Структурно-фазовое состояние и механические свойства материала лопатки турбины высокого давления после разрушения

УДК 621

Ю. П. Тарасенко, О. Б. Бердник, И. Н. Царева

СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА ЛОПАТКИ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПОСЛЕ РАЗРУШЕНИЯ

Аннотация. Исследованы рабочие лопатки турбины высокого давления газоперекачивающего агрегата после его аварийной остановки. Определены причины разрушения рабочих лопаток на основании комплексного исследования микроструктуры и механических свойств.

Ключевые слова: рабочие лопатки турбин, микроструктура металла, механические свойства, никелевые сплавы, упрочняющие фазы.

Abstract. The authors have researched the rotor blades of a high-pressure turbine in a gas-compressor unit after its emergency stop. The researchers have determined the causes of blades’ destruction on the basis of microstructure and mechanical characteristics examination.

Key words: turbine rotor blades, metal microstructure, mechanical features, nickel alloys, strengthening phase.

Введение

Лопатки турбины высокого давления (ТВД) газотурбинных двигателей газоперекачивающих агрегатов могут длительное время (десятки тысяч часов) эксплуатироваться при высокой температуре ~ 900 °С в условиях агрессивной среды. При этом в материале лопаток неизбежно происходят структурно-фазовые изменения, которые влияют на их работоспособность. Данные изменения сопровождаются разнообразием видов повреждений материала лопаток как на микро-, так и на макроуровне [1, 2].

Целью работы являлось исследование состояния материала лопаток ТВД из аварийного комплекта и установление причины их разрушения.

В качестве объекта исследования была выбрана лопатка с типичной картиной разрушения из комплекта после аварийного останова ротора турбины газоперекачивающего агрегата. Наработка лопаток составляла 70 ч после планового ремонта. Лопатки импортного производства из жаропрочного никелевого сплава In 738 были восстановлены в производственных условиях.

1. Материал и методика исследования

Для выявления причин разрушения были проведены исследования микроструктуры, фазового состава, микротвердости, прочностных и пластических характеристик материала лопатки.

Механические испытания на растяжение проводили на разрывной машине У10Т в соответствии с ГОСТ1497. Микроструктуру и тонкую структуру шлифов исследовали на оптическом микроскопе «НЕОФОТ-32» и растровом электронном микроскопе «VEGA//TESCAN». Рентгеноструктурный анализ осуществляли на дифрактометре Дрон-3М с применением Cu-Ка-излучения. Контрольный химический анализ осуществляли атомноэмиссионным методом на спектрографе PGS-2. Микротвердость материала измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке на индентор 2 Н.

2. Результаты исследований и их обсуждение

При визуальном осмотре на всех рабочих лопатках ТВД выявлены разрушения верхней части пера по входной кромке 0,2-0,3 высоты пера с выходом на торцы, наблюдается скол вершины пера лопаток со стороны входной кромки. Внешний вид рабочих лопаток показан на рис. 1.

Рис. 1. Вид перовой части лопаток ТВД после аварии: а - общий вид в сборке; б - вид поверхности излома пера исследуемой лопатки

На рис. 1,б представлен вид поверхности излома исследованной лопатки. Поверхность разрушения окислена, имеет механические повреждения в виде забоин. Кромки пера в зоне разрушения на спинке и корыте имеют загибы до 2 мм и утяжку в сторону корыта, т.е. в направлении, противоположном вращению ротора турбины. Вид излома смешанный - межкристаллитный и транскристаллитный, «хрупко-вязкий».

Цвет поверхности верхней половины пера лопатки - черно-бурый, а нижней части - ржаво-коричневый, что свидетельствует о высокотемпературном нагреве вершины пера.

Аналогичная картина разрушения лопаток ТВД наблюдалась на другом агрегате. Характер разрушения на всех лопатках идентичен: наблюдается скол вершины пера лопаток со стороны входной кромки. Наработка данного комплекта лопаток ТВД составляла 515 ч. Лопатки были изготовлены из никелевого сплава ЗМИ-ЗУ методом точного литья по выплавляемым моделям.

Материал лопатки практически соответствует марочному составу сплава 1п 738 за исключением повышенного содержания легирующих элементов Сг, Со, ", что не снижает жаропрочных и эксплуатационных свойств данного сплава.

При небольшом времени наработки (70 и 515 ч) лопатки обоих комплектов имеют аналогичные картины разрушения перовой части всех лопаток

комплекта и не подлежат восстановлению. Это свидетельствует о внешнем силовом воздействии, которое привело к разрушению. Если предположить, что разрушение материала произошло вследствие деградации структуры, то будет наблюдаться индивидуальный профиль излома на каждой лопатке. Пример такого разрушения лопаток ТВД от высокотемпературной усталости после (~10 000 ч) представлен на рис. 2.

