CC BY
62
УДК 621.793.6:669.245
Г. И. Пейчев, В. Е. Замковой, Н. В. Андрейченко
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗНОСОСТОЙКИХ СПЛАВОВ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ БАНДАЖНЫХ ПОЛОК РАБОЧИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В настоящей статье проведена систематизация таких сравнительных характеристик, как: твердость, температура плавления и фазовых превращений, фазовый состав жаропрочных износостойких материалов, используемых в авиационной технике для упрочнения бандажных полок рабочих лопаток.
Введение
Проблеме повышения надежности и долговечности уделяется особое внимание при создании, эксплуатации и ремонте авиационной техники и, в частности, газотурбинных двигателей. Ресурс авиационных двигателей определяется долговечностью наиболее ответственных деталей горячего тракта, таких как рабочие лопатки турбины. Рабочие лопатки работают в условиях действия высоких температур и одним из факторов, ограничивающим их ресурс, является повреждение бандажных полок. Контактные поверхности бандажных полок упрочняются жаропрочными износостойкими материалами. Выбор марки износостойкого материала и способа его нанесения производится индивидуально для каждой лопатки определенного двигателя в зависимости от условий эксплуатации, марки основного материала лопатки и ее конструкции, технологических особенностей изготовления и ремонта, и множества других факторов. Поэтому очень важно знать необходимые индивидуальные характеристики износостойких сплавов, чтобы сделать правильный выбор.
На двигателях разработки Государственного предприятия «Ивченко-Прогресс» используются три основных износостойких материала:
— на кобальтовой основе — ХТН61 и В3К;
— на никелевой основе — ВЖЛ2.
К сожалению, информации по износостойким материалам очень мало, а имеющаяся — разрозненная и без аналитических сравнительных исследований. Также отсутствует информация по фазовому составу, термостабильности фаз в условиях эксплуатационных и технологических температурных интервалов.
1 Формулирование проблемы
В настоящей статье проведена систематизация таких сравнительных характеристик, как: твердость, температура плавления и фазовых превращений, фазовый состав.
© Г. И. Пейчев, В. Е. Замковой, Н. В. Андрейченко, 2009
2 Материалы и методика исследования
2.1 Определение твердости
«Твердость — это сопротивление, которое оказывает испытуемое тело при внедрении в него другого более твердого тела». Эта формулировка в настоящее время общепризнанна, однако в применении к сопротивлению износу, которое часто отождествляется с твердостью — не всегда однозначна. Износ — это совокупность очень многих процессов, действующих в различных диапазонах температур, в которых значение твердости не является определяющим и, тем не менее, для грубой оценки износостойкости, как одного из факторов, часто используют твердость, определенную при комнатной температуре и повышенных.
В данной работе определялась твердость каждого сплава при нормальной температуре по Бри-нелю, по Викерсу и по Роквеллу.
Для определения твердости использовались плоскопараллельные пластины, прошлифованные на круге зернистостью 5...10 мкм.
Пластины проходили стандартную термообработку, принятую для каждого сплава на Государственном предприятии «Ивченко-Прогресс» (табл. 1).
Таблица 1
Технологические параметры
Марка термообработки
материала Температура Время Среда
нагрева, °С нагрева, мин
ХТН61 1265 30 вакуум
В3К 1210 30 вакуум
ВЖЛ2 1210 30 вакуум
2.2 Исследование термостабильности фаз при высокотемпературных нагревах
Для исследования были выбраны 3 температуры: 1000 °С,1100 °С и 1210 °С, выдержка при температуре составляла — 30 мин. Микроанализ проводился на оптическом микроскопе ОЬУМРИС 1X70 без травления и после травления в реактиве Марбле.
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009
- 123 -
2.3 Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА)
Исследование проводилось на растровом микроскопе 18М-6360ЬЛ, оснащенном системой для проведения рентгеноспектрального микроанализа (РСМА).
Исследовались сплавы ВЖЛ2 и В3К после термообработок 1000 °С и 1210 °С, сплав ХТН61, который не имеет превращений при указанных температурах, исследовался только в закаленном состоянии.
2.4 Термический анализ
Методом дифференциального термического анализа (ДТА) измерялась температура плавления сплавов и температура тепловых эффектов при плавлении, с целью установления температур фазовых превращений в сплавах. ДТА проводился в атмосфере гелия со скоростью нагрева и охлаждения 70 град/мин.
3 Результаты исследования
3.1 Твердость
Результаты замера твердости приведены в таблице 2.
Из данных таблицы видно, что сплав ХТН61, обладающий наивысшей износостойкостью из всех представленных сплавов, имеет самую низкую твердость, хотя и достаточно высокую, превышающую твердость сплавов для отливки турбинных лопаток.
