Исследование морфологических особенностей поверхности эродированных лопаток паровых турбин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЭРОДИРОВАННЫХ ЛОПАТОК ПАРОВЫХ

ТУРБИН

А.А. Ланина (Санкт-Петербургский институт машиностроения, ЛМЗ-ВТУЗ) Научный руководитель - д.т.н., профессор М.А. Скотникова (Санкт-Петербургский институт машиностроения, ЛМЗ-ВТУЗ)

Целью работы является исследование закономерностей структурно-фазовых превращений происходящих в материале лопаток паровых турбин из двухфазного (а+Р) титанового сплава ТС5,отработавших 7000 часов в условиях каплеударного воздействия со скоростью 300-600 м/с. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №05-08-65442.

Введение

В последние десятилетия в связи с использованием в энергетическом машиностроении паровых турбин АЭС повышенной мощности проблема эрозионного износа рабочих лопаток последних ступеней приобрела первостепенное значение. В результате каплеударного воздействия частиц пара со скоростью 300-600 м/сек в поверхностном слое лопаток паровых турбин развивается эрозионное разрушение. Лопатки работают в условиях интенсивных каплеударных нагрузок, что постепенно приводит к износу их входных кромок, следствием чего является снижение КПД турбины АЭС [1, 2].

Известно, что сплавы на основе титана, по сравнению со сталями, обладают относительно более высокой стойкостью к ударным нагрузкам, рис. 1 [3]. Во время эксплуатации паровых лопаток интенсивность нарастания скорости эрозии немонотонна. Различают три типичных этапа протекания процессов эрозии (глубины эрозионного износа) во времени (рис. 2). На первом этапе т1, в так называемом инкубационном периоде, видимых повреждений поверхности нет, потерь массы материала зафиксировать не удается [4]. В ряде работ показано, что собственно эрозии материала предшествует рост микронапряжений, увеличение в металле лопатки плотности дислокаций предельного значения

12 13 1

10 -10 см [2]. Второй этап т2 характеризуется тем, что в нем имеет место максимальная скорость эрозии и в течение этого отрезка времени она остается практически постоянной. На третьем этапе т3 , по различным причинам эрозия ослабевает.

ю

9

8

7

5

я

I ?

о 4

и

В 3

о

1

ю3 Ю4 10е ю" ю7 ю8

Скорость деформации, с1

Рис. 1. Сравнительные результаты откольной прочности различных материалов [3]

В литературе известны лишь качественные объяснения вида кинетической кривой износа, основанные на представлениях об изменении характера взаимодействия между каплей и поверхностью в результате изменений рельефа эродированной поверхности.

Согласно этим представлениям, по истечении инкубационного периода (первого этапа износа) на поверхности с высокой скоростью появляются и накапливаются разрушения, возрастает глубина впадин (второй этап износа). Далее, когда углубления впадин достигают нескольких диаметров капель, заостряются перемычки между кавернами, поверхность приобретает «сотовую» и иглообразную форму, типичную для эрозии турбинных лопаток, происходит уменьшение скорости износа (третий этап износа) [2].

К сожалению, сегодня остаются неясными основные причины, физическая сущность формирования и накопления эрозионной повреждаемости поверхности лопаточных материалов в результате высокоскоростного каплеударного воздействия.

1. Материалы и методика исследований

Методами оптической металлографии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа, исследованы структурные и фазовые превращения происходящие в материале паровых лопаток из двухфазного (а+в) титанового сплава ТС5 до и после каплеударного нагружения со скоростью 300-600 м/с, что соответствовало диапазону скоростей деформации 4-10 -1-10 сек- . На рис. 3 представлены фотографии эрозионного износа входных кромок, возникшего в материале на поверхности паровых лопаток 5-й ступени ЦНД из титанового сплава ТС5, отработавших 7000 часов на Южно-Украинской АЭС.