Рис. 2. Вид усталостного разрушения лопаток ТВД

Значения механических характеристик материала исследуемых рабочих лопаток ТВД из сплава 1п738 представлены в табл. 1. Результаты испытаний образцов, вырезанных из разных зон опытной лопатки, по всем показателям соответствуют нормативным требованиям, предъявляемым к данной марке сплава.

Таблица 1

Механические свойства материала (1п 738) лопатки ТВД

Образец (место) Предел прочности (ств), МПа Предел текучести (ст0 2), МПа Относительное удлинение 8, % Относительное сужение ^, %

Перовая часть 860 700 4 -

Замковая часть 850 610 8,8 11

По ТУ 3117-00257175179-2001 800 700 3 -

При исследовании материала лопатки на оптическом микроскопе после травления реактивами «Марбле» и «Царская водка» выявлена микроструктура основного металла лопатки в вершине пера и в замковой части.

Структура металла - литая, крупнозернистая, равноосная. Она представлена у-твердым раствором легирующих элементов в никеле, у’-упроч-няющей интерметаллидной фазой №3(А1Ті) и карбидом МеС. Карбидная фаза имеет высокую дисперсность, расположена как по границам, так и внутри зерен в виде прерывистой сетки или скоагулированных выделений (рис. 3).

На рис. 4 показана тонкая структура металла замковой части лопатки ТВД. Она представляет собой аустенитную основу и когерентно связанную с ней интерметаллидную у’-фазу №3(А1Ті) в виде частиц шаровидной формы

размером от 500 до 1000 нм. Объемное содержание у’-фазы в металле шлифа, определенное точечным методом А. А. Глаголева, составляет ~ 37 %. Это соответствует кондиционной микроструктуре никелевого сплава 1п 738 в состоянии после термической обработки - закалки и старения.

а)корыто

Д1&, ~-^г

в) спинка

Рис. 3. Микроструктура материала 1п 738 лопатки ТВД

Рис. 4. Тонкая структура материала лопатки, замок

На рис. 5 представлена тонкая структура металла в вершине перовой части лопатки со стороны спинки (рис. 5,а) и со стороны корыта (рис. 5,б). Структура состоит из двух фаз - основной составляющей в виде аустенитной у-фазы и избыточной интерметаллидной у’-фазы №3 (Л1Т). Интерметаллид-ная фаза выявляется в виде крупнодисперсных частиц шаровидной и эллипсоидной форм размером 46-1080 нм и мелкодисперсных выделений размером 180- 270 нм. Объемное содержание у’-фазы в металле, рассчитанное точечным методом А. А. Глаголева, составляет: со стороны спинки ~33 %, со стороны корыта ~32 %. При этом соотношение крупнодисперсной и мелкодисперсной у’-фазы в шлифе составляет, соответственно, со стороны спинки: ~15 и ~18 %, со стороны корыта: ~12 и ~20 %.

б)

Рис. 5. Тонкая структура материала лопатки в вершине пера: а - со стороны спинки; б - со стороны корыта

Характерное разнозернистое строение интерметаллидной у’-фазы в металле вершины пера лопатки объясняется нарушением теплового режима работы турбоагрегата, с чем связан нагрев верхней половины перовой части до температуры 1000-1100 °С. В связи с высокотемпературным перегревом вершины пера произошло частичное растворение интерметаллидной у’-фазы в твердом растворе аустенита. В процессе охлаждения материала лопаток с высоких температур (> 1000 °С) при остановке агрегата происходило выделение мелкодисперсной интерметаллидной фазы из твердого раствора, как и положено по кинетике распада пересыщенной у-фазы.

Незначительная разница в соотношениях крупно- и мелкодисперсных выделений у’-фазы в сплаве со стороны спинки и корыта связана с температурным градиентом при нагреве данных зон. Материал в вершине лопатки со стороны корыта при работе был подвергнут более интенсивному перегреву.

Методом рентгеноструктурного анализа определены фазовый состав и параметры субструктуры основного материала лопатки. Основными фазами в исследуемом сплаве являются у-твердый раствор легирующих элементов (~63 %) и упрочняющая интерметаллидная фаза №3(ЛГО) (~37 %). Также за-

фиксировано наличие карбидной фазы (", Мо)С. Субзеренная структура сплава характеризуется крупным размером блоков мозаики (D > 500 нм) и высокими значениями микродеформаций в них (е = 0,00118 и е = 0,00178 в зоне замка и пера со стороны спинки соответственно). Плотность дислокаций на границах и внутри блоков составляет ре = 7,3 • 1010 см2 и ре = 1,7 • 1011 см-2 соответственно.

