Разработка ресурсосберегающей восстановительной технологии для лопаток турбины высокого давления из жаропрочных никелевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Бердник, Ольга Борисовна

• Бердник, Ольга Борисовна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бердник, Ольга Борисовна

ВВЕДЕНИЕ

1 ГЛАВА Условия работы высокотемпературных деталей газотурбинных установок и применяемые для них материалы

Газовые турбины. Принцип действия. Условия работы лопаток турбины высокого давления

1.2 Методы изготовления лопаток

1.3 Классификация повреждений и процессов разрушения рабочих лопаток ТВД

1.4 Требования, предъявляемые к материалам и состоянию поверхности деталей турбин 16 >

1.5 Сплавы на никелевой основе, используемые для изготовления лопаток ТВД

1.6 Влияние легирующих элементов на электронном уровне

1.7 Термически стабильные сплавы и особенности их структурного состояния (IV уровень неравновесности)

1.8 Превращения в твердых растворах на основе никеля

1.9 Влияние фазового состава на свойства сплавов

1.10 Влияние микроструктуры на свойства сплавов

1.11 Влияние режимов термической обработки на структуру и свойства сплавов

1.12 Пути достижения прочности сплавов на никелевой основе

1.13 Жаростойкие покрытия

1.14 Диссипативные процессы и структурообразование. Роль поверхности в диссипации энергии при деформации

ВЫВОДЫ по 1 ГЛАВЕ

2 ГЛАВА Методика проведения экспериментов

2.1 Образцы и материалы

2.2 Измерение микротвердости поверхности

2.3 Контроль материала по фазовому составу (качественный фазовый анализ)

2.4 Методика определения механических свойств

2.5 Макроструктурный и микроструктурный анализ

2.6 Методика определения пористости покрытия

2.7 Обработка результатов прямых измерений

2.8 Методика расчета комплексов разрушения синергетики

2.9 Методика определения характеристик пластичности, получаемых при измерении твердости

ГЛАВА Результату работы ■

3.1 Оценка предельного состояния жаропрочных никелевых сплавов 4G70-BH

И ЧС88У-ВИ в области рабочих температур

3.2 Анализ постэксплуатационного состояния лопаток ТВД

3.3 Выбор режимов восстановительной термической обработки для продления ресурса работы материала

3.4 Результаты по оптимизации режима нанесения жаростойкого покрытия

3.5 Анализ состояния жаростойкого покрытия после эксплуатации 115 ВЫВОДЫ по 3 ГЛАВЕ

4 ГЛАВА Обсуждение результатов

4.1 Общие представления о состоянии, работоспособности лопаток предельное состояние) и поведении структуры

4.2 Энергетические критерии разрушения

4.3 Кинетическая теория прочности С.Н.Журкова

4.4 О связи плотности.(степени разрыхления) с текущей деформацией

4.4.1 Уравнение связи плотности с текущей деформацией

4.4.2 Уравнение связи предельной деформации с разрыхлением

4.5 Напряженно-деформированное состояние и прочность лопаток при термоциклическом нагружении

4.6 Метод расчетного определения коэффициентов интенсивности напряжений

4.7 Концепция повреждаемости Л.М. Качанова и Ю.Н. Работнова

4.8 Анализ повреждения сплавов лопаток ТВД, исходя из рассмотренных теорий

4.9 Рассмотрение «зубчатых» границ с точки зрения фрактальности

4.10 Объяснение поведения системы с помощью принципа подчинения

4.11 Влияние примесей на диффузионную проницаемость границ

4.12 Упрочнение материала при отжиге 158 ВЫВОДЫ по 4 ГЛАВЕ 161 5.

ГЛАВА Разработка практических рекомендаций по применению результатов работы 5.1 Экономическое обоснование применения восстановительной технологии лопаток ТВД

ВЫВОДЫ по 5 ГЛАВЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ресурсосберегающей восстановительной технологии для лопаток турбины высокого давления из жаропрочных никелевых сплавов»

Одной из актуальных комплексных и экономически выгодных задач машиностроения является продление ресурса турбинных лопаток газотурбинных установок путем восстановительной технологии, обеспечивающей улучшение функциональных характеристик структуры поверхности деталей в сочетании с мероприятиями по повышению материало- и энергосбережения, обеспечения экологичности и безопасности ремонтных технологий.

Лопатки турбины высокого давления (ТВД) являются наиболее ответственными деталями газотурбинных двигателей. Они эксплуатируются при высоких температурах, больших механических нагрузках, наложении центробежных сил, влиянии активных газовых сред, которые в сложных условиях достигают критических значений.

