CC BY
407
ISSN 1992-6502 (P ri nt)_
2015. Т. 19, № 1 (67). С. 45-54
Ъыьмт QjrAQnQj
ISSN 2225-2789 (Online) http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.735
Методы испытаний лопаток турбин
на высокотемпературную газовую коррозию
1 2 А. С. Гишваров , М. Н. Давыдов
1 [email protected] , 2 [email protected]
ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 30 декабря 2014 г.
Аннотация. Рассмотрены особенности существующих методов испытаний лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию и проведен сравнительный анализ их эффективности.
Ключевые слова: повреждаемость; лопатка турбины; высокотемпературная газовая коррозия; методы испытаний; материалы ГТД.
Анализ авиационных происшествий по причинам отказа авиационной техники свидетельствует, что 30...70 % происходит по причине отказа двигателей. В свою очередь, 35...50 % от общего количества обнаруживаемых в двигателе дефектов приходится на элементы горячего тракта, из которых на камеры сгорания 28 %, на лопатки сопловых аппаратов 20 %, на рабочие лопатки 25 %.
Элементы «горячей» части (рабочие и сопловые лопатки, диски и т. д.) подвержены действию статических, циклических, повторно-статических нагрузок, а также высокотемпературной газовой коррозии [1].
Высокотемпературная газовая коррозия в некоторых случаях приводит к разрушению лопаток турбины в течение нескольких сот часов работы (рис. 1).
Надежность лопаток турбин в условиях их работы в высокотемпературной газовой среде оценивается экспериментально проведением испытаний на различных стендах и установках.
В настоящее время существует несколько методов испытаний лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию: испытания лопаток в системе двигателя [1-4]; автономные испытания лопаток на стендах [5-8]; испытания лопаток в тиглях в расплавах солей [9-14]; испытания лопаток в расплавах солей с электрохимическим воздействием [15-18]; испытания лопаток с предварительным нанесением на их поверхность коррозионной обмазки [19-23].
Все перечисленные методы испытаний лопаток, за исключением первого метода, относятся к виду ускоренных испытаний.
1. ИСПЫТАНИЯ ЛОПАТОК В СИСТЕМЕ ДВИГАТЕЛЯ
В данном случае в испытаниях наиболее полно воспроизводится их эксплуатационная повреждаемость. Примером являются ускоренные испытания рабочих лопаток, установленных непосредственно на двигателе, каждый цикл на-гружения которых проводят при форсированной температуре газа перед турбиной, катализатор подают путем искусственного повышения концентрации серы в топливе до 1,5...2,0 %, а подачу на поверхность лопаток 10 % раствора хлористого натрия осуществляют при холодной прокрутке двигателя через специальные форсунки, питаемые от отдельной емкости [24].
В таких испытаниях обеспечивается разупрочнение лопаток, эквивалентное разупрочнению, получаемому в эксплуатационных условиях. Повышение процентного содержания серы в топливе до 1,5...2,0 % наиболее эффективно, и не изменяет физической сущности процесса, а добавление в тракт двигателя хлористого натрия ускоряет «холодную» коррозию лопаток. Повышение, по сравнению с эксплуатационной, температуры газов перед турбиной значительно ускоряет процесс разрушения лопаток.
В некоторых случаях, для получения условий, соответствующих различным скоростям и высотам полета, испытания проводят на открытых стендах, представляющих собой большие комплексы на базе специального оборудования [3]. Эти комплексы имеют сложные системы, дорогостоящее оборудование, требуют больших площадей, а их строительство и эксплуатация связаны с огромными капитальными затратами.
Рис. 1. Виды повреждений лопаток турбин, подверженных высокотемпературной газовой коррозии: а - лопатка соплового аппарата ТВД ГТК-10; б - рабочие лопатки I ступени турбины MS 5001; в - сопловые лопатки I ступени турбины энергетической установки ГТ-100; г - сопловые лопатки I ступени турбины ТВД ГТУ; д - лопатки соплового аппарата I ступени вентилятора двигателя Д-18Т; е - рабочие лопатки III ступени турбины газотурбинной установки МВ6001; ж - сопловые лопатки турбины; з - входные кромки рабочих лопаток I ступени турбины двигателя Д-336
2. АВТОНОМНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЛОПАТОК НА ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ СТЕНДАХ.
