Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14)




Скачать 21,38 Kb.
НазваниеВестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14)
Дата03.02.2016
Размер21,38 Kb.
ТипДокументы

Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. № 2(14)


УДК 669:658.562; 621.165


С.В. Давыдов, В.Г. Кешенкова


Современные Конструкционные материалы

для лопаточного аппарата турбомашин


Рассмотрены основные группы современных конструкционных материалов для лопаточного аппарата турбомашин с позиций оценки их структурной стабильности.


Прогресс в области турбостроения и повышение эффективности турбомашин определяются качеством и эксплуатационными характеристиками их основных деталей. Бесперебойная и надежная работа оборудования турбомашин является важнейшей задачей энергетического производства.

Газотурбинные установки (ГТУ) нового поколения призваны обеспечить высокий уровень основных эксплуатационных показателей, в том числе экономичности, надежности (наработка на отказ - не менее 3,5 тыс.ч, межремонтный ресурс - на уровне 20...25 тыс. ч, улучшенные экологические показатели и т.п.) [1, 2].

Проблема увеличения срока службы энергетического оборудования также остается крайне актуальной в существующей экономической обстановке. При рассмотрении проблемы повышения ресурса энергетического оборудования необходимы исследования, учитывающие процесс разупрочнения применяемых материалов при длительной эксплуатации. Это сложная задача, требующая надежных методов оценки структурного состояния металла в изделии [3, 4].

Лопатки турбомашин (рис. 1) работают в тяжелых термодинамических условиях. Они подвергаются сильному воздействию центробежной силы, изгибающему и пульсирующему влиянию рабочей среды, вызывающему вибрации лопаток, в которых легко могут быть возбуждены резонансные колебания. Все это происходит в первых ступенях турбины при высоких температурах рабочей среды. Температура рабочей среды, прежде всего, влияет на микроструктуру сплава, а собственно рабочая среда воздействует на лопаточный аппарат - как механически, так и химически, - вызывая различные виды повреждений.

Материал рабочих лопаток обычно выбирается по характеристикам длительной прочности при рабочих температурах металла, которые должны обеспечивать необходимый запас прочности по отношению к максимальным растягивающим напряжениям. В охлаждаемых лопатках обычно не удается существенно снизить температуру кромок. Поэтому для этих лопаток, помимо жаропрочности, одним из важных требований к металлу является и жаростойкость. Значительные трудности возникают при выборе материала лопаток судовых ГТУ, работающих в контакте со средой, в состав которой входят агрессивные соли морской воды, а также энергетических ГТУ, эксплуатирующихся в условиях загрязненного воздуха и с использованием загрязненного топлива. Кроме высокой прочности, материал лопаток должен иметь соответствующую пластичность, сопротивляться действию малоцикловых усталостных деформаций, прочно соединяться с диском. Поскольку эти детали находятся в контакте с высокотемпературными продуктами сгорания, содержащими большое количество кислорода, материал должен иметь высокую стойкость к окислению.

Материалы, применяемые в настоящее время для деталей газовых турбин (могут быть условно подразделены на традиционные и современные): перлитные, хромистые ферритные, ферритно-мартенситные, мартенситные, аустенитные и аустенитно-мартенситные стали, титановые сплавы и, наконец, сплавы на никелевой и кобальтовой основе. Для жаропрочных сталей ферритного, ферритно-мартенситного и аустенитно-мартенситного классов, к которым относятся хромистые стали с 12 и 17 % Сr, а также жаропрочных сталей перлитного класса часто используют общий термин «ферритные стали» [5, 6]. Механические и химические свойства сортового металла из жаропрочных сталей, а также рекомендуемые режимы термической обработки предусмотрены нормативными документами (табл. 1).

При использовании традиционных сплавов на никелевой основе для лопаточного аппарата турбомашин необходимо учитывать их особенности: низкую коррозионную стойкость в контакте с продуктами сгорания, охрупчивание при длительной эксплуатации, наличие различных металлургических дефектов.

Создание современных конструкционных материалов, связанное со значительным усложнением химического состава, позволяет устранить причины, снижающие эксплуатационную надежность деталей.

Для борьбы с коррозией разрабатываются сплавы с повышенным содержанием хрома. К наиболее коррозионностойким материалам относятся стали аустенитного класса (рис.2), имеющие следующие механические свойства: в=500...550 МПа, 0,2=150...240 МПа, =40...60 %. [7].

Недостатком аустенитных сталей является восприимчивость к опасным видам межкристаллитной коррозии (МКК).

Причина МКК - электрохимическая неоднородность пограничных участков по сравнению с самими зернами. Из-за этой неоднородности пограничные участки являются анодами и быстро подвергаются коррозионному разрушению.