(а) (б)

Рис. 3. Эрозионное разрушение (износ) контактной поверхности входных кромок рабочих лопаток решетки (а) и отдельной лопатки (б) последней ступени паровой турбины из титанового сплава ТС5 отработавшей 7000 часов на Южно-Украинской АЭС

Титановый сплав ТС5 относится к псевдо-а-сплавам (коэффициент Р-стабилизации Кр = 0,13) с низким содержанием второй фазовой составляющей (в-фазы 2-5 %). Сплав обладает довольно хорошими технологическими свойствами при металлургическом переделе, высокой коррозионной стойкостью и хорошей свариваемостью. Химический состав и механические свойства сплава ТС5 представлены в табл. 1 и 2.

Легирующие элементы И А1 V Би 2г О с н

Вес, % Основа 5 2 3 2 0.08 0.10 0.05 0.008

Таблица 1. Химический состав сплава ТС5

СТ°,2, МПа 5, % V, % нв Нц Тпп кр

960 860 11,5 31 302 400 1020 0.13

Таблица 2. Механические свойства сплава ТС5

Полное полиморфное превращение в в-состояние (с ОЦК решеткой) сплав достигает при температуре Тпп = 1020°С. По своим теплофизическим параметрам исследуемый сплав можно отнести к категории материалов с низкой плотностью (высокой удельной прочностью), низкой теплопроводностью, низкой энергией дефектов упаковки. Как известно из литературы, такие материалы подвергаются сильному деформационному упрочнению. А последующие релаксационные процессы вызывают разупрочнение в значительной мере за счет процессов рекристаллизации, что обусловлено малой вероятностью прохождения процессов полигонизации.

Рис. 4. Схема подготовки трех взаимно перпендикулярных сечений лопатки

для проведения исследований

Образцы для исследования вырезались из входной кромки эродированных лопаток паровой турбины с подготовленными шлифами в трех взаимно перпендикулярных сечениях согласно схеме, представленной на рис. 4. Направление движения ударной волны, формируемой каплями пара, совпадало с направлением 1. Плоскости №2 и №3 соответствовали движению ударной волны вдоль поперечного и продольного сечений лопатки соответственно.

2. Результаты исследований

2.1. Морфология эродированной поверхности лопаток паровых турбин

Как показали результаты исследования с помощью растровой электронной микроскопии (рис. 5, поверхность №1), эродированная поверхность представляла собой набор повторяющихся элементов пирамидального типа. С помощью компьютерной обработки отпечатка вершин отдельных элементов эрозии (рис. 6) была построена гистограмма распределения и установлено наиболее вероятное расстояние между соседними вершинами элементов, оно составило в среднем 550 мкм. Отдельный элемент представлял собой пирамидку с заостренной вершиной, покатыми краями, вдоль которых ручьями спадали бороздки длинных микротрещин. Вершины пирамид имели винтовое строение чаще с шестью лопастями (рис. 7). В центре вершин практически всегда имелся кратер (диаметром 8-10 мкм), вокруг которого на склонах формировались концентрические борозды. Расстояние между ними вблизи вершины составляло 1,5-1,7 мкм, а у основания 3-5 мкм. Таким образом, морфология эродированной поверхности лопаток паровых турбин представляла собой «сотовую» форму, состоящую из глубоких каверн с заостренными перемычками в виде пирамидальных элементов с расстоянием между ними 400-700 мкм.

Рис. 5. Внешний вид эродированной поверхности №1 (увеличение 40х)

Рис. 6. Отпечаток с поверхности №1 лопатки, подвергнутой каплеударной эрозии

(увеличение 30х)

Рис. 7. Отдельный элемент пирамидального типа в плоскости №1 (увеличение 800х)

Под поверхностью вблизи границ двух соседних оснований пирамидальных элементов наблюдались зародышевые «подковообразные» микротрещины в плоскости № 2 (рис. 8, а-в), «иглообразные» микротрещины в плоскости № 3 (рис. 9, а-в), которые, вероятно, при своем раскрытии приводили к локальному разрушению. Закономерная периодичность в формировании зародышевых микротрещин и пирамидальных элементов на поверхности лопаток свидетельствовали о разбиении материала при ударе на мезо-объемы размером 400-700 мкм и о локализации пластической деформации и разрешении вдоль их границ раздела.