В данном случае испытания проводятся преимущественно на газодинамических стендах
[3]. Различные модификации стендов и вспомогательных систем позволяют моделировать температурные условия работы лопаток, в том числе установившиеся и неустановившиеся тепловые режимы их работы в высокотемпературном газовом потоке, кратковременное и длительное
статическое и динамическое воздействие механической нагрузки на лопатки, агрессивное воздействие химически активных сред, термонапряженное состояние лопаток в целом и отдельных наиболее напряженных их зон при использовании образцов простой формы [3, 5, 25].
Максимальная температура газового потока может составлять 1500° С без дополнительной подачи кислорода; с дополнительной подачей кислорода - 2500° С. Максимальное давление воздуха 0,8 МПа, расход воздуха 1,2 кг/с. В зависимости от цели испытания используются приставки, обеспечивающие необходимые параметры газового потока, который представляет собой продукты сгорания керосина или дизельного топлива в воздухе, содержащие введенные в поток агрессивные компоненты: кислород, водные растворы солей морской воды, серосодержащие добавки различной концентрации, растворенные в топливе.
Генерирование газового потока осуществляется в камере сгорания авиационного типа, оснащенной комплексом систем и агрегатов, которые обеспечивают работу в различных режимах.
В зависимости от цели испытаний, необходимости моделирования условий работы используется несколько вариантов стендов, имеющих общую систему воздухо- и топливо-подачи, централизованную систему управления их работой. Так, например [3], для моделирования условий работы охлаждаемых и неохлаж-даемых сопловых лопаток турбин, а также образцов из металлокерамических, литых и деформируемых металлических материалов используется стенд, позволяющий генерировать максимальную температуру газового потока до 1700° С.
Для исследования термической усталости рабочих лопаток турбин и их моделей при переменных тепловых и механических статических нагружениях используется стенд при максимальной температуре газового потока 1300° С. Другой стенд используется для исследования термоциклической долговечности клиновидных образцов, моделирующих термонапряженное состояние наиболее нагруженных зон элементов конструкций (кромки лопаток ГТД) [3].
Для некоторых видов испытаний образцов из тугоплавких материалов с покрытиями используется специальная приставка к камере сгорания, состоящая из отсека с форсункой, охлаждаемой водой. Введение в газовый поток с температурой 1300...1600° С дополнительного (вторичного) топлива и сжигание его в специальной графитовой камере, теплоизолированной
с помощью засыпки сажи, позволяют повысить температуру газового потока до 2500° С. Максимальные скорости газового потока изменяются в зависимости от назначения и конструкции испытательной камеры, однако не превосходят звуковой скорости более чем в 1,5 раза во всех вариантах стендов.
Для моделирования процессов разрушения лопаток при циклических теплосменах в агрессивном газовом потоке применяются газодинамические стенды, где возможно возбуждение в образцах заданных термонапряженных и тепловых состояний с заданной неоднородностью полей. Установки моделируют воздействие газовых сред по величинам тепловых потоков, коррозионно-эрозионному их влиянию на материал образца или элемента конструкции, осуществляют сложные программы теплового нагру-жения исследуемых объектов, моделирующих широкий диапазон неустановившихся тепловых воздействий и переходных режимов работы двигателей, их наиболее напряженных элементов.
Существуют также упрощенные методики ускоренных испытаний лопаток турбин на газовую коррозию [24, 26]:
• исследуемая лопатка закрепляется в трубе и подвергается циклическому обдуву газовым потоком с последующим охлаждением;
• испытания лопаток также проводят посредством циклического обдува газовым потоком, но в отличие от первого метода, при последующем охлаждении, с целью сокращения времени испытаний и уменьшения их стоимости, на поверхность лопаток предварительно наносят катализатор из сернокислого натрия и одновременно с обдувом нагружают их растягивающим усилием и после каждых пяти циклов нагружения выдерживают в 10-процентном растворе хлористого натрия в течение 24 часов.
3. ИСПЫТАНИЯ ЛОПАТОК В РАСПЛАВАХ СОЛЕЙ
Данный вид испытаний наиболее широко распространен в практике испытаний материалов [13, 16, 27-31].
При испытаниях в тиглях образец целиком или частично погружается в сосуд с расплавленной солью, например Ка28О4, или смесью Ка28О4-КаС1 при повышенной температуре. Газы могут проходить непосредственно через расплав или проходить над ним для создания окислительной или восстановительной среды. Дальнейшие вариации могут включать попеременно погружение и удаление образца из расплава.
Возможны испытания с непрерывным контактом солевой смеси с испытываемыми материалами, что достигается применением различных приспособлений, регулирующих высоту размещения материалов в тигле [27].
