CC BY
13
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
УДК 620.193:621.762:669.24
АНАЛИЗ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ГРАНУЛИРУЕМЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В. С. Синявский, докт. техн. наук, Г. С. Гарибов, докт. техн. наук, Л. Б. Бер, докт. техн. наук, Т.А. Мухина, А. В. Востриков, канд. техн. наук, Н.М. Гриц, канд. техн. наук (ОАО «ВИЛС», e-mail: info@oaovils.ru)
Комплексным исследованием, сочетающим визуальный, химический и физико-металлографический (РЭМ, МРСА) методы, установлено, что на дисках из сплава ЭП741НП после длительной эксплуатации (до 20000 ч) полета коррозия отсутствует. На поверхности дисков после эксплуатации отмечены небольшие следы серы. Хлор не обнаружен, это значит, что в лабораторных пробах для определения сульфидной коррозии (СК) его не должно быть.
Сравнительный анализ показал, что новые сплавы ВВ750П, ВВ750ПД, ВВ751П менее чувствительны к СК, чем ЭП741НП. Следовательно, в эксплуатации на них коррозия также будет отсутствовать.
Ключевые слова: сульфидная коррозия, сульфидно-оксидная коррозия, пассивность, оксидная пленка, сера, хлор, факультативный контроль, малоцикловая усталость, жаропрочность.
Analysis of Corrosion State of PM Ni-Base Superalloy Gas-Turbine Engine Disks after Long-Term Service. V.S. Sinyavskiy, G.S. Garibov, L.B. Ber, T.A. Mukhina, A.V Vos-trikov, N.M. Grits.
Comprehensive studies including visual, chemical and physicometallographic (SEM, XMA) technigues have found that EР741NP alloy disks have no evidence of corrosion after long-term service (up to 20000 flying hours). Small sulphur traces were observed on disk surface after service. The fact that chlorine was not found means it will be absent on laboratory samples used for sulphide corrosion tests.
Comparative analysis snowed that new VV750P, VV750PD and VV751P superalloys were less susceptible to sulphide corrosion than EP741NP superalloy. Therefore the alloys will have no corrosion during service as well.
Key words: sulphide corrosion, sulphide-oxide corrosion, passivity, oxide film, sulphur, chlorine, optional test, low-cycle fatigue, high-temperature strength.
В работе [1] было доказано, что гранулируемые никелевые сплавы имеют высокую стабильно сть к сульфидной СК (сульфидн о - оксидной СОК) коррозии. Тем не менее, в паспортах на сплавы, выпускаемых в ВИАМе, продолжается включение этой характеристики. В связи с этим по просьбе авиационных заказчиков была проведена оценка возможной СК (СОК) при длительной эксплуатации. В.И. Добаткин также указывал на необходимость тщательного изучения коррозионной
стойкости авиационных сплавов наряду с другими важными конструкционными характеристиками. Для исследования были приобретены фрагменты трех дисков после эксплуатации: два в ОАО «ПМЗ» и один в ОАО «Авиадвигатель» (рис. 1).
Для проведения исследования также отобрали заготовки от двух дисков ДП 592-25-7 повышенной прочности и ДП 443А-1136-53 повышенной жаропрочности. Диски были изготовлены в ОАО «ВИЛС» по регламентиро-
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
ванной технологии и прошли контроль как годные.
Диски 9883 и 129212 прошли примерно одинаковое время эксплуатации (16000 ч) и,
4921
Рис. 1. Внешний вид фрагментов дисков из сплава ЭП741НП, переданных на исследование:
9883, 129212 - ОАО «ПМЗ»; 4921 - ОАО «Авиадвигатель»
Таблица 1 Условия эксплуатации фрагментов дисков
Фрагмент диска Номер двигателя Число ремонтов двигателя Наработка, ч/циклы
9883 129212 4921 3289008Р3Л3 3291025В1Л1Р6 3293015Л1Р7 6 8 2 16395/2642 16463/2674 20388/3308
соответственно, близкие значения числа перемен нагрузки (2600). Диск 4921 эксплуатировался более длительное время, 20400 ч (табл. 1).
Все исследуемые изделия были изготовлены из сплава ЭП741НП. Это определялось тем, что основная задача заключалась в установлении возможности развития сульфидной коррозии при эксплуатации на дисках из гранулируемых никелевых сплавов. Серийно достаточно длительное время в ГТД применяют сплав ЭП741НП. Поэтому выполнить задачу на других сплавах не представилось возможным.
Сравнение с другими сплавами можно было провести на основе анализа их сопротивления СК. Химический состав фрагментов после эксплуатации и дисков, отобранных в цехе, полностью соответствовал ГОСТ Р 52802-2007 (табл. 2).
