Міністерство освіти і науки України

Запорізький державний технічний університет

Рубель Олег Володимирович

УДК 621.452.3.03.004.65:669.018.44

Регламентація вибору кристалографічної орієнтації лопаток турбіни, отриманих методом спрямованої кристалізації

05.02.01 – "Матеріалознавство"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Запоріжжя – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Яценко Віктор Кузьмич,

Запорізький державний технічний університет,

завідувач кафедри "Технологія авіаційних двигунів і машинобудування"

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Цивірко Едуард Іванович,

Запорізький державний технічний університет,

професор кафедри "Машини і технологія ливарного виробництва"

доктор технічних наук, професор

Карпінос Борис Сергійович,

Інститут проблем міцності НАН України (м. Київ),

провідний науковий співробітник відділу "Міцність елементів конструкції у газових потоках і полі відцентрових сил"

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут авіаційної технології Міністерства промислової політики України

Захист відбудеться 29 травня 2001 року о 13.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 17.052.01 у Запорізькому державному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького державного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розісланий 27 квітня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, проф. Внуков

Ю.М.ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одними з деталей ротора газотурбінного двигуна (ГТД), що лімітують термін служби двигунів Д-18Т і ТВ3-117ВМА-СБМ1, є робочі лопатки першої ступені турбіни. Для лиття лопаток використовують метод спрямованої кристалізації, який забезпечує одержання монокристалічної макроструктури (далі для скорочення – монокристал) заготовки лопаток. Відповідно до нормативної документації придатними вважаються лопатки, кристалографічна орієнтація (КГО) яких у поздовжньому напрямку лопатки співпадає з кристалографічним напрямком <001>. Припустиме максимальне відхилення кута між віссю лопатки та напрямком <001> складає 20° для лопаток охолоджуваної конструкції (двигун Д-18Т) і 40° для лопаток неохолоджуваної конструкції (двигун ТВ3-117ВМА-СБМ1).

Оскільки технологія серійного виробництва лопаток не дозволяє повністю керувати процесом кристалізації, то одержані лопатки мають КГО з відхиленням від напрямку <001> від 0 до 54°. В наслідок цього при наступному контролі бракується 40...80% лопаток "придатних" по усім (крім КГО) параметрам.

Таким чином, актуальним є дослідження можливості експлуатації монокристалічних лопаток турбіни з відхиленням осі лопатки від напрямку <001> на кут більш ніж 20°.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації автор отримав відповідно до тематичного плану держбюджетних робіт ЗДТУ, затвердженого МО України, як відповідальний виконавець науково-дослідної роботи № ДБ04019 "Фізичні основи підвищення ресурсу енергетичних установок шляхом математичного моделювання анізотропії механічних властивостей монокристалічних матеріалів" (номер державної реєстрації 0119U001083) і госпдоговірної науково-дослідної роботи № 4018 "Дослідити механічні характеристики лопаток турбіни, отриманих методом високошвидкісної спрямованої кристалізації (ВШСК)", а також додаткової угоди до роботи № 4018 "Підвищення несучої здатності монокристалічних лопаток турбіни шляхом використання кристалографічної анізотропії механічних властивостей".

Мета роботи і задачі дослідження. Основною метою роботи є розробка наукових засад раціональної регламентації вибору КГО монокристалічних лопаток турбіни із урахуванням навантажень, що діють в експлуатації, та анізотропії фізико-механічних властивостей матеріалу.

Для досягнення мети було поставлено та розв'язано наступні задачі:

1. Провести дослідження впливу КГО на механічні властивості: умовну границю текучості, границі міцності та витривалості, тріщиностійкість і тривалу міцність монокристалів нікельових жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ та ЖС26-ВИ.

2. Розробити методику проведення випробувань на втому монокристалічних лопаток турбіни в умовах серійного виробництва, уникаючи визначення модуля пружності, а отже і КГО лопаток.

3. Дослідити механізм пластичної деформації і руйнування монокристалів нікельового жароміцного сплаву ЖС6У-ВИ при нормальній та підвищеній температурах.

4. Отримати математичні залежності, що описують кристалографічну анізотропію механічних властивостей монокристалів жароміцних сплавів на нікельовій основі ЖС6У-ВИ та ЖС26-ВИ.

5. Виконати розрахунки пружнодеформованого стану небезпечного перерізу монокристалічних лопаток турбіни охолоджуваної і неохолоджуваної конструкцій.

6. Розробити рекомендації щодо регламентації вибору КГО монокристалічних лопаток турбіни із урахуванням їх конструкції та експлуатаційних навантажень.

Об'єктом дослідження є робочі лопатки турбіни ГТД Д-18Т та ТВ3-117ВМА-СБМ1, отримані методом спрямованої кристалізації.

Предметом дослідження є основні механічні властивості монокристалів жароміцних сплавів, що впливають на несучу здатність робочих лопаток турбіни.

Методи досліджень включали до себе: рентгеноструктурні методи – для визначення КГО зразків і механізмів пластичної деформації; методи інженерної механіки – для дослідження механічних властивостей монокристалів жароміцних сплавів; методи теорії імовірностей та математичної статистики – для обробки результатів випробувань та побудови математичних залежностей; чисельні методи теорії пружності – для розрахунку пружнодеформованого стану монокристалічних лопаток турбіни під дією експлуатаційних навантажень.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше на підставі результатів дослідження анізотропії механічних властивостей монокристалів нікельових жароміцних сплавів, а також розрахунків на міцність монокристалічних лопаток турбіни розроблено підхід до регламентації вибору КГО лопаток турбіни, отриманих методом спрямованої кристалізації, що дозволило, за рахунок розширення допуску на КГО лопаток, обгрунтовано застосувати у виробніцтві додатково 40-80% заготовок, які раніше вважалися непридатними за кристалографічною орієнтацією.