Большое влияние на работоспособность оказывает повреждение лопаток. Появление трещин в процессе эксплуатации, обеднение поверхностного слоя легирующими элементами способны приводить к существенному изменению структуры, понижению свойств материала, а в дальнейшем и к разрушению. На состояние поверхностного слоя лопаток оказывают влияние состав рабочей газовой среды и скорость ее потока. Поэтому работоспособность связана с наработкой двигателя в процессе эксплуатации, особенно, когда детали работают при высоких температурах. Применение жаростойкого покрытия повышает работоспособность и эксплуатационную стойкость.

Целью работы является изучение и оценка постэксплуатационного состояния структуры лопаток из жаропрочных никелевых сплавов ЧС88У-ВИ, ЧС70-ВИ, ЗМИ-ЗУ и In 738, отработавших назначенный ресурс, изыскание путей и разработка наукоемкой восстановительной технологии, обеспечивающей продление общего ресурса на основе управления структурно-энергетическими параметрами и повышения предельных характеристик материала.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Бердник, Ольга Борисовна

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В работе рассмотрена актуальная научно-техническая задача синергетического анализа жаропрочных свойств ЧС70-ВИ, ЧС88У—ВИ, In 738, ЗМИ—ЗУ, зависящая от связи параметров мега- (газотурбинная установка), макро-(лопатка ТВД) и микро- (структура) уровней.

2. Восстановительная термическая^ обработка жаропрочных никелевых сплавов на определенной стадии эксплуатации лопаток турбины высокого давления является экономически выгодной. Однако, она ограничена в силу неопределенности структурных изменений.

3. Установлены закономерности изменения структуры и представлены характеристики жаропрочных сплавов в зависимости от внутренних (химического состав, состояние поверхности) и внешних (силовые, тепловые нагрузки, газовая среда) факторов, которые выражены в виде аналитических зависимостей. Дана оценка ремонтопригодности лопаток ТВД после длительной эксплуатации.

4. Разработана, апробирована и внедрена ресурсосберегающая" восстановительная технология лопаток ТВД, режимы которой подтверждены физико-механическими методами. Для улучшения1 работоспособности рекомендуются режимы термической обработки, обеспечивающие получение «зубчатых» границ зерен. Для защиты от высокотемпературной газовой коррозии рекомендуется нанесение на поверхность пера лопаток ТВД жаростойкого (3-фазного покрытия газоплазменным методом. м

5. Для комплексной оценки состояния материала лопаток определены прочностные и пластические характеристики, а также применены комплексы синергетики, рассчитанные по этим свойствам. Приведены расчеты критериев разрушения синергетики в области рабочих температур по соотношению показателей, характеризующих величины пластической деформации, упрочнения и разрушения, позволяющие количественно определить соотношение процессов зарождения и распространения трещин.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бердник, Ольга Борисовна, 2009 год

1. Симе Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. Пер. с англ. М., Металлургия, 1976.-586■с^ил:;';1.'' . ;.; : ' ;vj.;

2. Гецов Л;Б.! Детали газовых турбин: материалы и прочность: — '2-у ,изд.,, чг.;, ' .г':, , i ' \! , ; .; .1' ;■ ' ; ' ; .• '.' .■ ;;перераб. и доп. J1.: Машиностроение, Л. отд-ние, 1982. - 296 с. ;

3. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. -М.: Металлургия, 1964-672 с. 4i;.pbCa6jiOBrjEiH'i j Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология,покрьпия). -iM.: МИСИС, 20011 632 с. : ! . , ,,

4. V^'TS''"V-: 1 г,, f jit, ^ • ; • >:r;i; j . ;; : , ■'.■•,■ред. Л.Б; ГецоваиМ^

5. Ткачев ЕЗ.Н; Методы ^повышения долговечности деталей машин-М.:

6. Машиностроение,! 11971 l — i271 с. ; ! 1 I ;

7. П.Богвинина !{ЛР., I Опарина И.Б., j Новикова ■ О.В. Анализ процесса накопленияiповреждений на различных масштабных уровнях // МиТОМ. -1997. —№4. -С. 17-22.lLiИ

8. ТУ 4819816.00009: Лопатки рабочие левые с жаростойким покрытием турбин ; < высокого-давления агрегатов ГТК-25И, ГТК-10И. Н-Фоминск.: Турбодеталь,1.ll'- ' ' • 'I