Для сравнения в таблице 3 приведены данные по износостойкости различных сплавов. Из данных таблицы видно, что наилучшие характе-
Таблица 2
ристики износостойкости, во всем диапазоне рабочих температур, показывает износостойкий сплав ХТН61 оптимального химсостава. Конструкционный литейный сплав ЖС26-ВИ в силу своей высокой прочности также имеет неплохие показатели износостойкости (за что был в свое время рекомендован использоваться без упрочнения на лопатках 1 категории). Сплав ВЖЛ2 при температурах выше 900 °С, теряет свои прочностные характеристики, начинает «течь» и резко повышается его износ. Поэтому он и был рекомендован для использования в диапазоне температур до 900 °С, где он успешно конкурирует со сплавом ХТН61, являясь при этом более дешевым сплавом.
3.2 Исследование термостабильности фаз при высокотемпературных нагревах
Проведенные исследования показали, что сплав ХТН61 термостабилен во всем диапазоне температур от 20 до 1300 °С.
Сплавы ВЖЛ2 и В3К в диапазоне действия рабочих температур для лопаток турбины достаточно стабильны. Имеются некоторые тенденции к коагуляции фаз. А при температурах нагрева на уровне технологических (Т = 1210 °С., температура пайки) в этих сплавах, особенно это выражено в сплаве В3К, уже происходят процессы растворения и глобулизации упрочняющих фаз, что может сказаться на прочности и износостойкости сплавов. Поэтому для сплава В3К невозможна напайка высокотемпературными припоями, которые рекомендованы для жаропрочных литейных сплавов, т.е его можно наносить только наплавкой, чтобы не испортить основной материал лопаток.
Наименование марки материала Замеры твердости
По Бринелю НВ (10/3000) По Роквеллу няс По Викерсу НУ 10/10
ХТН 61 390...480 41.45 420.480
В3К 500...514 49.53 505.560
ВЖЛ2 530.500 53.54 600.627
ЖС32 34.38 380.390
Интенсивность изнашивания, 1у 106мм3/цикл
Исследуемый материал Температура испытания, °С
20 500 900 1000
ХТН61, равноосная кристаллизация, 0,28 0,25 0,40
оптимальный состав
ХТН61, с измененным составом 0,7
(наличие эвтектики)
ХТН61, наплавка 0,4.1,65 (большой разброс) - - -
ВЖЛ2, равноосная кристаллизация - 1,51 0,944 4,49
ЖС26ВИ, ВСНК - - 0,3455 0,7.0,4
ЖС26-ВИ + ВСДП11 - - - 1,23
ЖС6У-ВИ, равноосная кристаллизация - - - 1,1898
Таблица 3
3.3 Термический анализ
Проведенный термический анализ показал следующее:
Сплав ХТН61
При соблюдении химсостава в рамках сертификата, в этом сплаве не наблюдается никаких тепловых эффектов до температуры плавления 1320...1340 °С, при завышении содержания углерода и хрома образуются легкоплавкие эвтектики на основе карбида хрома и, как следствие, появляются тепловые эффекты в диапазоне температур 1180...1240 °С, что усложняет напайку такого сплава, а также снижается износостойкость.
Сплав В3К
В сплаве наблюдаются два пика на термических кривых. Первые термические эффекты появляются при температуре 1130...1150 °С и соответствуют температуре плавления эвтектики на базе карбидов хрома, вторые эффекты при 1250...1260 °С — плавлению избыточных кристаллов в сплаве Сч23С6. Температура плавления этого сплава составляет 1270...1275 °С, что еще раз делает невозможным использование напайки этого сплава высокотемпературными припоями, которые рекомендованы для жаропрочных
литейных сплавов, таким образом, его можно наносить только наплавкой.
Слав ВЖЛ2
В этом сплаве низкотемпературные эффекты выявлены при температурах 1170...1210 °С, что указывает на фазовые превращения в этом диапазоне температур. Температура плавления этого сплава составляет 1280 °С. Исходя из этих данных, для сплава ВЖЛ2 можно использовать припой с температурой плавления не выше 1210...1230 °С.
Перечень ссылок
1. Разработка высокотемпературного износостойкого сплава для упрочнения бандажных полок лопаток ГТД / [А. К. Шурин, Г. П. Дмитриева, Н. В. Андрейченко и др.] //Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий. — 1992. — С. 41—42.
2. Испытание металлов : сб. статей / [под ред. К. Нитцше]. — М.: Машиностроение, 1967. — 451 с.
Поступила в редакцию 29.05.2009
В данш cmammi наведено систематизащю таких зр1внялъних характеристик, як твердстъ, температура плавлення та фазовий склад жаромщних зноcоcmiйкихмamерiaлiв, як вико-ристовуютъся в aвiaцiйнiй технищ для змщнення бандажних полок робочих лопаток.
A systematization of comparative characteristics, such as hardness, melting and phase transformation temperatures, phase composition, of heat- and wear-resistant materials, being used in the aircraft engineering for strengthening the shroud plaforms of engine rotor blades, is carried out in this article.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2009
- 125 -
