Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
13
Міністерство освіти та науки України
Запорізький державний технічний університет
ШМИРКО Віра Іванівна
УДК 669.245.018.044:620.193.53
ОЦІНКА ТА ПРОГНОЗУВАННЯ КОРОЗІЙНО-МЕХАНІЧНИХ ТА
МІЦНОСТНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛІВ РОБОЧИХ ЛОПАТОК В УМОВАХ АГРЕСИВНОГО ВПЛИВУ ГАЗОТУРБІННОГО ПАЛИВА
Спеціальність 05.02.01 –Матеріалознавство
Автореферат дисертації
на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Запоріжжя - 2001 р.
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано в Запорізькому державному технічному університеті
Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор,
проректор з навчальної роботи,
завідувач кафедри фізичного матеріалознавства
Коваль Анатолій Данилович
Запорізький державний технічний університет.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
генеральний директор ВАТ “Мотор Січ”
Богуслаєв В’ячеслав Олександрович,
м. Запоріжжя.
Кандидат технічних наук,
головний металург МВО “Машпроект”
Мяльниця Георгій Пилипович,
м. Миколаїв.
Провідна установа: Державний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського,
кафедра матеріалознавства (м. Харків),
Міністерство освіти і науки України
Захист відбудеться ___29 травня____ 2001 р. о 13__годин
на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.17.052.01
у Запорізькому державному технічному університеті
за адресою 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Запорізького державного технічного університету за адресою: м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.
Автореферат розісланий ____27 квітня______ 2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук, професор Ю.М.Внуков
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Газопроводи України, що транспортують газ з Російської федерації для власного споживання та на експорт у Молдавію і Західну Європу, використовують газоперекачувальні установки ГТК-10І та ГТК-25І (виробництво “Дженерал електрик”, США) і ГТН-16 (виробництво Уральського турбомоторного заводу, Росія). Підтримка їх у робочому стані вимагає періодичної заміни деталей, що відробили установлений ресурс. Найбільшою мірою це стосується робочих лопаток тих ступіней, що працюють при впливі статичних і динамічних навантажень за наявності корозійноактивних продуктів згоряння палива (газу), що містить сірку, натрій, хлор і інші домішки. Останні при температурах експлуатації сприяють інтенсивним процесам високотемпературної корозії (ВТК), що вимагає більш частої заміни лопаток.
Найбільш глибоко питання теорії і практики легування матеріалів, що працюють в умовах високотемпературної корозії, розглянуто в роботах Фелікса П.К., Сімса Ч.Т., Нікітіна В.І.. Подальший розвиток цієї матеріалознавчої проблеми можна спостерігати в роботах д.техн.н. Коваля А.Д., д.техн.н. Бєлікова С.Б., к.техн.н. Санчугова Е.Л.
Комплексний підхід до теорії легування сплавів, призначених для роботи в зазначених екстремальних умовах, привів до компромісної композиції, що враховувала вплив легуючих і мікролегуючих елементів на процеси високотемпературної корозії і особливості структуроутворення при одержанні точних заготовок деталей і їх термічної обробки. Це дало можливість запропонувати хімічні склади цілого класу жароміцних корозійностійких сплавів (ЧС70ВІ, СНЛ-1, ЗМІ-3, ЗМІ-3У) і впровадити їх у виробництво як матеріал лопаток різного типу. Так, із сплаву ЗМІ-3У було виготовлено робочі лопатки -го ступеня турбіни газоперекачувального агрегату ГТК-10І, а зі ЗМІ-3 –робочі лопатки -го ступеня ГТН-16. В даний час лідерні комплекти цих лопаток відробили більш 25 тисяч годин. Тому актуальним стало визначення гранично можливого ресурсу роботи лопаток, обумовленого не тільки результатами лабораторних досліджень процесів високотемпературної корозії, але і результатами вивчення експлуатаційних корозійно-механічних ушкоджень реальних лопаток.
Крім того, підприємства, що раніше випускали авіаційні газотурбінні двигуни, проектують і освоюють випуск стаціонарних газоперекачувальних установок. При цьому, дані підприємства прагнуть використати раніше розроблені технології і накопичений досвід застосування як матеріалу робочих лопаток високожароміцних сплавів ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ-12У. Такий клас матеріалів, як показав досвід експлуатації, надійно працює при використанні високоякісних палив при температурах до 1000о С. У сульфідно-окисному середовищі, що виникає при згорянні палива в стаціонарних газових турбінах, сплави ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД схильні до інтенсивного корозійного ушкодження, для запобігання якого застосовуються захисні покриття: CoCrAlY, CrAl, AlSi, CrAlSiTi.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні етапи дисертації виконано відповідно до планів науково-технічних робіт Запорізького державного технічного університету за темами:
1. “Розвиток наукових основ створення корозійностійких сплавів і технологій їхнього виготовлення, відновлення деталей ГТУ для енергетики і перекачування газу”, 1994 –. –N держ. реєстр. 0194044401;
2. “Дослідження можливості застосування вітчизняних жароміцних сплавів для виготовлення лопаток ТНД турбоагрегату ГТК-10І”, 1996. –N держ. реєстр. 0196U002878;
3. “Дослідження структури і властивостей металу (ЗМІ-3У) лопаток турбін газоперекачувальних агрегатів ГТК-10І після тривалої експлуатації”, 1996 –. –N 49–.
Мета і задачі дослідження. Основною метою даної роботи було визначення максимального ресурсу експлуатації робочих лопаток зі сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД, ЗМІ-3У на підставі комплексних досліджень пошкоджуваності матеріалів внаслідок дії корозійноактивних середовищ і механічних напружень.
