Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин

Абраимов Н.В.

Машиностроение, 1993 г.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СИСТЕМЫ СПЛАВ-ПОКРЫТИЕ

5.1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СПЛАВ-ПОКРЫТИЕ В ГАЗОВЫХ ТУРБИНАХ

В процессе длительной работы в турбинах сплавы и покрытия, непрерывно претерпевают структурные изменения, сопровождающиеся изменением характеристик их физико-механических свойств, долговечности, ремонтопригодности, безопасности, изменяются свойства поверхностных слоев, снижается надежность деталей. В общем случае для повышения надежности широко применяются защитные покрытия, получаемые алитированием, хромоалитированием, силицированием и т. д.

Алюминидные защитные покрытия, применяемые для высокотемпературных материалов и деталей (табл. 47), помимо хорошего сопротивления коррозионному и эрозионному разрушению должны иметь достаточную прочность и жаропрочность, пластичность и вязкость разрушения, сохранять высокую стабильность состава, структуры, свойств в течение заданного срока службы. Нередко именно недостаточные механические свойства защитных, систем сокращают долговечность применяемых систем защиты (табл. 48).

Лопатки газовых турбин подвергаются комплексному воздействию нагружающих факторов, которые, действуя совместно, значительно усиливают отрицательный эффект поражения системы, сплав — покрытие.

Существенное влияние на механические свойства и срок службы систем оказывает целый ряд технологических факторов. Среди них важнейшее место занимает температура воздействия на детали в циклах обработки. Поскольку жаропрочные сплавы имеют ограничения по максимальной температуре, связанные с их структурной нестабильностью и разупрочнением, то обычно покрытия наносят при температурах, не превышающих рабочие.  При этом в сплавах за время тепловой обработки не происходит существенных структурных изменений и, следовательно, изменений характеристик прочности и пластичности.

Нанесение покрытий при температуре закалки сплавов связано с необходимостью точного соответствия времени изотермической выдержки и скорости охлаждения в процессах химико-термической обработки и закалки как при первичной, так и при каждой повторной обработке лопаток при ремонте. Нагревы до температур выше приводят к растворению   частиц   γ’-фазы в твердом растворе и их коагуляции, тем большим, чем выше температура. При этом значительное влияние оказывает фактор времени. Недогревы до температуры закалки увеличивают дисперсию и уменьшают минимальные значения долговечности сплавов (рис. 120), при этом заметно уменьшается сопротивление ползучести. Обычно эти изменения характерны для перегретого состояния лопаток турбин. Они уменьшают запасы прочности и при увеличении наработки ведут к образованию трещин и обрывам деталей. Дораспад твердого раствора при температурах около 800 °С без заметной коагуляции γ’-фазы приводит к дополнительному повышению хрупкости, когда разрушение происходит по частицам карбидов.

Незначительная коагуляция γ’-фазы при нанесении покрытий неоднозначно сказывается на пределе выносливости. При повышенных напряжениях наблюдается увеличение долговечности (рис. 121). Это связано с особенностями разрушения от усталости, которое определяется, главным образом, скоростью зарождения и распространения трещин. При высоких уровнях напряжений отмечается быстрое зарождение трещин и их распространение по структуре, причем скорость распространения трещин выше в более мелкодисперсных структурах. При низких уровнях напряжений скорость распространения трещин относительно мала, однако из-за сравнительно низкой пластичности и прочности покрытий зарождение трещин в начале испытаний происходит практически так же, как и при повышенных уровнях напряжений. Более долговечной оказывается структура с γ’-фазой, полученной в результате стандартной термической обработки, которая уменьшает скорость распространения дислокаций у вершины трещины усталости по сравнению со сплавом, имеющим структуру γ’-фазы: различной степени дисперсности.

Решающее влияние на усталось деталей при высоких температурах могут оказывать особенности протекания процессов скольжения, в частности неоднородности развития микропластической деформации. В полосах скольжения при окислительном воздействии внешней среды сравнительно легко зарождаются микротрещины. Наличие следов растворенного кислорода на границах зерен лопаток турбин вызывает значительную потерю пластичности, происходит охрупчивание границ зерен. Для предотвращения такого охрупчивания вводят элементы с высокой активностью к кислороду, которые эффективно препятствуют охрупчиванию границ зерен в сплавах и покрытиях. Этот эффект обычно связывают с замедлением скорости образования и роста пор на границах зерен.

При взаимодействии полос скольжения на границах зерен при низких скоростях деформации происходит блокировка дислокаций, увеличение их плотности, что способствует образованию трещин на границах зерен. Увеличение продолжительности цикла растяжения с паузами в фазе приложения растягивающей нагрузки значительно снижает долговечность сплава IN 597 (рис. 122). Образование и рост полостей на границах зерен по мере увеличения пауз вызывает межкристаллитное разрушение при малоцикловой усталости сплава IN 597 (рис. 123). Усталость может накапливаться при термоциклировании.

Применение покрытий на лопатках турбин, выполненных из литейных жаропрочных сплавов, повышает сопротивление термической усталости лопаток в три — десять раз. Этот эффект прежде всего связывают с отсутствием межзеренного окисления сплавов кислородом окружающей среды. Проникновение серы и кислорода, сопровождающее образованием сульфидов и оксидов на границах зерен, способствует быстрому обеднению легирующими элементами металла у вершины и по боковинам трещины, что облегчает проникновение трещин вглубь деталей.

Пластичность никеля уменьшается на порядок, если в нем содержится 0,002% серы.   Вредное   влияние   примесей   связано с большим количеством пор на границах зерен. Так, например, при наличии примесей свинца и теллура в 5—10 раз возрастает число пор на границах зерен никелевых   сплавов Nimonic 105 и MAR-М002 [14]. В сплаве Nimonic 105 наличие 0,003% Рb увеличивает концентрацию пор на границах зерен в 10 раз на 1 мм2 площади границы. Образование пор происходит в основном на границах, расположенных перпендикулярно к нагрузке или в местах пересечения плоскостей скольжения с выделением   второй фазы. Сегрегации примесей на границах из-за изменения диффузионного массопереноса влияют   на скорость роста пор.   Кроме   того, сегрегации на внутренней поверхности   пор снижают их поверхностную энергию и тем самым влияют и на зарождение пор.

Самое высокое влияние на скорость ползучести оказывают структурные факторы. Так, для сплава IN 939 установлено, что важнейшими параметрами, определяющими скорость ползучести при температуре 850 °С, являются размеры зерна и дендритной ячейки. На образцах с тонкодендритным строением, когда размер тонкого дендрита составлял около 20 мкм при размере зерна примерно 1 мм, полученных путем оптимизации термической обработки, долговечность была оптимальной. С течением времени под действием температуры и нагрузки происходит постепенный диффузионно-контролируемый рост размеров частиц γ’-фазы, снижается сопротивление ползучести, изменяются соотношения физико-механических свойств сплава и покрытия. По границам зерен образуются поры (рис. 124).

Иногда отмечают меньшую скорость ползучести на воздухе по сравнению с ползучестью в среде гелия. Плотность дислокаций интенсивно возрастает на первой стадии ползучести (рис. 125).