CC BY
6Теоретическое и экспериментальное исследование процессов каплеударной эрозии конструкционных материалов
Ша Мингун,
к.т.н., старший преподаватель Гражданского авиационного института Северо-западного политехнического университета (КНР), shamg2020@nwpu.edu.cn
Сунь Ин,
аспирант кафедры «Перспективные материалы и технологии аэрокосмического назначения» Московского авиационного института (национального исследовательского университета), 544974488@qq.com
Ван Сюань, аспирант Гражданского авиационного института Северо-западного политехнического университета (КНР), wangxuanko@mail.nwpu.edu.cn
Процесс капельной эрозии является не только механическим, но и коррозионным: периодический срыв частиц защитной окис-ной пленки металла обнажает поверхность и способствует протеканию процесса коррозии. Поэтому скорость эрозионного износа должна зависеть и от характеристик среды, то есть капель и течения по лопатке пленки (от ее температуры, содержания агрессивных веществ, кислорода и рН). Дополнительным следствием капельной эрозии является снижение экономичности степени с эродированными рабочими лопатками, что происходит вследствие роста профильных потерь в рабочей решетке из-за увеличения шероховатости, утечки через периферийный зазор и по другим причинам. Особенно сильно на снижение экономичности турбины влияет эрозийный износ лопаток последней ступени, доля выработки мощности которой в общем балансе мощности турбины максимальна.
Ключевые слова: процесс, эрозия, конструкция, материал, эксперимент.
Проблема эрозионно-коррозионного разрушения лопаток последних ступеней паровых турбин в значительной степени обусловлена агрессивным воздействием коррозионной среды [2]. С целью определения коррозионного действия среды отобраны пробы воды на АЭС турбины macroshield (Texas, USA). Значение кислотности проб воды приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты измерения кислотности воды, pH и электриче-
Номер образца pH G, MKC CM 'S CM
1. 11,09 580
2. 10,34 235
3. 11,55 810
4. 10,31 210
5. 9,4 20,5
6. 9,7 14,5
7. 9,7 15,0
8. 9,81 22,5
Во всех отобранных образцах pH>7, значение кислотности колеблются от 9,4 до 11,55, что за значениями pH соответствует щелочной (основной) раствора. Электрическая проводимость меняется в довольно значительных пределах: в образцах 1-4 проводимость меняется от 210 до 810 мкСсм-1, в образцах 5-8 от 14,5 до 22,5 мкСсм-1, что свидетельствует о неоднородности воды с содержанием примесей. Также определяли содержание анионов в полученных образцах воды [5]. Измерения сравнивали с результатами двух «пустых тестов», то есть с контейнером очищенного образца, (вода была обработана фильтром MilliPore, азотной кислотой, MilliQ). В табл. 2-5 показаны эти результаты.
Таблица 2
Номер образца Содержание ионов, мг-дм'3
CL N0 Вг NO3' so4; so3- РО4'
1. 0,05 5,28 - 0,55 0,04 -
2. 0,1 0,07 - 0,16 0,03 -
3. 0,07 21,6 - 9,88 -
4. 0,04 0,04 - 0,13 0,02 -
X X
о го А с.
Работа выполнена при поддержке следующих грантов: 1. Natural Science Foundation of Shaanxi Province (2021JQ 081); 2. Basic Research Programs of Taicang (TC2020JC14).
В образцах 1-4 обнаружено высокое содержание нитрита N62" или содержание нитратов N03. Это может быть связано с реакцией гидразина с кислородом, он не присутствует в условиях эксплуатации, образовавшегося при взаимодействии с кислородом во время отбора проб, хранения, транспортировки и подготовки к измерению [2]. Кроме того, отметим, что нитрит ведет себя как активатор коррозии в хромоникелевых сплавах в определенном диапазоне концентраций [4]. Определение содержания металла в образцах воды выполнялось методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно
X
го m
о
ю
2 О
м м
сч сч
0 сч
сч
01
о ш Ш X
3
<
m о х
X
связанной плазмой. Содержание катионов металлов образцов анализировали методом 1СР. Приведенные ниже таблицы показывают эти результаты по отношению к «пустым тестам» [3]. Последние предоставляют информацию о точность и чувствительность измерения.