Для досягнення зазначеної мети було необхідно :
- провести порівняльні дослідження високотемпературної корозійної стійкості жароміцних сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД, ЗМІ-3, ЗМІ-3У в середовищах з різною концентрацією корозійноактивних сумішей сполук: у розтопі солей 75% NaSO + 25% NaCl; у синтетичній золі газотурбінного палива, що найбільш повно імітує вплив зольних і газоподібних продуктів горіння палива; в окисному середовищі;
- визначити вплив корозійного середовища на характеристики жароміцності;
- дослідити корозійні пошкодження робочих лопаток, що працювали в умовах реального напруженого стану і корозійного середовища газотурбінної установки;
- порівняти інтенсивність корозійних пошкоджень сплавів у лабораторних і натурних умовах.
Наукова новизна отриманих результатів:
- встановлено, що вплив динамічних навантажень і сульфідно-окисна дія швидкісного газового потоку призводять до постійного зменшення перерізу лопаток і до додаткової деформації, що істотно скорочує термін експлуатації робочих лопаток стаціонарних газових турбін;
- вперше визначено еквівалент корозійних пошкоджень жароміцних сплавів при експериментальних дослідженнях процесів у статичних умовах дії синтетичної золи газотурбінного палива та в умовах динамічного впливу напружень і корозійно-активного середовища при натурній експлуатації лопаток;
- показано, що прогноз часу до руйнування зразків і деталей з жароміцних сплавів є можливим лише при введенні у феноменологічне рівняння Работнова-Лєпіна додаткового корозійного фактора як складової сумарного накопичення пошкоджень, пов'язаних з деформацією.
Практичне значення отриманих результатів:
- встановлено, що ресурс безупинної експлуатації пустотілих робочих лопаток зі сплаву ЗМІ-3У в турбіні газоперекачувального агрегату ГТК-10І складає 18 –тисяч годин;
- загальний час експлуатації лопаток, з урахуванням проведення двох проміжних ремонтів, ––тисяч годин.
Частка економічного ефекту, отриманого за рахунок проведених автором комплексних досліджень і визначення ресурсу робочих лопаток, дорівнює 136813 гривень у рік (за цінами 1999 року).
Узагальнення результатів комплексних досліджень дозволило встановити низку положень, що виносяться автором на захист:
- вперше показано можливість експериментально-розрахун-ковим методом прогнозувати тривалу міцність і пластичність сплавів з використанням характеристик жароміцності і урахуванням інтенсивності корозійного пошкодження матеріалів;
- вперше отримано результати натурних випробувань робочих лопаток зі сплавів ЗМІ-3, ЗМІ-3У, послідовно знятих після наробітку 6200, 9500, 18000, 30700 годин в обраній турбіні газоперекачувальних агрегатів ГТК-10І і ГТН-16;
- вивчено кінетику зміни глибини сумарного корозійного пошкодження поверхні робочих лопаток (з урахуванням шару продуктів корозії, знелегованої зони і віднесеного газовим потоком шару). Отримані часові залежності мають лінійний характер;
- встановлено, що швидкість сульфідно-окисної корозії сплавів під дією синтетичної золи газотурбінного палива (66,2% NaSO; 20,4% FeO; 8,3% Ni; 3,3% Ca; 1,8% VO) у 4,5 –разів вища за швидкість корозії, що пов’язана із впливом золових і газових продуктів згоряння, які надходять у проточну частину турбіни газоперекачувального агрегату ГТН-16.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на V, VI, VII, VIII міжнародних науково-технічних конференціях “Нові конструкційні сталі і сплави та методи їх обробки для підвищення надійності і довговічності виробів” (Запорожжя, 1992, 1995, 1998, 2000 р.р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 друковані праці в наукових журналах і збірниках наукових праць, отримано 1 авторське посвідчення, а також надруковано 5 тез доповідей на наукових конференціях.
Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку літератури з 109 найменувань і додатка. Роботу виконано комп'ютерним набором в обсязі 158 сторінок; вона містить 60 малюнків і 10 таблиць.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розглянуто актуальність проблеми, що розв'язується в дисертації, мету досліджень, наукову новизну, сформульовано основні положення, що виносяться на захист.
В першому розділі на підставі літературних даних і інформації про досвід експлуатації стаціонарних газових турбін показано, що однією з найбільш розповсюджених причин передчасного руйнування робочих лопаток є недостатня корозійна стійкість і жароміцність матеріалів, які використовуються для їхнього виготовлення. Аналіз впливу легуючих елементів на експлуатаційні властивості матеріалів дозволив об'єднати сплави, що найбільш широко використовують для виготовлення лопаток, у дві групи. До першої відносяться сплави, що містять 8 –% хрому, мають підвищений вміст вольфраму і молібдену, відношення Ti/Al 1, що забезпечує високий рівень жароміцності і циклічної жаростійкості в окисному середовищі. Однак, у середовищі згоряння палива, що містить корозійноактивні домішки сірки, ванадію, хлору, ці сплави (найбільш типовими з який є ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЖС3ДК, ЕП-957ВД) схильні до корозійного пошкодження, для запобігання якого необхідно мати надійні захисні покриття.
До другої групи відносяться сплави з помірним (13 –%) вмістом хрому, з відношенням Ti/Al 1, що характеризуються високою ВТК-стійкістю і дещо меншими, у порівнянні зі сплавами першої групи, характеристиками жароміцності в окисному середовищі. Це такі стопи, як: ЗМІ-3, ЗМІ-3У, ЧС70ВІ, ЦНК-7. У даний час їх використовують як матеріал робочих лопаток газоперекачувальних і енергетичних установок.
Вивчено найбільш розповсюджені методи оцінки корозійної стійкості сплавів і захисних покрить. Показано, що значення стійкості сплавів, які були отримані за різними методиками, істотно відрізняються між собою. Розглянуто різні підходи до прогнозування характеристик тривалої міцності і повзучості матеріалів, що зазнають на собі суттєвий окисний і сульфідно-окисний вплив.
