Features of formation of the structure of turbine blade casted with given crystallographic orientation

Abstract

The paper discusses the features of formation of structure of single-crystal turbine blades casted with predetermined crystallographic orientation, allowing to obtain higher performance properties compared to conventional equiaxed structure.

Full Text

В современных ГТУ применяются лопатки, которые с заданной кристаллографической ориентацией отливаются методами высокоскоростной кристаллизации: направленной (НК) и монокристаллической (МОНО) 1, 2.Это позволяет реализовать у материала конструкции более высокие эксплуатационные свойства по параметрам длительной прочности, термо- стойкости, сопротивления ползучести, повышенного сопротивления газовой коррозии и др. а) б) в) Рисунок 1. Виды структур современных литых лопаток: а ̶ равноосная (РОС); б - направленная кристаллизация (НК); в - монокристаллическая (МОНО) Однако в зонах с умеренной температурой отмечается некоторое снижение характери- стик малоцикловой (МЦУ), многоцикловой (МнЦУ) усталости и наблюдается фреттинг- усталость в замковых соединениях. В сплавах с гранецентрированной кристаллической решёткой (ГЦК) при кристаллиза- ции и затвердевании в направлении теплоотвода равноосные зёрна в результате конкуренции могут вытягиваться в направлении ‹001›, оттесняя, благодаря своей дендритной природе, ме- нее благоприятно ориентированные дендриты 1, 2. В слитке формируется монокристаллическая деталь практически с заданной аксиальной кристаллографической ориентацией за счёт размещения в литейной форме специальной за- травки, связанной с холодильником и в меньшей степени с азимутальной. В получаемых отливках легко провоцируется рекристаллизация за счёт возникновения внутренних напряжений в отливке или резкого изменения конфигурации детали, а тем более в пластически деформированном слое, возникающем при механической обработке отливок. Этот слой становится потенциальным источником деградации моно структуры в профильной части лопатки при термических обработках отливки и в условиях эксплуатации. Особенности механических характеристик монокристаллов В то же время следует иметь в виду, что, достигнув в отливке за счёт монокристалличе- ской структуры максимальные характеристики прочности в направлении ‹001›, сплав стано- вится анизотропным, т.е. его механические характеристики, а также модули упругости Е и G зависят от кристаллогра-фических направлений, вдоль которых они определяются. Кроме того, в отличие от изотропных материалов, коэффициент Пуассона оказывается переменным не только по абсолютной величине, но и по знаку, принимая в разных направлениях как по- ложительные, так и отрицательные значения 2. Для ГЦК монокристаллов в условиях умеренных температур и действии переменных напряжений, когда ответственные за усталостные разрушения касательные напряжения до- стигают максимальных значений кр, наиболее критической является система скольжения, по которой могут реализовываться октаэдрические или кубические скольжения. По закону Боаса-Шмида величина кр - постоянная для сплава и его структурного со- стояния, не зависит от ориентации монокристаллов, но входящий в кр множитель F - фактор Шмида зависит от ориентации монокристалла. Поэтому для каждой ориентации будет воз- никать та система скольжения (октаэдрическая или кубическая), для которой окажется мак- симальным фактор F 2. В лопатках к таким зонам относятся прикорневые сечения, ножка, хвостовик и внут- ренняя полость, но на практике прогнозировать координаты этих систем очень сложно, так как, даже при допустимом уровне переменных напряжений, в критических плоскостях скольжения разрушения могут инициироваться макро- и микродефектами литья, технологи- ческими методами обработки (термическими, способом нанесения покрытия, получения перфорации и т.