Таблица 3
Номер образца Содержание химических элементов, мгдм-3
Li Be Na Mg Al K Ca Fe Rb Sr Cs
1. 0,13 <0,1 67 2 33 17 32 12 0,01 <1,0 0,08
2. 0,05 <0,1 84 4 14 27 17 5 0,06 <1,0 0,05
3. 0,24 <0,1 178 3 <3,0 121 82 2 0,26 <1,0 0,40
4. <0,1 <0,1 43 <1 3 18 24 6 0,03 <1,0 0,05
5. <0,1 <0,1 21 <1 4 11 45 7 0,02 <1,0 0,02
6. <0,1 <0,1 21 3 7 39 27 17 0,04 <1,0 0,03
7. <0,1 <0,1 22 <1 3 13 <1,0 3 <0,01 <1,0 0,03
8. <0,1 <0,1 < 5 2 4 6 33 7 <0,01 <1,0 0,01
Таблица 4
Номер образца Содержание химических элементов, мгдм-3
B Cr Mn Co Ni Cu Zn As Se Mo
1. 31,0 3,03 1,08 0,03 5,51 6,84 38,9 0,07 0,14 0,38
2. 49,9 0,34 0,22 <0,02 0,33 0,79 <5 <0,05 0,27 0,03
3. 66,6 0,25 0,15 <0,02 0,42 0,80 <5 0,06 <0,05 0,07
4. 10,1 0,54 0,16 <0,02 0,16 1,09 6,4 <0,05 0,14 <0,02
5. 7,1 0,12 0,19 <0,02 0,60 0,76 12,3 <0,05 <0,05 <0,02
6. 10,2 0,22 0,39 <0,02 1,70 0,49 <5 <0,05 <0,05 0,87
7. 5,5 0,08 0,29 <0,02 6,59 0,71 <5 <0,05 <0,05 <0,02
8. 3,8 0,06 0,42 <0,02 0,91 0,61 <5 <0,05 <0,05 0,07
Таблица 5
Номер образца Содержание химических элементов, мгдм-3
Ag Cd Sn Sb Ba W Au Hg Pb
1. 0,07 <0,02 <0,02 <0,02 0,38 0,13 0,07 0,02 0,22
2. <0,02 <0,02 0,02 <0,02 0,08 0,03 0,02 <0,02 0,09
3. 0,12 <0,02 0,06 0,03 0,93 0,40 0,16 <0,02 <0,02
4. <0,02 <0,02 <0,02 <0,02 1,77 0,02 0,02 <0,02 0,19
5. 0,08 0,07 0,3 <0,02 1,35 0,10 0.36 <0,02 0,23
тичной материала лопатки, SupraGold (образец 3). Образцы были вырезаны из лопаток 5 ступени из стали SupraGold [6].
Образцы для исследования вырезались из зоны входной кромки лопатки 5 ступени ротора низкого давления, упрочненной закалкой токами высокой частоты по приведенным выше режимами. На рис. 1 представлен внешний вид образца 1 от лопатки, входная кромка которой укреплена током высокой частоты (ТВЧ).
Исходя из результатов измерений, образец 1 содержит чрезвычайно большое количество ионов металлов, а именно Al, Fe, Cr, Ni, Cu, Zn. Присутствие в пробах воды примесей металлов свидетельствует о протекание эрозионных процессов при эксплуатации лопаточного аппарата турбин. Было установлено, что исследованные пробы воды имеют щелочную раствора реакцию и содержат и другие провокаторы коррозии. Нитриты и нитраты присутствуют в составе ионов в очень небольших количествах. Электромагнитной ловушкой Fe-ккот-стой» найдено Cr, W, содержимое которых может быть только результатом некоторой коррозии, эрозии лопаток, что вполне логично: лопатки изготовлены из хромо-никелевой стали SupraGold, входные кромки упрочнены сплавом SUPRAEVES на основе карбида вольфрама. Соответственно до полученных результатов качества воды при исследованиях избран коррозионное среда HN3 с показателем pH 9,6 [7]. Выполнено исследование образцов от трех лопаток, входная кромка которых была укреплена различными методами: закалкой ТВЧ с последующим отпуском (образец 1), электрохимическим легированием традиционным сплавом SUPRAEVES (образец 2), электроискровым легированием стали, иден-
Рисунок 1. Внешний вид образца лопатки 1, упрочненного СВЧ, 00,3
Исследование состояния поверхности образца лопатки, упрочненного СВЧ, выполнялось на двух участках, маркированных как «позиция 1» и «позиция 2». Часть образца «позиция 1» находилась в среде пара, часть образца «позиция 2» была погружена в водный раствор с показателем рН 9,6. Состояние поверхности образца до испытаний фиксировалось с помощью SEM-изображения. SЕМ-изображения образца 1 показаны на рис. 2, 3 при увеличениях 50 и 1000 к воздействию коррозионной среды. Можно видеть, что поверхность достаточно однородная, гладкая, без механических повреждений. Поры, трещины при этом разделении оптического изображения не обнаруживаются.