2. Отримано удосконалені математичні залежності, що описують вплив КГО на короткочасну міцність, опір втомі та тривалу міцність монокристалів жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ та ЖС26-ВИ і дозволяють прогнозувати значення умовної границі текучості, границь міцності, витривалості та тривалої міцності монокристалів довільної КГО. Встановлено, що характеристики міцності сплавів можуть відрізнятися в залежності від обраного для навантаження кристалографічного напрямку в 1,4...1,8 разів, довговічність при випробуваннях на тривалу міцність – у 4...6 разів, пластичність при випробуваннях на розтяг – у 2...3 рази, швидкість росту тріщини при випробуваннях на циклічну тріщиностійкість при високих температурах у 1,5...6,5 разів.

3. Дістало подальший розвиток вивчення механізмів пластичної деформації монокристалів жароміцних сплавів при підвищеній температурі, що полягає у розкритті впливу додаткової системи ковзання {111}<211> на поведінку зразків при випробуваннях на тривалу міцність.

Практичне значення одержаних результатів. Обґрунтовано можливість застосування у виробництві лопаток, що раніше вважалися бракованими по КГО, з відхиленням кристалографічного напрямку <001> від поздовжньої осі лопатки на кут більш ніж 20° (при можливому 54°44ў). Саме це дозволило удосконалити технологічні рекомендації щодо регламентації вибору КГО монокристалічних лопаток турбіни і з обґрунтуванням застосувати у виробництві додатково 40...80% лопаток, які раніше вважалися нерпидатними за кристалографічною орієнтацією.

Розроблено методику випробувань на втому монокристалічних лопаток турбіни, сутність якої полягає у навантаженні лопаток тарованим моментом для досягнення необхідного значення діючого напруження у "слабкому" перерізі лопатки. Вона дозволяє значно знизити трудомісткість контролю КГО лопаток і підвищити достовірність випробувань на втому за рахунок покращення точності завдання навантаження при випробуваннях у 1,4 рази. Результати досліджень механізму пластичної деформації монокристалів дозволили доповнити і розширити застосовність існуючих залежностей, що описують анізотропію механічних властивостей монокристалів жароміцних сплавів.

Розроблені методики і результати досліджень, а також рекомендації з регламентації вибору КГО монокристалічних лопаток були використані на підприємстві ВАТ "Мотор Січ" при виробництві лопаток турбіни високого тиску двигуна Д-18Т і лопаток турбіни компресора двигуна ТВ3-117ВМА-СБМ1. Це дозволить отримати річний економічний ефект у розмірі 180 тис. гривень (акт впровадження від 04.10.99 р.).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові положення і результати отримано здобувачем самостійно. Автором сумісно з кандидатом технічних наук Орловим М.Р. було розроблено методику проведення випробувань на втому монокристалічних лопаток турбіни. Автором безпосередньо виконано дослідно-експериментальну перевірку даної методики. Також разом з М.Р. Орловим було розроблено технологічні рекомендації щодо регламентації орієнтації монокристалічних лопаток турбіни, при цьому автором виконано розрахунково-теоретичну частину. На захист виносяться такі положення:

1. Математичні залежності, що описують вплив КГО на механічні властивості монокристалів жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ та ЖС26-ВИ.

2. Особливості механізму пластичної деформації монокристалів жароміцного сплаву ЖС6У-ВИ при високих і низьких температурах.

3. Методика статичного тарування монокристалічних лопаток при випробуваннях на втому.

4. Розрахунок пружнодеформованого стану лопаток з урахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей матеріалу.

5. Технологічні рекомендації щодо регламентації вибору КГО монокристалічних лопаток турбіни різної конструкції.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародній конференції "Нові конструкційні стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів" /Запорожжя, 1998р./; четвертому конгресі двигунобудівників України /Рибаче, 1999р./; п'ятому міжнародному науково-технічному симпозіумі "Авиационные технологии XXI века" /Жуковський, 1999р./, міжнародній науково-технічної конференції "Оцінка й обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій" (Ресурс 2000) /Київ, 2000р./, п'ятому конгресі двигунобудівників України /Рибаче, 2000р./, міжнародній науково-технічної конференції "Нові технології, методи обробки та зміцнення деталей енергетичних установок" /Запоріжжя, 2000р./, міжнародній науковій конференції "Двигатели XXI века" /Москва, 2000р./, на кафедральних семінарах Запорізького державного технічного університету і Державного аерокосмічного університету "ХАІ".

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 10 друкованих праць, серед яких: 4 статті в спеціалізованих наукових журналах, 4 статті у збірниках наукових праць, 1 стаття в матеріалах конференції і 1 у тезах доповідей конференції.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Робота виконана в обсязі 172 сторінок (7,5 авт. аркушів) комп'ютерним набором і містить 86 ілюстрацій (3,4 авт. аркуша), 28 таблиць (0,6 авт. аркуша), 4 додатка на 6 сторінках та бібліографічного списку на 11 сторінках, що містить 88 найменувань літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено на зв'язок роботи з держбюджетною і госпдоговірними темами; сформульовано мету і задачі дослідження; надано характеристику наукової новизни і практичного значення одержаних результатів.