Приведем несколько примеров испытаний лопаток в расплавах солей. В работах [21, 23] авторами исследовалась высокотемпературная солевая коррозия никель-карбидных эвтектических сплавов:
• испытания образцов сплавов проводили в лабораторных условиях (по четыре образца на точку);
• цилиндрические образцы помещали в корундовые тигли и засыпали 3 г смеси солей (25 % №С1 и 75 % Na2SO4) до половины образца;
• далее тигли с образцами помещали в печь с воздушной атмосферой и нагревали 24 ч при 900° С. Продукты коррозии (окалину) удаляли с поверхности образцов механическим скалыванием или многократным смыванием в дистиллированной воде с последующим выпариванием осадков и измельчением их для рент-геноструктурного анализа.
Коррозионную стойкость оценивали по глубине проникновения коррозии и по потере массы после удаления окалины.
Толщину слоя окалины определяли по разности диаметров исходного и обработанного в печи образца. Глубину внутреннего слоя окалины измеряли металлографически на поперечных шлифах.
В работе [20] авторами рассмотрен метод ускоренной оценки коррозионной стойкости материалов, разработанный в ЦКТИ им. И. И. Ползу-нова, для испытаний в средах повышенной агрессивности - в смесях солей и окислов металлов, имитирующих золовые отложения на лопатках газовых турбин. В данном методе цилиндриче-
ские и плоские образцы помещаются вертикально в фарфоровые тигли и засыпаются синтетической золой (табл. 1) до половины высоты.
Оценку результатов испытаний проводят по величине потери массы, отнесенной к единице поверхности образцов.
В работах [16, 29] рассмотрен метод, основанный на принципе окисления материала в присутствии тонкой жидкой пленки соли, непрерывно поддерживаемой на образце во время испытания вследствие испарения солей с зеркала тигля и их конденсации на металле, а также вследствие вползания расплава на образец по смачиваемой окалине. Предварительно образец покрывают солями путем нагрева их над газовой плитой в течение 40.. .60 с и кратковременного погружения (на 0,5.1 с) в 25 % водный раствор соли. Подготовленный таким путем образец выдерживают 5 ч при температуре 900 °С при частичном погружении в расплав. По центру цилиндрического корундового тигля вертикально ставят на дно образец (рис. 1, а).
а б
Рис. 1. Установка для испытания образцов на высокотемпературную солевую коррозию: а - на дно тигля; б - на корундовую вставку; 1— тигель; 2 - пленка соли; 3 - образец; 4 - расплав соли; 5 - вставка; к\ к", И,, - уровни соли в тигле
Таблица 1
№ п/п Содержание компонентов, %
Na2SO4 №С1 СаО Ре2Оз №О МяО
1 80 - 7 10 2 1
2 70 10 7 10 2 1
№С1 Na2SO4 №2СОз Ca2SO4 Ре2Оз ВаС12 МяС1з
3 100 - - - - - - -
4 - 100 - - - - - -
5 - - 100 - - - - -
6 10 90 - - - - - -
7 - - - 20 20 20 20 20
8 - - - 25 - 25 25 25
Соль и значительную часть окалины с образцов удаляют кипячением в воде. Остатки окалины стравливают в расплавленной эвтектике №ОИ и КОН при 320 °С и выдержке 2.. .3 ч.
Оценку стойкости материала против ВСК проводят по двум показателям: средней скорости убыли массы Уд и проникновения коррозии в глубь металла Ун, определяемым по формулам:
v =Am
q т • S
V =
5 + h
где A m - изменение массы материала, мг; S -площадь образца, см2; 5 - габаритное утонение материала (полуразность начального и конечного диаметров, мм); h - суммарная глубина коррозионных язв и обедненной зоны, определяемая металлографически на срезе образца, мм; т - длительность испытания, ч.
Данный способ испытаний относительно прост и не требует больших затрат и наиболее пригоден для проведения сравнительных испытаний.
В работах [9, 10] авторами рассмотрена методика ускоренных коррозионных испытаний сплава ЦНК-7П с покрытием Al-Si. В данном методе используется синтетическая зола состава: Na2SÜ4 - 48 %, Fe2Ü3 - 10 %, NaCl - 17 %, V2O5 - 5 %, CaCl2 - 5 %, MgSÜ4 - 15 %. Исследуемые образцы размещаются над золой на расстоянии 20 мм. Тигель помещается в электрическую печь, длительность испытаний составляет 8...10 часов. Достоинством данного метода является небольшая длительность испытаний. Метод наиболее приемлем для сравнительных испытаний, например, при проведении исследований по оптимизации ремонтных технологий и др.