а б
Рисунок 2. ЭБМ-изображение поверхности образца 1 позиция 1, закаленного СВЧ: а - увеличение 50; б - увеличение 1000
а б
Рисунок 3. Образец 1. ЭБМ-изображение поверхности образца 1 позиция 2, закаленного СВЧ: а - увеличение 50; б -увеличение 1000
Для анализа структурного состояния и определение фазового состава поверхности образцов были сняты рентгеновские дифрактограммы. XDR спектр образца 1, упрочненного СВЧ, показан на рис. 4.
lad.: CälCal l: 1.5405 Fütcr: Hi Bits d-sp:
Cut off: Int.: Di&act. I/Iior.:
Re f SiraiuDn el el, Natl. Bur. St Ind. (U.S.), Cin. 538, И, 3
(1955)
Зуя.: Cubic S.G.: IrnSm (22S)
a: 2.B6G4 h: с : k C:
•r. ff T Z: 2 mp:
M: Ibid.
Si: 7.875 Da: SS/FOB: F (j = И5(.0М4 , 8)
ä(i) ht h lr 1
шва 100 1 1 0
1.4332 20 2 0 0
1.1702 30 2 1 1
1.013t 10 2 2 0
.9064 1Й 8 1 0
.8275 6 2 2 2
Color: Gray, light gray metallic
Pattern taken at 25 C. CAS j 7430-88-6. The iron uied Tag an exceptionally pure rolled sheet prepared at the NBS. CaithergbuTg, Married. USA., Moore. 0.. 1. Uet.. 5 №3 (1953]]. It Tas annealed in an Hi! atmosphere for 3 days at 1 LOO C and aljitly coaled in a He atmosphere. Total impurities of sample <0,0013Ji each metals and non-metals. -Fe (!cc)=(lW C) 7c (bcc]. Opaque mineral optical data on specimen from Uet^orite: KR2Re= j7.7. Disp.= 10, VMI=158 (mean at 100, ZOO, 300), Color mlue3=.311, .318, 57.8, Aef.: 2iA ftmnoissrion on Ore Uicioscopy QDF. W type. Iran SuperGroup. lC-diaordered Group. Also called: ferrite,. PSC: cI2. See ICS! 04795 (PDF B5-1410). Uwt: 55.85. Volume[CD]: 33.55.
Для получения дополнительной информации о составе поверхности полученный спектр Х^. На рис. 6 показан спектр осмотра образца 1 после пяти минут пищеварение. Травление осуществлялось бомбардировкой ионами при напряжении + 2 [«V в среде Аг+.
Рисунок 4. Рентгеновские дифрактограммы поверхности исследуемых образцов. Идентифициованные фазы: феррит, аустенит, нестехиометрический нитрид титана, карбид
Идентифицировано только а-фаза на основе Fe. Кроме стабильной формы феррита железа, не было выявлено иных отличительных признаков «фонового шума». Ферритовая карта JCPDS-карта приведена на рис. 5.
ДЮТг_Уате1епеШ= ЩИ
Iron, tmi
м
Рисунок 6. Обзор спектра образца 1 за 5 минут бомбардировки Аг + 2 кэв
Кроме компонентов элементов Сг, С, Fe, показанных на рисунке, также в небольшом количества выявленных Si, Ca, N и Т^ которые находились на поверхности образца. Na, вероятно, происходит из держателя образца. Металлические элементы присутствуют в том или ином степени окисленной формы: титан ТИ+, хром Сг4+, кальций Ca2+. Железо является свидетелем спектра. Уже в не травленом состоянии его можно идентифицировать в двух разных степенях окисления, в значительной степени Fe2+ ^е2рз/2 = 710,7 эв), можно четко определить металлическое железо (707,0 эв). Следующие пики были идентифицированы на образце в не травленом состоянии на спектре ионного распыления, элементы, показанные на фигуре ^ (рис. 7), распределенном в наружном слое образца.
Рисунок 7. Спектр сигнала образца 1, ионы ISS 800 эв He+, характеристика записана без пищеварение
X X О го А С.