У першому розділі міститься огляд літератури з питань умов експлуатації і ушкоджень робочих лопаток турбіни газотурбінних двигунів (ГТД), проаналізовані можливості і наслідки застосування монокристалів нікельових жароміцних сплавів як конструкційного матеріалу для виготовлення лопаток турбіни ГТД.

За допомогою аналізу літературних даних встановлено фактори, що визначають експлуатаційну надійність робочих лопаток турбіни ГТД. Такими факторами є: висока питома, статична та циклічна міцність при робочій температурі, високий опір повзучості, задовільна пластичність, мала чутливість до концентрації напружень, високий декримент згасання коливань, термічна стабільність, задовільні фізичні властивості, задовільний опір корозії та ерозії в газовому і повітряному потоках, високі технологічні властивості, що забезпечують набуття геометричних і механічних характеристик матеріалу робочих лопаток.

В сучасних ГТД для виготовлення робочих лопаток турбіни застосовують монокристали никельових жароміцних сплавів, яким на відміну від сплавів з рівновісною макроструктурою властива чітко виражена кристалографічна анізотропія фізико-механічних властивостей, при якій коефіцієнт анізотропії сягає значень для модуля пружності та для механічних характеристик матеріалу як при нормальній, так і при підвищеній температурах. Перевага монокристалічної структури полягає у відсутності у структурі матеріалу меж зерен, що перешкоджає розвитку зерномежевого руйнування при високих температурах. Завдяки цьому, температурна здатність монокристалів на 20…100 °С, а тривала міцність на 20...40% перевищують показники сплавів з рівновісною макроструктурою.

Відповідно до діючої нормативної документації для робочих лопаток турбіни з монокристалічною макроструктурою в поздовжньому напрямку рекомендованим вважається кристалографічний напрямок <001>. Відхилення від цього напрямку є небажаним, але допускається до 20 та 40° (для лопаток охолоджуваної та неохолоджуваної конструкцій відповідно) при можливому 54°44ў. Такий підхід пов'язаний з тим, що значення модуля Юнга в напрямку <001> менше, ніж у будь-якому іншому. Звідси і величина термічних напружень, що є пропорційною модулю пружності, буде мінімальною.

Протягом останніх років для отримання лопаток з монокристалічною макроструктурою застосовують технологію спрямованої кристалізації без використання затравок. Наслідком цього є те, що КГО отриманих лопаток має випадковий характер. Аналіз частот появи лопаток в усьому діапазоні можливих КГО, проведений за представницькою вибіркою об'ємом близько 1000 лопаток кожної конструкції, свідчить про те, що максимальна частота появи лопаток (незалежно від їх конструкції) спостерігається в інтервалі 30...50° (рис. 1).

а б

Рис. 1. Гістограми частот появи монокристалічних лопаток охолоджуваної (а) і неохолоджуваної (б) конструкцій в діапазоні можливих КГО: ? – придатні лопатки; p – забраковані по КГО.

З огляду на низький вихід придатного актуальними є питання, пов'язані з дослідженням можливості використання у виробництві лопаток, забракованих по КГО. Вирішення цієї задачі потребує вивчення впливу КГО монокристалів жароміцних сплавів на їх фізико-механічні властивості.

Наявні залежності впливу КГО осі навантаження на механічні властивості монокристалів базуються, головним чином, на статистичних даних і не враховують особливостей процесів, що мають місце при деформації і руйнуванні сплавів. Отже такі залежності не можуть бути успішно застосовані для прогнозування властивостей довільно орієнтованих кристалів.

Показано, що маловивченими є питання, пов'язані з дослідженням пружнодеформованого стану монокристалічних лопаток турбіни з урахуванням впливу КГО монокристалу на основні фізико-механічні властивості сплавів.

Виконаний аналіз дозволив сформулювати задачі, які було необхідно вирішити для досягнення поставленої мети.

В другому розділі приведено відомості про матеріали, що були використані в роботі, і методи їх дослідження.

Експерименти проводили на литих монокристалічних лопатках і зразках із жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ та ЖС26-ВИ.

Виготовлення монокристалічних лопаток і зразків здійснювали в промислових умовах литвом по моделям, що плавляться, методом високошвидкісної спрямованої кристалізації в печі УВНК-8П як з використанням, так і без використання затравок. Швидкість кристалізації становила 10 мм/хв. Контроль макроструктури (монокристалічності) здійснювали візуально після травлення. Усі зразки проходили термічну обробку в вакуумних пічах, за технологією, яку використовують при серійному виробництві лопаток, що складається з гомогенізації при температурі 1210…1260 °С протягом 1...2 годин з подальшим охолодженням зі швидкістю 40...60 град./хв. до температури 900 °С, а далі в оходжувальній камері з нерегламентованою швидкістю. При цьому формувалася оптимальна структура, що уявляла собою g- матрицю з гранецентрованою кубічною граткою, яка міститила карбіди і когерентні виділення gў- фази кубоідальной форми з довжиною діагоналі 0,3...0,6 мкм і об'ємною часткою 55...60%. Контроль хімічного складу сплавів здійснювали на рентгено-флюоресцентній установці ЕХ6500. Визначення КГО монокристалів здійснювали рентгенівським методом на дифрактометрі HZG-4/A-2.

Визначення границі міцності, умовної границі текучості і відносного подовження виконували за стандартною методикою на універсальній випробувальній машині Fast при кліматичній температурі на циліндричних зразках із сплаву ЖС6У-ВИ (довжина і діаметр робочої чистини 36 мм та 5 мм відповідно).