Субструктура материала со стороны корыта отличается очень малым размером блоков мозаики (D = 27 нм) и величины микродеформаций (е = 0,00002). Плотность дислокаций по границам субзерен имеет предельное значение (рь = 4 • 10 см- ), характерное для стадии разрушения материала. Такая фрагментированная субструктура материала может формироваться при фрикционном взаимодействии с большими контактными нагрузками. В пользу высказанного предположения свидетельствует и появление текстуры в кристаллографических плоскостях (2 0 0) зерен никелевой матрицы (по данным рентгеноструктурного анализа).

При измерении микротвердости материала на шлифах, вырезанных из вершины пера и замка лопатки, установлено, что твердость сплава адекватна его структурно-фазовому состоянию и равна: Н200 = 3,76 • 103 Мпа (спинка); Н200 = 3,9 • 103 Мпа (корыто); Н200 = 4,8 • 103 Мпа (замок).

Заключение

На основании комплексного исследования материала разрушенной лопатки турбины высокого давления газоперекачивающего агрегата установлено:

1. Структурно-фазовое состояние материала лопатки в зонах, не подверженных высокотемпературному воздействию (> 1000 °С), кондиционно и соответствует состоянию после восстановительной термической обработки (закалки и старения при 850 °С).

2. В зоне разрушения (вершине пера) установлены структурно-фазовые изменения в материале, заключающиеся в частичном растворении существующей у’-фазы и образовании вновь высокодисперсной у’-фазы.

3. Механические свойства материала лопатки в перовой и хвостовой частях соответствуют требованиям «Технического задания на восстановленные лопатки ТВД».

4. Разрушение лопаток произошло по кратковременному типу в связи с «тепловым ударом» в горячей зоне проточной части турбины. После разрушения лопатки определенное время находились в рабочих условиях.

5. Причиной разрушения лопаток явилось внешнее механическое воздействие со стороны обводного кольца (обода) корпуса турбины на плоскую поверхность вершины пера в зоне входной кромки вследствие температурного расширения лопаток при нагреве их верхней части до (1000-1100) °С и возможного смещения оси ротора турбины относительно оси корпуса турбины (проседание ротора).

Список литературы

1. Гецов, Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин / Л. Б. Гецов. -Рыбинск : Газотурбинные технологии, 2010. - Кн. 1. - 611 с.

2. Филатов, М. А. Влияние термической обработки на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов / М. А. Филатов, В. С. Судаков // МиТОМ. -1995. - № 6. - С. 12-15.

3. Тарасенко, Ю. П. Определение перспективы дальнейшего использования рабочих лопаток ТВД после эксплуатации в течение двух назначенных сроков и промежуточного / Ю. П. Тарасенко, В. А. Сорокин, О. Б. Бердник, Л. А. Кривина // Фундаментальные проблемы машиноведения. Новые технологии и материалы : сборник научных трудов. - Нижний Новгород, 2006. - С. 104.

Тарасенко Юрий Павлович

кандидат физико-математических наук, Нижегородский филиал Учреждения Российской академии наук Института машиноведения имени А. А. Благонравова РАН

E-mail: tribonikanpc@mail.ru

Бердник Ольга Борисовна

кандидат технических наук, Нижегородский филиал Учреждения Российской академии наук Института машиноведения имени А. А. Благонравова РАН

E-mail: tribonikanpc@mail.ru

Царева Ирина Николаевна

кандидат физико-математических наук, Нижегородский филиал Учреждения Российской академии наук Института машиноведения имени А. А. Благонравова РАН

E-mail: tribonikanpc@mail.ru

Tarasenko Yriy Pavlovich Candidate of physical and mathematical sciences, Nizhny Novgorod branch of the Russian Academy of Sciences Establishment “Institute of Engineering Science named after A. A. Blagonravov”

Berdnik Olga Borisovna Candidate of engineering sciences, Nizhny Novgorod branch of the Russian Academy of Sciences Establishment “Institute of Engineering Science named after A. A. Blagonravov”

Tsaryova Irina Nikolaevna Candidate of physical and mathematical sciences, Nizhny Novgorod branch of the Russian Academy of Sciences Establishment “Institute of Engineering Science named after A. A. Blagonravov”

УДК 621 Тарасенко, Ю. П.

Структурно-фазовое состояние и механические свойства материала лопатки турбины высокого давления после разрушения / Ю. П. Тарасенко, О. Б. Бердник, И. Н. Царева // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 3 (19). - С. 160-166.