X
го m
о
Рисунок 5. Ферритовая JCPDS-карта образца 1
ю
2 О
м м
сч сч
0 сч
сч
01
о ш m
X
3
<
m о х
X
В сравнении с непротравленным смотровым спектром при спектроскопии ионного рассеяния ISS обнаружено значительное количество хрома в наружном ядерном слое.
Изменения интенсивности пищеварения в спектрах XPS как функции времени пищеварения показан на следующем рис. 8. Поверхностное содержание углерода быстро уменьшается, то есть, вероятно, что сигнал исходит от загрязненных углеродом слоев. Это является признаком загрязнения углеродом при термической обработке. При этом интенсивность сигнала железа и хрома возрастает, соотношение других компонентов практически не меняется. Как упоминалось выше, фтор и натрий, вероятно, показывают электроны, рассеянные из держателя образца. Анализ химических элементов по глубине образца 1 лопатки, упрочненного токами высокой частоты, показан на рис. 8.
Рисунок 8. Анализ химических элементов по глубине образца 1, пищеварения при 2 кэв лучами Ar+
Абсолютные проценты ингредиентов не являются абсолютно точными (они не содержат всех элементов), но их пропорция является информативной. Состав образца соответствует коррозионной стали SupraGold с содержанием хрома около 10%, поверхность образца покрыта пассивным оксидом хрома. Сравнение EDS-анализа образца 1 до и после испытания показаны в табл. 6 и 7.
Таблица 6
Элементный состав образца 1 в положении 1 до и после испытания
Элемент Серия До испытания После испытания
Норма, мас. % Ат.% Ошибка, [%] Норма, мас. % Ат.% Ошибка, [%]
Cr K 8,89 9,49 0,71 5,18 5,46 0,33
Mn K 1,41 1,42 0,41 0,67 0,67 0,23
Fe K 89,70 89,09 5,47 91,42 89,74 4,61
Si K - - - 1,86 3,63 0,17
Mo L - - - 0,87 0,50 0,23
Таблица 7
Элементный состав образца 1 в положении 2 до и после испытания
Элемент Серия До испытания После испытания
Норма. масс. % Ат.% Ошибка, [%] Норма. масс. % Ат.% Ошибка, [%]
Cr K 8,92 9,52 0,76 15,68 16,61 0,86
Mn K 1,29 1,30 0,40 0,63 0,68 0,17
Fe K 89,79 89,18 5,40 82,66 81,56 4,29
Si K 0,40 0,78 0,14
Mo L 0,64 0,37 0,27
Небольшое количество Mn уменьшилась или не оказывается. После исследования выявлено присутствие небольших количеств новых элементов, не обнаруженных ранее: V, Si, Мо, признаков специфического растворения не наблюдается. Новые, очень маленькие количества детектирумых металлов, было получено в автоклаве, как следствие коррозии других образцов, в результате на исследуемом образце наблюдается конденсация их продуктов коррозии. Разницу в содержании химических элементов на поверхности образцов до и после выдержки в агрессивной среде можно объяснить тем, что до эксперимента на поверхности лопатки были окислы, которые образовались в процессе термической обработки.
Литература
1. Dehdarinejad, E., & Bayareh, M. (2022). Impact of non-uniform surface roughness on the erosion rate and performance of a cyclone separator. Chemical Engineering Science, 249. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.117351
2. Fujisawa, K. (2022). Effect of impact velocity on time-dependent force and droplet pressure in high-speed liquid droplet impingement. Annals of Nuclear Energy, 166. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2021.108814
3. Hoksbergen, N., Akkerman, R., & Baran, I. (2022). The Springer Model for Lifetime Prediction of Wind Turbine Blade Leading Edge Protection Systems: A Review and Sensitivity Study. Materials, 15(3). https://doi.org/10.3390/ma15031170
4. Islam, S. K. S., Singh, S. K., G.d. Ransinchung, R. N., & Ravindranath, S. S. (2022). Performance Deterioration of SBS-Modified Asphalt Mix: Impact of Elevated Storage Temperature and SBS Concentration of Modified Binder. Journal of Materials in Civil Engineering, 34(3). https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004092
5. Poloprudsky, J., Nag, A., Kruml, T., & Hloch, S. (2022). Effects of liquid droplet volume and impact frequency on the integrity of Al alloy AW2014 exposed to subsonic speeds of pulsating water jets. Wear, 488-489. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204136
6. Rayhan, S. B., Pu, X., & Huilong, X. (2022). Modeling of fuel in crashworthiness study of aircraft with auxiliary fuel tank. International Journal of Impact Engineering, 161. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2021.104076
7. Tereshkin, A. (2018). Specificity of optimization of recreational potential Forest park (on the example of the green zone of Saratov). World Ecology Journal, 8(2), 60-70. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2018.2.2.006
