Особенности коррозионных характеристик суперсплава слжс5-ви

А.З. Багерман1, А.В. Конопатова1, А.Ю. Киршин1, А.А. Неудахина1, Д.В. Данилов2

1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

2 ПАО «НПО «Сатурн», Санкт-Петербург

ОСОБЕННОСТИ КОРРОЗИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СУПЕРСПЛАВА СЛЖС5-ВИ

Объект и цель научной работы. Объектом исследования являлся монокристаллический сплав СЛЖС5-ВИ, позиционируемый как жаропрочный и коррозионностойкий.

Материалы и методы. Материалом для исследования являлись результаты коррозионных испытаний в атмосфере имитирующую атмосферу в проточной части морского газотурбинного двигателя (ГТД). Испытания проводились на газодинамическом стенде с подачей в газовый поток солей морской воды.

Основные результаты. Получены зависимости скорости потери массы испытываемым материалом как на воздухе (окисление), так и в газовом потоке в условиях высокотемпературной солевой коррозии. Зависимости получены при температурах 700, 800, 900, 930, 950 °С. Результаты показали, что как на воздухе, так и в условиях коррозии потери массы при превышении температуры испытаний 900 °С потери массы сплава СЛЖС5-ВИ значительно снижаются, что необычно. Результаты, полученные при температуре 950 °С, были подтверждены дополнительными испытаниями при температуре 930 °С.

Заключение. Результаты работы могут быть использованы при проектировании новых материалов, при оценке других материалов на наличие указанного эффекта, при разработке покрытий для деталей газового тракта ГТД, при оценке последствий использования форсированных режимов работы двигателя в эксплуатации.

Ключевые слова: Газотурбинный двигатель, жаропрочный сплав, высокотемпературная коррозия, потеря массы, солевая нагрузка.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Багерман А.З., Конопатова А.В., Киршин А.Ю., Неудахина А.А., Данилов Д.В. Особенности коррозионных характеристик суперсплава СЛЖС5-ВИ. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 4(382): 113-116.

УДК 620.193 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-113-116

1 11 1 ^ A. Bagerman , A. Konopatova , A. Kirshin , A. Neudakhina , D. Danilov

1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia

2 PJSC «UEC-Saturn», St. Petersburg, Russia

PECULIARITIES OF CORROSION PARAMETERS FOR SUPERALLOY SLZHS5-VI

Object and purpose of research. The object of this study was monocrystallic alloy SLZhS5-VI marketed as resistant against heat and corrosion.

Materials and methods. The materials for this study were the data of the corrosion tests performed in the atmosphere that simulated the one in the air-gas channel of marine gas turbine. The tests were performed on the gas dynamic test rig, and the gas flow was fed with sea salt.

Main results. The study yielded the mass loss relationships for the material, both in air (oxidation) and in the gas flow, in the conditions of high-temperature salt-induced corrosion. These relationships were obtained for the temperatures of 700, 800, 900, 930, 950 °С. The results have shown that both in the air and in the conditions of corrosion, SLZhS5-VI alloy demonstrates considerably lower mass losses at the temperature of above 900 °C, which is unusual. The results obtained at the temperature of 950 °С were confirmed by the additional tests at the temperature of 930 °С.

Conclusion. The results of this study can be used to design new materials, to assess other materials for the presence of this effect, to develop the coatings for gas turbine channel elements, as well as to assess the effects of heavy service upon the turbine.

Key words: gas turbine, heat-resistant alloy, high-temperature corrosion, mass loss, salt load. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Bagerman A., Konopatova A., Kirshin A., Neudakhina A., Danilov D. Peculiarities of corrosion parameters for superalloy SLZhS5-VI. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 4(382): 113-116 (in Russian).