д.), скоплением карбидов, а также конструктивными и эксплуатационными концентраторами напряжений и др., попадающими в эту зону. Поэтому при проектировании лопаток из моносплавов, в отличие от равноосных лопаток из изотропных материалов, учи- тываются анизотропия свойств кристаллов как по главным, так и по вторичным осям ориен- тации [9]. Изменение осей ориентации материала может происходить как в процессе изготовле- ния, так и под воздействием эксплуатационных нагрузок. Отклонение основных осей может превышать номинальное значение 10°, а вторичных - ещё больших величин. а) б) в) Рисунок 2. Азимутально-ориентационная зависимость поперечного модуля Юнга Еy, модуля сдвига Gxy, а также коэффициента Пуассона ν при 20°С для аксиально ориентированных монокристаллов ‹111› (а), ‹001› (б) и ‹011› (в). В центре - стандартная стереографическая проекция (стереографический треугольник) С кристаллографической точки зрения упругие свойства материалов однозначно опи- сываются компонентами матриц упругих жесткостей С11, С12,…С66 или упругих податливо- стей [7]. Но в инженерных расчётах традиционно используют модули нормальной упругости Юнга Е и сдвига G, а также коэффициент Пуассона μ. Эти характеристики, имеющие простой физический смысл, экспериментально опреде- ляются, являясь производными от первых 2, 7. Для изотропных тел, имеющих две независимые упругие константы (S11, S12 и S44= 2(S11 - S12), связь между ними и инженерными характеристиками определяется соотношениями S11 = 1/ Е; S12 = ν / Е; 2(S11 ̶ S12) = 1 / G, откуда находится значение модуля сдвига: G = Е/2 (1+ ν ). Анизотропия свойств монокристаллов наиболее ярко выражается при умеренных тем- пературах, что в первую очередь проявляется в смешанном характере разрушений, так как наиболее слабым звеном в кристалле оказываются плоскости скольжения, по которым про- исходит ускоренный рост усталостных трещин. Такие разрушения наблюдаются как и при испытаниях на МнЦУ при симметричном изгибе [4 - 7] стандартных образцов из моноспла- вов (ЖС30 и др.), так и при растяжении - сжатии (сплав In100) [5], соответственно при повышенных температурах Tисп ≥ 650ºС. При отклонении осей кристалла от заданных аксиальных ориентаций происходит изме- нение упругих и прочностных характеристик, характеристик ползучести, включая предел выносливости и скорости роста трещины. а) б) в) Рисунок 3. Схемы трасляционного скольжения в ГЦК- монокристаллах никелевых сплавов: а ̶ октаэдрическое скольжение; б ̶ кубическое скольжение; в ̶ линии равных факторов Шмида для систем скольжения [2] С отклонением от заданной ориентации растут отклонения упругих и прочностных ха- рактеристик. Поэтому ориентация первичных и вторичных осей должна одинаково тщатель- но контролироваться, а при проектировании детали следует учитывать возможность получе- ния дополнительного превышения допустимых отклонений за счёт процесса изготовления. Анизотропия свойств монокристаллов наиболее ярко выражается при умеренных температу- рах, что в первую очередь проявляется в смешанном характере разрушений, так как наиболее слабым звеном в кристалле оказываются плоскости скольжения, по которым происходит ускоренный рост усталостных трещин. Влияние на сопротивление усталости температуры испытаний Такие разрушения наблюдаются как при испытаниях на МнЦУ стандартных образцов при симметричном изгибе [5] из моносплавов (типа ЖС30 и др.), так и при растяжении - сжатии (сплав In100) [4-7], соответственно при температурах 650ºС. Сплавы с направленной структурой в целом благоприятно ориентированы для развития скольжения в плоскостях упаковки ‹111›, что обеспечивает возможность «рассеивания» скольжения, т. е. распространения его по большому числу параллельных плоскостей. В спла- вах с равноосной структурой (РОС) развитие такого процесса в больших масштабах невоз- можно ввиду их меньших размеров, случайной ориентации зерен относительно оси прило- жения нагрузки. Поэтому при нормальной температуре сплавы с направленной кристаллиза- цией имеют более высокий предел выносливости гладких образцов. В образцах НК с концентратором напряжений процесс циклического деформирования локализуется у надреза, что приводит к большему снижению предела выносливости, чем у образцов с равноосной структурой. Предел выносливости лопаток, отлитых НК или ВСНК, при симметричном цикле нагружения несколько ниже, чем для лопаток с поликристаллической равноосной структу- рой. В диапазоне температур 20...950ºС он не столько зависит от температуры, сколько от совершенства технологического процесса. Для