CC BY
97
УДК 621.43
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОСТЭКСПЛУАТУЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК ТУРБИН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЦ 59Л ИДЖ59 И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИХ РЕМОНТНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
© 2006 Ю.П. Тарасенко, В.А. Сорокин, О.Б. Бердник, Л.А.Кривина ЗАО НПЦ «Трибоника», Нф ИМАШ РАН, г. Нижний Новгород
При конструктивном совершенствовании газотурбинного двигателя возможно улучшение его служебных параметров - работоспособности и долговечности за счет увеличения (в 2.. .3 раза) общего ресурса турбинных лопаток, которое гарантируется стабилизацией и полной регенерацией, т.е. исправлением деградированной при длительной эксплуатации микроструктуры материала с помощью определенного цикла высокотемпературной восстановительной термообработки (ВВТО) лопаток. Представлены опыт и результаты восстановительной обработки.
Введение
Эксплуатация турбинных лопаток сопровождается термическим и силовым воздействием на них рабочего тела, которое может приводить к деградации структуры материала изделия, образованию в нем внутренних напряжений и, как следствие, к развитию поврежденности в виде микропор и микротрещин.
В процессе эксплуатации могут происходить достаточно глубокие структурные превращения и изменение напряженно-деформированного состояния в объеме лопаток, что изменяет кинетику микроне-сплошностей. Именно образование
несплошностей является непосредственной причиной разрушения лопаток.
При конструктивном совершенствовании газотурбинного двигателя возможно улучшение его служебных параметров - работоспособности и долговечности за счет увеличения (в 2.3 раза) общего ресурса турбинных лопаток, которое гарантируется стабилизацией и полной регенерацией, т.е. исправлением деградированной при длительной эксплуатации микроструктуры материала с помощью определенного цикла высокотемпературной восстановительной термообработки (ВВТО) лопаток.
Объект и методика исследования
Исследованы комплекты лопаток 1 ступени ТВД двигателя ДЖ59 (усл.№52) и двигателя ДЦ59Л (усл.№53). Лопатки изготовлены из никелевого сплава марки ЧС70-ВИ методом точного литья в вакууме по выплавляемым моделям. Согласно ТУ 14-13658-83 сплав имеет оптимальный состав:
0,09% С; 15,9% Сг; 10.5% Со; 2.0% Мо; 5.3% 4.6% Т1; 2,8% А1; 0.2% №; 0,05% У; N1 -основа.
На наружную поверхность пера и верхнюю часть полки лопаток (усл№52) нанесено двухслойное жаростойкое покрытие системы Со-Сг-ЛІ-У (СДП-3А) толщиной ~120 мкм + 2г02 ( КДП-1) —50 мкм.
Лопатки данного комплекта имеют наработку ~20000 часов.
С целью определения качественного состояния комплекта провели технический внешний осмотр лопаток с использованием оптического микроскопа МБС-9 с увеличением до 70 крат.
Микроструктуру основного металла и жаростойкого покрытия лопаток исследовали и фотографировали на оптическом микроскопе «Неофот 32» и растровом электронном микроскопе ББ-300. Данные исследования проводили на поперечных шлифах, вырезанных и изготовленных из средней «горячей» части пера лопаток после их травления реактивом Марбле.
Результаты исследования При техническом осмотре комплекта (усл.№52) обнаружено на поверхности перовой части лопаток наличие локальных сколов керамического слоя жаростойкого покрытия (рис.1).
Также выявлены следующие дефекты:
1. Трещины. Расположены в вершине пера лопатки (усл.№52) вдоль канала 3-го газовыводящего отверстия в перемычке 8с со стороны спинки (рис. 1). Отбраковано (89%) лопаток. У лопаток (усл.№53) обнаружено на фронтальной поверхности замковой части всех лопаток наличие дефектов в виде поперечных полос контактного износа шириной ~10 мм и ~7 мм и глубиной ~до 2,0 мм, а также разрушение вершины и износа клино-
IА
Вид А
Рис.1. Результаты осмотра: а - внешний вид лопатки ТВД1 ступени комплекта усл.№52, б - расположение и вид дефектов на лопатках ТВД 1 ступени комплекта усл.№53
вой полки лабиринтного уплотнения (рис.1б).