УДК 620.193 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-4-382-113-116

Одним из направлений, обеспечивающих улучшение характеристик морских ГТД является создание специальных монокристаллических сплавов, обладающих повышенной коррозионной стойкостью, для турбинных лопаток. Монокристаллическая структура имеет ряд преимуществ перед равноосной. Отсутствие ослабленных зон в виде границ зерен положительно сказывается как на прочностных показателях, так и на коррозионной стойкости. Если влияние монокристаллической структуры на прочность уже хорошо изучено на примере авиационных сплавов, то из-за отсутствия промышленно освоенных отечественных морских монокристаллических сплавов вопрос коррозионной стойкости остался недостаточно исследованным.

В статье представлены результаты испытаний жаропрочного монокристаллического сплава СЛЖС5-ВИ, который может использоваться в качестве материала для лопаток газовых турбин морского назначения.

Жаропрочный никелевый суперсплав СЛЖС5-ВИ был впервые представлен на конференции «Авиадвигатели XXI века» в ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» [1]. В докладе отмечались и результаты коррозионных испытаний сплава

Таблица. Температуры образцов во время испытаний. Условия испытаний образцов из материала СЛЖС5-ВИ на газодинамическом стенде

Table. Temperatures of the samples

during the tests. Test conditions of SLZhS5-VI samples

at the gas dynamic test rig

Температура Температура Температура входной заданная, °С газа, °С поверхности, °С

Средняя температура образца, °С

700 700 700 700

800 820 823 785

900 903 916 876

930 928 897 880

950 937 927 891

в солевом расплаве. С точки зрения эксплуатационных характеристик результаты таких испытаний не являются достаточно представительными. Поэтому были проведены коррозионные испытания на газодинамическом стенде в потоке продуктов сгорания керосина, содержащего серу, а также соли морской воды. Некоторые результаты этих испытаний представлены в настоящей статье.

Испытания проводились на цилиндрических образцах диаметром 15 мм и длиной 35 мм. Технология проведения таких испытаний описана в [2]. Состав сплава опубликован в сборнике [1]. Испытания проводились при четырех температурах: 700, 800, 900, 950 °С.

Испытания на воздухе проводились в муфельной печи. Образцы в этом случае принимали одинаковую температуру по всему сечению.

Как при испытаниях в газовом потоке по сечению образцов, так и в натурных условиях на лопатках турбин температуры были различными. В таблице приведены результаты измерений температуры образцов при испытаниях.

При испытаниях на воздухе потери массы образцов монотонно увеличивались с увеличением температуры испытаний - до 900 °С (рис. 1).

Ат, г/м2 0

-4 -8 -12 -16 -20 -24 -28 -32 -36 -40 -44

700 оС

—•— 800 900 930 оС

оС

—*— оС о

-V- 950 1 1 оС

0 1

2 3

4

5

6 7

9 т,ч

Рис. 1. Результаты потери массы образцов

при испытаниях на воздухе при температурах 700,

800, 900, 950 °С

Fig. 1. Mass losses for the samples during the tests in the air at the temperatures of 700, 800, 900, 950 °С

A. Bagerman, A. Konopatova, A. Kirshin, A. Neudakhina, D. Danilov Peculiarities of corrosion parameters for superalloy SLZhS5-VI

При температуре 950 °С картина изменилась. Потери массы уменьшились и стали менее потерь при температуре 800 °С. Аналогичное изменение потерь массы произошло и при испытаниях в газовом потоке в присутствии солей морской воды. Скорость потери массы образцами уменьшилась и стала меньше той, что была получена при температуре 800 °С. Для подтверждения полученного эффекта были проведены испытания в газовом потоке в присутствии солей морской воды при температуре 930 °С. Как видно из рис. 2, эффект подтвердился.

На рис. 2 показаны зависимости скорости потери массы при температурах 700, 800, 930 и 950 °С в долях от скорости потери массы при температуре 900 °С. Из рис. 2 следует, что с повышением температуры испытаний до 950 °С скорость потери массы уменьшилась и составила около 0,7 от скорости при температуре 900 °С.

При испытаниях на воздухе это соотношение составила около 0,4, то есть отмеченный эффект на воздухе проявился в большей степени, чем при совместном влиянии воздуха и солевой коррозии.