Механические свойства приведены в табл. 3, составленной по измерениям в данной работе, и в табл. 4, составленной по сертификатам. Из этих таблиц видно, что механические свойства за время эксплуатации не вышли за пределы, установленные ТУ. Таким образом, изделия сохранили работоспособность. Также сохранена работоспособность и по МЦУ, и жаропрочности.
Наличие коррозии на фрагментах дисков после эксплуатации определяли комплексно тремя методами. Вначале использовали визуальный метод при увеличении до 50 раз (табл. 5).
Таблица 2
Химический состав (% мас.) исследованных заготовок и фрагментов дисков
из сплава ЭП741 НП
Заготовка,
С Сг Со Мо W А1 И ЫЬ Ж Не Мп Б1
фрагмент диска
ДП 592-25-7 0,032 8,8 15,9 3,78 5,5 5,0 1,76 2,65 0,28 0,04 <0,01 <0,10
ДП 443А-1136- 53 0,04 8,7 15,8 3,75 5,52 5,07 1,78 2,68 0,28 0,07 <0,01 <0,10
9883 0,041 9,4 15,9 3,85 5,57 4,99 1,76 2,740 2,9 0,13 <0,01 <0,10
129212 0,047 9,4 15,6 3,83 5,54 4,94 1,80 2,71 0,27 0,37 <0,01 <0,10
4921 0,044 8,8 16,0 3,87 5,58 5,15 1,81 2,77 0,28 0,10 <0,01 <0,10
По ГОСТ 0,02- 8,0- 15,0- 3,5- 5,2- 4,8- 1,6- 2,4- 0,1- 0,5 0,5 0,5
Р52802-2007 0,06 10,0 16,5 4,2 5,9 5,3 2,0 2,8 0,4
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Таблица 3 Механические свойства исследованных заготовок и фрагментов дисков
Заготовка, фрагмент диска Состояние ств, МПа ст02 МПа 8, %
размах среднее размах среднее размах среднее
ДП 592-25-7 После испытаний min по ТУ1-809-1123-2008 1400-1520 >1422 1474,3 990-1070 >1000 1025,7 25-30 >15 27,4
ДП 443А-1136-53 После испытаний min по ТУ1-809-642-2008 1370-1440 >1274 1408 880-950 >883 918 23-29 >13 27,2
9883 129212 4921 После эксплуатации 1430-1440 1400 1400-1410 1435 1400 1405 930 890 890 930 890 890 28-29 28 26-27 28,5 28 26,5
-Ф
Механические свойства, МЦУ, жаропрочность после наработки в эксплуатации на основе сертификатов Таблица 4
Фрагмент диска Наработка, ч/циклы МПа ст0,2, МПа 8, % % KCU, Дж/см2 ^отп, мм 650 "С т1000 МПа , 4 МЦУ при 650 °С, ст = 1000 МПа, циклы
4921 129212 9883 Нормы 20388/3308 16463/2674 16395/2642 о ТУ 1427.8 1437,7 1451,4 1308,3 1421.9 1274 940,8 916,3 319,5 946,7 943,7 882 27,2 27,2 28,8 15,2 26,4 15 24,3 26,0 24,6 18,0 26,3 17 69.6 65.7 66,6 55,9 54,9 39,2 1,65 1,61 1,62 1.59 1.60 1,55-1,75 100 100 100 100 100 100 3750 3500 3700 3500
Фрагменты 9883 и 129212 имели светло-серый цвет с локальными бежевыми оттенками. Фрагмент 4921 имел темно-синий цвет из-за нагрева при более высокой температуре во время эксплуатации или при ремонте. Все фрагменты имели гладкую поверхность без каких-либо следов коррозии.
На второй стадии использовали химический метод (табл. 6).
После промывки, очистки и выдержки образцов в эксикаторе их взвешивали. Затем
обрабатывали в растворе для снятия продуктов возможной коррозии, взвешивали и оценивали по потере массы.
Различий между образцами, фрезерованными со всех сторон, и с исходной поверхностью не установлено.
Оценка - совершенно стойкое состояние соответствует 1 баллу. Следовательно, коррозия отсутствует, удалялась лишь оксидная пленка.
На третьей стадии наличие возможной коррозии определяли физико-металлографическим методом на ободе, полотне, ступице и поверхности. В этом случае использовали растровый электронный микроскоп (РЭМ) и микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) [1]. Ни в одном случае коррозию не обнаружили (рис. 2-4). На поверхности или в непосредственной близости к оксидной пленке было замечено небольшое количество серы. Так, при анализе обода фрагмента 9883 об-
Таблица 5
Визуальный метод определения коррозии на фрагментах дисков после эксплуатации
Фрагмент Цвет фрагмента Оценка
9883 129212 4921 Светло-серый Светло-серый Темно-синий Коррозия отсутствует
-Ф-
-Ф-
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Таблица 6
Химический метод определения коррозии на фрагментах дисков после эксплуатации
Фрагмент Поверхность Потери , г Удельные потери , г/м2 Время полетов , ч Скорость реакции, г/(м2- ч) Оценка
баллы состояние коррозия
9883 9883 9883 Исходная Исходная Фрезерованная 0,0055 0,0051 0,0015 0,90 0,84 0,84 16395 16395 16395 0,000054 0,000051 0,000051 1 1 1 Совершенно стойкое Отсутствует
129212 129212 129212 Исходная Исходная Фрезерованная 0,0024 0,0017 0,0011 0,383 0,272 0,182 16463 16463 16463 0,000023 0,000016 0,000011 1 1 1 Совершенно стойкое Отсутствует
4921 4921 4921 Исходная Исходная Фрезерованная 0,0039 0,0051 0,0011 0,523 0,78 0,72 20388 20388 20388 0,000029 0,000038 0,000035 1 1 1 Совершенно стойкое Отсутствует
300 270 240 210 180 150 120 90 60 30 0
N1
1 Сг Со
м „А Т (\ Щ, \
12 3 4
5 6 кэВ
9 10
Т1
Сг
А
• К Са л
Т-1-г
1 2 3
N1»
Со
м и
4 5 6 7 8 9 кэВ
Рис. 2. Физико-металлографический метод оценки фрагмента 9883:
а - обод; б - полотно
Б
а
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
наружили серу в отдельных слабо выраженных точках диаметром менее 0,5 мкм на расстоянии до 4 мкм от оксидной пленки (см. рис. 2, а). На полотне сера обнаруживается только в местах с очень резкими механическими повреждениями. При этом, судя по анализу МРСА, ее количество ничтожно мало. Отсутствует сера в ступице и оксидной пленке. Резко возрастает количество алюминия (см. рис. 3). Содержание Со, Сг, ЫЬ, W существенно уменьшается.
При анализе физико-металлографическим способом фрагмента 129212 на ободе и полотне по содержанию серы обнаружена такая же картина, как и на фрагменте 9883. В ступице отдельные редкие участки небольших концентраций серы обнаружены под оксидной пленкой.
Коррозия на фрагменте 4921 отсутствует, как и на остальных. Однако взаимодействие со средой, выраженное в малом количестве серы и только в оксидной пленке и на поверхности, меньше. Это можно связать с изменением концентрации элементов, стабилизи-
рующих пассивную пленку. По этой же причине изменился цвет поверхности (см. рис. 4).
Таким образом, физико-металлографический метод надежно подтвердил полное отсутствие коррозии на дисках из сплава ЭП741НП после длительной эксплуатации в полетах. Использование термина сульфидно-оксидная коррозия, вместо сульфидная, правомерно в том случае, если принять очевидные защитные свойства пассивации и образование оксидной пленки в финале.
Результаты РЭМ и МРСА выявили защитные свойства оксидной пленки, как и прямые коррозионные исследования. Никакого расплавленного слоя под пленкой они не обнаружили. Следовательно, ссылки на работу [2] в данном случае не правомерны. Поэтому можно называть сульфидно-оксидной этот вид коррозии, но имея в виду защитный эффект пассивации и образование оксидной пленки на конечной ее стадии.
Характерно также, что по результатам РЭМ и МРСА не установили наличия хлора после эксплуатации. Следовательно, добавка зна-
Рис. 3. Анализ оксидной пленки (светлая полоса) на ободе фрагмента 9883
Л1
240210 180150 120 9060300
N1
Сг ,
Т Л Л||
п. и I' И I
Со
2 3
5 6 кэВ
Л1
А.Л
W
Т Сг
Со
л
N1
Л
10
5 6 кэВ
10
4
"Ф
-Ф-
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Рис. 4. Физико-металлографический метод оценки фрагмента 4921:
а - обод; б - полотно
чительного количества хлоридов в агрессивную среду при подготовке паспорта на сплав не правомерна. Это также следует из работ отечественных [3] и зарубежных [4, 5] специалистов, которые считают, что вводить совместно хлориды и сульфаты, имеющие различный механизм взаимодействия с поверхностью никелевых сплавов, не допустимо.
Сравнение различных гранулируемых никелевых сплавов, исследованных в лабораторных условиях при 650 °С, 30 ч (ВВ750П, ВВ750ПД, ВВ751П, ЭП741НП) и после длительной эксплуатации в полетах (ЭП741НП), было проведено на основе данных, приведенных в [1]. Эти данные систематизированы на основе лабораторных исследований, факультативных испытаний и после эксплуатации (табл. 7).