4. ИСПЫТАНИЯ ЛОПАТОК
В РАСПЛАВАХ СОЛЕЙ С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
В основе испытаний с электрохимическим воздействием в расплавах солей лежит метод анодного растворения металлов [2, 32-34]. Анодное растворение металла при электрохимической обработке происходит в специфических условиях очень малых расстояний между анодом и катодом, очень высоких плотностей тока, быстрого потока раствора электролита в межэлектродном пространстве.
При электрохимических испытаниях образцы подвергаются воздействию той же среды, что и при испытаниях в тиглях (соли щелочных металлов: сульфаты, сульфиды, хлориды) [34-38]. Установка для этих испытаний состоит
из электрохимической ячейки с расплавленной солью в качестве электролита, электрода сравнения, рабочего электрода и вспомогательных электродов. Цель эксперимента — исследовать свойства смеси солей или установить коррозионную стойкость рабочих электродов-образцов. При всех таких измерениях существенную роль играет надежный электрод сравнения [2]. Также электрохимические испытания применяются для ускоренного определения электрохимического состояния коррозионно-стойких материалов в агрессивной среде [33, 39] и скорости коррозии в агрессивной среде [40].
В простейшем опыте напряжение в ячейке может быть представлено как функция времени относительно некоторого электрода сравнения. Как и при коррозии в водных растворах, потенциал, установленный корродирующим электродом в расплавленной соли, определяется балансом анодных и катодных коррозионных реакций, так что результирующий ток равен нулю, т. е. электрохимический ток равен внешнему току. Напряжение в ячейке определялось в большинстве случаев скорее кинетическими, а не термодинамическими процессами. Поэтому наиболее правильная интерпретация таких напряжений - теория смешанных потенциалов. Однако с целью предварительного отбора серии сплавов можно установить полезную эмпирическую корреляцию между напряжением в ячейке и сопротивлением коррозии, определенными при испытаниях в тиглях и других испытаниях.
В несколько более усложненных опытах связь между электрохимическим потенциалом (напряжением) и током можно исследовать с помощью трехэлектродной установки [33]. В данном случае в качестве независимой переменной выбирают потенциал или ток. Результаты осциллографиче-ских потенциодинамических измерений могут быть использованы в качестве основы для отбора материалов, например, совместимых с расплавленными карбонатами и сульфатами [35].
Для увеличения эффективности испытаний (снижение рабочих плотностей тока) и расширения диапазона испытываемых материалов (труднообрабатываемые сплавы) используются различные добавки [41].
5. ИСПЫТАНИЯ ЛОПАТОК С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ НАНЕСЕНИЕМ КОРРОЗИОННОЙ ОБМАЗКИ НА ИХ ПОВЕРХНОСТЬ
Данный метод используется для исследования кинетики коррозии металлов в солевой или золовой агрессивной смеси. Отличается от испытаний в тигле тем, что агрессивную смесь наносят непосредственно на исследуемые об-
т
разцы. Например, в работе [22] исследовалась высокотемпературная коррозия сплавов на основе никеля с использованием обмазок на основе №С1 и №2804.
Закономерности сульфидно-оксидной коррозии никелевых сплавов ЖС6К, ЭИ893, ЭИ893Л и ЭП800 и стали ЭП164 исследовались в золе газотурбинного топлива, содержащем 66,2 % N2804; 1,8 % У20з; 20,4 % Бе203; 8,3 % N10 и 3,3 % СаО, и в воздушной среде [20, 39]. Результаты испытаний показали, что степень сульфидно-оксидной коррозии материалов значительно больше, чем степень их окисления.
В работе [19] предложен способ испытания на жаропрочность аустенитных хромоникеле-вых сталей в продуктах сгорания высокосернистых мазутов. Для лабораторной имитации условий контакта металла с продуктами сгорания высокосернистого мазута образцы помещают в контейнеры, где циркулируется газовая среда состава (%): 13 СО2; 3 О2; 0,15 802; ЩО; остальное - азот. Периодически на образцы наносят синтетическую обмазку состава (%): 25У205; 50^2804; 10Бе20з; 5С^0з; 3Бе0; 2Са0; 1,5Mg0. Для получения картины полуколичественного распределения элементов снимают рас-
тровые изображения во вторичных электронах и в рентгеновских лучах. Количественные результаты по зональному распределению элементов между отдельными слоями получают при сканировании образца под электронным зондом. Анализ отдельных участков и фаз проводят точечным электронным зондом.
Результаты сравнительного анализа методов испытаний лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию приведены в табл. 2.