получения современных охлаждаемых лопаток ТВД применяется монокристалли- ческое литьё (МОНО), обеспечивающее полное отсутствие границ зёрен и достижение высо- ких характеристик длительной прочности и ползучести. Тем не менее изготовление лопаток с НК позволяет повысить сопротивление длительному статическому или термоциклическому разрушению по сравнению с лопатками РОС. В таблице 1 приводятся результаты испытания при отнулевом цикле нагружения R=0 (изгибе с изгибом) и температуре Тисп ≥ 900ºС. Таблица 1 Результаты испытаний лопаток ТВД методом ступенчатого повышения нагрузки Сплав, техно- логия лопатки Тисп,ºС Началь- ное напря- жение,o н Ступень- капере- грузки∆σ Число лопа- ток шт., Разру- шающее напря- жениеo р Услов- ный предел вынос- ливостиo усл Число разру- шен-ных лопа- ток, шт. Вероят- ность разруше-нияР МПа МПа ЖС26ВСНК №1 950 160 20 18 160 150 10 0.55 10 180 170 6 0.60 3 220 210 2 0.68 1 240 230 1 1.0 ЖС26ВСНК 900 220 20 11 220 210 1 0.09 №2 10 240 230 5 0.50 5 260 250 4 0.8 1 280 270 1 1.0 В таблице 2 приводятся результаты контроля собственных частот лопаток турбин, от- литых методами НК и МОНО. Результаты контроля собственных частот лопаток турбин Таблица 2 Вид литья Лопатки, шт. f ср , Гц c.к.о., Гц Коэффициент вариацииv = с.к.о./ f ср НК 239 1334 70.4 5.28 МОНО 217 1228 31.3 2.55 По результатам контроля собственных частот лопаток близких по объёму выборок, представленных в таблице 2, следует, что большей стабильностью отличаются лопатки МОНО, имеющие вдвое меньшие значения с.к.о. и коэффициента вариации v. Результаты испытаний стандартных образцов из сплава ЖС26ВСНК при частотах нагружения f = 100 и f = 200Гц на изгиб с вращением при нормальной температуре показали примерно одинаковые результаты и почти вдвое выше при Тисп = 900ºС, что практически идентично результатам испытаний натурных лопаток. На рисунках 4 и 5 представлены ре- зультаты испытаний на усталость лопаток турбины высокого давления (ТВД) при асиммет- ричном цикле нагружения при двух температурах испытаний Тисп и приведены кривые рас- пределения lgN. Испытания проводились методом ступенчатого повышения напряжений. Рисунок 4. Кривая усталости гладких образцов из сплава ЖС26ВСНК, Тисп=20°С, симметричный изгиб с вращением, f = 100Гц Рисунок 5. Кривая усталости для образцов из сплава ЖС26ВСНК симметричный изгиб с вращением f = 200 Гц: -●- Тисп= 20°С; -○ - Тисп =900°С Лопатки ТВД отливались методом высокоскоростной направленной кристаллизации (ВСНК), наружная поверхность лопаток имела многокомпонентное защитное покрытие си- стемы Ni-Cr-Al-Y, а внутренняя - подвергалась хромоалитированию. Испытания проведены при отнулевом цикле нагружения (Тисп = 950ºС). Можно отметить, что с уменьшением ам- плитуды напряжений разброс результатов по lgN увеличивается (кривая 3). Предел выносли- вости лопаток ТВД двигателя А (Тисп = 950ºС) на базе 5·107 циклов при отнулевом цикле нагружения составил 140 МПа (отливка НПО) и 180 МПа (отливка МПО), а лопаток ТВД двигателя Б (Тисп = 900ºС) на базе 5·107 циклов предел выносливости составил σо = 200 МПа. Величина SlgN для лопаток с направленной кристаллизацией (сплав ЖС26ВСНК) при σа = const может составлять 0.4...0.5 с тенденцией некоторого снижения SlgN при росте σа. Метод ступенчатого увеличения нагрузки позволил при ограниченном объеме испыта- ний получить распределение долговечностей. Наибольшая величина предела выносливости σт-1 = 120 МПа получена для ориентации ‹111›, а минимальная величина для КГО ‹112› составила σт-1 = 96 МПа. Различия в пределах выносливости для КГО ‹001› и ‹011› практически нет, значения пределов выносливости составили σт-1 ≈ 100 МПа. Качественно схожие результаты описаны в работе [16] для лопаток из сплава ЖС30МОНО, испытанных методом ступенчатого повышения нагрузки. База испытаний со- ставляла Nб = 2·107 циклов. Для расчёта величины напряжений принято осреднённое значе- ние модуля упругости E= 2.1·105 МПа. Анализ полученных результатов испытаний на усталость позволил кроме того выявить особенности усталостных разрушений монокристаллических лопаток и образцов. Разруше- ния происходили в зоне максимальных напряжений, однако минимальные значения пределов выносливости