Виконаний аналіз дозволив сформулювати задачі, які було необхідно вирішити для досягнення мети досліджень.
Другий розділ присвячено обґрунтуванню методик проведення експериментів. У ній представлено інформацію про сплави і захисні покриття, а також показано, що прогнозування працездатності матеріалу робочих лопаток ГТУ вимагає комплексного підходу до вивчення тривалого агресивного впливу на міцність, пластичність і корозійний опір жароміцних сплавів і має потребу у встановленні узагальненого критерію пошкоджуваності, пошук якого проводили за схемою, що є представленою на рисунку 1.
Корозійну стійкість сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД, ЗМІ-3, ЗМІ-3У та захисних покрить Al-Si, CrAlSiTi, CoCrAlY оцінювали за результатами прискорених іспитів зразків у розтопі солей 75% NaSO + 25% NaCl при температурі 850о С на протязі 24 годин, а також з нанесенням шару синтетичної золи газотурбінного палива (66,2% NаSO; 20,4% FeO ; 8,3% Ni; 3,3% Ca;1,8% VO), що найбільш повно імітує продукти згоряння газотурбінного палива. Час витримки зразків у контакті з золою при температурах 800, 850, 900о С складав 100, 200, 500, 1000 та 2000 годин. Вплив температури на швидкість сульфідно-окисної корозії (СОК) сплавів аналізували в температурному інтервалі 500 –о С при витримці у 500 годин. Стійкість сплавів і захисних покрить до ВТК визначали по питомій втраті маси зразків, середньої швидкості корозії, глибині сумарного корозійного проникнення. Тривалу міцність визначали при температурі 800о за стандартною методикою із записом кривих повзучості.
Оцінку ступеня корозійної пошкоджуваності поверхні робочих лопаток у результаті експлуатації в турбінах ГТК-10І, ГТН-16 за час 6200, 9500, 18000 і 30700 годин здійснювали металографічним, профілометрическим та спектральним методами.
Можливість застосування температурно-часових залежностей для прогнозу границь міцності сплавів, що знаходяться під тривалим (до 10000 годин) сульфідно-окисним впливом, перевіряли, використовуючи формули Міллера-Ларсона, Шербі-Дорна, Менсона-Хафферда й ОСТ 108.901.102.78.
Розрахунок часу до руйнування зразків і робочих лопаток при визначених деформаціях і напруженнях здійснювали за допомогою феноменологічного рівняння Работнова-Лєпіна:
, (1)
де - неповна гамма-функція;
n, , m, k - коефіцієнти жароміцності сплаву, що визначалися за експериментальними кривими повзучості. Розрахунки здійснювали на комп'ютері “IBM-Pentium-166”з використанням програми “Mathematica”.
У третьому розділі наведено результати досліджень корозійних властивостей і характеристик міцності сплавів з різними схемами легування: високожароміцних –ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД; корозійностійких –ЗМІ-3, ЗМІ-3У; з використанням захисних покриттів: Al-Si, CrAlSiTi, CoCrAlY при температурах 500 - 900о С і тривалого часу агресивного впливу.
Встановлено, що в умовах дії високоагресивного корозійного середовища, що імітується розтопом солей, інтенсивність пошкодження досліджуваних сплавів є різною. Найбільшу швидкість корозії зразків має сплав ЖС6К - ,8– г/мс. Близький до нього (за вмістом основних легуючих елементів) - сплав ЕП-957ВД кородує з меншою швидкістю (4,9-3 г/мс), щопідтверджує позитивний вплив ітрію і цирконію на високотемпературну корозійну стійкість нікельових сплавів. У процесі випробувань на зразках сплавів ЖС6К, ЕП-957ВД утворювався товстий шар пухкої окалини зеленого кольору, що свідчило про високий вміст у них оксидів нікелю. Для зразків сплаву ВЖЛ-12У є характерним сколювання великих фрагментів поверхні, що є причиною значної нестабільності у значеннях питомих втрат маси і глибини сумарного корозійного проникнення. Було встановлено, що найкращу корозійну стійкість мають сплави ЗМІ-3, ЗМІ-ЗУ, середня швидкість корозії яких була майже на порядок нижче за швидкість корозійного пошкодження сплаву ЖС6К, а глибина корозійного проникнення не перевищувала 20 мкм.
Високу стабільність, як по питомих втратах маси, так і глибині корозії мали результати, які було отримано в умовах імітації корозійного впливу з використанням синтетичної золи газотурбінного палива і витримкою зразків протягом 100, 200, 500, 1000 і 2000 годин при температурах 800 і 850о С. При температурі 800о С і витримці 100 годин питомі втрати мас зразків сплавів ЗМІ-3, ВЖЛ-12У відрізняються приблизно в 15 разів, а для сплаву ЕП-957ВД –у 5 разів. Зі збільшенням температури на 50о С питомі втрати мас зразків сплаву ЕП-957ВД є у 15 разів вищими, ніж для сплаву ЗМІ-3У, корозійна стійкість зразків ВЖЛ-12У виявилася у 50 разів нижчою у порівнянні зі сплавом ЗМІ-3У. В той же час різниця глибин сумарного корозійного проникнення не була настільки суттєвою. Так, в результаті впливу синтетичної золи газотурбінного палива на протязі 100 годин (Т = 800о С) корозійне пошкодженню зазнав шар товщиною 0,4 –,6 мм на зразках сплаву ЖС6К і, відповідно, шар товщиною 0,1 –,2 мм на зразках ЗМІ-3, ЗМІ-3У. Зі збільшенням часу випробувань до 1000 годин відмінність по глибині корозійного проникнення між сплавами ЖС6К, ВЖЛ-12У і ЗМІ-3У сягала різниці у 3 –рази.