Из табл. 7, прежде всего, следует, что стойкость к сульфидной коррозии новых сплавов
ВВ750П, ВВ750ПД и ВВ751П в лабораторных экспериментах выше, чем сплава ЭП741НП. Отсюда совершенно очевидно, что и в реальной эксплуатации они также будут превосходить сплав ЭП741НП, т. е. коррозия будет отсутствовать.
Следовательно, в эксплуатацию рекомендуются новые сплавы с более высокими характеристиками, в том числе и сопротивлением СК.
Видна также стабильность факультативного контроля: 2/3 образцов имеют стойкость, соответствующую 6 баллам, и 1/3 - 4-5 баллам.
Из представленных данных следует, что полученная в лабораторных условиях в растворе N82804 с активатором стойкость, соответствующая 4-6 баллам, адекватна отсутствию коррозии в эксплуатации.
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ЛИТЬЕ, КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ, ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Таблица 7 Результаты испытания гранулированных никелевых сплавов на сульфидную коррозию при 650 °С, 30 ч
Сплав Заготовка, фрагмент диска Отбор Число образцов Скорость коррозии, г/(м2-ч) Оценка коррозионной стойкости
баллы состояние
ЭП741НП ЭП741НП ЭП741НП ЭП741НП ЭП741НП ЭП741НП ВВ750П ВВ750ПД ВВ751 П *В этих личение м ДП592- 25-7 ДП443А-1136-53 9883 129212 4921 Факультатив [1] [1] [1] образцах преиму ассы образцов пос В цехе В цехе После эксплуатации После эксплуатации После эксплуатации В цехе В цехе В цехе В цехе В цехе щественно набл ле испытаний. 5 5 3 3 3 36 (66,7 %) 18 (33,3 %) 5 5 5 юдали эфф( 0,20 0,21-0,34 0,22-0,30 0,17-0,20 0,21-0,24 0,13-0,22 0,045-0,073 0,06 <0,04 <0,01 зкт защиты ок 6 6 6 6 6 6 4-5 5 4* 3* сидной Относительно стойкое Относительно стойкое Относительно стойкое Относительно стойкое Относительно стойкое Относительно стойкое Стойкое Стойкое Стойкое Весьма стойкое пленкой, то есть уве-
Выводы
1. С использованием комплексного метода (визуального, химического и физико-металлографического) установлено, что на дисках из сплава ЭП741НП после длительной эксплуатации коррозия отсутствует.
2. На поверхности диска после эксплуатации видны следы серы, на ободе - редко расположенные участки с нечеткими точками на глубине до 4 мкм от оксидной пленки. На полотне и ступице сера обнаружена на поверхности в небольших количествах. Хлор во всех пробах отсутствует. Следовательно, среда, контактирующая с ГТД, содержит только соединения серы и не содержит хлоридов.
3. Полученные результаты доказали необходимость удаления испытаний на сульфидную коррозию из паспортов ВИАМа на гранулируемые никелевые сплавы, поскольку та-
кая коррозия в эксплуатации изделий не обнаружена. В дальнейших работах целесообразно проработать вопрос об исключении хлоридов из лабораторной среды, используемых для этой цели, в связи с их отсутствием в реальных полетах.
4. По совокупности механических и коррозионных свойств диски после эксплуатации имеют равные или даже более высокие, чем только что отобранные в производственных условиях. Следовательно, реальный ресурс их выше установленного.
Сравнение новых гранулируемых никелевых сплавов ВВ750П, ВВ750ПД и ВВ751П со сплавом ЭП741НП показывает более высокую их коррозионную стойкость, следовательно, в эксплуатации коррозия на них также будет отсутствовать.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Синявский В.С., Александрова Т.В., Востри-ков А.В., Гриц Н.М., Бер Л.Б. Влияние сульфидной коррозии на жаропрочные никелевые сплавы, полученные методом металлургии гранул // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 209-215.
2. Орлов М.Р. Технологическое обеспечение ресурса лопаток первых ступеней турбины авиационных и наземных газотурбинных двигателей. Авто-реф. дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук. -М.: 2008. - 45 с.
3. Давыдов М.Н. Метод ускоренных испытаний на высокотемпературную газовую коррозию сопловых лопаток турбин ГТД. Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. 2006. - 16 с.
4. Haynes and Hastelloy. High Temperature Corrosion Resistance Alloys. Проспект фирмы. Haynes International, 2010.
5. Cirling A. 2nd European Symposium on Superalloys and their Applications French Riviera. Giens, France 2014, pp 03001-р2-03001 р6.
