Блок из трех полых направляющих лопаток турбины для газотурбинных двигателей и энергетических установок

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к блокам направляющих лопаток энергетических и транспортных турбин, в особенности, блоков лопаток газовых турбин ГТУ и ГТД с жаростойкими покрытиями.
Газотурбинные установки и двигатели находят все более широкое применение в современной технике: судовые газотурбинные двигатели, энергетические газотурбинные турбинные установки (ГТУ) и газоперекачивающие агрегаты. К основным деталям, определяющим надежность, экономичность и ресурс их работы, являются лопатки турбины. Длительная эксплуатация лопаточного аппарата турбины возможна лишь при условии изготовления рабочих лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой или кобальтовой основе. Применяемые для изготовления лопаток жаропрочные сплавы на никелевой и кобальтовой основе позволяют обеспечить работоспособность лопаток турбин. В то же время, тенденции совершенствования турбомашин приводят к ужесточению указанных условий эксплуатации и к повышению стоимости деталей. Все это требует применения на лопатках турбин более эффективных защитных покрытий.
Направляющие лопатки турбин ГТД и ГТУ в процессе эксплуатации подвергаются воздействиям значительных динамических и статических нагрузок, высоких и быстросменяющихся температур, а также коррозионному и эрозионному разрушению. Исходя из предъявляемых требований для изготовления лопаток газовых турбин, применяются жаропрочные и жаростойкие никелевые и кобальтовые сплавы типа ЦНК-7, ЦНК-21, FSX-414, ЖС-6, ЖС-6У, ЭИ-893, U-5000 и др.
Повышение эксплуатационных свойств лопаток обусловлено, в частности, тем, что замена поврежденных лопаток турбин является трудоемким и дорогостоящим мероприятием, так как требует снятия их с ротора, приобретения новых лопаток, установки их на ротор и проч. [Гонсеровский Ф.Г., Силевич В.М. Технико-экономическое обоснование способа ремонта эрозионно-изношенных паротурбинных лопаток в условиях электростанций. // Тяжелое машиностроение. - 2001. - №9. - С. 21-22]. В связи с этим разработка новых способов повышения эксплуатационных характеристик блоков лопаток турбин, является актуальной задачей.
Известен жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газовой турбины, содержащий около 6,0 мас.% алюминия; около 6,5 мас.% тантала; около 4,5 мас.% хрома; около 5,0 мас.% вольфрама, около 2,5 мас.% молибдена, около 4 мас.% рения; около 12 мас.% кобальта, от примерно 0,2 до примерно 0,6 мас.% гафния, от примерно 0,01 до примерно 0,03 мас.% углерода; от примерно 0,002 до примерно 0.006 мас.% бора; и баланс никель и случайные примеси (патент США № 8,858,876).
Известен также жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий Cr: 3,0-5,0 мас.%, Co: 5,0-10,0 мас.%, Mo: 0,5-3,0 мас.%, W: 8,0-10,0 мас.%, Ta: 5,0-8,0 мас.%, Nb: 3,0 мас.% или менее, Al: 4,5-6,0 мас.%, Ti: 0,1-2,0 мас.%, Re: более 3,0-4,0 мас.%, Ru: 0,2-4,0 мас.%, Hf: 0,01-0,2 мас.%, а остальное - Ni и неизбежные примеси (патент США № 8,852,500).
Лопатки газовой турбины, изготовленные из известных сплавов, не обладают достаточной высокой жаропрочностью, поскольку их состав направлен на одновременное повышение жаростойкости и жаропрочности. Необходимость повышения коррозионной стойкости и стойкости к окислению лопаток в условиях воздействия агрессивной среды из-за неоптимальных соотношений легирующих элементов приводит к снижению жаропрочности. Кроме того, лопатки газовой турбины, изготовленные из известного сплава, имеют повышенный объем неравновесной эвтектической γ'-фазы.
Известный сплав включает углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, тантал, рений, бор, ниобий, церий, иттрий, лантан, неодим и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,05-0,12; хром 5,0-6,0; кобальт 8,0-10,0; вольфрам 6,5-7,5; молибден 0,8-1,5; алюминий 5,5-6,0; тантал 4,4-5,4; рений 3,8-4,6; бор 0,001-0,02; ниобий 0,6-1,0; церий 0,005-0,10; иттрий 0,0001-0,002; лантан 0,001-0,05; неодим 0,0005-0,01; никель остальное(RU 2148099, C22C 19/05, опубликовано 27.04.2000).