Метод 1 отличается высокой достоверностью оценки коррозионной стойкости, однако такие испытания требуют больших временных и материальных затрат и, следовательно, являются экономически невыгодными.
Метод 2 позволяет получать результаты, близкие к эксплуатационным, но требует сложного, трудоемкого и дорогого оборудования.
Преимуществом методов 3, 4 и 5 является простота и экономичность испытаний, возможность получения кинетических и температурных зависимостей коррозионной стойкости сплавов, но при этом проблемой является воспроизведение реального процесса коррозии, и методы наиболее приемлемы для проведения сравнительных испытаний.
Таблица 2
Метод испытаний Преимущества Недостатки
1. Натурные испытания лопаток в системе двигателя (Гишваров А. С., Тютюнов В. А., Леонтьев В. Н., Черкез А. Я. и др.) Полное воспроизведение повреждаемости от газовой коррозии: к = к ' Ф = Ф "исп "эсш ^исп ^экс 1. Сложное, трудоемкое и дорогое оборудование; 2. Большая длительность испытаний; 3. Высокие затраты на проведение испытаний
2. Автономные испытания лопаток на стендах (Букус И. А., Третья-ченко Г. Н., Багерман А. З., Пи-саренко Г. С. и др.) Результаты моделирования близки к эксплуатационным: кисп ~ кэкс; Фисп ~ Фэкс 1. Длительность испытаний до 150 ч; 2. Высокие затраты
3. В тиглях в расплавах солей NaCl + Na2SÜ4; MgCb + KCl + +NaCl; NaCl; H2S (Орышич И. В., Рябченков А. В., Дмитриева Г. П., Смыслов А. М., Быбин А. А., Шурин А. К., Назаров А. А. и др.) 1. Простота и экономичность испытаний, возможность получения кинетических и температурных зависимостей коррозионной стойкости сплавов ( тИСп ~ 5...60 ч); 2. Низкая стоимость испытаний 1. Неполное воспроизведение эксплуатационных повреждений (при кисп = = кэкс несоответствие фазового состава: Фисп Ф Ф Фэкс); 2. Несоответствие эксплуатационному механизму коррозии
4. С электрохимическим воздействием в расплавах солей: NaClO3, NaNÜ3, NaCl, Na2SÜ4 (Иванов Г. Н., Румянцев Е. М., Амирханова Н. А., Седыкин Ф. В. и др.) 1. Малая длительность испытаний (тэхо = 5... 10 мин); 2. Низкая стоимость испытаний; 3. Высокая производительность 1. Трудность обеспечения фазового состава коррозионного слоя: Фисп Ф Фэкс; 2. Отсутствие термического нагру-жения
5. С предварительным нанесением на образцы золовых или нагаро-образующих отложений: золы из смесей V2O5 и Na2SO4 (Липштейн Р. А., Бекетов Б. И., Никитин В. И. и др.) 1. Незначительная длительность (Тисп ~ 5.60 ч); 2. Небольшие затраты; 3. В испытаниях воспроизводится толщина коррозионного слоя (кисп = кэкс) 1. Необходимость в периодическом обновлении агрессивной солевой пленки в связи с ее испарением; 2. Фисп Ф Фэкс
Следует также отметить, что существующие методы автономных испытаний лопаток на надежность и ресурс при длительном статическом, повторно-статическом и других видах механического нагружения не воспроизводят полной картины коррозии, поскольку при этом не моделируется рабочая среда, и это естественно снижает достоверность оценки надежности и ресурса лопаток. Ускоренные испытания лопаток в системе двигателя, проводимые с форсированием режима нагружения по частоте вращения, температуре, вибрации и т.д., также не воспроизводят полной картины коррозии по причине малой длительности пребывания лопатки в газовой среде.
Необходимо отметить, что дополнительно к перечисленным методам 1...5 существуют другие методы ускоренных испытаний лопаток турбин. Так, например, в работах [1, 24, 26] рассмотрен метод ускоренных испытаний лопаток турбин.
6. МЕТОД УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК ТУРБИН НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНУЮ ГАЗОВУЮ КОРРОЗИЮ
В данном случае в качестве показателей повреждаемости Пкор лопатки турбины рассматриваются следующие характеристики:
• толщина к или масса т поверхностного слоя лопатки
лкор V тКоР;
• состав поверхностного слоя лопатки Скор =[с1,...,с,]т = [М,А1,\У,Сг,Т1,...]т;
• микроструктура (фазовый состав) поверхностного слоя лопатки
Фкор =[Ф1,...,Ф1]Т,
где Фг- - /-я фаза микроструктуры (а, в, у, у,..).