Випробування на тривалу міцність проводили за стандартною методикою при температурі 975 °С на установці ДСТ-5000 при напруженні 226 МПа. Використовували монокристалічні зразки із сплаву ЖС6У-ВИ (довжина і діаметр робочої чистини 35 мм та 5 мм відповідно).

Дослідження впливу КГО на границю витривалості монокристалічних лопаток здійснювали при нормальній температурі на натурних лопатках із сплаву ЖС26-ВИ в широкому діапазоні можливих КГО. Для підвищення достовірності результатів випробувань було застосовано оригінальну методику статичного тарування, яка дозволяла в 1,4 раз зменшити похибку завдання навантаження при випробуваннях лопаток з невідомим модулем пружності. Випробування на втому проводили на вібростенді ВЭДС-200 при коливанні лопатки по першій згинній формі з частотою 950…1100 Гц на базі 2Ч107 циклів.

Дослідження циклічної тріщиностійкості проводили за методикою Інституту проблем міцності Національної академії наук України при температурі 900 °С на монокристалічних зразках із сплаву ЖС26-ВИ з прямокутним перерізом 5ґ10 мм і довжиною 120 мм.

Для дослідження механізму деформації монокристалічних зразків при механічних випробуваннях визначали КГО в робочій частині і у голівках зразків, зруйнованих при випробуваннях на короткочасну і тривалу міцність. По напрямку зміни КГО в робочій частині зразка визначали напрямок ковзання під час деформації розтягом.

Дослідження мікроструктури і зламів зразків виконували на растровому електронному мікроскопі JSMпри напрузі прискорення 20...30 кВ у відбитих і вторинних електронах.

Розрахунок термонапруженого стану монокристалічних лопаток було виконано у пружній постановці на ЕОМ з використанням спеціально розробленої програми за методикою проф. І.А. Біргера. Для розрахунку орієнтаційної і температурної залежності пружних постійних було застосовано алгоритм, запропонований проф. І.Л. Светловим.

Дослідно-промислові випробування проводили за участю працівників ЗМКБ "Прогрес" та ВАТ "Мотор Січ" на натурних монокристалічних лопатках на двокаскадному газогенераторі 18ТГ205 за програмою здавальних випробувань. Еквівалентно-циклічні випробування здійснювали на технологічному двигуні Д-18Т в екстремальних умовах (температурний режим був збільшений на 35...65 °С, частота обертання ротора турбіни – на 5%).

Математичну обробку експериментальних даних здійснювали з використанням стандартних математичних методів і сучасної обчислювальної техніки.

Третій розділ присвячено дослідженню анізотропії і розробці математичних залежностей, який описувал вплив КГО на механічні властивості монокристалів жароміцних сплавів.

При виборі критеріїв експлуатаційної надійності робочих лопаток турбіни, необхідних для оптимізації КГО сплаву, було використано галузеві нормативно-технічні документи, а також результати дослідження механічних властивостей монокристалів жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ і ЖС26-ВИ. За такі критерії було обрано:

- довговічність при випробуваннях на тривалу міцність не менш ніж 40 годин при температурі 975 °С і напруженні 226 МПа;

- границю витривалості при нормальній температурі не менш ніж МПа;

- високу здатність чинити опір зародженню і розвитку тріщин втоми при робочих температурах;

- високу границю міцності і умовну границю текучості у сполученні з задовільною пластичністю;

- стабільність і якість структури матеріалу.

Дослідження впливу КГО і температури на механізм деформації монокристалічних зразків при випробуваннях на розтяг показало, що при нормальній температурі пластична деформація переважно реалізується в системі легкого ковзання {111}<011> незалежно від КГО зразків. При високих температурах 975…1000 °С в залежності від КГО зразку деформація здійснюється або в системі ковзання {111}<211>, або в системі {111}<011>.

Математична обробка результатів експериментів дозволила одержати залежності механічних властивостей монокристалів від КГО осі навантаження і температури (табл. 1).

Таблиця 1 –

Математичні залежності для прогнозування механічних

властивостей монокристалів жароміцних сплавів

Властивість Сплав Математична залежність Температура застосовності, °С Похибка прогнозування, %

умовна границя текучості ЖС6У-ВИ (1) 20 ±2

границя міцності ЖС6У-ВИ (2) 20 ±4

тривала міцність ЖС6У-ВИ (3) 750…1100 ±7

границя витривалості ЖС26-ВИ (4) 20 ±7

, МПа; (1)

, МПа; (2)

, МПа; (3)

, МПа (4)

де – кристалографічні індекси осі монокристалу уздовж якої відбувається навантаження (повинні знаходитися в межах стереографічного трикутника -- );

– температура випробувань, К;

– час до руйнування, год.;

– квантиль закону нормального розподілу, що відповідає імовірності руйнування .

Аналіз графіків (рис. 2) залежностей (1-4) дозволив констатувати, що зі збільшенням кута відхилення від напрямку <001> значення механічних властивостей монокристалів (умовної границі текучості, границі міцності, тривалої міцності та границі витривалості) спочатку зменшуються (у діапазоні кутів Dq001=0...25°), а потім збільшуються (у діапазоні кутів Dq001=25...54°). Область з найгіршим комплексом механічних властивостей знаходиться в діапазоні Dq001=20...30° (для умовної границі текучості, границі міцності, границі витривалості) та в діапазонах Dq001=5...10, 20...30, 45...50° (для тривалої міцності). Найбільш високі значення механічних властивостей монокристалів жароміцних сплавів спостерігаються в напрямку <111> (Dq001=54°). Слід зазначити, що пластичність сплаву ЖС6У-ВИ зменшується зі збільшенням міцності і складає 10...12% для напрямку <001> і 4...6% для напрямку <111> при кімнатній температурі.