Наиболее близким по технической сущности является жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления лопаток газовых турбин (ТУ 14-1-4828-90:  ХН58КТВЮМБЛ-ВИ (ЧС104-ВИ),) содержащий углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, бор, ниобий, титан, гафний, марганец, цирконий, кремний, азот, железо, медь и никель, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,06-0,12
хром
20,00-21,80
кобальт
10,30-12,00
вольфрам
3,00-4,00
молибден
0,30-0,90
алюминий
2,10-2,90
бор
0,015
ниобий
0,15-0,35
титан
3,10-3,90
марганец
≤0,30
цирконий
0,030
кремний
≤0,30
азот
≤0,010
железо
≤0,50
медь
≤0,10
никель
основа
Однако данный известный сплав не обладает достаточно высокими показателями по жаростойкости и жаропрочности.
В процессе эксплуатации, лопатки подвергаются воздействию высоких температур и агрессивных сред. Результатом такого комплексного воздействия на деталь является ее быстрый выход из строя, что не обеспечивает требуемого ресурса изделия в целом. Для решения проблемы повышения работоспособности блока лопаток турбины используются различные эффективные защитные покрытия [Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов / Н.В.Абраимов, Ю.С.Елисеев. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001. - 622 с.].
Применяемые для защиты лопаток жаростойкие покрытия, при их достаточной стабильности в условиях эксплуатации, могут ощутимо снизить процессы разрушения основного материала детали и обеспечить ее работоспособность в условиях высоких температур.
Наиболее перспективными материалами, используемыми для формирования жаростойких покрытий, являются сплавы систем: Me-Cr-Al-Y, где Me - Ni, Co или их сочетание, а также сплавы сочетающие Ni, Cr, Al, Si, Y, B. [Мубояджян С.А., Каблов Е.Н., Будиновский С.А. Вакуумно-плазменная технология получения защитных покрытий из сложнолегированных сплавов, МиТОМ. 1995, №2, с. 15-18. Применяются как однослойные [Патент США №4475503], так и двухслойные покрытия, например, с внешним слоем на основе алюминидов никеля [патент США №4080486].
2
Известно также жаростойкое покрытие, содержащее на пере и полке лопатки жаростойкое покрытие, состоящее из нижнего жаростойкого слоя и нанесенного на него внешнего жаростойкого слоя [Патент РФ №1658652. МПК С23С 14/00. Способ получения комбинированного жаростойкого покрытия, опубл. 2000 г.]. Известная лопатка содержит жаростойкое покрытие, полученное осаждением в вакууме слоя покрытия из сплава на основе никеля, содержащего кобальт, хром, алюминий и редкоземельный элемент, последующее осаждение внешнего слоя покрытия из сплава на основе алюминия, содержащего в качестве легирующей добавки никель, при содержании в каждом из слоев алюминия в количестве 20-80 г/м и толщине внутреннего слоя покрытия 30-100 мкм и последующий вакуумный отжиг.
Известно также жаростойкое покрытие состава NiCrAlY, которое нанесено в вакууме [Мубояджян С.А., Каблов Е.Н., Будиновский С.А. Вакуумно-плазменная технология получения защитных покрытий из сложнолегированных сплавов, МиТОМ. 1995, №2, с.15-18].
Известны также жаростойкие покрытия, полученные алюмосилицированием ( например, патент РФ №2032764, МПК 23С 10/52 - «Суспензия для алюмосилицирования металлических деталей»). Процесс алюмосилицирования включает: приготовление водной суспензии, в состав которой входят фосфаты и хроматы, наполнитель - порошки алюминия и кремния, коллоидный порошок оксида кремния (аэросил); подготовка поверхности детали и окрашивание; термическая обработка.
Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость и недостаточная выносливость и циклическая прочность, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации блока лопаток газотурбинных двигателей и установок.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение жаропрочности и жаростойкости блока лопаток при одновременном повышении ее выносливости.
Технический результат за счет того, что блок из трех полых направляющих лопаток турбины для газотурбинных двигателей и энергетических установок, содержащий на внешней поверхности пера внешнее жаростойкое покрытие и на внутренней поверхности полости лопаток внутреннее жаростойкое покрытие, причем упомянутый блок выполнен из сплава на основе никеля, содержащего углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, бор, ниобий, титан, гафний, марганец, цирконий, кремний, азот, железо, медь и никель, в отличие от прототипа упомянутый сплав дополнительно содержит церий, иттрий и гафний, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,06-0,12
хром
20,00-22,00
кобальт
10,30-12,00
вольфрам
3,00-4,00
молибден
1,10-1,90
алюминий
2,40 – 3.30
бор
0,015
ниобий
0,25 - 0,40
церий
0,025
иттрий
0,025
титан
3,20-4,00
гафний
0,30-0,60
марганец
≤0,30
цирконий
0,030
кремний
≤0,30
азот
≤0,010
железо
≤0,50
медь
≤0,10
никель
основа
Причем внешнее жаростойкое покрытие толщиной от 10 мкм до 15 мкм выполнено шликерным алюмосилицированием при содержании в покрытии, вес.%: Аl - от 26% до 32%; Si - от 3, 0% до 4,7%; Ni - остальное, а внутреннее жаростойкое покрытие толщиной от 10 мкм до 15 мкм выполнено из сплава состава, вес %: Cr - от 4,0% до 8,0% и Al - от 15,0% до 25,0%, Ni - остальное, толщиной от 10 мкм до 15 мкм.