а х100 б х500 в х2000

Рис. 8. Зародышевые микротрещины вблизи эродированной поверхности лопатки

в плоскости №2

а х100 б х200 в х300

Рис. 9. Зародышевые микротрещины вблизи эродированной поверхности лопатки

в плоскости №3

2.2. Структура материала лопаток турбин до и после эксплуатации

Структуру эродированного материала лопатки на макро-, микро- и субмикроуров-нях исследовали с помощью оптической металлографии, просвечивающей и растровой электронной микроскопии с привлечением микродифракционного анализа и ПЭВМ. Образцы (фольги) для просвечивающей электронной микроскопии вырезали трубчатым электродом диаметром 3 мм в сечении лопатки в плоскости №2.

Структура металла лопатки непосредственно под эродированной поверхностью показала наличие следов периодической локализации пластической деформации и разрушения в отдельных ГПУ-зернах (рис. 10). На микрофотографии хорошо видны приповерхностные микротрещины (рис. 11), которые, вероятно, сформировались еще в инкубационном периоде, когда видимого разрушения поверхности еще не было.

х1200

Рис. 10. Микроструктура металла лопатки непосредственно под эродированной поверхностью в плоскости №1 (сплав ТС5)

х340

Рис. 11. Трещины под поверхностью лопатки со стороны входной кромки под эродированной поверхностью в плоскости №1 (сплав ТС5)

Как показали исследования, в направлении, перпендикулярном движению ударной волны, непосредственно под эродированной поверхностью, в плоскостях №3 и №2 (рис. 12-13) формировались множественные поперечные зародышевые микротрещины, ориентированные под углом 90° к направлению вытянутости колоний параллельных пластин а-фазы с ГПУ-решеткой и разделяющих их тонких (шириной 0,1-0,4 мкм) прослоек Р-фазы с ОЦК-решеткой (рис. 12, 13). Учитывая известное межфазное ориен-тационное соотношение Бюргерса, возникающее в титановых сплавах вдоль а/р - границ раздела, наблюдаемая плоскость зарождения и раскрытия трещин совпадала с плоскостью базиса ГПУ-кристаллов {0001}. Местами зарождения точечных микротрещин непосредственно перед их слиянием вдоль плоскостей {0001} являются по какой-то причине охрупченные (находящиеся в состоянии распада) прослойки Р-фазы, ориентация которых совпадала с плоскостью {110}Р || {0001 }а, [5].

х700

Рис. 12. Микроструктура металла лопатки (сплав ТС5) под эродированной поверхностью в плоскости №3

III!

■

I ^¿ш

Г1'

у ./.'ф-.т^*' .V г^--: -

Г Ш ъ. -V К' • -

•• 'Л

х700

Рис. 13. Микроструктура металла лопатки (сплав ТС5) непосредственно под эродированной поверхностью в плоскости №2

2.3. Оценка микротвердости эродированного материала рабочей лопатки турбины

В процессе каплеударного воздействия в материале лопатки формируется волна сжатия. Поэтому способ испытания на микротвердость является чувствительным локальным методом анализа материала под действием сжимающих напряжений и позволяет детально произвести оценку прохождения волны пластической деформации впереди движущегося потока капель. Измерения микротвердости производились на микрошлифах, приготовленных в различных сечениях лопатки вдоль направления движения ударной волны сжатия, на расстоянии 15-20 мм от поверхности, с интервалом 20 мкм при нагрузке 20 г.

Результаты измерения микротвердости имели волнообразный характер с периодом 400-700 мкм (рис. 14). Оказалось, что в материале лопаток паровой турбины среднестатистические результаты измерения и среднеквадратические отклонения были невелики и колебались вблизи исходных значений микротвердости (3355 ± 335 МПа).