2. Раковины. Расположены в четырех лопатках (усл№52) на спинке пера, в двух лопатках - на корыте, в одной лопатке - на полке. При макроанализе поверхности пера лопаток после механо-абразивного удаления керамического покрытия КДП-1 и электро-импульсной обработки установлено наличие множественных пор в металлическом покрытии типа СДП-3А. В основном металле лопаток указанных дефектов не наблюдается.
При микроскопическом исследовании дефектных зон в отбракованных лопатках, а также жаростойких покрытий данных деталей установлено:
• Главными фазами, присутствующими в микроструктуре металла лопаток, являются аустенит (у-матрица сплава), у -фаза (основная выделяющаяся фаза №3 (АШ) и карбиды
типа Ме23С6 на границах зерен и МеС, выделяющихся в виде крупных частиц (рис.4).
• Очаги зарождения трещин находятся в поверхностных слоях металла вершины пера в перемычке 8с (рис.1а); их протяженность от торца пера достигает 6 мм; тип извилистый с зубчатыми берегами.
• Раковины представляют собой локальное скопление пор, глубина их залегания различна, в некоторых случаях они сквозные (рис.3б). Данные дефекты имеют металлургическое происхождение.
• Жаростойкое покрытие комбинированное и имеет два слоя (рис.2). Внутренний -состоит из твердого раствора элементов Сг, А1, У в кобальте (светлая фаза) и интермета-лида СоА1 (темная фаза). «Подслой» толщиной ~1,5 мкм имеет состав сложнолегированного кобальта и карбидов. Наружный - представляет собой диоксид циркония 2г02 и вкрапления чистого циркония (светлая фаза).
Керамическое газоплазменное покрытие 2г02
Г азоплазменное покрытие типа ПН85Ю15
Электроннолучевое покрытие типа СДП-3А
Основа
Рис. 2. Микроструктура многослойного жаростойкого покрытия. х200
В (Со-Сг-А1-У)-покрытии фиксируется наличие дефектов в виде открытых пор (рис.3а) и ножевых пустот, закрытых 2г02-покрытием (рис.3б).
Микроскопический анализ на растровом электроном микроскопе В8-300 проводили при увеличении 10000 крат с целью исследования тонкой структуры материала лопаток. Лопатки усл.№52а и усл.№53а находились в исходном (постэксплуатацион-ном) состоянии, а лопатки усл.№52б и усл.№53б - после проведения ремонтновосстановительной обработки.
Тонкая структура материала лопаток в постэксплуатационном состоянии дегра-дирована, у -фаза подвержена коагуляции в процессе эксплуатации и неоднородна по размеру зерен (от 100 до 1000 нм). Объем-
ное содержание у -фазы, рассчитанное методом А.А.Глаголева [3], составляет в данном материале ~63%.
Тонкая структура сплава лопаток, прошедших после эксплуатации ВВТО по приведенному выше режиму, отличается высокой дисперсностью и однородностью (50.150) нм для образцов усл.№52а, (200.400) нм для образцов усл.№53а, кубической формой У-фазы. Объемное содержание у -фазы составляет в материале данной лопатки ~67%.
Микроструктура зоны сплавления основного (ЧС70) и наплавочных (В3К, ЭП367) материалов лопатки усл. №53б плотная, сварочных микродефектов не имеет (рис.5).