Таким образом,
Пкор =[/гкор, Скор, Фкор ]Т УПкор =Кор,Скор,Фкор]Т.
Сокращение длительности испытаний сопловых лопаток турбин обеспечивается путем последовательно реализуемых нагружений Я,
• травление лопатки в электролите — Ятр;
• электрохимическая обработка (ЭХО) —
Яэхо;
• высокотемпературная обработка в среде агрессивных газов — Явто:
я ~ Я ^ Я ^ Я
^исп ^мр ^Уэхо ^вто-
Эквивалентность ускоренных (смоделированных) и эксплуатационных испытаний при
высокотемпературной газовой коррозии обеспечивается получением поверхностного слоя сопловой лопатки, эквивалентного эксплуатационному по толщине коррозионного слоя, составу и микроструктуре поверхностного слоя:
Писп = /С^тр, Я^о, Яшо ) = Пэкс = /(тэкс ,Яжс),
где Писп,Пэкс - коррозионная повреждаемость лопатки в ускоренных испытаниях и эксплуатационных условиях; тэкс, ,с - длительность и вектор параметров эксплуатационного нагру-жения.
На этапах травления и электрохимической обработки в ускоренных испытаниях формируется коррозионный слой, эквивалентный эксплуатационному по толщине и составу продуктов коррозии:
кор.исп ^кор.экс ;
I: ^
II: -<
Скор.исп = Скор.экс , ^кор.исп = Я^ТР ) ' С кор.исп = ) , Фкор.исп = ) ,
Ятр =/(Этр,Г1р,т1р);Этр =[е1р1,...,е1ря] ;
^кор.исп = ^(Джо) ' Скор.исп = F(Rэxo) ; —(2)
Фкор [ [с[ [ = i , ) ,
^эхо Скор.исп /(Э эхо , -)'_■'{ ) 1 ^ '
эхо' ''эхо-'
ЭэХО - [еэхо.1'-"'еэхо.и]Т
где йкор исп • ^кор исп - толщина коррозионного слоя
после травления и ЭХО соответственно; Этр,
Ээхо ~ электролиты, включающие етрЛ,..., еф„ и еЭХ01,..., еЭхои компонент (соли для приготов-
ления раствора электролита); С кор.исп , Скор.исп состав поверхностного слоя после травления и ЭХО; /ЭХО - ток ЭХО; ТТР и ТЭХО — температура травления и ЭХО; Ттр и тЭХО — длительность травления и ЭХО.
На этапе высокотемпературной обработки формируется коррозионный слой, эквивалентный эксплутационному по микроструктуре (фазовому составу).
Последовательность реализации рассматриваемого метода ускоренных испытаний сопловых лопаток ГТД на высокотемпературную газовую коррозию сводится к выполнению этапов, приведенных на рис. 2.
К ускоренным испытаниям готовят образцы новых лопаток, вырезанные с места, соответст-
Рис. 2. Общая схема проведения ускоренных испытаний сопловых лопаток турбин на высокотемпературную газовую коррозию
вующего максимальной температуре, наблюдаемой в эксплуатации.
Уровень эквивалентности ускоренных испытаний эксплуатационным может быть повышен за счет варьирования параметрами отдельных составляющих рассмотренной последовательности ускоренных испытаний.
При этом сокращение длительности испытаний определяется по формуле:
_ т экс __т экс
тмод ттр +тэхо +тпеч
где хЭКС, хмод - длительность эксплуатационных и модельных испытаний; хТР - длительность травления; тЭХО - длительность электрохимической обработки; хПЕЧ - длительность термообработки в печи, включая длительность нагрева хНАГ, выдержки хвыд и охлаждения хОХЛ.