а б

в г

Рис. 2. Ізолінії залежностей механічних властивостей монокристалів жароміцних сплавів від КГО осі навантаження, МПа:

а – умовна границя текучості сплаву ЖС6У-ВИ при температурі 20 °С;

б – границя міцності сплаву ЖС6У-ВИ при температурі 20 °С;

в – тривала міцність сплаву ЖС6У-ВИ при температурі 975 °С і базі випробувань 100 год. (імовірність руйнування 0,50);

г – границя витривалості сплаву ЖС26-ВИ при температурі 20 °С і базовому числі циклів 2Ч107 (імовірність руйнування 0,05).

Дослідження циклічної тріщиностійкості, виконане на монокристалічних зразках із сплаву ЖС6У-ВИ при температурі 900 °С показало, що в діапазоні кутів відхилення від кристалографічного напрямку [001] 29...46° здатність матеріалу перешкоджати розвитку тріщини втоми збільшується: граничний коефіцієнт інтенсивності напруження зростає від 7,1 до 10,2 МПаЧм1/2, а швидкість росту тріщини при коефіцієнті інтенсивності напруження DK=25 МПаЧм1/2 уповільнюється в 6,5 разів (рис. 3).

Рис. 3. Вплив КГО на циклічну тріщиностійкість монокристалічних зразків з сплаву ЖС26-ВИ при температурі 900 °С.

Фрактографічні та металографічні дослідження випробуваних зразків і лопаток підтвердили припущення про те, що деформація і руйнування монокристалів жароміцних сплавів відбувається за механізмом зсуву в площинах щільного пакування сукупності {111}. Про це свідчить наявність фасеток сколу в осередку зламів, які займають переважну частку (до 90%), і результати їх рентгеноструктурного дослідженя.

Мікроструктура досліджених зразків і лопаток уявляла собою g- твердий розчин, зміцнений когерентними виділеннями частинок gў- фази кубоідальної морфології в кількості 55...60% і довжиною діагоналі 0,3...0,6 мкм. Невелику об'ємну частку (1...2%) займали карбіди, що мали морфологію типу "китайських ієрогліфів" і локалізувалися в междендритному просторі. Дослідження зразків після тривалих високотемпературних випробувань і лопаток після напрацювання на двигуні показало, що під дією високих температур у полі напружень відбувається коагуляція частинок gў- фази з утворенням так званої рафт-структури.

Четвертий розділ присвячено розробці технологічних рекомендацій щодо регламентації вибору КГО монокристалічних лопаток турбіни.

З використанням спеціально розробленої програми для ЕОМ було виконано розрахунок термонапруженого стану в контрольних точках небезпечного перерізу робочих лопаток турбіни двигуна Д-18Т та двигуна ТВ3-117ВМА-СБМ1 охолоджуваної і неохолоджуваної конструкцій відповідно. При розрахунку було враховано як силові, так і температурні навантаження, що мають місце при експлуатації на режимі "зліт". Значення температурних напружень розраховували з врахуванням впливу КГО монокристалічних лопаток на модуль пружності матеріалу. За критерій пошкоджуваності матеріалу приймали напруження зсуву, приведені до діючої системи ковзання типу або

, МПа (5)

де – сумарне напруження від дії відцентрових навантажень та температурних деформацій, МПа;

– матриця розміром 3ґ4 орієнтаційних факторів Шміда, що характеризують розташування системи ковзання відносно напрямку поздовжньої координатної вісі лопатки.

Розраховані значення порівнювали з напруженнями зсуву. що допускаються і визначаються за результатами даних випробувань на тривалу міцність на базі 100 годин з врахуванням мінімальних нормативних коефіцієнтів запасу міцності 1,35 та 1,40 для лопаток охолоджуваної та неохолоджуваної конструкцій відповідно.

За результатами розрахунків 23 варіантів КГО лопаток отримано графіки, котрі характеризують вплив КГО монокристалу на величину місцевих діючих напружень (рис. 4), а також приведених напружень зсуву (рис. 5). Данні розрахунків свідчать про те, що збільшення кута відхилення осі лопатки від напрямку <001> приводить до підвищеня сумарних приведених напружень зсуву, що обумовлено збільшенням модуля пружності матеріалу лопатки, а отже і температурної складової напружень. Максимальні напруження спостерігаються в діапазоні кутів °. При подальшому збільшенні кута відхилення сумарні напруження зменшуються в наслідок незручного розташування діючої системи ковзання до напрямку навантаження.

а б

Рис. 4. Вплив КГО монокристалу на зміну зовнішніх (), температурних () та сумарних () напружень у контрольній точці (к.т.) небезпечного перерізу лопаток охолоджуваної (а) і неохолоджуваної (б) конструкцій.

а б

Рис. 5. Вплив КГО монокристалу на зміну приведених напружень зсуву від дії зовнішніх (), температурних () та сумарних () напружень у контрольній точці небезпечного перерізу лопаток охолоджуваної (а) і неохолоджуваної (б) конструкцій.

Аналіз можливості застосування лопаток охолоджуваної конструкції із сплаву ЖС32-ВИ з відхиленням поздовжньої вісі від напрямку <001> на кут більш ніж 20° свідчить про те, що в діапазоні ° сумарні напруження зсуву менше критичних, тобто лопатки з цією КГО здатні забезпечити необхідну несучу здатність.

