CC BY
133
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 669.14.018
А. А. БЫБИН, А. В. НОВИКОВ, А. В. ДЕМЕНТЬЕВ, Е. М. КАНАШЕНКО
ОСОБЕННОСТИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЕГМЕНТОВ СОПЛОВОГО АППАРАТА ТВД ГПА ИЗ КОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Проведено комплексное исследование структуры, фазового состава и физико-механических свойств кобальтового сплава марки РБХ-414 после длительной эксплуатации. Установлено, что материал находится в состоянии предразрушения и требует проведения ремонтных мероприятий. Определена стратегия восстановительной термической обработки. Изучены особенности термической обработки при различных температурах аустенизации и старения. Показано влияние термообработки на структуру и свойства кобальтового сплава. Рекомендован оптимальный режим восстановительной термической обработки. Сегменты соплового аппарата; кобальтовый сплав; деградация структурыы; восстановительная термическая обработка; рекомендации для технологии ремонта
ВВЕДЕНИЕ
Эффективность, функциональная
устойчивость и ресурс стационарных
газоперекачивающих агрегатов во многом определяются конструкционной прочностью и надежностью лопаточного аппарата. Сопловой аппарат (СА) турбины I ступени агрегатов типа ГТК-25И и ГТК-10И представляет собой отдельные сегменты, образованные двумя-тремя спаянными или сваренными между собой направляющими лопатками. Указанные блоки работают в наиболее сложных условиях, подвергаясь воздействию высоких и быстро сменяющихся температур, изгибных и
растягивающих напряжений, агрессивных сред
в виде продуктов горения топливно-воздушной смеси. В результате такой эксплуатации материал лопаток испытывает значительные структурно-фазовые изменения, которые приводят к снижению уровня механических характеристик сплава и ограничивают дальнейшую работоспособность сегмента в целом. В связи с высокой стоимостью запасных частей возникает необходимость в ремонте поврежденных элементов СА.
Отечественный и зарубежный опыт ремонта аналогичных деталей показывает, что в результате воздействия циклически
изменяющихся высоких температур
кобальтовые сплавы испытывают полиморфные превращения, приводящие в конечном итоге к зарождению и росту топологически плотноупакованных фаз. Наличие таких фаз в материале недопустимо в связи с потерей его прочности и пластичности [1]. В работах [2, 3]
Контактная информация: [email protected]
указывается, что путем использования термической обработки удается восстановить требуемую структуру сплава и тем самым обеспечить заданный уровень прочностных и пластических свойств материала.
Цель работы - оценить постэксплуатационное состояние лопаток соплового аппарата турбины высокого давления из кобальтового сплава Б8Х-414 и разработать режим восстановительной термической обработки.
1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на образцах, вырезанных из лопаток соплового аппарата турбины высокого давления (ТВД), имеющих наработку ~ 30 тыс. ч. Образцы изучали в состоянии после эксплуатации, а также после проведения восстановительной термической обработки в камерной печи по режимам: температура закалки 1150...1250 оС, выдержка 4 ч + старение при 980 оС в течение 4 и 8 ч. Охлаждение проводили с печью без регламентирования скорости охлаждения, а также со скоростью 20.40 оС/мин.
Структуру образцов в исходном и термически обработанном состоянии изучали на растровом электронном микроскопе
18М-6490ЬУ с проведением микрорентгено-спектрального анализа. При металлографическом анализе структуры материала учитывалось, что полки лопаток подвергаются воздействию относительно низких температур и структура материала в этих зонах близка к исходной, что позволяет проводить сравнительную оценку степени деградации материала в перовой части. Фазовый состав исследовали на дифрактометре Rigaku с компьютерной обработкой полученных
рентгенограмм. Механические испытания проводили на плоских образцах с размером рабочей части 4,5х1,0х1,0 мм на специальной разрывной машине.
2. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис. 1 приведена микроструктура сплава на образцах, вырезанных из пера и полки сегмента соплового аппрарата ТВД.
Установлено, что микроструктура материала сегментов СА в исходном состоянии
представляет собой твердый раствор, упрочненный мелкодисперсными карбидами типа Ме23С6 преимущественно округлой формы. Карбиды в эвтектических выделениях
представлены тонкими пластинками,
чередующимися с прослойками у-матрицы. По границам зерен наблюдаются карбиды
вытянутой формы.
б
Рис. 1. Микроструктура сплава Б8Х-414 после эксплуатации в течение 12 тыс. ч: а - полка; б - перо
В процессе эксплуатации происходит диффузионный обмен элементами между
фазами, вдоль границ зерен, между поверхностью и внутренними объемами сплава, что в итоге приводит к изменению структуры материала. Так, по результатам электронномикроскопического анализа выявлено, что мелкодисперсные карбиды Ме23С6 округлой формы в результате процессов коагуляции приняли вытянутую иглообразную форму, а в самом сплаве вследствие различных твердофазных реакций, постоянно изменяющих соотношение концентраций элементов в фазах и оказывающих влияние на фазовую стабильность, сформировались топологически плотноупакованные с-фазы. Наблюдаемые структурно-фазовые изменения в кобальтовом сплаве сказываются и на механических свойствах: происходит падение прочности и пластичности исследуемого материала в 1,2 и 1,3 раза соответственно (рис. 2). На основании полученных данных можно констатировать, что материал лопаток СА ТВД после эксплуатации находится в состоянии предразрушения, что требует проведения восстановительной термической обработки [4].
В соответствии с концепцией восстановительной термической обработки она должна приводить к восстановлению структуры металла путем нагрева до температуры аустенизации и повторного старения. Ряд авторов отмечают, что в результате процессов образования новых фаз или расслоения уже имеющихся проведение термической обработки при температуре аустенизации может оказаться недостаточным, так как при данной температуре не произойдет полное растворение и повторное выделение упрочняющих фаз в сплаве [5]. В связи с этим рекомендуется некоторое увеличение температуры по сравнению с серийной, при которой будет проводиться гомогенизация сплава.
Применительно к кобальтовому сплаву Б8Х-414 серийная термическая обработка проводится в два этапа: гомогенизация при 1150 оС и старение при 980 оС. В обоих случаях время выдержки составляет 4 часа [6]. Кобальтовый сплав, находящийся в
постэксплуатационном состоянии и затем термически обработанный по серийному режиму, характеризуется тем, что пластичность возрастает в 1,5 раза, а уровень прочности по сравнению с состоянием после эксплуатации остается без изменения (рис. 2).
Повышение температуры гомогенизации от 1150 до 1250 оС приводит к росту уровня прочности в 1,3 раза и падению пластичности в
А. А. Быбин, А. В. Новиков и др. • ОСОБЕННОСТИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.
183
4 раза (рис. 2). Установленные закономерности изменения прочностных и пластических свойств кобальтового сплава, по-видимому, связаны с тем, что при повышении температуры гомогенизации увеличивается количество дефектов упаковки, представляющих собой атомные слои, уложенные в плотноупакованный ряд в пределах аустенитной ГЦК матрицы [1]. В процессе взаимодействия дислокаций с дефектами упаковки происходит достаточно сильное упрочнение сплава и снижение его пластичности.
900
850
я» 800 С
¿i
t 750
о
X
т а
CL
с 700 650 600
ПЭ 1120 1140 1160 1180 1200 1220 1240 1260
Температура обработки, °С
Рис. 2. Механические свойства сплава FSX-414 в различном состоянии: 1,1', 3, 5 - предел прочности; 2, 2', 4, 6 - относительное удлинение;
1, 2' - старение 4 ч; 1', 2 - старение 8 ч;
3, 4 - после эксплуатации до ремонта;
5, 6 - нормативные значения
При увеличении времени старения с 4 до 8 часов происходит незначительный рост прочности сплава и падение его пластичности. Возрастание температуры гомогенизации с 1150 до 1200 оС при 8-часовом старении вызывает увеличение прочности и уменьшение
пластичности сплава в 1,3 и 1,2 раза соответственно. Наблюдаемые закономерности связаны с тем, что к упрочению сплава за счет увеличения количества дефектов упаковки добавляется эффект упрочнения сплава за счет выделения мелкодисперсных вторичных
выделений карбида Cr23C6, активное
образование которого происходит при температуре старения [1].
Применение регламентированной скорости охлаждения с температуры гомогенизации не дало положительного эффекта: при температуре
гомогенизации 1200 оС охлаждение сплава со скоростью 20.40 оС/мин привело к падению прочности и пластичности в 1,2 и 1,9 раза
соответственно. Высокая скорость охлаждения приводит к формированию тонких выделений карбида хрома, которые не обеспечивают достаточной прочности сплава и в значительной мере способствуют падению его пластичности [1].