В аустенитных сталях, содержащих 17...19 % Сr, обедненный хромом слой образуется на границах зерен в интервале 450...700 °С. При этих температурах диффузионная подвижность атомов углерода велика, а хрома - мала. Закаленный аустенит является пересыщенным по отношению к углероду; в нем содержится 0,08...0,12 % С, а его растворимость при 20...25 °С достигает лишь 0,03 %. Нагрев до 450...700 °С, даже в течение нескольких минут, сопровождается выделением избытка углерода в виде Ме23С6 и появлением обедненного хромом слоя (рис. 3).

Для предотвращения выделений карбидов хрома используют быстрое охлаждение из области g-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды. Каждый элемент активно связывает углерод в прочный карбид МеС, и для образования карбида Ме23С6 углерода не остается.


П
2

1

3
ри этом лучшей стойкостью против коррозии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходится на долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть низким, чтобы уменьшить переход хрома в карбиды, так как это может снизить концентрацию хрома в защитной пленке.

Также разработана теория оптимального легирования, обеспечивающего повышение структурной стабильности сплавов. В сплавах, созданных на основе этой теории, при длительной эксплуатации затруднено образование топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз (типа и ) и в связи с чем не наблюдается значительного охрупчивания сплавов. При этом регламентируются суженные пределы содержания легирующих элементов.

Что касается мелкодисперсной -фазы, выделяющейся при сравнительно низких температурах, то для подавления этих процессов используются специальные способы технологической термической обработки.

В никелевых жаропрочных сплавах суммарная массовая доля легирующих элементов достигает 39 %. При этом в сплавах содержатся дефицитные и дорогостоящие материалы (тантал, рений).

Введение в сплав 1 % рения обеспечивает повышение его жаропрочности на 15 МПа (). Такая тенденция устойчивости сохраняется при содержании рения до 6 %. Таким образом, этот вариант легирования можно считать экономически обоснованным, несмотря на высокую стоимость рения (1000...1500 долл. за 1 кг) [8].

По принятой классификации (табл. 2) монокристаллические сплавы без рения (ЖС 30М, СMSX – 2,3, Rene N4) относят к первому поколению, с содержанием Re 2...3 % (ЖС36, СMSX – 4, Rene N5) – ко второму, с 6 % Re – к третьему (СMSX – 10, Rene N6). В последнее время разработан новый жаропрочный сплав ЖС55 (9 % Re) со следующими характеристиками жаропрочности: МПа; МПа; МПа [8]. Этот сплав по уровню свойств существенно превосходит известные зарубежные ренийсодержащие сплавы третьего поколения (СMSX – 10, Rene N6 и др.), имеющие жаропрочность МПа. По уровню содержания рения ЖС55 можно отнести к новому, четвертому поколению сплавов для монокристаллического литья.

Основная трудность, возникающая при повышении содержания рения в сплавах, связана с тем, что в процессе работы лопаток из ренийсодержащих сплавов в их структуре выделяются топологически плотноупакованные фазы, которые резко разупрочняют материал. Такие ТПУ-фазы образуются, как правило, в осях дендритов и представляют собой пластины, выделяющиеся параллельно плоскостям октаэдра {111}. На рис. 4 показана структура монокристалла [001] сплава ЖС-32 (4 % Re) c пластинчатыми выделениями ренийсодержащей ТПУ-фазы после длительной наработки на двигателе (12000 ч). Следует отметить, что рений сам по себе не образует с никелем каких-либо промежуточных фаз, поэтому для образования ТПУ-фаз необходимо наличие в сплаве элементов VI группы, в первую очередь вольфрама.

Наиболее сильный эффект повышения жаропрочности сплава дает комплексное легирование. Присутствие в сплавах Ti и Аl в количествах, превышающих их предельную растворимость в твердом растворе при температурах 650...950 °С, позволяет достигнуть после закалки и отпуска существенного эффекта дисперсионного твердения благодаря выделению дисперсных частиц интерметаллической фазы типа Ni3(Тi, NiAl). Такая микроструктура делает сплав устойчивым к температурному воздействию при 700...800 °С и выше [9].