Щодо лопаток неохолоджуваної конструкції, для яких конструкційними матеріалами є сплави ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ, то ситуація є аналогічною вище наведеній – лопатки в усьому можливому діапазоні КГО є придатними до експлуатації.

Ґрунтуючись на виконаних розрахунках було запропоновано технологічні рекомендації щодо регламентації КГО монокристалічних лопаток (табл. 2).

Таблиця 2 –

Технологічні рекомендації до виготовлення

монокристалічних лопаток турбіни

Конструкція лопаток

охолоджувана неохолоджувана

Базова технологія Запропонована технологія Базова технологія Запропонована технологія

Спосіб одержання заготовки

Монокристалічне литво по моделям, що плавляться без використання затравок не змінюється Монокристалічне литво по моделям, що плавляться без використання затравок не змінюється

Сплав

ЖС32-ВИ ЖС6У-ВИ

Аксіальна КГО (поздовжня вісь лопатки)

Dq001=0...20° Dq001=0...54° Dq001=0...40° Dq001=0...54°

Контроль КГО

100% не потребується 100% не потребується

Вихід придатного по КГО

20% 100% 60% 100%

* У знаменнику наведено данні для лопаток із сплаву ЖС32-ВИ.

Для підтвердження технологічних рекомендацій виготовлено дослідну партію монокристалічних лопаток турбіни для двигуна Д-18Т з аксіальною КГО <001>, <011> та <111>, що відповідає Dq001=0, 45 та 54°. Лопатки було встановлено на двокаскадний газогенератор, де вони задовільно пройшли здавальні випробування. З технологічним двигуном Д-18Т лопатки успішно пройшли в екстремальних умовах стендові випробування з еквівалентним наробітком більш ніж 870 годин. В даний час на заключній стадії знаходиться прийняття рішення про установку комплекту монокристалічних лопаток турбіни неохолоджуваної конструкції з КГО поздовжньої осі, близькою до напрямку <111>, на двигун ТВ3-117ВМА-СБМ1.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено нове вирішення наукової задачі забезпечення надійності та несучої здатності робочих лопаток турбіни і збільшення виходу придатного при отриманні заготовок монокристалічних лопаток, що виявляється у раціональній регламентації вибору кристалографічної орієнтації (КГО) монокристалічних лопаток турбіни на підставі даних розрахунку їх пружнодеформованого стану з використанням залежностей, які описують анізотропію фізико-механічних властивостей матеріалу.

2. Проведено теоретичні і комплексні експериментальні дослідження впливу КГО монокристалів на тривалу, та короткочасну міцність, пластичність, опір втомі і циклічну тріщиностійкість монокристалів жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ і ЖС26-ВИ. Встановлено, що характеристики міцності сплавів можуть відрізнятися в залежності від обраного для навантаження кристалографічного напрямку в 1,4...1,8 раз, довговічність при випробуваннях на тривалу міцність – у 4...6 разів, пластичність при випробуваннях на розтяг – у 2...3 рази, швидкість росту тріщини при випробуваннях на циклічну тріщиностійкість при високих температурах у 1,5...6,5 разів.

3. Виконано рентгеноструктурні і металофізичні дослідження механізмів деформації і руйнування при механічних випробуваннях монокристалів сплавів ЖС6У-ВИ і ЖС26-ВИ при нормальних і високих температурах. Встановлено, що при низьких температурах пластична деформація монокристалів реалізується переважно в системі легкого ковзання {111}<011>. При високих температурах в залежності від КГО монокристалів деформація реалізується в системі ковзання {111}<011> або - {111}<211>.

4. На підставі експериментальних даних вперше отримано математичні залежності, що описують вплив КГО монокристалів на умовну границю текучості, границю міцності, границю витривалості та тривалу міцність жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ та ЖС26-ВИ і враховують фізичні механізми деформації сплавів. Одержані залежності дають змогу достовірно (з похибкою ±2...7%) прогнозувати механічні властивості монокристалів довільної КГО.

5. Вперше розроблено і успішно застосовано методику статичного тарування монокристалічних лопаток турбіни при випробуваннях на втому, сутність якої полягає у навантаженні лопаток тарованим моментом для досягнення необхідного значення діючого напруження у "слабкому" перерізі лопатки. При цьому, виникаючі напруження не залежать від пружних характеристик матеріалу, що дозволяє зменшити похибку завдання навантаження при випробуваннях лопаток з невідомим модулем пружності в 1,4 раз і уникнути складної та трудомісткої процедури визначення їх КГО.

6. На підставі проведеного аналізу впливу КГО лопаток на величину і характер зміни напруженого стану сформульовано технологічні рекомендації щодо регламентації вибору орієнтації монокристалічних лопаток турбіни. Це дозволило, при отриманні заготовок лопаток, підвищити вихід придатного по КГО з 20...60% до 100% для лопаток із сплаву ЖС32-ВИ і обґрунтувати можливість застосування монокристалічних лопаток турбіни компресора двигуна ТВ3-117ВМА-СБМ1 із сплавів ЖС26-ВИ та ЖС32-ВИ з кутом відхилення від напрямку <001> більш ніж 40°. Встановлено, що в залежності від конструкції найбільшу несучу здатність мають лопатки, КГО яких співпадає з кристалографічними напрямками <001> та <111>, що відповідає Dq001=0 та 54° для лопаток охолоджувальної та неохолоджувальної конструкцій.