Технический результат достигается также тем, что масса блока лопаток составляет 2,8 кГ, а габаритные размеры составляют 252 мм × 80,5 мм × 130 мм.
В предлагаемом сплаве на никелевой основе количество упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al) составляет порядка 55-60 ат. %, что обеспечивает высокую жаропрочность: 350-360 МПа за 103 часов при температуре порядка 850- 900°C.
Содержание вольфрама и тантала дает повышенную жаропрочность литого сплава, однако дальнейшее увеличение их суммарного содержания вызывает значительный рост температуры растворения γ'-фазы, что компенсируется увеличенным содержания кобальта.
Гафний в сочетании с ниобием в заявленных концентрациях, а также добавки церия и иттрия обеспечивают достаточную пластичность литого сплава на длительный ресурс, способствуют стабилизации в сплаве карбидов, а также повышению эксплуатационных характеристик лопатки в условиях воздействия высоких температур и агрессивных сред.
При этом заявленные соотношения компонентов в сплаве исключают в процессе наработки появление охрупчивающих фаз и ограничивают выделение неравновесной эвтектической γ'-фазы, что обеспечивает пониженный объем газоусадочной пористости и повышает устойчивость изделия к образованию трещин.
Для получения литых блоков лопаток газовой турбины из предлагаемого сплава используют известные способы и устройства для литья турбинных блоков лопаток из жаропрочных сплавов с монокристаллической, направленной и равноосной структурами. Термообработка литых заготовок включает гомогенизирующий отжиг при температуре около 1260°C в течение 3-10 часов.
Достигаемое повышенное сопротивление агрессивным воздействиям среды предлагаемой лопатки из предлагаемого сплава (по сравнению с известным аналогом) позволяют увеличить эксплуатационную надежность и срок службы изделий.
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества упрочняющей γ'-фазы (Ni3Al), легированной ниобием, титаном, танталом и т.д., а также упрочнением твердого раствора (γ-фазы) кобальтом, хромом, молибденом и вольфрамом. Повышенную коррозионную стойкость, а также сопротивление окислению при повышенных воздействий высоких температур и агрессивных сред обеспечивают высоким содержанием хрома и алюминия и тантала в поверхностном слое лопатки, а также нанесением жаростойкого покрытия.
Для оценки стойкости известных и предлагаемых лопаток газовых турбин, были проведены сравнительные испытания, показавшие следующие результаты.
Толщины покрытий составляли:
по способу-прототипу:
внешнее покрытие: жаростойкий слой - толщиной от 10 мкм до 15 мкм;
внутреннее покрытие - толщиной от 10 мкм до 15 мкм.
по предлагаемому способу:
внешнее покрытие: жаростойкий слой - толщиной от 10 мкм до 15 мкм;
внутреннее покрытие - толщиной от 10 до 15 мкм.
В результате проведенных испытаний на жаропрочность были получены следующие результаты: длительная прочность лопаток из никелевого сплава в среднем по сравнению с прототипом составляет:
1) при температуре 600 °С, нагрузке 1000 МПа составляет:
прототип: 360-380 час;
по предлагаемому техническому решению: 490-510 час;
2) при температуре 800 °С, нагрузке 500 МПа составляет:
прототип: 410-430 час;
по предлагаемому техническому решению: 510-530 час;
3) при температуре 900 °С, нагрузке 250 МПа составляет:
прототип: 360-370 час;
по предлагаемому техническому решению: 410-418 час.
Предел выносливости образцов из никелевого сплава, по предлагаемому варианту превышает аналогичные показатели, полученные по прототипу в среднем на 6,7-8,4%.
Таким образом, предложенный блок лопаток из сплава на никелевой основе с жаростойкими внешним и внутренним покрытиями позволяют достичь технического результата заявляемой полезной модели - повышения жаропрочности и жаростойкости блока лопаток при одновременном повышении ее выносливости.