были получены на лопатках, разрушавшихся сколом по плоскостям скольже- ния. Основным видом усталостного разрушения при повышенных температурах является смешанный (в очаге скол, а затем смешанное разрушение). Проблема разрушения лопаток в зонах с умеренной температурой Как уже говорилось, наиболее критичным для монокристаллических лопаток может быть не только внутренняя полость лопатки, но также полка, ножка и хвостовик. Массовых испытаний на МнЦУ замковых соединений монокристаллических лопаток практически не проводилось, что в первую очередь связано с экономическими проблемами. О наличии про- блемы фреттинг-усталости в замковых соединениях свидетельствуют испытания образцов в нашей стране и за рубежом [5 - 7]. При нормальной и умеренных до 700°С температурах основную площадь разрушения занимает разрушение сколом, а в очаге может быть дефект, карбид или повреждение фрет- тингом в зоне контакта лопатки с захватом. В качестве примера на рисунке 6 приведены виды разрушения лопатки ТВД при испы- таниях (Тисп = 20°С) на воздушном вибростенде со стороны спинки и корыта. Разрушение начинается с выходной кромки от небольшого скола и носит смешанный характер (рисунок 6а). Далее трещина в среднем поперечном сечении развивается по ломаной траектории, но примерно в центральной части пера разрушение переходит в скол под углом ~ 60° к про- дольной оси лопатки, длина которого составляет примерно 1/3 высоты профильной части лопатки. Налево, несколько ниже развилки в верхней трети лопатки, новая трещина распростра- няется вверх под углом 45°, но вправо. От скола несколько трещин ветвятся в разные сторо- ны. Это свидетельствует о том, что в лопатке-оболочке одновременно с разной интенсивно- стью проявляются разные формы колебаний. Особенно ярко это проявляется со стороны ко- рыта, где формы колебаний существенно отличаются от форм со стороны спинки. - а) б) Рисунок 6. Вид разрушений лопатки ТВД после испытаний на воздушном вибростенде: а) вид со стороны спинки; б) вид со стороны корыта Обращает на себя внимание некоторый сдвиг относительно друг друга частей оболочки со стороны спинки в поперечном сечении а) на выходной кромке. Последнее может быть ре- зультатом дополнительного воздействия статической составляющей от объёмных остаточ- ных напряжений, сформировавшихся в лопатке при литье в зоне, где резко меняется геомет- рия лопатки. Начальная трещина от фреттинга, достигнув одну из продольных плоскостей скольже- ния, вызвала лавинный процесс разрушения сколом по ряду пересекающихся в разных направлениях. Аналогичный тип разрушения наблюдался в эксплуатации (рисунок 9 ). Рисунок 7. Вид разрушения сколом плоского образца (сплав ЖС6ФМОНО) с концентратором - К- (ασ= 3.5). Очаг разрушения - О в заделке, площадь повреждённая фреттингом (~ 4мм2); Д- поверхность долома; 1, 2, 3 - ступеньки плоскостей скольжения - Ск и скопление карбидов на плоскости скольжения 2 Рисунок 8. Вид плоскостей скола и очаг начальной трещины lфртр - фреттинг-усталости у границы контакта образца с заделкой, которая инициировала разрушения по продольным плоскостям скольжения Рисунок 9. Характер разрушения сколом пера лопатки по продольным плоскостям скольжения начавшегося от повреждения фреттингом площадки контакта зуба хвостовика замкового соединения Заключение Выполненый анализ результатов исследования сопротивления МнЦУ рабочих лопаток турбин и образцов, полученных литьём по выплавляемым моделям с заданной кристалло- графической ориентацией при нормальной и повышенных температурах, с одной стороны, показал: применение метода литья с заданными кристаллографическими ориентациями об- ладает дополнительными резервами повышения эксплуатационной надёжности лопаток тур- бин. Однако он требует более строгого отношения к процессу доработки отливок и более тщательной проработки конструкции лопаток с точки зрения недопущения пластических де- формаций 1, 2 на рабочей поверхности в отливках монокристаллических деталей лопаток, более строгого отношения к операциям обдувки, термообработки, нанесения покрытий. Кроме того, обнаружена 3-7 более высокая чувствительность моносплавов к фреттингу, на который ранее в лопатках турбин не обращали внимание.