7. Проведено стендові випробування монокристалічних лопаток турбіни для двигуна Д-18Т, виготовлених відповідно до розроблених технологічних рекомендацій. Лопатки задовільно пройшли здавальні випробування і відпрацювали в екстремальних умовах на технологічному двигуні з еквівалентним наробітком більш ніж 870 годин.

8. Впровадження розроблених методик і результатів досліджень у вигляді технологічних рекомендацій на підприємстві ВАТ "Мотор Січ" дозволить за рахунок регламентації КГО забезпечити несучу здатність робочих лопаток турбіни двигуна Д-18Т та ТВ3-117ВМА-СБМ1 і обґрунтувати можливість додаткового застосування у виробництві 40...80% лопаток, котрі вважались “бракованими” по КГО. Це дозволить одержати очікуваний річний економічний ефект у розмірі 180 тис. гривень.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Рубель О.В., Яценко В.К, Банас Ф.П., Орлов М.Р., Лукьянов В.С. Оценка выносливости монокристаллов жаропрочных сплавов на никелевой основе // Нові матеріали та технології в металургії та машинобудуванні. - 1998. - №2. - С. 38-41

2. Рубель О.В., Яценко В.К., Орлов М.Р. Метод испытаний на усталость лопаток ГТД, полученных методом направленной кристаллизации // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. -1998. - № 52. - С. 24-30.

3. Жеманюк П.Д., Орлов М.Р., Яценко В.К, Рубель О.В. Ориентационная зависимость прочности и пластичности монокристаллов сплава ЖС6У-ВИ // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 1999. - № 2. - С. 9-12.

4. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Орлов М.Р., Рубель О.В. Особливості механізму пластичної деформації монокристалів сплаву ЖС26-ВИ при нормальній та підвищеній температурах // Металознавство та обробка металів. - 2000. - № 3. - С. 31-37.

5. Жеманюк П.Д., Рубель О.В., Яценко В.К., Орлов М.Р. Моделирование кристаллографической анизотропии длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научн. тр. - Харьков: Гос. аэрокосмический университетт "ХАИ", 1999. - вып. 9. Тепловые двигатели и энергоустановки. - С. 346-350.

6. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Рубель О.В., Орлов М.Р. Аналитическая оценка анизотропии напряженно деформированного состояния монокристаллических лопаток турбины // Авиационно-космическая техника и технология: Сб. научн. трудов. - Харьков: Гос. аэрокосмический университет "ХАИ", 2000. - вып. 19. Тепловые двигатели и энергоустановки. - С. 246-251.

7. Яценко В.К., Рубель О.В., Банас Ф.П., Орлов М.Р., Лукьянов В.С. Ориентационная зависимость выносливости монокристальных лопаток турбины ГТД // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Сб. научн. тр. ЗГТУ. - Запорожье: ЗГТУ. - 1998. - С. 72-73.

8. Жеманюк П.Д., Орлов М.Р., Рубель О.В. Влияние наработки на структуру и свойства жаропрочного сплава ЖС ВИ монокристальных лопаток ГТД // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий: Сб. научн. тр. ЗГТУ. - Запорожье: ЗГТУ. - 1998. - С. 77-78.

9. Жеманюк П.Д., Яценко В.К., Рубель О.В., Орлов М.Р., Гарин О.Л., Лукьянов В.С. Выбор оптимальной КГО монокристаллических лопаток турбины по результатам оценки их напряженного деформируемого состояния // Труды Междунар. конф. "Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций" (Ресурс 2000). - Том 2. - К.: Нац. АН Украины Институт проблем прочности. - 2000. - С. 787-793.

10. Грязнов Б.А., Яценко В.К., Ежов В.Н., Рубель О.В., Орлов М.Р. Циклическая трещиностойкость монокристаллов сплава ЖС26-ВИ при высокой температуре // Тезисы докладов Междунар. конф. "Новые технологии, методы обработки и упрочнения деталей энергетических установок". - Запорожье: ЗГТУ. - 2000. - С. 22-25.

Автор висловлює подяку керівництву ВАТ "Мотор Січ" в особі генерального директора В.О. Богуслаєва та головного інженера П.Д. Жеманюка за технічну і матеріальну підтримку при проведені досліджень. Також автор вдячний заступнику начальника центральної заводської лабораторії ВАТ "Мотор Січ" М.Р. Орлову та заступнику головного конструктора В.С. Лук'янову за допомогу при проведенні експериментальних та дослідницьких робіт.

Аннотация

Рубель О.В. Регламентация выбора кристаллографической ориентации лопаток турбины, полученных методом направленной кристаллизации. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 – материаловедение. – Запорожский государственный технический университет, Запорожье, 2001.

Диссертация посвящена исследованию анизотропии механических свойств монокристаллов жаропрочных сплавов и регламентации кристаллографической ориентации (КГО) для обеспечения несущей способности рабочих лопаток турбины газотурбинных двигателей и повышению выхода годного по КГО при получении заготовок лопаток с монокристаллической макроструктурой.

Обоснованы критерии эксплуатационной надежности для монокристаллических рабочих лопаток турбины, основными из которых являются: высокая длительная прочность, способность оказывать сопротивление зарождению и развитию трещин при циклических нагрузках, прочность при кратковременных нагрузках в сочетании с удовлетворительной пластичностью.