Установленные закономерности хорошо коррелируют с данными рентгенофазового анализа, проведенного на образцах в исходном и термически обработанном состоянии. При расшифровке дифрактограмм в соответствии с данными работы [7] были идентифицированы следующие фазы: у-Со (111), у-Со (311), Cr23C6 (440), Cr23C6 (531) и c-CoCr. Изменение
интенсивности линий, характерных для указанных фазовых составляющих, в
зависимости от температуры гомогенизации представлено на рис. 3.
600
-Ü
g 400
ей
О
Ф 200 О 600
-О
g 400
m
S
0
Ф 200
1
О 800
м
0 600
1 400
Ф
£ 200 О
ПЭ 1150 1200 1250
Температура обработки, °С
Рис. 3. Изменение интенсивности пиков различных фаз в сплаве FSX-414 в зависимости от температуры гомогенизации: 1 - c-CoCr; 2 - Cr23C6 (440);
2' - Cr23C6 (531); 3 - у-Со (311); 3' - у-Со (111); ПЭ - состояние сплава после эксплуатации
Анализ данных показывает, что
гомогенизация, проведенная при температурах от 1150 до 1250 оС, обеспечивает сохранение аустенитной матрицы с ГЦК решеткой.
Возрастание интенсивности линий, отвечающих карбиду Cr23C6, свидетельствует об увеличении доли карбидных выделений в сплаве. Фаза с-CoCr, наблюдаемая в сплаве после эксплуатации и способствующая сильному его охрупчиванию, с повышением температуры полностью исчезает, что обеспечивает
возрастание прочности материала.
—і---------------------------1-1----------1
ПЭ 1150 1200 1250
Температура обработки, °С
ПЭ 1150 1200 1250
Температура обработки, °С
ВЫВОД
Таким образом, проведенные исследования позволили установить, что материал, из которого изготовлены лопатки СА ТВД, после эксплуатации находится в состоянии предразрушения и требует проведения восстановительной термической обработки. В качестве оптимального по критериям прочности и пластичности может быть рекомендован режим термической обработки, включающий гомогенизацию при 1200 оС и последующее старение при 980 оС в течение 8 часов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок / под ред. Симса Ч. Т., Столоффа Н. С., Хагеля У. К.; пер. с англ. В 2 кн. Кн. 1 / под ред. Шалина Р. Е. М.: Металлургия,1995. 384 с.
2. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) М.: МИСИС, 2001. 632 с.
3. Гецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. В 2 кн. Рыбинск: ООО «Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2010. Кн. 1. 611 с.
4. Научно-технические основы ремонта лопаток соплового аппарата / М. К. Смыслова, В. В. Седов, А. В. Новиков и др. // 6-я науч.-техн. конф. «Сварка. Контроль. Реновация - 2006»: сб. тр. - Уфа: Гилем, 2007. С. 223-231.
5. Кишкин С. Т. Создание, исследование и применение жаропрочных сплавов: избранные труды. (К 100-летию со дня рождения) - М.: Наука, 2006. 407 с.
6. Строганов Г. Б., Чепкин В. М. Литейные жаропрочные сплавы для газовых турбин М.: ОНТИ МАТИ, 2000. 128 с.
7. Горелик С. С., Скаков Ю. А., Расторгуев Л. Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: уч. пособие для вузов. 3-е изд. доп. и перераб. М.: МИСИС, 1994. 328 с.
ОБ АВТОРАХ
Быбин Андрей Александрович, доц. каф. технологии машиностроения. Дипл. инж. по автоматиз. технол. процессов и производств (УГАТУ, 2000). Канд. техн. наук по тепл., электроракетн. двиг. и энергоустановкам ЛА (УГАТУ, 2005). Иссл. в обл. технологий восстановительного ремонта деталей газовых турбин.
Новиков Антон Владимирович, ген. директор ООО «Производственное предприятие "Турбинас-пецсервис"». Дипл. инж. по технологии и машинам сварочного производства (УГАТУ, 2005). Иссл. в обл. ремонта газотурбинной техники.
Дементьев Алексей Владимирович, инженер-исследователь ООО «Производственное предприятие "Турбинаспецсервис"». Дипл. инж. по спец. инженер-физик (УГАТУ, 2008). Иссл. в области термической обработки материалов для газотурбинной техники.
Канашенко Евгений Михайлович, главный инженер ООО "Газпром центрремонт" ОАО "Газпром". Дипл. инж. по по турбиностроению (Брянский институт транспортного машиностроения, 1971). Канд. техн. наук по методам контроля и диагностики в машиностроении (ЦНИИТМАШ, 1977). Иссл. в обл. газотурбостроения.