Таблица 2

Классификация монокристаллических сплавов


Сплав

Содержание элементов, %

, МПа

Cr

Co

Mo

Re

W

Al

Ti

Ta

Nb

Hf

Другие

I поколение

ЖС30М


CMSX-2

CMSX-3

Rene-N4

7


8

8

9

7,5


4,6

4,6

8,0

0,6


0,6

0,6

2,0

-


-

-

-

12


8

8

6

5,0


5,6

5,6

3,7

1,8


1,0

1,0

4,2

-


6

6

4

1,0


-

-

0,5

-


-

0,1

-

<0,01С

-

-

-

220


220

220

-

II поколение

ЖС36

CMSX-4

Rene-N5

4,0

6,5

7,0

9,0

9,0

8,0

1,0

0,6

2,0

2,0

3,0

3,0

12

6

5

6,0

5,6

6,2

1,0

1,0

-

-

6,5

7,0

1,0

-

-

-

0,1

0,2

-

-

-

250

260

250

III поколение

СMSX-10

Rene N6

2,0

4,2

3,0

12,5

0,4

1,4

6,0

5,4

5

6

5,70

5,75

0,2

-

8,0

7,2

0,1

-

0,03

0,15

-

0,05С

0,004В

0,01Y

310

290-300



Введение в дисперсионно-твердеющие сплавы W и Мо (до 10 %), а также Nb дополнительно упрочняет твердый раствор, замедляет диффузионные процессы и увеличивает количество дисперсной упрочняющей фазы. Количество дисперсной фазы увеличивают также путем повышения суммарного содержания Ti и Al. Все это приводит к существенному возрастанию жаропрочности сплавов, что делает возможным их применение при температурах до 800...850 °С и высоких напряжениях.

К особенностям состава никелевых жаропрочных сплавов относится присутствие в них некоторого количества поверхностно-активных элементов (В, Се, иногда Ва и Мg), способствующих рафинированию металла и упрочнению границ зерен, а также небольшое содержание в них примесей (S, P, Pb и др.).

Одним из перспективных направлений повышения рабочих температур турбинных лопаток явилось создание жаропрочных материалов с естественной композиционной структурой -MeC [10] - сплавов ВКЛС-10, ВКЛС-20, ВКЛС-20Р, - получаемых направленной кристаллизацией. При их создании применен комбинированный принцип упрочнения никелевой -матрицы, сочетающий твердорастворное упрочнение тугоплавкими металлами (Mo, W, Re), дисперсионное упрочнение частицами -фазы и композиционное - нитевидными кристаллами (волокнами) на основе монокарбида ниобия или тантала (NbC, TaC). Среди никелевых жаропрочных сплавов эвтектические сплавы имеют наиболее высокие значения характеристик жаропрочности и рабочих температур. Однако их практическое применение сдерживается из-за большой продолжительности процесса направленной кристаллизации, связанной с малой скоростью формирования композиционной структуры отливки: 5...6 мм/ч, т.е. почти на два порядка ниже, чем при росте монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов.

Наряду с традиционными сплавами (типа ЖС - дисперсного упрочнения) разработаны также сплавы интерметаллидного класса типа ВКНА на основе интерметаллида (Ni3Al) с высоким содержанием алюминия [11].

Сплавы указанной группы, обладая более высокой в сравнении с дисперсионно-упрочненными сплавами жаропрочностью в области температур 1100 оС и выше и имея высокую жаростойкость, уступают по долговечности (при длительной прочности) этим сплавам в области температур 800...1050 оС. Однако путем корректировки легирования сплавов нового класса, а также отливки их методом направленной кристаллизации возможно обеспечить уровень свойств при температурах 900...1000 оС, соизмеримый со свойствами традиционных сплавов.

В отличие от традиционных жаропрочных сплавов типа ЖС интерметаллидный сплав ВКНА 4У-моно имеет меньшее количество вольфрама, кобальта и не содержит дорогостоящих металлов (ниобия, ванадия). На рис. 5 представлена типичная микроструктура интерметаллидного сплава: белые крупные включения (рис. 5а) – первичные частицы -фазы, белые прослойки (рис. 5б) - -фаза, темное поле – вторичные частицы -фазы. Такая структура обладает высокой термической стабильностью, не вызывает разупрочнения сплава и потери пластичности после длительных нагревов при высоких температурах.

При температуре 1200 оС сплав сохраняет прочность на уровне в=165 МПа и длительную прочность на базе 100 ч МПа.

Интерметаллидные сплавы типа ВКНА могут применяться для получения отливок с равноосной, направленной столбчатой и монокристаллической структурами. Причем для каждого вида отливок разработаны соответствующие композиции. Таким образом, особенности интерметаллидных сплавов позволяют прогнозировать значительный технический и экономический эффект при их широком промышленном применении. Так, использование интерметаллидного сплава ВКНА-4У-моно вместо сплава ЖС6У для изготовления рабочих лопаток позволило увеличить их срок службы примерно в 3 раза при одновременном повышении рабочей температуры на 60 оС.

В связи с повышением температуры газа перед турбиной до 2000 оС, уменьшением размеров камеры сгорания топлива, уменьшением продолжительности набора и сброса оборотов задача разработки эффективных методов увеличения долговечности лопаток газовых турбин путем создания более прочных материалов и на сегодняшний день остается актуальной.