Сильное разупрочнение (до 1500-2000 ± 653 МПа) наблюдалось только в узкой зоне вблизи края (40-50 мкм) эродированной поверхности (рис. 14). Далее имело место небольшое упрочнение. Минимальные значения микротвердости приходились на места, в которых с помощью просвечивающей электронной микроскопии был обнаружен распад твердых частиц ß-фазы, обогащенных а-стабилизирующими легирующими элементами, и локализация пластической деформации. Следует отметить, что аналогичные изменения структуры, микротвердости и их модуляция вблизи свободной поверхности были обнаружены авторами в более ранних работах по исследованию структурных и фазовых превращений при высокоскоростных обработках ударом, взрывом, точением [6-9]. Более стабильная твердость материала по сечению изделия свидетельствовала о большей устойчивости под действием ударной волны в результате структурно-фазовых превращений.

5000

4500

га С 5

ш£ 4000

I-

о

° 3500 ч а <и

ш 3000

I-

о

£ 2500 2 2000 1500

0 100 200 300 400 500 600

Р а с с т о я н и е х 20, мкм

Рис. 14. Результаты изменения микротвердости в материале лопатки из сплава ТС5 пластинчатого типа вдоль направления движения ударной волны в плоскости №3

2.4. Рентгеноструктурный анализ

В табл. 3 представлены результаты фазового анализа материала паровых лопаток из сплава ТС5 до и после каплеударного нагружения (время эксплуатации 7000 часов) в трех взаимно перпендикулярных ее сечениях №1, №2, №3 (рис. 6) на глубине 5-10 мм («вблизи») и 25-30 мм («вдали») от эродированной поверхности.

Анализ полученных дифрактограмм показал, что в материале лопаток под действием волны нагрузки, по сравнению с исходным состоянием на «входе» (плоскость №1), значительно увеличился параметр а-фазы и практически исчезли частицы Р-фазы. Это свидетельствовало об интенсивных структурно-фазовых а^а7/ превращениях в материале.

По мере движения ударной волны вдоль сечений лопатки №2 и №3, ее отражения и формирования волны разгрузки параметры р-фазы, по сравнению с состоянием на «входе», увеличивались, а содержание р- фазы возросло. Как видно из табл. 3, вдоль кристаллографических плоскостей {200}Р формировались когерентные «предвыделе-ния» частиц новых Р(Р), Р(ю)-фаз. В плоскости {110}Р интенсивности рефлексов были неразделимы и соответствовали параметрам твердой и хрупкой {011}ю-фазы. Как было показано выше, именно в плоскостях {110}р|| {0001 }а наблюдали зарождение хрупких микротрещин.

Плоскость Плоскость №2 Плоскость №3

Фаза №1 (движение ударной (движение ударной Исходное

(вход ударной волны) волны вдоль поперечного сечения лопатки) волны вдоль продольного сечения лопатки) состояние

Вблизи Вблизи Вдали Вблизи Вдали

от эродированной поверхности лопатки турбины

Межплоскостные расстояния, А

Р 200 Р(Р) 1,6027 - 1,6129 1,6027 1,6138 -

Р(ш) 1,6182 1,6217 1,6217 1,6234 1,6261

а 012 - 1,7186 1,7186 1,7186 1,7216 1,7242

а//112 1,7307 - - - - -

а 011 - 2,2378 2,2378 2,2272 2.2325 2.2378

в 110 Р(Ш) - 2,2869 2,2869 2,2814 2,2925 2,3010

а//002 2,3260 - - 2,3266 - -

а 002 - 2,3382 2,3382 - 2,3382 2,3382

а//020 2,4780 2,4682 2,4682 2,4616 2,4747 -

а 010 - 2,5425 2,5425 2,5286 2,5425 2,4880

а//110 2,5700 - - - - 2,5565

Параметры решеток а- и Р- фаз, А

ав Р(Р) 3,205 - 3,226 3,205 3,228 -

Р(Ш) - 3,236 3,242 3,242 3,247 3,252

аа 2,947 2,943 2.943 2,929 2,934 2,943

са - 4,6764 4,6764 - 4,6764 4,6764

Уа - 34,949 34,949 - 34,816 34,949

ур 32,92 - 33,57 32,92 33,64 -

Содержание Р- фазы, %

Р(а),% 0,50 6,29 5,14 3,62 3,07 2,32

Микротвердость, МПа

а + р 2504 ± 653 3970 ± 374 3924 ± 472 3240 ± 344 3550±441 3355±335

Таблица 3. Результаты структурно-фазового состояния и свойств материала лопатки из сплава ТС5 пластинчатого типа вдоль направления движения ударной волны

в плоскостях №1, №2, №3

3. Заключение

В результате высокоскоростного каплеударного нагружения паровых лопаток из двухфазного (а+в) титанового сплава формировались две волны - волна нагрузки и волна разгрузки, которые приводили к структурным и фазовым изменениям в объеме материала, а также к изменению его свойств (микротвердости). На «входе» ударной волны нагрузки происходили процессы распада (уменьшение количества) обедненной в-стабилизаторами ОЦК в-фазы и, соответственно, обогащение ванадием и усиление искажения ГПУ-решетки а-фазы. При этом формировалась мягкая а'-фаза с орторомбической решеткой, вызывающая эффективное торможение ударной волны. В результате самоорганизации системы формировалась разгрузочная волна пластической деформации и разрушения. Такая волна, первоначально формирующаяся на микроуровне, перераспределялась на мезо- и далее на макроуровень, обеспечивая релаксацию напряжения во всем объеме лопатки. Волна разгрузки модулировала структуру материала, разбивая его на мезообъемы размером 400-700 мкм, внутри которых волны пластической деформации были в противофазах и компенсировали друг друга [9]. Вдоль границ мезообъемов наблюдалась локализация пластической деформации и разрушение. Вероятно, волна разгрузки сопровождалась интенсивным тепловыделением и а^в превращением, о чем свидетельствовало интенсивное повышение количества высокотемпературной Р(Р)-фазы и снижение значений микротвердости (разупрочнение) после ударного нагружения. Сформированная волной разгрузки мягкая, обогащенная в-стабилизаторами Р-фаза была склонна к распаду и формированию хрупкой го-фазы [4]. Поэтому в местах локализации пластической деформации и Р(Р)^в(®)-превращения формировались хрупкие зародышевые микротрещины, приводящие к капле-ударной эрозии поверхности лопатки.

Литература

1. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин: Учебник для студентов вузов по специальности «Турбиностроение». - М.: Машиностроение, 1982. - 264 с.

2. Дейч М.Е., Филипов Г.А. Двухфазные течения в элементах теплоэнергитического оборудования. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 328 с.

3. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. - М.: Янус-К, 1996. - 408 с.

4. Крылов Н.А., Ланина А.А., Иванова Г.В., Галышев А.А., Иванов Е.К. Инкубационный период развития каплеударной эрозии в лопатках паровых турбин // Сборник тезисов II международной школы «Физическое материаловедение», Тольятти, 2006 г., с. 238-239.

5. Коллингз Е.В. Физическое металловедение титановых сплавов. - М: Металлургия, 1988. -224 с.

6. Скотникова М.А., Касторский Д.А., Строкина Т.И. Структурные превращения в металлах при скоростном резании // Вопросы материаловедения. - 2002. - Вып. 1(29). - С. 199-215.

7. М.А. Skotnikova, Y.M. Zubarev, T.A. Chizhik, I.N. Tsybulina. Structural-Phase Transformation In Metal of Blades of Steam Turbines From Alloy ВТ6 After Technological Treatment // Proceeding of the «10th World Conference on Titanium», 2003, Hamburg, Germany, 2004, v.5, p. 2991-2999.

8. М.А. Skotnikova, M.A. Martynov, S.S. Ushkov, D.A. Kastorski. Structural-Phase Transformation In Titanium Alloys at High-Speed Mechanical Effect // Proceeding of the «10th World Conference On Titanium» 13-18 Jules 2003, Hamburg, Germany, 2004, v.2, p. 831-838.

9. M.A. Skotnikova, T.I. Strokina, N.A. Krylov, Yu. Mesherykov, A. Divakov. Formation of Rotation in Titanium Alloys at Shock Loading // Proceeding of the Conference of the American Physical Society. Topical Group on «Shock Compression of Condensed Matter» held in Portland, Oregon, 20-25 Jules 2003, New York, 2004, page 609-612.