направленной кристаллизации и мопокристального литья, а также сплавы четвертого поколения типа ВЖМ монокристального литья). Для деталей турбин перспективных АГТД интерес представляют интерметаллиды типа BKIIA (ВИН) за счет высокой жаростойкости и с относительно низким удельным весом (на 10% меньше, чем

у сплавов типа ВЖМ). За рубежом для изготовления PJI турбин используют суперсплавы типа ЕРМ, CMSX, Rene, PWA, TMS, Inconel и др.

Лопатки турбин работают в условиях агрессивных газовых сред в поле центробежных сил при высоких температурах и частой смене полетных режимов. Требуемый ресурс РЛ ТВД (lO-s-20)-103 циклов.

Несмотря на достижения в области технологии монокристального литья РЛ, объем имеющихся в отечественной промышленности экспериментальных данных по характеристикам конструкционной прочности этих сплавов является недостаточным для разработки современных моделей прочности и долговечности. В настоящее время определение НДС турбинных лопаток производится с использованием различных программных средств на основе применения метода конечных элементов (МКЭ). Для оценки прочности и ресурса используются различные критерии разрушения и модели материала [84; 106]. При этом возникает множество вопросов по использованию результатов расчетов НДС монокристаллических лопаток для определения их ресурса [15]. К их числу относятся:

- способы определения запасов прочности для лопаток, изготовленных из малопластичных материалов;

- методы расчета НДС лопаток из сплавов для монокристального литья;

- методы расчета статической прочности лопаток из сплавов для монокристального литья;

- способы определения запасов прочности при термоциклическом (ТЦ) нагружении лопаток;

- способы расчетного определения размахов деформаций при термоциклическом нагружении охлаждаемых лопаток;

- способы определения влияния длительности цикла па сопротивление термической усталости материала лопаток;

- способы определения температурных полей в лопатках на нестационарных режимах эксплуатации;

- способы определения скоростей роста трещин ползучести, усталости и термической усталости;

- способы учета влияния на прочность лопаток защитных покрытий;

- способы учета коррозионных повреждений лопаток и изменений структуры при эксплуатации.

К числу характеристик, зависящих от температуры и кристаллографической ориентации (КГО) относятся:

- сопротивление кратковременному деформированию;

- сопротивление ползучести на установившейся стадии;

- сопротивление усталости и термической усталости;

- зависимости скорости роста трещин от коэффициентов интенсивности напряжений;

- определение кратковременной и длительной пластичности и прочности.

Методики расчета ресурса, учитывающие изменение структуры материала в

процессе эксплуатации разработаны [15; 16; 18; 72] для изотропных материалов, для монокристаллов требуется развитие работ в данной области. Сегодня возникла ситуация, при которой принятие технических решений по применению материала для РЛ высокотемпературной турбины АГТД с предельными параметрами рабочего цикла сопряжены с большим инженерно-финансовым риском [126]. В первую очередь это касается суперсплавов с высоким содержанием рения и рутения, а также интерметаллидных ЖНС. Внедрение таких сплавов, несмотря на их «заманчивые» высокотемпературные паспортные свойства, из-за относительно малой изученности и апробации не предсказуемо в эксплуатации, и требует проведения длительных всесторонних испытаний и исследований. Поэтому для внедрения в перспективную конструкцию актуальными вопросами являются экспериментальные исследования работоспособности материала при заданных температурно-силовых воздействиях, приближенных к условиям эксплуатации.

Наиболее распространенным сплавом современного двигателестроения является сплав ЖС32. Он нашел применение в таких двигателях как: ТВЗ-117ВМА-СБЗ, РД-33, РД-93, АЛ-31Ф, ПС90, Д16 и др. [8; 87]. Так как в перспективных вертолетных АГТД температура на входе в турбину постоянно возрастает, актуальность использования сплава ЖС32 в качестве материала РЛ турбины сохраняется, в связи с относительно невысокой стоимостью (по сравнению со сплавами 4-го и 5-го поколения).

Настоящие исследования проводились в рамках ОКР по увеличению ресурса двигателя РД-33, а также с целыо создания научно-технического задела для реализации работ по внедрению новых материалов в конструкцию перспективных вертолетных двигателей. Технологическое опробование предусмотрено на 2013-2014 годы в рамках

программы ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года». Исследования, проведенные в данной работе, и длительная эксплуатация показали, что возможности применения

углеродосодержащего сплава ЖС32-ВИ далеко еще не исчерпаны, что связано с природой его двойного упрочнения: интерметаллидного (упрочняющая у'-фаза) и карбидного. В силу высокой стабильности его свойств, по сравнению с другими ЖНС, этот сплав представляет наибольший интерес в качестве материала для исследования и для нанесения перспективных покрытий [11; 22; 43; 128]. Основными направлениями повышения комплекса свойств сплава являются: оптимизация его химического состава и разработка режима термообработки отливок, для формирования необходимого уровня свойств в эксплуатации. Учитывая, что сплав применяется в качестве материала монокристаллических рабочих лопаток высоконагруженных турбин, следует уделять внимание изучению связи «КГО - структурные изменения - изменение комплекса свойств» при различных температурно-временпых экспозициях. При этом изучение комплекса свойств должно сводиться не только к изучению паспортных свойств, но и к изучению сопротивления циклическому деформированию, которое имеет максимальный повреждающий фактор в условиях эксплуатации.

Цель работы - при температурно-силовом воздействии, приближенном к условиям эксплуатации АГТД, изучить комплекс эксплуатационных свойств и структурные особенности сплава ЖС32-ВИ, определяющие работоспособность материала рабочих лопаток.

Основное внимание в работе сосредоточено на изучении термической усталости, так как основным требованием для сплава является гарантия его работоспособности при часто изменяющихся теплосменах.

Для исследования в работе были предложены три режима термической обработки сплава ЖС32, а также режимы длительных выдержек сплава, имитирующие условия эксплуатации. Проведена отливка образцов в литейной печи УВНК-8П методом высокоскоростной кристаллизации (ВСНК), изготовлены образцы требуемых размеров и осуществлен комплекс их испытаний (механические свойства при различных температурах, испытания длительной прочности и ползучести, термической усталости) по разработанной программе планирования эксперимента. На образцах проводилось определение КГО, анализ структурного состояния с помощью современных методов

исследования: рентгеноструктурного, оптической и растровой электронной микроскопии [79; 107]. Оценка уровня свойств проводилась при помощи методик по существующей нормативной документации и по специально разработанным методикам.

По результатам выполненной работы выпущен ряд публикаций и даны рекомендации в опытное и серийное производство. Параллельно был решен ряд инженерных задач: усовершенствован метод определения КГО - методом Лауэ на установке РДУ «КРОС», разработано устройство для проведения термоусталостных экспресс-испытаний и проведена его апробация. Технические решения оформлены патентом РФ на изобретения. Современность и актуальность выполненной работы подтверждается большим интересом к ней после апробаций (публикации, семинары, конференции) со стороны различных организаций - как отечественных, так и зарубежных. Внедрение практических результатов работы позволит расширить возможность применения сплава ЖС32, с учетом его защиты различными жаро- и теплозащитными покрытиями, а также организовать контроль КГО и термоусталостных свойств при опытном и серийном изготовлен