9. Погодаев ЛИ: Гидрообразивный, и кавитационный износ судового' ■ ■ ■ ' 11 ' ■ (• 'Mil' :* i' ■■ ! ' 1 ". ' ( , ■' ' ' ! I ''.'■!■■••;)!. j, : J ! , ,'i ■ j. ; . , ; 1. ■ 1 ,;■■■. ^оборудования.-Л. Судостроение, 1984. -254 с. ,'M |i!:

10. Акимов||Л:М. Выносливость жаропрочных материалов. — М.: Металлургия,i■ ! ■--ftr" I ■ I , ■ ,11 i.tf ч; I ' . ',',■.' • | III . .;

11. КабловУ E.H:, Ео^бовский j E.P. Жаропрочность никелевых .сплавов.-М::г> ' ,-'•'». '.'. !'•:!" I ' -i' ' Л' ''I ' ^ u • ■■ -j: ■ ■ ■■ . ' I i " . . '

12. Машиностроение^! 9981-464! c.; i, ' :

13. Свистунов ;T.B. ,Коррозионностройкие сплавы на основе никеля // МиТОМ. -' V'19941-^9:-'Gi9!e 13- ; ' , У л' ! . . ■) :.:>: I \ | |, ',1 ' ■ ' , .•".•• ' ; Л1 ' ' '■ ■,!■ ' | • " I •!■ ' : !'■■ ' ■

14. Жаропрочные и ^жаростойкие металлические i материалы: Физико-химические :; . принципы создания: рборник; л- М:-Наука; 1987; -. 168 е; ; .

15. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф.; Дисперсные частицы в тугоплавких металлах:—

16. Киев.: Наукрва'думка,11978. —! 240 е. ; ■:' 'Г- ; • ^ l1,' :i i ' ' .■';! . •

17. Скороход В.В. Роль различных структурных уровней высокотемпературныхматери^шов при определении'критериев их работоспособности. Доклады Vг ' I ■;''.■'.' ' 1 1 j . ' V; • '• V

18. Международной конференций «Материалы и покрытия в экстремальных1. Г : -'г 1 ; 'Iусловиях». 2008: у-С. 5,^6. г -| |. . . • js , .

19. Филатов М.А. Структура и свойства никелевых деформируемых сплавов для1 1 Г.!' -.;'.; 1,j . ' j ,:s '■

20. Г газЬвыхГтурбйн'/В.С. Судаков// МиТОМ: 1994;-№12.-С. 20- 23. •

21. Тылкин! MiA.i Справочник термиста ремонтной службы.' М: Металлургия. 1981.-1648 с.;. . , г' ! ' ; ' '. .-.„1 „V. ,, • V' -.

22. Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы на никелевой основе: Сборник. -М.: Наука, 1984.-231 с.' , : ;

23. Журавлев В'Н, Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник.1

24. Изд. 3-е перераб. и доп.(—М.: Машиностроение. 1981. — 391 с.1 , < I•• I I

25. Палатник, JI.C., i Фукс, 1М.Я., Косевич В.М. Механизм образования и1.. 'с" | ; '1' '1 субструктура конденсированных пленок. -М.: Наука, 1982, 318 с.i!

26. Жаропрочные и'жаростойкие металлические материалы: Физико-химические1.' ' 1принципы создания: Сборник. М.: Наука, 1987. - 168 с.1 J I '• I It

27. ГОСТ 9.912-89. Стали! и сплавы коррозионностойкие. -М.: Изд-во стандартов.1990,-17 с. И1.I » 1

28. Гуляев А.П. Металловедение. Изд. 5-е перераб. -М.: Металлургия. 1977.

29. Иех Я. Термическая обработка стали. Справочник. Изд. 3-е перераб. и доп./Под ред. Андреева Ю.Г. М.: Металлургия. 1979.

30. Колотухин1 Э.В., Кулешова'Е.А. Структура жаропрочных никелевых сплавовIпосле термовременной'обработки расплава. // МиТОМ. 1995. -№6. - С.6-8.•• ■ I •"•> ? г 1

31. Жаропрочные,сплавы для тазовых турбин /Симе Ч.Т., Феликс П.К., Уиттл Д. и др., под ред. Р.Е. Шапина. -М.: Металлургия, 1981. 480 с.111 I I

32. Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы на никелевой, основе. Под ред. Банных О.А. -М.: Наука, 1984.-243 с.

33. Коррозионные стали ,i и сплавы для оборудования и трубопроводов АЭС /11 I '

34. Азбукин В.Г., Баландин Ю.Ф., Павлов В.Н. и др.— Киев: Наукова думка,1983.-141 с. j '1 , ' ( | ,

35. Жаропрочные и' жаростойкие металлические материалы. Под ред. О.А.

