ЛОПАТКА ТУРБИНЫ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И УСТАНОВОК

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к лопаткам энергетических и транспортных турбин, и, в особенности, 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 рабочие 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.
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 wt %, Co: 5.0-10.0 wt %, Mo: 0.5-3.0 wt %, W: 8.0-10.0 wt %, Ta: 5.0-8.0 wt %, Nb: 3.0 wt % or less, Al: 4.5-6.0 wt %, Ti: 0.1-2.0 wt %, Re: more than 3.0-4.0 wt %, Ru: 0.2-4.0 wt %, Hf: 0.01-0.2 wt %, and the balance being Ni and unavoidable impurities  (патент США № 8,852,500).
Рабочие лопатки газовой турбины, изготовленные из известных сплавов обладают не 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 рабочих лопаток газовых турбин (ТУ 14-1-4828-90:ХН57КВЮТМБРЛ (ЧС88У),), содержащий  углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, бор, ниобий, церий, иттрий, титан, гафний, марганец, цирконий, кремний, азот, железо,  медь  и никель, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,06-0,12
хром
15,00-16,20
кобальт
10,00-11,50
вольфрам
4,70-5,90
молибден
1,60-2,30
алюминий
2,60-3,30
бор
0,010
ниобий
0,10-0,30
церий
0,020
иттрий
0,030
титан
4,20-5,00
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
Однако данный известный сплав имеет недостаточно высокие показатели по жаропрочности.
В процессе эксплуатации, лопатки подвергаются воздействию повышенных механических нагрузок, 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 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.15-18Применяются как однослойные [Патент США №4475503], так и двухслойные покрытия, например, с внешним слоем на основе алюминидов никеля [патент США №4080486].
Известно 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], а также подобное покрытие, дополнительно подвергнутое алитированию [ П.Т.Коломыцев. Высокотемпературные защитные покрытия для никелевых сплавов. - М.: Машиностроение, 1991, с 146; Лахтин Ю.М., Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1985, с 253-254].
Недостатком известных лопаток с жаростойкими покрытиями является интенсивный диффузионный обмен между слоем MeCrAlY и основным материалом детали, приводящий к снижению эксплуатационных свойств лопаток турбин ГТД и ГТУ.
Наиболее близким по технической сущности является лопатка турбины для газотурбинного двигателя, с жаростойким покрытием, [Патент РФ №2441102. МПК С23С 30/00. Способ получения жаростойкого покрытия на лопатках турбомашин, опубл. 2012 г. ]. Известная лопатка содержит жаростойкое покрытие, полученное осаждением в вакууме состава Si 4,0-4,5%, Y 1,6-2,0%, Аl - остальное, или Si 4,0-12,0%, Y 1,6-2,0%, Аl - остальное, или Si 4,0-12,0%, Y 1,6-2,0%, Аl – остальное, со слоями из боридов.
Основным недостатком прототипа является низкая жаростойкость и недостаточная выносливость и циклическая прочность, т.е. параметры, которые необходимо обеспечивать при эксплуатации лопаток газотурбинных двигателей и установок.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение жаропрочности и жаростойкости лопатки при одновременном повышении ее выносливости и циклической прочности .
Технический результат достигается тем, что лопатка турбины для газотурбинных двигателей и установок с внешним и внутренним  жаростойким покрытием,  выполненная из сплава на основе никеля, содержащего  углерод, хром, кобальт, вольфрам, молибден, алюминий, бор, ниобий, церий, иттрий, титан, гафний, марганец, цирконий, кремний, азот, железо,  медь  и никель, отличающаяся тем, что упомянутый сплав  дополнительно содержит лантан при следующем соотношении компонентов,мас.%:
хром
15,50-16,00
кобальт
11,00-12,00
вольфрам
5,50-6,00
молибден
2,00 – 2,50
алюминий
2,80 – 3.50
бор
0,010
ниобий
0,20 - 0,40
церий
0,020
иттрий
0,030
титан
4,50-5,00
гафний
0,30-0,60
марганец
≤0,30
цирконий
0,030
кремний
≤0,30
азот
≤0,010
железо
≤0,50
медь
≤0,10
лантан
0,020
никель
основа,
причем, жаростойкое покрытие выполнено толщиной от 50 до 60 мкм из сплава состава, вес %: Si - от 4,0% до 6,0%; Y - от 1,0 до 2,0%; Al – остальное, масса лопатки составляет 0,27 кГ, а габаритные размеры: 136,0 мм х 65,0 мм х 26 мм..
3
3
В предлагаемом сплаве на никелевой основе количество упрочняющей γ'-фазы (NiAl) составляет порядка 55-60  ат.%, что обеспечивает высокий жаропрочность: 350-360 МПа за 10 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, обеспечивают достаточную пластичность литого сплава на длительный ресурс и стабилизацию карбидов.
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 рабочих лопаток газовой турбины из предлагаемого сплава используют известные способы и устройства для литья турбинных 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 .
3
Высокие прочностные характеристики таких сплавов достигаются за счет значительного количества упрочняющей γ'-фазы (NiAl), 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 обеспечивают высоким содержанием хрома и  алюминия и тантала в поверхностном слое лопатки, а также нанесением жаростойкого покрытия.
Дополнительное введение лантана позволяет упрочнить границы зерен жаропрочного сплава.
Для оценки стойкости известных и предлагаемых лопаток газовых турбин, были проведены сравнительные испытания, показавшие следующие результаты.
Толщины жаростойких покрытий в составляли:
по способу-прототипу покрытие толщина покрытия от 50 мкм до  60 мкм;
по предлагаемому способу толщина покрытия от 50 мкм до  60 мкм;
В результате проведенных испытаний  на жаропрочность  были получены следующие результаты: длительная прочность  лопаток из  никелевого сплава в среднем по сравнению с прототипом составляет:
о
1) При температуре 600 С, нагрузке 1000 МПа составляет:
прототип: 360-380 час;
по предлагаемому техническому решению: 500-515 час;
о
2) При температуре 800 С, нагрузке 500 МПа составляет:
прототип: 410-430 час;
по предлагаемому техническому решению: 525-550 час;
о
3) При температуре 900 С, нагрузке 250 МПа составляет:
прототип: 360-370 час;
по предлагаемому техническому решению: 415-430 час.
Предел выносливости образцов из  никелевого сплава, по предлагаемому варианту превышает аналогичные показатели, полученные по  прототипу в среднем на 7,2-8,6%. На лопатке-прототипе наблюдалась сетка трещин.
Таким образом, предложенная лопатка из сплава на никелевой основе с жаростойким покрытием позволяют достичь технического результата заявляемой полезной модели - повышения  жаропрочности и жаростойкости лопатки при одновременном повышении ее выносливости и циклической прочности.