Selection of chrome-nickel steel hot forging mode for steam turbine blades

Abstract

The article presents the results of research of influence of temperature and strain rate on strength characteristics and structure of 17-4 PH steel. The authors developed recommendations on treatment of hot forging of steam turbine blades of the mentioned steel and its domestic analogs.

Full Text

Введение Турбинные лопатки являются деталью паровых турбин, имеющей наименьший ресурс работы, так как подвергаются эрозионному износу, воздействию высокой температуры, кор- розионной среды, динамическим и вибрационным нагрузкам. На турбостроительных заводах России не прекращается поиск новых сплавов для изготовления лопаток паровых турбин. Одним из таких сплавов является сталь марки 17-4 РН, отечественным аналогом которой яв- ляется дисперсионно твердеющая сталь 07Х16Н4Д4Б. Целью работы являлось определение метода и технологических параметров изготовле- ния лопаток паровых турбин из стали 17-4РН, обеспечивающих наилучшие прочностные ха- рактеристики. Проведенный анализ способов изготовления турбинных лопаток позволил сделать вы- вод о преимуществах их получения методом точной горячей штамповки. Именно этим мето- дом предполагается изготавливать лопатки из стали марки 17-4 РН. При правильном выборе режима - температуры и скорости деформирования, можно добиться наилучших прочност- ных характеристик. Образцы и методика проведения эксперимента Сталь 17-4РН поставляется в виде прутков диаметром 130 мм после термической обра- ботки по штатному режиму (закалка от 1040 и 850°С с отпуском при 545°С в течение 4 часов). Для проведения исследования из прутков стали были изготовлены образцы диаметром 5 мм и высотой 10 мм. Они были подвержены испытанию в высокотемпературном высоко- скоростном закалочно-деформационном дилатометре DIL 805 путём сжатия вдоль оси до ве- личины ε = 0,3 в интервале температур 800 - 1200 °С и скоростей деформирования 10-3 - 10с-1 с записью диаграмм σ(ε) в координатах истинные напряжения - истинные деформации. Для структурных исследований деформированные образцы разрезали на прецизионном отрезном станке S260-70A. Изготовление шлифов проводили на шлифовально- полировальной установке Saphir 350, затем проводили электролитическое травление в вод- ном растворе щавелевой кислоты (10 г на 100 мл воды). Шлиф помещается на аноде, катодом служит пластинка из нержавеющей стали. Результаты эксперимента По результатам сжатия 25 образцов с 5 различными скоростями деформации при 5 раз- личных температурах были получены диаграммы в координатах «истинные напряжения - истинные деформации» (рисунок 1). На полученных диаграммах σ (ε) были произведены измерения значений максимальных истинных напряжений σмакс (МПа) и занесены в таблицу с учётом разных скоростей дефор- мации έ и вариации температур (таблица 2). Таким образом, было установлено, что деформирование при высоких температурах с низкими скоростями позволяет получить низкий уровень напряжений σmax. Это объясняется тем, что при повышении температуры ускоряются процессы диффузии и облегчается движе- ние дислокаций, но для протекания этих процессов требуется время. Поэтому при повыше- нии скорости деформирования напряжения σmax возрастают. В зависимостях σ(ε) зафиксированы особенности. Одной из них, имеющих важное практическое значение, является режим горячего сжатия при наименьших и постоянных эф- фективных напряжениях без проявления фактора упрочнения. Такие условия деформирова- ния создаются, когда материал находится в состоянии, близком к сверхпластическому. Как показывают диаграммы σ(ε), в стали 17-4 РН режим проявления эффекта сверхпластичности наиболее вероятен при Т = 1200°С и έ = 10-3 с-1. Экстремумы, присутствующие на графиках для стали 17-4 РН при температурах 800 и 900°С, указывают на достижение состояния динамического равновесия процессов упрочне- ния и разупрочнения и могут быть использованы в качестве отправной точки для последую- щего управления процессами структурообразования в условиях горячей и теплой деформа- ции. В зависимостях σ(ε) еще одна особенность проявляется также в форме автоколебаний напряжений, которые по ходу пластической деформации со скоростью έ ~ 1 с-1 возникают в структурно-механическом состоянии образцов стали 17-4 РН при всех температурах. Этот вид колебаний обусловлен коллективным взаимодействием деформационных дефектов мезо- скопического масштабного