Список литературы


  1. Костюк, А.Г. Динамика и прочность турбомашин: учеб. для вузов /А.Г.Костюк. – М., 2000. – 480 с.

  2. Козаченко, А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов /А.Н. Козаченко. –М., 1999. - 463 с.

  3. Костюк, А.Г. Турбины тепловых и атомных электрических станций /А.Г. Костюк, В.В. Фролов, А.Е. Булкин, А.Д. Трухний. – 2-е изд., перераб. и доп. –М.: Изд-во МЭИ, 2001. – 488 с.

  4. Родин, В.Н. Ремонт паровых турбин: учеб. пособие для вузов /В.Н. Родин, А.Г. Шарапов, Б.Е. Мурманский, Ю.А. Сахнин, В.В. Лебедев, М.А. Кадников, Л.А. Жученко; под общ. ред. Ю.М. Бродова, В.Н. Родина.  Екатеринбург: ГОУ УГТУ-УПИ, 2002.  296 с.

  5. Гецов, Л.Б. Ползучесть и длительная прочность металлических материалов: уч. пособие /Л.Б. Гецов. –М., 2005. -52 с.

  6. Марочник сталей и сплавов /под ред. А.С. Зубченко. - 2-е изд. перераб. и доп. -М., 2003. -783с.

  7. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов /Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]. - М., 2004. -648 с.

  8. Каблов, Е.Н. Монокристаллические никелевые ренийсодержащие сплавы для турбинных лопаток ГТД /Е.Н. Каблов, В.Н. Толораия, Н.Г. Орехов //Материаловедение и термическая обработка металлов. -2002. -№7. –С. 7-11.

  9. Коваль, А.Д. Принципы легирования жаропрочных никелевых сплавов, стойких к высокотемпературной коррозии /А.Д. Коваль, С.Б. Беликов, Е.Л. Санчугов // Материаловедение и термическая обработка металлов. -2001. -№10. –С. 5-9.

  10. Каблов, Е.Н. Сплав на основе интерметаллида Ni3Al - перспективный материал для лопаток турбин /Е.Н. Каблов, Б.С. Ломберг, В.П. Бунтушкин, Е.Р. Голубовский, С.А. Мубояджян // Материаловедение и термическая обработка металлов. – 2002.  № 7.  С. 16  19.

  11. Бахарев, В.Г. Опыт применения интерметаллидного сплава ВКНА-4У на рабочих лопатках турбины /В.Г. Бахарев, В.Г. Костогрыз, В.Н. Миронов //Авиационная промышленность. – 2001. - № 4. – С. 17-20.


Материал поступил в редколлегию 19.03.07.






Похожие:

Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВестник Брянского государственного технического университета. 2007. №3(15)
Рассмотрены условия работы направляющих аппаратов высокотемпературных газовых турбин. Предложены направления модернизации их конструкции,...
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВестник Брянского государственного технического университета. 2007. №4(16) прочность и надежность машин
Анализируются состояние и перспективы решения задач о контактировании твердых деформируемых тел с учетом наличия в зоне контакта...
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВестник Брянского государственного технического университета. 2009. №2(22)
Приведены результаты исследования влияния изменения геометрии каналов сопловых и рабочих решеток турбомашин на их экономичность и...
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВестник Брянского государственного технического университета. 2006. №2 (10) автоматизация
Автоматизация расчета нормальной контактной жесткости стыков плоских поверхностей шлифованных деталей
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВестник Брянского государственного технического университета. 2006. №4 (12) Энергетическое машиностроение
Рассмотрены условия работы турбомашин при загрязнении проточной части. Приведены результаты экспериментального исследования влияния...
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВестник Брянского государственного технического университета. 2008. №1(17)
Приведена методика определения величин, входящих в уравнения статистической теории подобия усталостного разрушения, с помощью поляризационно-оптического...
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconО научном журнале «Вестник Южно-Уральского государственного университета»
Научный журнал «Вестник Южно-Уральского государственного университета» (далее Вестник юурГУ) является периодическим печатным, подписным...
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВоенно-исторический журнал Вопросы истории ▲
Вестник Брянского государственого университета. Серия История/литературоведение/право/ языкознание
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) icon«Вестник Дальневосточного государственного технического университета»
Лаптев Сергей Владимирович – аспирант кафедры сварочного производства двгту. E-mail: 1ru1@mail ru
Вестник Брянского государственного технического университета. 2007. №2(14) iconВестник самарского государственного технического университета
А. П. Амосов, В. И. Батищев, Н. В. Дилигенский, М. А. Евдокимов, А. Ф. Заусаев, Л. С. Зимин, Я. М. Клебанов, М. Л. Костырев, В. А....
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница