Исследование рабочих лопаток турбин большой мощности с учетом структурно-фазовых превращений в металле штамповок из титанового сплава ВТ6

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 669.295.5

Исследование рабочих лопаток турбин большой мощности с учетом структурно-фазовых превращений в металле штамповок из титанового сплава ВТ6

М. А. Скотникова, Т. А. Чижик, А. С. Лисянский, О. Н. Симин, И. Н. Цыбулина, А. А. Ланина

Ключевые слова: ковка, лопатки паровых турбин, микрорентгеноспектральный анализ, оптическая и электронная микроскопия, титановые сплавы, штамповка.

Введение

Титан и его сплавы занимают одно из ведущих мест среди конструкционных материалов наряду со сплавами на основе алюминия и железа. Уникальное сочетание высокой удельной прочности и вязкости разрушения, коррозионной стойкости, немагнитности и высокой температуры плавления определило их широкое применение в различных областях энергетического машиностроения [1—3]. Однако титан имеет и свои специфические особенности, к которым относятся, прежде всего, его полиморфизм и высокая чувствительность низкотемпературной а-модификации к концентраторам напряжений, что, вероятно, обусловлено анизотропией ее гексагональной плотно упакованной решетки, а также низкой теплопроводностью титана.

Значительные внутренние напряжения в титановых сплавах возникают при металлургическом переделе, под влиянием термических и механических воздействий (например, при горячей прокатке, ковке, штамповке или в сварочном цикле). В силу низкой теплопроводности и значительной анизотропии термического расширения титана, а также из-за высокого химического сродства к кислороду в процессе горячей деформации и теплосмен по сечению титановых заготовок возникает повышенная склонность металла к деформационной и температурной неоднородности. Данное явление способствует образованию значительной неоднородности как распределения концентрации легирующих элементов, так и протекания структурных и фазовых превращений. В результате в объеме деформированных титановых заготовок формируются неравновесные твердые растворы со структурной и многокомпонентной кристаллографической текс-

турованностью, которые приводят к усилению анизотропии механических свойств, к разбросу результатов механических испытаний и снижению их уровня, особенно вязко-пластических свойств крупногабаритных деформированных заготовок [2]. Уже в процессе пластической деформации или на стадии последующей термообработки имеет место распад неравновесных твердых растворов, вызывающий охрупчивание сплавов. Вероятно, поэтому на практике при производстве титановых изделий и полуфабрикатов (особенно с большими толщинами) специалисты нередко сталкиваются с неоднозначностью и нестабильностью механических свойств несмотря на похожие режимы обработки.

С учетом изложенного выше проблема повышения стабильности механических свойств является актуальной для крупногабаритных титановых полуфабрикатов, предназначенных для лопаток паровых турбин длиной 1200-1500 мм [3]. Один из подходов к решению этой проблемы предполагает создание научно обоснованной, регламентированной структуры, необходимого стабильного комплекса физико-механических и эксплуатационных свойств и совершенствование на этой основе существующих технологий получения и термической обработки полуфабрикатов путем управления структурными и фазовыми превращениями в промышленных титановых сплавах.

Методика и материалы

Объектами исследования являлись прутки 0 140-160 мм, изготовленные по двум технологиям (с окончательной ковкой в в- или а + в-областях) и штампованные заготовки рабочих лопаток турбин из титанового сплава ВТ6, с содержанием в-фазовой составля-

новые материалы и технологии производства

Таблица 1

Химический состав исследованных прутков из сплава ВТ6

Технология ковки слитка Содержание элемента, мас. %

А1 V С Ее Zr 02 N2 Н2

Серийная в Р-области Всесторонняя в а+Р-области 5,9 5,9 4,1 3,3 0,03 0,05 0,30 0,07 0,05 0,05 0,01 0,01 0,13 0,11 0,01 0,01 0,003 0,001

лее высокой удельной прочностью по сравнению со сталями.

Наиболее перспективными материалами для изготовления лопаток являются высокопрочные титановые сплавы, удельная прочность которых в 2,0-2,5 раза выше, чем у сталей, они также обладают достаточной кор-розионно-эрозионной стойкостью, хорошей сопротивляемостью хрупким разрушениям, более высокой коррозионно-усталостной прочностью [4]. Применение титановых сплавов позволило создать рабочую лопатку длиной 1200 мм, но для этого было необходимо усовершенствовать технологию ее производства.

Как известно, ковка титанового пруткового полуфабриката в Р-области не подходит для изготовления крупногабаритных лопаток, так как образующаяся при этом игольчатая структура (рис. 1, а) имеет низкую ударную вязкость (табл. 2) и большую вариабельность свойств [5]. Всесторонняя ковка в двухфазной а + Р-области, напротив, обеспечивает получение равноосной структуры (рис. 1, б), которая имеет несколько меньшую прочность, но большую пластичность и ударную вязкость. Причем продольные образцы имели несколько большую пластичность и ударную вязкость по сравнению с поперечными (табл. 2).

Таким образом, для получения оптимальной структуры прутковых заготовок диаметром 140160 мм из титанового сплава ВТ6 было необходимо включить в технологический цикл операцию Р-закалки слитка и всестороннюю ковку в а + Р-области с применением высокой степени деформации (не менее 60 %) на конечной стадии ковки, способствующие измельчению зерна до размера 10-12 мкм [6]. При этом прутки оказались более проработанными, обладали более

Таблица 2

Механические свойства исследованных прутков из сплава ВТ6

Технология ковки слитка Направление вырезки образцов Условный предел текучести ^0,2, МПа Предел прочности <гв, МПа Относительное удлинение 5, % Относительное сужение V, % Ударная вязкость кси, 2 Дж/см2

Ковка

серийная, в Р-области Вдоль 864 969 11,9 25,7 50,3

Поперек 863 960 11,6 27,8 42,3

всесторонняя, в а + Р-области Вдоль 840 935 13,7 41,1 54,0

Поперек 865 940 12,8 36,0 42,0

ОСТ1 90107-73 Поперек — 850-1070 > 6,0 > 20,0 > 30,0

т^БРДБОТКА

ющей 10-18 %. Температура окончательного перехода сплава в Р-область соответствовала 1015 °С. Химический состав металла исследованных прутков приведен в табл. 1. Работа была выполнена с привлечением современных методов исследования: качественной и количественной металлографии, микротвердости, рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии, микрорентге-носпектрального анализа.

Конструирование титановых рабочих лопаток турбин большой мощности

Конструирование турбин большой мощности ставит задачу увеличения длины рабочих лопаток последних ступеней цилиндров низкого давления для увеличения расхода пара на турбину. На практике при изготовлении быстроходных турбин применение рабочих лопаток длиной более 1000 мм из нержавеющих сталей оказывается невозможным, так как это приводит к резкому увеличению массы конструкции, возрастанию центробежных нагрузок, действующих на лопатки, и их поломке. Для сопротивления возросшим нагрузкам целесообразно применять материалы с боа) б) в)

Рис. 1. Микроструктура металла прутков (а, б) и лопатки (в) из сплава ВТ6: а — серийная технология ковки в Р-области, х500; б — технология с всесторонней ковкой в а + Р-области, х300; в — штамповка заготовки рабочей лопатки, х500

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

Таблица 3

Механические свойства исследованных штамповок из сплава ВТ6

Структура Модуль упругости Е, МПа Условный предел текучести CTq,2, МПа Предел прочности <гв, МПа Относительное удлинение 5, % Относительное сужение V, % Ударная вязкость KCU, 2 Дж/см2 Вязкость разрушения мш1-см1/2

Пластинчатая 119 000 850 1040 7,0 21 40 355

Глобулярная 107 000 830 1000 16,0 48 47 180

Бимодальная 114 000 908 974 15,5 47 48 243

высокими пластическими свойствами, большей технологичностью при последующей штамповке по сравнению с прутками, изготовленными по серийной технологии ковкой в в-области.

На последнем этапе производства рабочих лопаток турбин выполнялась высокотемпературная штамповка (рис. 1, в). Штамповка пруткового полуфабриката после всесторонней ковки в а + в-области явилась принципиально новым шагом в развитии производства крупногабаритных лопаток турбин из сплава ВТ6. Была создана так называемая бимодальная, то есть глобулярно-пластинчатая, структура (рис. 1, в) с благоприятным сочетанием служебных свойств и их однородности по длине лопатки [7].

Как показано на табл. 3, деформированный сплав ВТ6 с пластинчатой структурой имеет преимущество по прочностным (пределу прочности св, условному пределу текучести с0 2) и уступает по пластическим свойствам (относительному удлинению 5, относительному сужению у) по сравнению со сплавом ВТ6 с глобулярной структурой. В глобулярной структуре велика работа зарождения трещины и относительно низка работа распространения. Поэтому здесь оказываются низкими вязкость разрушения ^1С. Формирование в металле пластинчатой структуры повышает работу распространения трещины по всей толщине изделия, и тем самым продлевается срок его эксплуатации. Созданная в титановом сплаве ВТ6 глобу-лярно-пластинчатая структура (рис. 1, в) обеспечивает торможение зарождения и распространения трещины, формирует благоприятное (промежуточное) сочетание кратковременных механических и служебных свойств и их однородности в объеме изделия.

Структурно-фазовые превращения в металле штампованной заготовки рабочей лопатки турбины из сплава ВТ6

В энергетическом машиностроении проблема эрозионного разрушения лопаток паровых турбин является наиболее важной. Сложность ее решения заключается в том, что до последнего времени не удавалось найти общую зависимость между величиной износа и структур-

но-фазовым состоянием поверхностных слоев материала лопаток.

Существует мнение [8], что наибольшей стойкостью к каплеударному воздействию обладают двухфазные сплавы с низкими внутренними напряжениями и высокими пластическими свойствами, в которых во время на-гружения происходят фазовые превращения, упрочняющие материал. При каплеударном воздействии размеры области нагружения соизмеримы с размерами структурных составляющих, и перераспределение внутренних напряжений между ними невозможно. Поэтому возрастает роль прочности, напряженности, химического состава и фазовых превращений в отдельных структурных составляющих.

Структура и фазовый состав металла лопаток

В данной работе были исследованы структура и свойства материала заготовок рабочих лопаток турбин из титанового сплава ВТ6 после горячей штамповки по двум технологическим схемам. В обоих случаях сформировалась структура бимодального строения: а-фаза имела фор-

Рис. 2. Структура лопаток из сплава ВТ6 после штамповки по первой (а, в) и по второй (б, г) технологии: а, б — х1000; в, г — х20 000

новые материалы и технологии производства

МЕТ^^БРД^к)!

Таблица 4

Размер частиц фазовых составляющих металла лопаток, изготовленных по двум технологиям, мкм

Фазовая составляющая Технология

первая вторая

а1 15,0 12,0

а11 2,2 0,7

Рп 0,8 0,1

а11 + Рп 22,0 18,0

Таблица 5

Содержание легирующих элементов в фазовых составляющих металла лопаток, изготовленных по двум технологиям, вес. %

Фазовая Технология

составля- первая вторая

ющая Алюминий Ванадий Алюминий Ванадий

ах 7,30 1,35 6,97 2,04

а11 6,01 3,60 5,68 4,21

Рп 4,14 9,64 4,61 8,28

му глобул (а^) и вытянутых пластин (ад), разделенных прослойками Рд-фазы (рис. 2, а, б).

Как показано на электронно-микроскопических снимках (рис. 2, в, г), в субструктуре металла лопаток, полученных по первой технологии (рис. 2, в), по сравнению с результатами применения второй (рис. 2, г) границы всех фазовых составляющих а^, ад, Рд были значительно лучше избавлены от внутренних напряжений за счет дислокационных подстроек, было меньше и число изгибных экстинкционных контуров, обычно свидетельствующих о присутствии в металле внутренних напряжений.

В табл. 4 представлены результаты оценки размеров отдельных структурно-фазовых составляющих, полученных с помощью оптической металлографии и просвечивающей электронной микроскопии в материалах лопаток паровых турбин после штамповок по двум технологическим схемам. Если сравнивать итоги применения двух технологий, ширина пластин ад-фазы и толщина Рд-прослоек при использовании первой технологии оказались больше в 3 и 8 раз соответственно.

Соотношение значений ширины пластин ад-фазы и Рд-прослоек свидетельствует о разных температурных интервалах их формирования и скоростях охлаждения. В металле лопатки полученной по первой технологии при более низких температурах сформировалась структура типа видманштетта, которая, по данным ряда авторов, превосходит по пределу усталости мартенситоподобную структуру металла лопатки, выработанной по второй технологии [7]. В материалах обеих лопаток с бимодальной структурой размер пластинчатой ад + Рд-составляющей был больше размера глобулярной а^-фазы.

Распределение легирующих элементов в металле лопаток

При изучении материалов лопаток паровых турбин из сплава ВТ6, изготовленных штамповкой по двум технологическим схемам, были проведены исследования содержания легиру-

ющих элементов (алюминия, ванадия, титана, железа) в отдельных фазовых составляющих, с помощью микрорентгеноспектрально-го анализа (табл. 5, рис. 3).

б)

в)

22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

16 14 12 10 8 6 4 2 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Расстояние, мкм

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Расстояние, мкм

Рис. 3. Микроструктура (а) и распределение легирующих элементов в структурных составляющих материала лопаток из сплава ВТ6 после применения первой (б) и второй (в) технологий штамповки, х3000:

1 — ванадий; 2 — титан, х10; 3 — алюминий; 4 — железо

В обоих материалах пластины вторичной ад-фазы имели химических состав, который приблизительно соответствовал среднему составу сплава Т1-6А1-4У. По сравнению с пластинами ад-фазы в глобулах первичной а^-фазы ванадия содержалось в среднем меньше на 2,2 вес. %, алюминия — больше на 1,3 вес. %. Узкие прослойки вторичной Рд-фазы были обогащены ванадием (Р-стабилизирующим элементом). Причем, если сравнивать материал лопаток, изготовленных по первой технологии, и тех, для которых была использована вторая технология, Рд-фа-за содержала ванадия больше на 1,3 вес. %, а алюминия меньше на 0,5 вес. %. Обычно такое распределение легирующих элементов обеспечивает относительную «мягкость» прослоек Р-фазы и более высокие эксплуатационные свойства материала изделия. Напротив, глобулы первичной а^-фазы в материале лопаток изготовленных по первой технологии по сравнению теми, для которых была задействована вторая технология, содержали ванадия меньше на 0,6 вес. %, а алюминия — больше на 1,3 вес. %.

На рис. 3 показано, что наиболее неоднородно в материале распределяется ванадий, сосредоточенный в Р-фазе. Его концентрация колеблется от 1 до 20 вес. %. Алюминий распределяется более равномерно, его концентрация варьирует от 3 до 7 вес. %.

Оценка микротвердости металла лопаток

В материалах лопаток паровых турбин из сплава ВТ6, изготовленных по двум технологическим схемам, были проведены исследования микротвердости отдельных фазовых составляющих, представленные в табл. 6.

Видно, что в материале лопаток, изготовленных по второй технологии, по сравнению теми, что сделаны по первой, уровень микротвердости всех фаз был более высоким, что подтверждает наличие значительных внутренних напряжений, о которых уже сообщалось выше. Материал лопаток, выпущенных по обе-

Таблица 6

Микротвердость фазовых составляющих металла лопаток, изготовленных по двум технологиям, МПа

Рис. 4. Зависимость результатов оценки микротвердости от химического состава отдельных фазовых составляющих (а^, ад-, Рд-) сплава ВТ6: 1, 2 — влияние алюминия: 1 — в первичной а^фазе;

2 — во вторичной ад-фазе; 3-5 — влияние ванадия:

3 — в первичной а^фазе; 4 — в прослойках Рд-фазы; 5 — в мартенситной фазе; о — алюминий в а^фазе; ♦ — ванадий в ад-фазе;  — алюминий в ад-фазе;  — ванадий в ад-фазе; о — алюминий в Рд-фазе; • — ванадий в Рд-фазе; х — ванадий в мартенситной фазе; ж — алюминий в мартенситной фазе

им технологиям, имел бимодальное строение. Вероятно, равнопрочность а^- и (ад + Рд)-струк-турных составляющих может гарантировать высокую работоспособность материала под нагрузкой. Как показано в табл. 6, в материалах лопаток, изготовленных по первой технологии, была достигнута меньшая разница по твердости между глобулярной и пластинчатой структурами, которая составляла 551 и 644 МПа, соответственно.

На рис. 4 представлены корреляционные зависимости результатов измерений микротвердости от химического состава отдельных фаз (а^-, ад-, Рд-) в состоянии поставки и в мартенситной фазе после закалок при разных температурах. Видно, что микротвердость пластин ад-фазы и тем более глобулярных а^-частиц возрастает с увеличением содержания в них а- и особенно Р-стабилизирующих легирующих элементов. Напротив, микротвердость Рд-прослоек значительно уменьшается с увеличением содержания в них Р-стабилизаторов. Следует отметить, что микротвердость мартен-ситной фазы возрастает с увеличением в ней содержания а-стабилизаторов, вероятно, образуя а'-мартенсит, и уменьшается с увеличением Р-стабилизирующих элементов, создавая а''-мартенсит.

Как было показано выше, в материале лопаток, полученных по первой технологии,

Фазовая составляющая Технология

первая вторая

а1 3550 3664

а11 3830 4091

Рп 2584 3000

а11 + Р11 2999 3020

по сравнению с лопатками, произведенными по второй, сформировалась Р-фаза с большим содержанием р-стабилизирующих легирующих элементов. Согласно рис. 4 такое распределение ванадия, действительно, обеспечивает относительно меньшую микротвердость и большую «мягкость» прослоек Рд-фазы.

Выводы

Как показали результаты исследования, материалы лопаток паровых турбин из сплава ВТ6, изготовленные окончательной штамповкой по двум технологическим схемам, имели бимодальное строение, в которых доля пластинчатой ад + Рд-структуры (50... 70 %) преобладала над долей глобулярной а^-структуры (30...50 %). Материал лопаток, произведенных по первой технологии, по сравнению с теми, что были подготовлены по второй, обладал более широкими прослойками «мягкой» Рд-фазы, обогащенными одноименными Р-стабилизаторами. В то же время этот материал содержал более высокую концентрацию алюминия в первичной глобулярной а^-фазе, что обеспечивало большую равнопрочность (близкую микротвердость) структурных составляющих.

Известно, что при циклических нагрузках равномерно распределенные мягкие прерывистые прослойки Рд-фазы, оконтуровывающие относительно твердые пластины вторичной ад-фазы и равнопрочные глобулы а^-фазы, затрудняют преждевременную локализацию пластической деформации и зарождение трещины в отдельных фазах. На стадии распространения трещине труднее увеличивать свою длину в ад + Рд-пластинчатой структуре, так как она все время тормозится мягкими прослойками Рд-фазы и вынуждена изме-

нять свою траекторию, огибая глобулярные частицы сх^-фазы. При этом эксплуатационные свойства материала изделия повышаются. Удачное сочетание строения, химического состава и свойств, способности сопротивляться внешнему воздействию этих составляющих, определяет долговечность изделий.

Литература

1. Горынин И. В., Чечулин Б. Б. Титан в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.

2. Скотникова М. А., Пушкарев В. А., Кудрявцев А. С. и др. Особенности разрушения структурно- и кристаллографически текстурованных заготовок из (а + Р)-сплава титана // Металловедение и технология легких сплавов. М.: ВИЛС, 1991. С. 99-103.

3. Скотникова М. А., Чижик Т. А., Цыбули-на И. Н. и др. Конструирование и совершенствование производства титановых рабочих лопаток турбин большой мощности // Механика и процессы управления: Сб. ст. Миасс, 2002. С. 227-231.

4. Пичугин И. И., Агафонов Б. Н., Малышев-екая Е. Г. Состояние и перспективы использования титановых лопаток // Энергохозяйство за рубежом. 1990. № 4. С. 23-28.

5. Jaffee R. S., Lutjering G., Rust T. M. Production and Properties of Bi-modal Ti-6A1-4V Blades for steam Turbine Application // Titanium — Science and Technology / Deutsche Gesellschaft fur Materia-kunde. 1985. P. 1081-1088.

6. Цыбулина И. H., Туляков Г. A., Упорова В. А. Исследование структуры и свойств металла прутков и штампованных заготовок лопаток из сплава ВТ6 // МиТОМ. 1996. № 1. С. 35-37.

7. Eylon D. Распространение усталостной трещины в отливках сплава Ti-6 AL-4 V // Journal of matériels science, 1979. Vol. 14. P. 345-353.

8. Дейч M. E., Филиппов Г. A. Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 328.