При испытании образцов из сплава ЖС6К (хтр = 0,08 ч., Хэхо = 1,0 ч.; Хнаг = 1,0 ч., Хвыд = = 5,0 ч. и хОХЛ = 2,5 ч.) получено сокращение длительности испытаний в 146 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гишваров А. С. Повреждаемость материалов энергетических установок в условиях коррозионно-активной среды. М.: Машиностроение, 2014. 297 с. [[ A. S. Gishvarov, Defectiveness materials power plants under corrosive environment, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 2014. ]]
2. Павлов Ю. И., Шайн Ю. Я., Абрамов Б. И. Проектирование испытательных стендов для авиационных двигателей. М.: Машиностроение, 1979. 152 с. [[ Y. I. Pavlov, Y. Y. Shain, B. I. Abramov, Design of test benches for aircraft engines, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 1979. ]]
3. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. М.: Металлургия, 1976. 558 с. [[ C. Sims, W. Hagel, Superalloys, (in Russian). Moscow: Metallurgiya, 1976. ]]
4. Черкез А. Я., Онищик И. И., Таран Е. М. и др. Испытания воздушно-реактивных двигателей М.: Машиностроение, 1992. 304 с. [[ A. Y. Cherkez, I. I. Onishik, E. M. Taran, Testing jet engines, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 1992 ]]
5. Борьба с коррозией двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок: учеб. пособие для вузов / Д. С. Абрамсон и др. М.: Машиностроение, 1962. 296 с. [[ A. S. Abramson, Corrosion control of internal combustion engines and gas turbines, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 1962. ]]
6. Исследование высокотемпературного окисления лопаток турбины ГТД в присутствии солей щелочных металлов / Е. Н. Карпов, И. И. Тарасевич, Н. Н. Мотрий и др. // Надежность и долговечность авиационных газотурбинных двигателей: сб. науч. тр. Киев: КИИГА, 1979. С. 35-46. [[ E. N. Karpov, I. I. Tarasevich, N. N. Motriy, "The high-temperature oxidation of the turbine blade GTE presence of alkali metal salts," in Reliability and durability of aircraft gas turbine engines, (in Russian), pp. 35-46, Kiev: KIIGA, 1979. ]]
7. Тарасевич И. Н. Высокотемпературное окисление лопаток турбин при теплосменах: авт. свид. № 1022014. МПК7 G01N 17/00. Опубл. 12.02.1983. Бюл. № 2. [[ I. N. Tarasevich, High-temperature oxidation of turbine blades during thermal cycles, (in Russian), certificate no. 1022014, 1983. ]]
8. Термическая усталость материалов в условиях неоднородного термонапряженного состояния / Г. Н. Третья-ченко, Л. В. Кравчук, Р. И. Куриат и др. Киев: Наукова думка, 1985. Вып 3. 280 с. [[ G. N. Tretyachenko, R. I. Kuriat, Thermal fatigue of materials under thermal stress inhomoge-neous state, (in Russian). Kiev: Naukova dumka, 1985. ]]
9. Разработка методики ускоренных коррозионных испытаний жаропрочного сплава ЦНК-7П / А. А. Быбин, Р. Р. Невьявцева, О. Г. Смольникова, А. М. Смыслов // VII Королёвские чтения: сб. тр. Междунар. науч. техн. конф. Самара: СГАУ, 2003. С. 156-157. [[ A. A. Bybin, R. R. Nevyav-ceva, O. G. Smolnikova, "Development of the method of accelerated corrosion tests superalloy TSNK-7P," (in Russian), in Proc. VII Int. Workshop on Korolevskie chteniya, Samara, Russia, pp. 167-157, 2003. ]]
10. Быбин А. А., Смыслов А. М., Невьявцева Р. Р. Некоторые особенности высокотемпературного окисления
алюминидных покрытий на сплаве ЦНК7П // Металловедение и термическая обработка металлов. 2004. № 8. С. 31-36. [[ A. A. Bybin, A. M. Smyslov, R. R. Nevyavceva, "Some features of the high-temperature oxidation of aluminide coatings on the alloy TSNK7P," (in Russian), in Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, no. 8, pp. 31-36, 2004. ]]
11. Иванов Е. Г., Коломыцев П. Т., Костина Л. А. О катастрофическом окислении никелевых сплавов // Защита металлов. 1973. № 1. C. 8-13. [[ E. G. Ivanov, P. T. Kolo-mycev, L. A. Kostina, "About catastrophic oxidation of nickel alloys," (in Russian), in Zashita metallov, no.1, pp. 8-13, 1973. ]]