Рентгеноструктурний фазовий аналіз виявив за основні структурні складові продуктів корозії сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД такі сполуки: оксид NiО, шпінель NiОСrОі у невеликій кількості - СrО. В окалині ЖС6К ідентифікуються також сполуки NiОAlОі NiMoО, наявність яких свідчить про збільшення швидкості сульфідно-окисної корозії. На відміну від сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД у продуктах корозії, що утворилися на зразках сплавів ЗМІ-ЗУ, ідентифікується значна кількість оксиду СrО, що визначає рівномірний хід корозії, без утворення виразок та розтріскування основного металу.
Дослідження корозійної стійкості зразків, захищених покриттями Al-Si, CrAlSiTi, CoCrAlY, показало, що найбільш ефективним є електронно-променеве покриття, стійкість якого в середньому в 10 разів вища у порівнянні з покриттям, що отримали в результаті алюмосиліціювання, і в 7 – 8 разів перевищує стійкість покриття CrAlSiTi. Ефективність дифузійних покриттів зростає із ростом корозійної стійкості основи. Це зумовлено тим, що формування покриттів Al-Si, CrAlSiTi визначається дифузійними процесами, у яких активну участь приймає поверхневий шар матеріалу. Підвищена концентрація хрому в сплаві ЗМІ-3У, у порівнянні із жароміцними сплавами ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД, сприяє формуванню на поверхні покриття монолітної та стабільної окисної плівки CrO, що перешкоджає проникненню сірки і кисню у покриття. Структура алюмосиліцьованого шару на зразках ЗМІ-3У після випробування у розтопах солей залишається дрібнодисперсною і темною, з перевагою вихідної фази на основі NiAl і не має помітних ознак корозії. У той же час на зразках сплаву ЖС6К спостерігалася поступова деградація алюмосиліцьованого шару, а його висока пористість сприяла проникненню сірки й інших агресивних агентів у металеву основу. Для зразків зі сплаву ЕП-957ВД, захищених алюмосиліцьованим покриттям, є характерною більш висока стійкість у порівнянні з аналогічним покриттям, нанесеним на зразки із сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У. Як показали металографічні дослідження, у зовнішній зоні покриття, крім основної фази NiAl, спостерігаються окремі вкраплення світлої фази NiAl, що не травиться. У проміжних і внутрішніх шарах покриття зберігається монолітність, що створює умови для гальмування корозійних процесів. Підвищення стійкості алюмосиліцьованого шару є, ймовірно, наслідком дифузії хрому із сплаву ЕП-957ВД, який, за літературними даними, може утворювати з кремнієм корозійностійкі сполуки CrSi, CrSi, а також входити до складу окисної плівки, що утворюється на поверхні покриття і підвищує її захисні властивості. Водночас спостерігається і позитивний вплив кремнію, що зв'язує важкоплавкі елементи у складні фази силіцидного типу, які гальмують дифузійне розмиття покриття.
У цілому, в результаті порівняльних досліджень пошкоджуваності сплавів без покриттів і з захисними покриттями встановлено, що композиції Al-Si, CrAlSiTi, які було нанесено на сплави ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД, підвищують їх опір корозійному впливу в середньому в 1,1 –,4 рази. З огляду на неминучість ерозійних та механічних пошкоджень у процесі експлуатації деталей, фактична ефективність захисних покриттів у реальних умовах є нижчою за результати статичних експериментів. У зв'язку з цим, при проведенні тривалого прогнозу довговічності лопатокзі сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД, захищених покриттями Al-Si, CrAlSiTi, слід використовувати дані про корозійну пошкоджуваність зразків без покриттів. Висока ефективність захисних властивостей електронно-променевого покриття в корозійних середовищах різної агресивності (у 8 –разів) обумовлює можливість прогнозу з урахуванням корозійної стійкості покриття CoCrAlY.
Під впливом корозійного середовища з часом змінюється рівень характеристик міцності усіх досліджуваних сплавів (рис. 2). При малих часових витримках (100 –годин), при яких корозійні процеси не викликають значних пошкоджень поверхні зразків, сплави ЖС6К, ВЖЛ-12У и ЕП-957ВД зберігають більш високу міцність у порівнянні зі сплавами ЗМІ-3 і ЗМІ-3У. В області більш низьких статичних навантажень і тривалого впливу синтетичної золи, відмічається суттєва перевага корозійностійких стопів, що зростає з часом. На відміну від сплавів ЗМІ-3, ЗМІ-3У на зразках сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У відмічається утворення пористої плівки продуктів ВТК, активне окислювання якої створює сприятливі умови для прискореного руйнування матеріалів незалежно від величини прикладених напруг. Внаслідок впливу агресивного середовища (поряд зі зменшенням довговічності матеріалів під постійним навантаженням) відзначається збільшення швидкості пластичної деформації. Зі збільшенням часу до 3000 годин швидкість усталеної повзучості сплаву ЖС6К в 10 разів, а для ЕП-957ВД у 5 разів вище, ніж у сплава ЗМІ-3У. Інтенсивному зниженню тривалої міцності і пластичності зразків авіаційних сплавів запобігає електронно-променеве покриття (див. рис. 2), товщина і структура якого залишаються практично незмінними на протязі 500 –годин впливу синтетичної золи. Алюмосиліцьоване покриття, що поступається за стійкістю покриттю СоCrAlY, дозволяє подовжити до 2000 –годин час до руйнування зразків некорозійностійких сплавів, на які впливають помірні (300 –МПа) напруги та зола.
Четвертий розділприсвячено дослідженню динаміки корозійної пошкоджуваності, структури і властивостей матеріалу робочих лопаток зі сплавів ЗМІ-3, ЗМІ-3У в умовах натурних випробувань. Лопатки послідовно вилучали із турбін агрегатів ГТК-10І (після наробітку у 6200 і 18000 годин), і з турбін ГТН-16 (наробіток 9500, 18000, 30700 годин).