Сравнение скоростей потери массы при коррозии и окислении показывает, что при температурах 700, 800, 900 °С разность скоростей потери массы увеличивается с ростом температуры. Экстраполируя эту зависимость до температуры 950 °С, получаем разность скоростей, зафиксированную в эксперименте, то есть температурная зависимость потери массы при наличии солей не изменилась. Первопричиной снижения скорости потери массы при наличии солей, по-видимому, является снижение этой скорости в результате окисления.

Возможными причинами наблюдаемого изменения коррозионных характеристик сплава после превышения некоторой температуры (в рассматриваемом случае - 900 °С) могут быть изменения химических реакций между легирующими элементами и кислородом и серой. Так, например, для титана характерным оксидом при температуре до 800 °С является TiO2, а при температуре выше 800 °С характерными являются TiO, Ti2O3.

Библиографический список

References

1. Данилов ДВ, Шмотин Ю.Н., Логунов А.В. и др. Разработка жаропрочного никелевого суперсплава, стойкого к высокотемпературной солевой коррозии // Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-технической конференции «Авиадвигатели ХХ1 века». М.: ФГУП «ЦИАМ им П.И. Баранова», 2015.

Рис. 2. Результаты оценки в относительных единицах потери массы сплавом СЛЖС5-ВИ в результате солевой коррозии при температурах

700, 800, 900, 930 и 950 °С

Fig. 2. Assessment results (in relative units) for SLZhS5-VI alloy mass loss due to salt corrosion at the temperatures of 700, 800, 900, 930 and 950 °С

С. 626-628. [D. Danilov, Yu. Shmotin, A. Logunov et al. Developing a heat-resistant Ni superalloy capable of withstanding high-temperature salt corrosion // Compendium of theses, All-Russian Scientific Conference Aeroengines of the XXIst century. Moscow: Central Institute of Aviation Motors (CIAM) named after P. Baranov. 2015; 626-8. (in Russian)]. 2. Багерман А.З., КонопатоваАВ. и др. Особенности начального этапа развития процесса горячей солевой коррозии металлов // Тяжелое машиностроение. 2017. № 3. С. 17-19. [A. Bagerman, A. Konopatova et al. Hot salt corrosion of metals: peculiarities of its initial stage // Tyazheloye Mashinostroyeniye (Heavy Engineering). 2017; 3: 17-9. (in Russian)].

Сведения об авторах

Багерман Анатолий Захарович, ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-22; e-mail: bagerman.a.z.@mail.ru.

Конопатова Александра Викторовна, инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-47-22; e-mail: konopatovalex@gmail.com.

Киршин Антон Юрьевич, инженер ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-34-80; e-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Неудахина Алена Андреевна, инженер ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-34-80; e-mail: krylov@krylov.spb.ru. Данилов Денис Викторович, к.т.н., ведущий специалист ПАО «ОДК Сатурн». Адрес: 196084, Россия, Санкт-Петербург, ул. Новорощинская, д. 4, лит. А. Телефон: 8 (812) 386-78-81; e-mail: danilov_d.v@rambler.ru.

About the authors

Bagerman, Anatofy Z, Lead Researcher, KSRC,

address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia,

post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-22; e-mail: bagerman.a.z.@mail.ru.

Konopatova, Aleksandra V., 2nd Category Engineer, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-47-22; e-mail: konopatovalex@gmail.com.

Kirshin, Anton Yu., Engineer, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-34-80; e-mail: krylov@krylov.spb.ru. Neudakhina, Alena A., Engineer, KSRC, address: 44, Mos-kovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-34-80; e-mail: krylov@krylov.spb.ru. Danilov, Denis V., Cand. Tech. Sc., Lead Expert, JSC UEC Saturn, address: 4a, Novoroshinskaya st., St. Petersburg, Russia, post code 196084. Tel.: 8 (812) 386-78-81; e-mail: danilov_d.v@rambler.ru.

Поступила / Received: 25.07.17 Принята в печать / Accepted: 18.08.17 © Коллектив авторов, 2017