уровня: дислокаций и дисклинаций. Факт наличия колебательно- го процесса свидетельствует о динамическом равновесии в системе подвижных и взаимодей- ствующих ансамблей дефектов кристаллического строения (дислокаций и дисклинаций), ко- торое в исследуемых материалах реализуется на фоне статического упрочнения за счет остановки и постепенного накопления структурных несовершенств деформационной природы. Относительно небольшая амплитуда колебаний напряжений позволяет полагать, что часть подвижных деформационных дефектов участвует в образовании временных диссипативных структур неравновесного состояния, за счет которых осуществляются аккомодационные подстройки взаимодействующих ансамблей и объектов мезоструктуры. Другая часть мезо- дефектов, которые утрачивают подвижность и останавливаются, создает эффект упрочнения. Как показали систематические исследования процессов структурообразования в условиях горячей пластической деформации, режим колебательных структурных изменений может быть выбран в качестве первого приближения на пути создания оптимальной технологии об- работки. 1200°С 1100°С 1000°С 900°С 800°С Рисунок 1. Диаграммы сжатия образцов стали в координатах «истинные напряжения σ - истинные деформации ε » После пластометрических испытаний были проведены исследования структуры всех деформированных образцов на оптическом микроскопе. В качестве примера рассмотрим фо- тографии микроструктуры, полученные после испытаний при температуре 800 и 1200 оС (ри- сунок 2).При сравнении фотографий микроструктуры образцов видно, что чем выше ско- рость деформации, тем зёрна получаются мельче. Это объясняется тем, что при больших скоростях деформации зёрна не успевают вырасти до того размера, который мы видим при низких скоростях деформации. Также видно, что у образцов деформированных при температуре 1200˚С зёрна больше, чем у образцов деформированных при 800˚С. Это объясняется тем, что при более высоких температурах рост зерна происходит быстрее. Чётко прослежи- вается зависимость между напряжениями σмакс и размером зерен при разных температурах и скоростях деформации. Чем мельче зерно, тем прочность выше, а значит выше уровень напряжений σмакс. Таблица 2 Значения максимальных истинных напряжений σмакс (МПа), достижимых на уровне истинных деформаций ε = 0,3 Скорость де- формации έ, с-1 Значения напряжений σмакс (МПа) стали 17-4РН при температуре, °С 800 900 1000 1100 1200 101 380 300 230 160 120 1 = 100 380 295 205 140 95 10-1 350 250 155 105 65 10-2 285 195 100 70 40 10-3 205 130 55 35 20 Температура деформации 800оС. Скорость деформации έ=101 с-1, увеличение х 500 Температура деформации 800оС. Скорость деформации έ=10-3 с-1, увеличение х 500 Температура деформации 1200°С. Скорость деформации έ=101 с-1, увеличение х 500 Температура деформации 1200°С. Скорость деформации έ=10-3 с-1, увеличение х 500 Рисунок 2. Образцы, деформированные при температуре 800 и 1200°С Разработка рекомендаций по выбору режимов горячего прессования При температуре 1200˚С и скорости деформации έ=10-3 с-1 наиболее вероятно проявле- ние эффекта сверхпластичности. При этом наблюдается самый низкий уровень напряжении σмакс. Применение такого режима позволяет производить прессование заготовки при мень- ших усилиях, затрачивать меньше энергии, дает возможность использовать менее мощное и более экономичное прессовое оборудование, положительно сказывается на экономике пред- приятия, что крайне важно в условиях растущих тарифов на электроэнергию. Также стоит учесть, что после проведения горячей пластической деформации необхо- димо в кратчайшие сроки производить термическую обработку заготовок с целью повыше- ния прочностных и эксплуатационных показателей. Выводы По результатам проведенной работы с использованием метода имитационного модели- рования операций горячего сжатия и данным структурных исследований сталей типа 17-4 РН установлено, что с ростом скорости деформации уменьшается размер зерен и повышается прочность стали; повышение температуры пластической деформации приводит к снижению значений истинных напряжений, то есть уменьшению прочности. Рекомендуется лопатки из стали 17-4 РН, предназначенные для паровых турбин, штам- повать при температуре 1200°С со скоростью пластической деформации έ=10-3с-1. Также ре- комендуется произвести исследования влияния термической обработки на свойства загото- вок с целью обнаружения наилучшего режима термической обработки.