У процесі тривалої експлуатації (6200 годин) на поверхні лопаток утворювався щільно прилягаючий до основного матеріалу шар продуктів корозії, максимальна товщина якого не перевищувала мкм. Мікрорентгеноспектральний аналіз (МРСА) продуктів корозії свідчить про перебіг у часі в лопатках окисного процесу, в результаті якого утворюються оксиди хрому, титану, алюмінію, нікелю та кобальту. Методом МРСА не виявлено наявності оксидів молібдену, присутність яких у шарі корозії сприяє його пористості та зниженнюзахисних властивостей. Відсутність у поверхневому шарі сірки і її сульфідів свідчить про те, що при експлуатації лопаток на протязі 6200 годин не було навіть початкових стадій сульфідно-окисної взаємодії сплаву ЗМІ-3У із продуктами згоряння палива в проточній частині турбіни.
Відзначається зменшення розмірів карбідів МС внаслідок їхнього розпаду з утворенням карбідів МС , межі яких, після травлення в лужному розчині фероцианіду калію офарблюються у чорний колір. Розпад карбіду МС найбільше помітно у середній по висоті робочої частини перерізу і у торця лопаток, що обумовлено температурним впливом у процесі тривалої експлуатації останніх.
Дрібні карбідні частинки МС, для яких є характерним часткове фарбування в розчині фероцианіду калію, розташовуються переважно по межах зерен. Однак, сітчастого розташування карбідів МСна межах зерен, що негативно впливає на границі тривалої міцності і пластичності, не спостерігається.
Зі збільшенням часу експлуатації до 18000 годин корозійний стан опуклої поверхні лопатки суттєво не змінюється. У більшій мірі сульфідно-окисну корозію можна спостерігати на увігнутій поверхні робочої лопатки. Наявність терасоподібного рельєфу свідчить про те, що процес пошкодження поверхні лопаток розвивається послідовно із втратою шарів окалини. У місцяхпошкодження оксидної плівки полегшується проникнення компонентів сульфату натрію та інших агресивних елементів середовища углиб основи; в результаті, у середньому перерізі увігнутого профілю лопаток після наробітку у 18000 годин утворилися масиви дрібних виразок, а також каверни розміром 3000 - 6000 мкм і глибиною до 100 мкм.
Мікроструктурний аналіз поверхневого шару лопаток ГТН-16 показав, що зі збільшенням часу експлуатації від 9500 до 18000 годин глибина корозійного проникнення на зовнішній поверхні залишається практично постійною або навіть зменшується, тоді як на внутрішній поверхні спостерігається її безупинний ріст. У дійсності, зовнішня поверхня лопаток відчуває більш інтенсивне пошкодження, чим внутрішня, а помилкове сприйняття реального корозійного пошкодження дозволяють врахувати профілометричні дослідження. У результаті досліджень рельєфу поверхні лопаток, що відробили 30700 годин, встановлено, що відриви окисних плівок та продуктів корозії відбуваються з багаторазовим повторенням цього процесу,про що свідчать перепади, які спостерігаються на профілі, від непошкоджених ділянок (поблизу замкової частини) до западин глибиною 150 - 200 мкм у середньому перерізі. Відрив пошкодженого шару відбувається в міру збільшення його товщини і під дією відцентрових і термічних напружень, що виникають, зокрема, у період запуску і зупинки турбіни.
Мікроструктурний аналіз свідчить, що у процесі наробітку в 30700 годин на робочих лопатках формується шар продуктів корозії товщиною 80 - 140 мкм у верхньому перерізі і від 100 до 160 мкм –у середньому. Менша товщина зміненого корозією шару у вхідної і, особливо, вихідної крайок лопаток є наслідком ерозійного впливу газового потоку. Зовнішній шар продуктів корозії нерівний, містить багато пор та інших дефектів. У більш щільному внутрішньому шарі можна спостерігати велику кількість дрібнодисперсних сульфідних вкраплень, що розташовуються вздовж фронту просування корозійних руйнувань.
Згідно результатів МРСА, шар продуктів корозії складається з оксидів типу: CrO, NiMoО, NiО, NiОCrO; при цьому, до складу сульфідів входить хром, при наявності невеликої кількості нікелю. Присутність оксидів нікелю і молібдену призводить до підвищення його пористості та зниженню захисних властивостей. Однак наявність плівки оксиду CrO, що має здатність швидко відновлюватися за рахунок безупинної дифузії хрому з металевої основи сплаву ЗМІ-3У, є ознакою здійснення корозії з малою швидкістю.
Результати профілометричного і мікроструктурного аналізів профільної поверхні робочих лопаток дозволили визначити сумарну глибину корозії (рис. 3), що складається з товщини шарів, що відірвалися в результаті спільного впливу ерозії і постійно діючих відцентрових сил, а також корозійного шару, який спостерігається на мікроструктурах. Аналіз даних сумарної діаграми поверхневого пошкодження лопаток показав, що максимальна товщина шару продуктів корозії (240 - 250 мкм) сформувалася в середньому перерізі увігнутої частини профілю лопаток, які відпрацювали 30700 годин. Зіставивши отримане значення глибини корозійного проникнення на поверхні робочих лопаток з результатами досліджень корозійної пошкоджуваності зразків у синтетичній золі (див. розділ 3), встановили, що швидкість корозії в реальних умовах експлуатації в 4,5 –разів нижча за швидкість корозії у золі.
Тенденція сумарного корозійного пошкодження зовнішньої поверхні лопаток свідчить про можливість прогнозування інтенсивності пошкодження зовнішньої поверхні профілю лопаток з використанням лінійної залежності (див. рис. 3). Обробка отриманих графічних залежностей h=f() з використанням методу найменших квадратів дозволила одержати три лінійних рівняння виду:
h = h+ k , (2)
де h –вільний член;
- час експлуатації робочих лопаток, год;
k –кутовий коефіцієнт, що характеризує темп зростання товщини корозійних шарів у часі, мкм/год.
Усі три рівняння характеризуються досить високими значеннями коефіцієнта кореляції (0,9) і мають прийнятні середньоквадратичні похибки обох коефіцієнтів (вільного члена h і кутового коефіцієнта k). Так, рівняння для загальної товщини корозійного шару, обумовленої як металографічно, так і з урахуванням ефекту ерозії, відповідає залежності:
h = 26,264 + 7,73110-3 , (3)
з емпіричним (r) і критичним (r) коефіцієнтами кореляції, що дорівнюються відповідно 0,9666 і 0,9344, і середньоквадратичними похибками: (h) = 13,470 (мкм) і (k) = 1,19310-3 (мкм/год.). Прийнятна величина обох похибок дозволяє використовувати рівняння (3) для прогнозу корозійної пошкоджуваності лопаток практично на будь-який проміжок часу експлуатації. Так для умовного часу = 50000 годин одержуємо очікуваний (на підставі аналізу загальної пошкоджуваності) результат: h = 413 мкм.
П'ятий розділ присвячено прогнозу довготривалих властивостей міцності матеріалу зразків і робочих лопаток, що сприймають окисний і сульфідно-окисний вплив тривалістю 10000 годин при температурі 800, 850, 900о С. Прогноз виконували за допомогою найбільш розповсюджених температурно-часових параметричних методів: Міллера-Ларсона, Шербі-Дорна, Менсона-Хафферда, ОСТа 108.901.102-78 і за допомогою феноменологічного рівняння Работнова-Лєпіна. Для побудови параметричних залежностей і розрахункових кривих повзучості використовували результати експериментального визначення тривалої міцності в окисному середовищі і в синтетичній золі (див. рис. 2), а також паспортні дані сплавів. Порівняння параметричних результатів свідчать, що для всіх досліджуваних сплавів в окисному середовищі, а для корозійностійких матеріалів і в золі, дані добре узгоджуються. В агресивному середовищі для ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД є характерним значний розкид значень, особливо при низькому рівні напружень і часу екстраполяції більш за 3000 годин. Зв'язано це з тим, що притаманний температурно-часовим методам принцип подібності процесів, що відбуваються при високотемпературному навантаженні на короткій і тривалій часовій базах, не враховує фактор корозії. При інтенсивній сульфідно-окисній корозії робочий переріз зразків зменшується, внаслідок чого зростають дійсні напруження, що призводять до прискореної деформації і змішаному (міжкристалітному і міжзерному) механізму руйнування. Отже, для некорозійностійких сплавів фактор корозії впливає на механізм руйнування і тому прогнозування властивостей на тривалий час є некоректним.
Можливість апроксимації кривих повзучості і розрахунку часу до руйнування зразків, що сприймають комплексний вплив різних напружень (400 – МПа), температур та агресивних середовищ, перевіряли, використовуючи рівняння Работнова-Лєпіна (1). Зіставивши розрахункові криві повзучості з експериментальними, отриманими при тих же самих напруженнях, встановили, що для зразків ВЖЛ-12У в окисному середовищу, а для сплаву ЗМІ-3У і в корозійному, характерним є фактичний збіг форми кривих повзучості. При цьому розбіжність розрахункових і експериментальних кривих по часовому параметру не перебільшувала 20%. У той же час, при впливі синтетичної золи спостерігали помітне збільшення швидкості усталеної повзучості сплаву ВЖЛ-12У, що призвело до скорочення тривалості експериментальних кривих у порівнянні з розрахунковими більш, ніж у два рази. Розбіжність розрахункових і експериментальних кривих зразків ВЖЛ-12У узгоджується з раніше проведеними дослідженнями, згідно яким встановлено, що ріст швидкості повзучості, яка ілюструє пошкоджуваність матеріалу, зумовлений впливом деформації від зовнішніх навантажень, а також деформації за рахунок зменшення поперечного перерізу зразків під дією корозії. Це і було враховано введенням у формулу Работнова-Лєпіна додаткових факторів корозійних ушкоджень Kk і K, як складового сумарного накопичення пошкоджень з деформацією. У цьому випадку час до руйнування сплавів під дією початкового напруження і постійної температури за умов впливу агресивних середовищ описується залежністю
. )
Очевидно, що запропонований метод прогнозу властивостей міцності і пластичності є найбільш коректним для визначення часу експлуатації робочих лопаток.
Розрахунок за формулою (4) проводили з урахуванням величини максимального значення напружень на профільну частину лопатки = 80 МПа; коефіцієнту запасу міцності, що дорівнювався 2; припустимої пластичної деформації на ресурс, що дорівнював 2,5%; значень коефіцієнтів n, , m, Kk ,K, які були визначені з експериментальних кривих повзучості зразків сплавів. У результаті встановлено, що в окисному середовищі час до руйнування робочих лопаток зі сплаву ВЖЛ-12У складає 44000 годин, а за умов сульфідно-окисного впливу –годин. Для лопаток зі сплаву ЗМІ-3У розрахунковий час до руйнування відповідає 40000 годин при окислюванні і 37000 годин при дії корозійного середовища.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Проведений комплекс досліджень корозійно-механічних властивостей, а також повзучості жароміцних матеріалів в умовах сульфідно-окисного середовища, що виникає при горінні низькосортних видів палива в стаціонарних ГТУ, дозволив прийти до таких висновків:
1. Досвід експлуатації стаціонарних газових турбін, аналіз існуючих літературних даних і результати наших експериментів свідчать, що основними факторами, які визначають довговічність робочих лопаток, є пошкоджуваність їхньої поверхні від сульфідно-окисної корозії під впливом газового потоку, а також зниження характеристик міцності сплавів у процесі експлуатації відповідних лопаток.
. Сульфідно-окисна корозія значно прискорює руйнування жароміцних матеріалів, що обмежує можливість тривалого прогнозу властивостей міцності за допомогою параметричних методів Міллера - Ларсона, Шербі –Дорна, Менсона –Хафферда, ОСТ 108.901.102-78 і феноменологічної моделі Работнова.
. Узагальненням викладених результатів випробувань і результатів досліджень зразків з нанесеної на їхню поверхню золи складу: 66,2% NaSO; 1,8% VO; 20,4% FeO; 8,3%Ni; 3,3% Ca, яка імітує корозійне пошкодження поверхні лопаток у натурних умовах, а також результатів випробувань робочих лопаток зі сплаву ЗМІ-3, що досліджувались в одному і тому же роторі турбіни ГТН-16 на протязі 9500, 18000 і 30700 годин, встановлено аналогічний характер корозійного проникнення і складу продуктів корозії. Швидкість високотемпературної корозії, яку визначено експериментально, у даному випадку перебільшує реальну приблизно у 4,5 –разів.
. Спільний корозійний вплив (односторонній для монолітних зразків і двосторонній - для зразків з внутрішньою порожниною) із зовні прикладеними напруженнями значно зменшує час до руйнування зразків, що повинно обовязково враховуватися при тривалому прогнозі властивостей матеріалів.
. Кінетика зміни глибини сумарного корозійного проникнення в найбільш пошкодженому середньому перерізі профілю робочих лопаток зі сплаву ЗМІ-3 має лінійну тенденцію, що обумовлено періодичним відривом шарів окалини у міру збільшення їхньої товщини під дією газового потоку і відцентрових сил. Прогнозована й оцінена глибина корозійного проникнення за 50000 годин експлуатації складає приблизно 0,4 мм, що не викликає значного зниження несучої здатності лопаток, які за конструкцією є аналогічними лопаткам ТВТ турбіни ГТН-16.
6. Прогноз властивостей міцності за умов дії сульфідно-окисної корозії при використанні температурно-часових параметрів і феноменологічного рівняння Работнова-Лєпіна є коректним лише для корозійностійких сплавів. Для уточнення прогнозу часу до руйнування в рівняння Работнова-Лєпіна необхідно ввести додаткові фактори пошкоджень, а саме: Кk –корозійний фактор, який повязаний з глибиною сумарного корозійного проникнення і коефіцієнт К, що визначає зміну тривалих властивостей матеріалів унаслідок структурних перетворень, як складових сумарного накопичення пошкоджень з деформацією. У цьому випадку рівняння буде мати вигляд
.
. Розрахунково-експериментальним методом встановлено, що максимально можливий ресурс безупинної експлуатації робочих лопаток зі сплаву ЗМІ-3У у турбіні ГТК-10І відповідає 37000 годинам.
Частка економічного ефекту, отриманого за рахунок проведених автором комплексних досліджень і визначення ресурсу робочих лопаток, складає 136813 гривень у рік (за цінами 1999 року).
Основний зміст дисертації викладений у публікаціях:
1. В.И. Шмырко, А.Г. Андриенко Исследование повреждаемости поверхности рабочих лопаток турбин ГТК-10І, ГТН-16 в процессе их длительной эксплуатации // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 1997. –N 1-2. –С. 14- 16.
2. V.I. Shmirko, A.G. Andrienko, S.B. Belikov Several peculiarities of superalloy corrosion failure // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 1997. –N 1-2. –С. 36 - 38.
3. Андриенко А.Г., Шмырко В.И. Высокотемпературная коррозионная стойкость сплавов по результатам испытаний образцов и рабочих лопаток турбин с длительной наработкой // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб.наук. пр. ЗДТУ. –Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. –С.68-69.
4. Петрик И.А., Пискун Ю.М., Шмырко В.И. Разработка и внедрение технологического процесса ремонта лопаток компрессора газоперекачивающих агрегатов ГТК-25І // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб.наук. пр. ЗДТУ. –Запоріжжя: ЗДТУ, 1998. –С.107 - 108.
5. Андриенко А.Г., Шмырко В.И. Оценка влияния защитных покрытий на долговечность сплавов, эксплуатируемых в условиях агрессивных сред // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб.наук. пр. ЗДТУ. –Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. –С.76-77.
. Скляревская В.Н., Череп В.Ф., Шмырко В.И. Сравнительные исследования повреждений рабочих лопаток из сплавов ЗМИ-3У и IN-738 после длительной эксплуатации в стационарных ГТУ // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб.наук. пр. ЗДТУ. –Запоріжжя: ЗДТУ, 2000. –С. 131 - 132 .
. Андриенко А.Г., Шмырко В.И. Влияние защитных покрытий на повреждаемость жаропрочных сплавов , испытывающих сульфідно-окисное воздействие // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні, 2000.-.N2.- С. 18 - 20 .
. А.с. 1588103 СССР МКИ У01 N1/100. Образец для испытания материала лопатки газотурбинного двигателя на термоусталость / В.И. Низельник (В.И. Шмырко), А.Г. Андриенко, В.В. Крипак и др. (СССР) –Заявл. 16.05.88, N4425163.
Анотація
Шмирко В.І. Оцінка та прогнозування корозійно-механічних та міцностних властивостей матеріалів робочих лопаток в умовах агресивної дії газотурбінного палива. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 –“Матеріалознавство”. –Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 2001.
Дисертаційна робота присвячена визначенню максимального ресурсу експлуатації робочих лопаток із сплавів ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЕП-957ВД, ЗМІ-3У, що використовуються в газоперекачувальних установках. В роботі розвинуто принципи прогнозування характеристик міцності та часу до руйнування, при цьому температурно-часові залежності і феноменологічну модель Работнова-Лєпіна використовували для розрахунку властивостей сплавів в умовах дії сульфідно-окисної корозії. Показано, що прогноз часу до руйнування зразків і деталей з жароміцних сплавів є можливим лише при введенні у феноменологічне рівняння Работнова-Лєпіна додаткового корозійного фактора як складової сумарного накопичення пошкоджень, пов’язаних з деформацією. З урахуванням результатів досліджень зразків в умовах комплексного впливу високотемпературного агресивного середовища та напружень (400 – 200 МПА) і пустотілих робочих лопаток після тривалої натурної роботи, встановлено ресурс експлуатації лопаток в турбінах газоперекачувальних установок ГТК-10І, ГТН-16.
Ключові слова: жароміцні нікельові сплави, захисні покриття, високотемпературна корозія, глибина корозійного проникнення, жароміцність, повзучость, прогноз, газова турбіна, робоча лопатка.
Annotation
Shmirko V.I. Estimation of соrrosion mechanical and strength properties forecast for blades working in gasturbine fuel agressive medium. Manuscript.
Dissertation on scientific degree of candidate of technical sciences according to speciality 05.02.01 “Materialscience”. Zaporizhzhya State Technical University, Zaporizhzhya, 2001.
Dissertation has been devoted to finding of maximal service life for turbine blades made of superalloys ЖС6К, ВЖЛ12У, ЭП957ВД, ЗМИ3У, which are applied in gastransfering units. It has been expanded the basical principles of forecasting procedure for the characteristics of rupture strength and rupture limit. The phenomenologic model by RabotnovLepin and timetemperature relationships have been applied for calculation of the superalloys properties in the sulfideoxiding corrosion medium.
It has been demonstrated, that forecasting procedure for the rupture limit estimation of the samples and turbine parts made of the superalloys is valid, if the corrosion factor, which is to be summarized accumulation of damages due to deformation, is added to the RabotnovLepin equation.
Considering the results of the samples tested in the condition of hightemperature agressive medium and mechanical loads (400 200 MPa) and of the hollow turbine blades after the longduration fullscale tests, it has been estimated the service life for turbine blades working in gastransfering units ГТК10I, ГТН16.
Key words: nickelbase superalloys, protecting coats, hightemperature corrosion, corrosion penetration, hightemperature strength, creepage, forecast, gasturbine, blade.
Аннотация
Шмырко В.И. Оценка и прогнозирование коррозионно-механических и прочностных свойств материалов рабочих лопаток в условиях агрессивного воздействия газотурбинного топлива. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 “Материаловедение”. Запорожский государственный технический университет, Запорожье, 2001.
Диссертация посвящена определению максимального ресурса эксплуатации рабочих лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе ЖС6К, ВЖЛ12У, ЭП957ВД, ЗМИ3У, применяемых в газоперекачивающих установках.
Установлено, что основными факторами, определяющими долговечность рабочих лопаток, является повреждаемость их поверхности от сульфидно-окисной коррозии под влиянием газового потока, а также снижение прочностных характеристик сплавов в процессе эксплуатации. Изучено влияние коррозионно-активных сред, температуры (500 –о С) и времени от 100 до 2000 часов на коррозионную стойкость сплавов и защитных покрытий Al-Si, CrAlSiTi, CoCrAlY. Установлено, что высокотемпературные коррозионные процессы в большей степени ускоряют разрушение длительно нагруженных образцов из сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД, у которых при температуре 800о С и напряжении 310 МПа время до разрушения в 2 –раза меньше, чем сплавов ЗМИ-3, ЗМИ-3У.
Установлено, что под действием нагрузок и сульфидно-окисной коррозии, вызываемой синтетической золой, долговечность образцов с электронно-лучевым покрытием приблизительно в 3 раза выше по сравнению с диффузионным и сохраняет защитные свойства до 3000 часов на сплавах ЖС6К, ВЖЛ-12У и до 5000 часов на сплавах ЗМИ-3, ЗМИ-3У.
Исследована кинетика повреждений поверхности рабочих лопаток, последовательно снятых после наработки 6200, 9500, 18000, 30700 часов в одной и той же турбине газоперекачивающих агрегатов ГТК-10И, ГТН-16. Установлено, что под действием газового потока и центробежных сил (т.е. в динамических условиях) продукты коррозии на поверхности лопаток разрушаются и непрерывно уносятся газовым потоком. При этом кинетика изменения глубины суммарного повреждения наружной поверхности имеет линейный характер, что позволяет прогнозировать интенсивность повреждения лопаток в процессе их эксплуатации.
С учетом результатов испытаний образцов сплавов в условиях комплексного воздействия высокотемпературной агрессивной среды и напряжений (400200МПа) и пустотелых рабочих лопаток после наработки в течение 6200, 9500, 18000, 30700 часов в натурных условиях, установлен ресурс эксплуатации лопаток в турбинах газоперекачивающих установок ГТК10И, ГТН16. Доля экономического эффекта, полученного за счет проведенных комплексных исследований и определения ресурса рабочих лопаток, составляет 136813 гривень в год (по ценам 1999 года).
В работе показана возможность применения температурновременных параметров и феноменологической модели Работнова―Лепина для прогноза прочностных характеристик сплавов в окислительной среде в широком температурном и временном интервале. Установлено, что в условиях воздействия сульфидноокисной среды прогноз времени до разрушения образцов и деталей из жаропрочных сплавов возможен лишь при введении в феноменологическое уравнение дополнительного коррозионного фактора повреждения, как составляющей суммарного накопления повреждения с деформацией.
Предложен расчетно-экспериментальный метод прогноза прочности и пластичности жаропрочных материалов, испытывающих длительное агрессивное воздействие.
Ключевые слова: жаропрочные никелевые сплавы, защитные покрытия, высокотемпературная коррозия, глубина коррозионного проникновения, жаропрочность, ползучесть, прогноз, газовая турбина, рабочая лопатка.