а б
Рис. 3. Вид микродефектов электронно-лучевого жаростойкого покрытия. х250: а - открытая пора; б - закрытая ножевая пора
а б
Рис. 4. Микроструктура материала лопатки 1 ступени ТВД: а - в постэксплуатационном состоянии; б - после восстанавливающей высокотемпературной обработки. х500
а б
Рис. 5. Микроструктура материала лопаток усл.№53а и усл.№53б
Заключение
На основании результатов исследования лопаток 1 ступени ТВД двигателей ДЖ59 и ДЦ59Л можно констатировать, что данные лопатки по некоторым критериям непригодны для практического использования в эксплуатации, но ремонтопригодны.
1. Трещины в вершине пера лопаток являются «главными» их дефектами, носят термический усталостный характер и связаны с циклическим изменением температуры по сечению пера при эксплуатации.
2. Наличие раковин металлургического характера является потенциальным источником возникновения более серьезных дефектов типа трещин, и могут быть причиной разрушения деталей.
3. Микропоры в системе жаростойкого покрытия служат основной причиной высокотемпературной газовой коррозии лопаток и их газо-эрозионного износа, а, следовательно, причиной уменьшения ресурса деталей.
4. Все лопатки данного комплекта ремонтопригодны.
Определяющими технологическими операциями при ремонтновосстановительной обработке лопаток данного комплекта являются:
• Разделка трещин и других дефектов под заварку по общепринятым правилам;
• Сварочно-наплавочные работы для восстановления геометрических параметров замковой части лопаток. Конкретно, -заварку полос износа на хвостовике замка электродами из стеллита марки В3К и наплавку клиновой полки сварочной проволокой марки ЭП367.
• ВТО по режиму - закалка с температуры (1170.1190)оС, 4 часа, охлаждение -воздух;
• Удаление керамического покрытия (для комплекта ДЖ59, усл.№52) КДП-1 абразивно-пескоструйной обработкой;
• Механическая обработка мест заварки в соответствии с требованиями чертежа;
• Нанесение покрытия из 2г02 газоплазменным методом с предварительным нанесением связующего покрытия данным методом из материала типа ПН85Ю15 (рисунок 6);
• Старение лопаток при температуре (850±10)оС в течение 16 часов, охлаждение - воздух;
• Окончательная механическая доработка комплекта лопаток. Сдача-приемка ОТК.
Лопатки исследуемых комплектов, не разрезанные и не разрушенные при выполнении научно-исследовательских работ, после проведения полного регламента ремонтно-восстановительной обработки были установлены на действующий газоперекачивающий агрегат. В настоящее время находятся в эксплуатации.
Список литературы
1. Поврежденность металлических материалов и способов ее устранения;
В.И. Куманин, М.В. Соколова, С.В. Лунева. Развитие поврежденности в металлических материалах; В.И. Куманин, Л.А. Ковалева, М.В. Соколова. Устранение поврежденности металлических материалов с помощью восстановительной термической обработки// Металловедение и термическая обработка металлов. №4. 1995, с.2; с.2-6; с.7-
11.
2. Ч. Симс, В. Хагель. Жаропрочные сплавы/ Пер. с английского под ред. чл-корр. АН СССР Е.М. Савицкого. М.: Металлургия. 1976. 568 с.
3. Салтыков С.А. Стереометрическая металлография. М.:, 1978. 565 с.
ANALYTICAL ESTIMATION OF POSTOPERATIONAL CONDITION OF HIGH PRESSURE TURBINE BLADES OF ^ 59^ AND #*59 ENGINES AND THEIR
DAMAGE CONTROL FEATURES
© 2006 Y.P. Tarasenko, V.A. Sorokin, O.B. Berdnik, L.A. Krivina
Scientific and Production Center “Tribonika”, NN MERI of RAS
After the completion of HPT engine ,3m59.n, ^^59 designed service life the set of blades has been analyzed in order to determine its maintainability. Mechanical properties, micro-and fine structure of blades in an initial conditions and after the recovery high-heat treatment have been identified. It is established that this set of blades is repairable, the recovery high-heat treatment improves mechanical properties of blades and stabilizes the structure of their alloy.