36. Банных, К.Б. Поварова! М.: Наука, 1987. 172 с.-I г '< гп 'I '1.Iтурбин. М.: Машиностроение,' 1993. — 336 с.t I I

37. Коломыцев П.Т., Сметанников Н.П. Защитные покрытия на металлах. — Киев.:I

38. Наукова думка, 1986. ij , /

39. Костецкий Б.И. Износостойкость металлов. М.: Машиностроение, 1980. 52 с.I

40. Ящерицын П.И. Прогрессивная технология) финишной обработки деталей. —1. Минск, 1978.-178 с. ," . . .1 1| • " !

41. Металловедение и технология металлов /под ред. Ю.П. Солнцева. -М.:

42. Металлургия, 1988. 512 с. 1 )|11 I

43. Рыбников А.И., Гецов Л.Бу Термическая обработка лопаток с покрытиями

44. МиТОМ, -1995. №9. - С.21-25.I

45. Моверман Т.С., Радчик И.И. t Ремонт импортных газоперекачивающих/агрегатов. — М.: Недра, 19861 г 1'56 с.

46. Михайлов-Михеев П.Б1. Справочник по металлическим материалам турбо- и моторостроения. М. -Л.: МАШГИЗ. 1961.-838 с.

47. Коломыцев П.Т. Жаростойкие диффузионные покрытия. — М.: Металлургия,1.. • I ' I и "1979,-270 с.

48. Сокол И .Я. Структура и | коррозия металлов и сплавов. —М.: Металлургия,11 ,м 11989,-399 с. " (

49. Хмелевская В.Б., Леонтьев Л.Б., Лавров Ю.Г. Технологии восстановления иtупрочнения деталей судовых механизмов и триботехнические характеристики покрытий. СПб.:СПГУВК, 2002. - 309 с.1. I'

50. Кудинов В.В., Пекшев П.Ю., Белащенко В.Е. Нанесение покрытий плазмой. —

51. М.: Наука, 1991.'-408 с. г55.3инченко В.М. Инженерия поверхности зубчатых колес методами химико' •' ' 1 термической обработки. -М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. — 303 с.

52. Матвеев Ю.И. Повышение ресурса цилиндровых втулок и поршневых колецсудовых дизелей. с использованием метода плазменного напыления:1.ч '

53. Монография.- Н.Новгород: Издательство ВГАВТ. 2002. - 128 с.

54. Коломыцев П.Т. Комбинированноепокрытие для лопаток турбинвысокотемпературных газовых двигателей,,/ В.М. Самойленко //МиТОМ—-.- ■ . , I ! ( t ' • I 'II2006-№12. С. 28-31. 1 . ,

55. Нанесение покрытий плазмой / Кудинов В.В., Пекшев В.Е., Белещенко В.Е. и др.. М.: Наука 1990. -408 с. )'! I ' I

56. Патон Б.Е., Строганов F.B. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита от окисления. — Киев.: Наукова думка, 1987. 258 с.

57. Евдокименко! Ю.Н., (Киселев В.М., Кадыров В.Х. Высокотемпературное1 , 1 t I | . jгазоплазменное напыление порошковых защитных покрытий // Порошковая(металлургия. 2001. -j-j№3/4.- С. 30-37.

58. Турин--И.И.» Влияние легирования редкими элементами на длительную1 , г» !г 1 j j 1прочность и пластичность никелевых сплавов /B.C. Судаков// МиТОМ. — 1990. -№1'.- С. 50-54: , ''li If I i i ■i" ' 1 , •

59. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. —I

60. Ml: Машиностроение, 1981. 244 с.

61. Филатов М.А. Влияние термической обработки на структуру и свойства-I I 'гжаропрочных никелевых сплавов / В.С.Судаков //МиТОМ. 1995 - №6. - С.1 I 112.15. 1 , Iм

62. Аксинази Б.М. i Упрочнение и восстановление деталей машин1 Iэлектромеханической обработкой. — М.: Машиностроение 1989. 200 с.

63. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. — М.: Машиностроение, 1990.— 448с. ; ' '1 , I

64. Кубарев А.И. Надежность в машиностроении. М.: Издательство стандартов,1989.-224 с. ' ''< 1 |11

65. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. -М.: Наука, 1976. -230 с.I

66. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия/Я.С. Уманскийj 'i,;и др. -М.: Металлургия, 1982. -632 с. 69:Торелйк "р.С., Расторгуев JI.H., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970. с.50 — 59.

67. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. —11 '

68. М.: Высшая школа, 1988. 239 с.- I

69. Адлер Ю.П., Маркова Е.В. Планирование эксперимента при поискеIоптимальных условий. — М.: Наука!, 1976. — 260 с.1.'i I 'I I72.3едгинидзе И.Г. 1 Планирование эксперимента для исследованияIмногофакторных систем. -М-.: Наука, 1976. — 390 с., т Ч ' ' I ' '

70. Мильман Ю.В., Голанов Б.А., Чугунова С.И. Характеристика пластичности, получаемая при измерении твердости. —Киев, 1992. — 25 с.

71. Краткий справочник металлиста/под ред. П.Н.Орлова, — М. Машиностроение, ,1987. -960 с.»гмашинах. — Киев. 1969. —145 с.Г

72. Смирнов А.Н. Структура, границы! зерен и микротрещины в длительноiработающем металле/Э.В".Козлов, Н.А. Конева //МиТОМ-2005- №4. С. 3438, - - п - •!1. Т ' ' " ,1

73. Анализ структуры и свойств плазменных покрытий методами согласованияtчастных степенных; зависимостей и математического планированияIэксперимента /Ю.И. Матвеев, Л.И. Погодаев. Н.Новгород: Изд-во ФРОУ ВПО «ВГАВК», 2005. - 43 с.5 i

74. Скуднов В.А. Предельные пластические деформации металлов. -М.: Металлугия; 1989. -176 с.

75. Журков С.Н. К вопросу о физической основе прочности //Физика твердоготела, 1980. Т22. - вып. 11. - С. 344-349.j 1

76. Сулима A.M., Шулов В. А., Ягодкин Д.Ю. Поверхностный слой игэксплуатационные свойства деталей машин— М.: Машиностроение, 1988 -240 с.

77. Панин В.Е. Поверхностные слои как синергетический активаторIпластического течения нагруженного тела //МиТОМ. — 2005. №7. — С.62-68.83:Иванова ,В:С.г,. Синергетика: , прочность и разрушение металлических

78. Y'l.-i,.-'-v »• '.•'•re- V'"!''. т ' • ' • .•••.'материалов.-Ml: Наука, 1992.-159 с. ; '841Моисеев Н.Н. Алгоритмы эволюции. —М.: Наука, 1987. -295 с. "■

79. Иванова В:С. • Перспективы использования синергетического подхода в решении проблем наноматериаловедения//МиТОМ. — 2005. — №7. С55-61.

80. Слепян Л.И. Механика трещин: — 2-е изд., перераб. И доп. Л.: Судостроение, 1990. — 296 с.Гил. '" ; : Л ;

81. Барвинок В.А. Управление напряженным состоянием и свойства плазменных покрытий. -Ml: Машиностроение. 19901— 384 с.93;Испытание материалов и конструкций: сборник научных трудов /под ред.,■' "Г

82. Смирнова С.И., Ерофеева В.И. —Н.Новгород: Издательство общества «Интелсервис», 1996. -326 с. 94:Скуднов В J А. ! Предельные пластические деформации металлов. -М.: • Металлургия; 1989-"-176с.;.', . , ' ' . "

83. Иванов B.C. Прочность й разрушение металлических материалов. -М.: Наука,

84. Турин И.Й1 Долговечность структурно-стабильных никелевых сплавов//С.А.Юганова, ЮВ. Каширский//МиТОМ. 1991.-№l I. - С. 13-16.

85. Ульянин Е.Н., Свистунов Т.В. Коррозионно-стойкие сплавы на основе железа и никеля. —М.: Металлургия, 1986. — 262 с.

86. Регель В.Р., Слуцкер А.И. Кинетическая теория прочности твердых тел//Успехи физических наук. — 1972. — Т. 106. вып. 2.

87. Мишакин В.В Исследование связи упругих свойств поликристаллических сплавов с пластическими характеристиками Испытание материалов иконструкций: сборник научных трудов / под ред. С.И Смирнова и

88. B.И.Ерофеева. Н.Новгород: Издательство общества «Интелсервис», 1996. —1. C.65-75

89. Вячеславова О.Ф. Современные технологии обработки материалов в свете теории фракталов и ее практическое приложения //Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. - №2. - С. 34-43.

90. Кроновер P.M. Фракталы и хаос в динамических системах. — М.:1. Порстмаркет. 2000.1

91. Костенко Н.А. Прогнозирование надежности транспортных машин. -М.: Машиностроение, 1989. 240 с.