8. Tsembelev, M. (2018). Studies on the drought tolerance of species of the genus CELTIS L. for forest reclamation plantations. World Ecology Journal, 8(3), 71-85. https://doi.org/https7/doi.org/10.25726/NM.2019.44.92.005
9. Udom, B. E., Udom, G. J., & Otta, J. T. (2022). Breakdown of dry aggregates by water drops after applications of poultry manure and spent mushroom wastes. Soil and Tillage Research, 217. https://doi.org/10.1016/j.still.2021.105267
10. Wang, H., Zhang, G.-H., & Wang, J. (2022). Plant community near-surface characteristics as drivers of soil erodibility variation along a slope gradient in a typical semiarid region of China. Catena, 212. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106108
Theoretical and experimental study of the processes of drop-impact
erosion of structural materials Minggong Sha, Ying Sun, Xuan Wang
Northwestern Polytechnical University, Moscow Aviation Institute (National
Research University) JEL classification: L61, L74, R53
The process of drip erosion is not only mechanical, but also corrosive: the periodic breakdown of the particles of the protective oxide film of the metal exposes the surface and contributes to the corrosion process. Therefore, the rate of erosion wear should also depend on the characteristics of the medium, that is, drops and flow along the blade of the film (on its temperature, the content of aggressive substances, oxygen and pH). An additional consequence of drip erosion is a decrease in the efficiency of the degree with eroded working blades, which occurs due to an increase in profile losses in the working grid due to an increase in roughness, leakage through the peripheral gap and for other reasons. The erosion wear of the blades of the last stage, whose share of power generation in the overall balance of turbine power is maximum, affects the decrease in the efficiency of the turbine especially strongly.
Keywords: process, erosion, construction, material, experiment.
References
1. Dehdarinejad, E., & Bayareh, M. (2022). Impact of non-uniform surface roughness on the erosion rate and performance of a cyclone separator. Chemical Engineering Science, 249. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.117351
2. Fujisawa, K. (2022). Effect of impact velocity on time-dependent force and droplet pressure in high-speed liquid droplet impingement. Annals of Nuclear Energy, 166. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2021.108814
3. Hoksbergen, N., Akkerman, R., & Baran, I. (2022). The Springer Model for Lifetime Prediction of Wind Turbine Blade Leading Edge Protection Systems: A Review and Sensitivity Study. Materials, 15(3). https://doi.org/10.3390/ma15031170
4. Islam, S. K. S., Singh, S. K., G.d. Ransinchung, R. N., & Ravindranath, S. S. (2022). Performance Deterioration of SBS-Modified Asphalt Mix: Impact of Elevated Storage Temperature and SBS Concentration of Modified Binder. Journal of Materials in Civil Engineering, 34(3). https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004092
5. Poloprudsky, J., Nag, A., Kruml, T., & Hloch, S. (2022). Effects of liquid droplet volume and impact frequency on the integrity of Al alloy AW2014 exposed to subsonic speeds of pulsating water jets. Wear, 488-489. https://doi.org/10.1016/j.wear.2021.204136
6. Rayhan, S. B., Pu, X., & Huilong, X. (2022). Modeling of fuel in crash-worthiness study of aircraft with auxiliary fuel tank. International Journal of Impact Engineering, 161. https://doi.org/10.1016/jjjim-peng.2021.104076
7. Tereshkin, A. (2018). Specificity of optimization of recreational potential Forest park (on the example of the green zone of Saratov). World Ecology Journal, 8(2), 60-70. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2018.2.2.006
8. Tsembelev, M. (2018). Studies on the drought tolerance of species of the genus CELTIS L. for forest reclamation plantations. World Ecology Journal, 8(3), 71-85. https://doi.org/https://doi.org/10.25726/NM.2019.44.92.005
9. Udom, B. E., Udom, G. J., & Otta, J. T. (2022). Breakdown of dry aggregates by water drops after applications of poultry manure and spent mushroom wastes. Soil and Tillage Research, 217. https://doi.org/10.1016/jstill.2021.105267
10. Wang, H., Zhang, G.-H., & Wang, J. (2022). Plant community near-surface characteristics as drivers of soil erodibility variation along a slope gradient in a typical semiarid region of China. Catena, 212. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106108
X X
o 00 A c.
X
00 m
o
2 O
ho ho