Изучено влияние КГО на основные свойства монокристаллов жаропрочных сплавов ЖС6У-ВИ и ЖС26-ВИ: длительную и кратковременную прочность, пластичность, сопротивление усталости и циклическую трещиностойкость. На основании данных исследования механизмов деформации монокристаллов различной КГО и с использованием закона Шмида получены математическое зависимости, которые описывают влияние КГО монокристаллов сплавов ЖС6У-ВИ и ЖС26-ВИ на эксплуатационное свойства рабочих лопаток турбины. Установлено, что наилучший уровень механических свойств материала лопаток обеспечивается в случае совпадения оси лопатки с кристаллографическим направлением <111>.

Разработана методика испытаний на усталость монокристаллических лопаток турбины, позволяющая перейти от деформационного к силовому подходу при тарировке лопаток, что позволяет повысить точность задания нагрузки при испытаниях лопаток с неизвестным модулем упругости в 1,4 раза и сократить трудоемкую операцию контроля КГО лопаток.

На основании проведенного анализа влияния КГО лопаток на величину и характер изменения напряженного состояния контрольных точек опасных сечений сформулированы технологические рекомендации по регламентации ориентации монокристаллических лопаток турбины. Это позволило, при получении заготовок лопаток, повысить выход годного по КГО с 20...60% до 100% для лопаток из сплава ЖС32-ВИ и обосновать возможность применения монокристаллических лопаток турбины компрессора двигуна ТВ3-117ВМА-СБМ1 из сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ с углом отклонения от направления <001> более 40°. Показано, что в зависимости от конструкции наибольшую несущую способность имеют лопатки, КГО которых совпадает с кристаллографическими направлениями <001> и <111>, что соответствует Ди001=0 и 54? для лопаток охлаждаемой и неохлаждаемой конструкций.

Результаты работы прошли промышленное апробирование и предложны для внедрения в авиастроительной промышленности Украины.

Ключевые слова: лопатка турбины, жаропрочный сплав, монокристалл, анизотропия, длительная прочность, сопротивление усталости, напряженное состояние.

Анотація

Рубель О.В. Регламентація вибору кристалографічної орієнтації лопаток турбіни, отриманих методом спрямованої кристалізації. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство. – Запорізький державний технічний університет, Запоріжжя, 2001.

У дисертації наведено нове вирішення наукової задачі, що виявляється у регламентації кристалографічної орієнтації (КГО) монокристалічних лопаток турбіни на підставі даних розрахунку їх пружнодеформованого стану з використанням залежностей анізотропії фізико-механічних властивостей матеріалу для підвищення надійності і несучої здатності лопаток.

Отримано математичні залежності для прогнозування впливу кристалографічної орієнтації на механічні властивості монокристалів жароміцних сплавів ЖС6У-ВИ та ЖС26-ВИ.

Одержано нові відомості щодо механізму високотемпературної деформації монокристалів жароміцних сплавів при тривалому статичному навантаженні.

На підставі проведеного аналізу впливу КГО лопаток на величину і характер зміни напруженого стану сформульовано технологічні рекомендації стосовно регламентації орієнтації монокристалічних лопаток турбіни. Це дозволило, при отриманні заготовок лопаток, підвищити вихід придатного по КГО з 20...60% до 100% для лопаток із сплаву ЖС32-ВИ і обґрунтувати можливість застосування монокристалічних лопаток турбіни компресора двигуна ТВ3-117ВМА-СБМ1 із сплаву ЖС26-ВИ з кутом відхилення від напрямку <001> більше за 40°. Встановлено, що в залежності від конструкції найбільшу несучу здатність мають лопатки, КГО яких співпадає з кристалографічними напрямками <001> та <111>, що відповідає Dq001=0 та 54° для лопаток охолоджувальної та неохолоджувальної конструкцій.

Основні результати підтверджено даними дослідно-промислових випробувань і знайшли практичне застосування при виготовленні лопаток турбіни у авіабудівельній галузі.

Ключові слова: лопатка турбіни, жароміцний сплав, монокристал, анізотропія, тривала міцність, опір втомі, напружений стан.

Summary

Rubel O.V. Regulation of selection of a crystallographic orientation of a turbine blades obtained by a method of a directional solidification. - Manuscript.

The dissertation on competition of a science degree of candidate technical science on a specialty 05.02.01 – science material. – Zaporozhye state technical university, Zaporozhye, 2001.

In a thesis the new solution of the scientific task of regulation of a crystallographic orientation (KGO) of single-crystal turbine blades on a foundation of data of calculation them stress-strain state of a condition with usage of relations of an anisotropy of physic and mechanical properties of a material, for a heightening of reliability and carrying capacity of blades is reduced.

Designed mathematical relations for prediction of influence of a crystallographic orientation for mechanical properties of single-crystal superalloys ЖС6У-ВИ and ЖС26-ВИ.

The new information on the high-temperature strain behavior of single-crystal superalloys at continuous static loading is obtained.

On a foundation of the analyzing of influence KGO of the blades on magnitude and character of change of stress-strain state the technological guidelines on regulation of orientation of the single-crystal blades are formulated. It has allowed, at deriving preforms of vanes, to increase an exit suitable on KGO from 20...60 % up to 100 % for the blades from alloy ЖС32-ВИ and to justify a feasibility of the single-crystal blades of the turbine for compressor of a engine ТВ3-117ВМА-СБМ1 from alloys ЖС26-ВИ and ЖС32-ВИ with a angle of an aberration from a direction <001> more than 40°. Is established, that the greatest carrying capacity have the blades, KGO which coincides crystallographic directions <001> and <111>, that corresponds Dq001=0 и 54° for cooling and uncooling blades.

The main outcomes are confirmed by data of trials and have