12. Окисление жаростойких сталей и сплавов / Л. Л. Мигай, Н. П. Козлова, А. И. Ляпунов, Е. Г. Мальчев-ский, Б. И. Бекетов // Защита металлов. 1972. № 6. C. 3446. [[ L. L. Migay, N. P. Kozlova, A. I. Lyapunov, E. G. Mal-chevskiy, B. I. Beketov, "Oxidation of heat-resistant steels and alloys," (in Russian), in Zashita metallov, no.6, pp. 34-46, 1972. ]]
13. Орышич И. В. Разработка методики испытания жаропрочных сплавов в расплавах солей // Защита металлов. 1981. № 1. C. 16-23. [[ I. V. Orishich, "Development of methodology for testing high-temperature alloys in molten salts," (in Russian), in Zashita metallov, no. 1, pp. 16-23, 2014. ]]
14. Смыслов А. М., Невьявцева Р. Р., Быбин А. А. Высокотемпературная коррозия сплава ЦНК7П с защитным алюминидным покрытием // Защита металлов. 2004. Т. 40, № 5. С. 533-536. [[ A. M. Smyslov, R. R. Nevyavceva, A. A. Bybin, "High temperature corrosion TSNK7P alloy with a protective aluminume coating," (in Russian), in Zashita metallov, no. 5, pp. 533-536, 2014. ]]
15. Гребенщикова С. В., Кочергин В. П., Зарубин П. И. Коррозия сталей в водном растворе сульфита натрия // Защита металлов. 1979. № 5. C. 8-12. [[ S. V. Greben-shokova, V. P. Kochergin, P. I. Zarubin, "Corrosion of steel in an aqueous solution of sodium sulfite," (in Russian), in Zashita metallov, no. 5, pp. 8-12, 1979. ]]
16. Орышич И. В. О кинетике и механизме высокотемпературной коррозии жаропрочных сплавов на никелевой основе // Авиационная промышленность. № 1. 1986. С. 57-59. [[ I. V. Orishich, "Kinetics and mechanism of high-temperature corrosion of heat-resistant nickel-based alloys," (in Russian), in Aviacionnaya promishlennost, no. 1, pp. 57-59, 1986. ]]
17. Озеряная И. Н. Коррозия металлов в расплавленных солях при термической обработке // Металловедение и термическая обработка металлов. 1985. № 3. С. 14-17. [[ I. N. Ozernaya, "Corrosion of metals in molten salt during heat treatment," (in Russian), in Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov, no. 3, pp. 14-17, 1985. ]]
18. Сандлер Н. Г., Козин В. А., Новоселов С. А. Устройство для испытания металлов на коррозию под напряжением: авт. свид. № 993014. МПК7 G 01N17/00. Опубл. 16.04.1981. Бюл. № 5. [[ N. G. Sandler, V. A. Kozin, S. A. Novoselov, "Device for testing metal corrosion under stress," (in Russian), certificate no. 993014, 1981. ]]
19. О механизме сульфидной коррозии аустенитных хромоникелевых сталей в продуктах сгорания высокосернистых мазутов / Б. И. Бекетов, А. В. Рябченков, А. И. Максимов, В. А. Батырев, П. 3. Резникова // Защита металлов. 1977. № 1. С. 13-20. [[ B. I. Beketov, A. V. Ryabchenkov, A. I. Maksimov, V. A. Batyrev, P. Z. Reznikova, "Mechanism of sulfide corrosion of austenitic chromium-nickel steels in sour
fuel oil combustion products," (in Russian), in Zashita metallov, no. 1, pp. 13-20, 1977. ]]
20. Жаростойкость материалов лопаток газовых турбин / Л. Б. Гецов, В. И. Никитин, И. П. Комисарова, А. А. Чикурова // Энергомашиностроение. 1978. № 2. C. 2933. [[ L. B. Getsov, V. I. Nikitin, I. P. Komissarova, A. A. Chikurova, "Heat resistance of materials of gas turbine blades," (in Russian), in Energomashinostroenie no. 2, pp. 2933, 1978. ]]
21. Высокотемпературная солевая коррозия никель-карбидных эвтектических сплавов / Г. П. Дмитриева, О. С. Костырко, И. И. Максюта, Н. А. Разумова, А. К. Шурин // Защита металлов. 1987. № 2. C. 20-25. [[ G. P. Dmitrieva, O. S. Kostyrko, I. I. Maksyuta N. A. Razumova, A. K. Shurin, "High-salt corrosion of nickel-carbide eutectic alloys" (in Russian), in Zashita metallov, no. 2, pp. 20-25, 1987. ]]
22. Рябченков А. В., Кузнецов Е. В., Мясникова Ф. В. Высокотемпературная коррозия сплавов на основе никеля // Защита металлов. 1986. № 5. C. 37-44. [[ A. V. Ryabchenkov, E. V. Kuznetsov, F. V. Myasnikova, "High temperature corrosion of nickel-based alloys," (in Russian), in Zashita metallov, no. 5, pp. 37-44, 1986. ]]
23. Высокотемпературная солевая коррозия легированных никель-карбидных эвтектических сплавов / А. К. Шурин, Г. П. Дмитриева, И. И. Максюта, Н. А. Разумова // Защита металлов. 1989. № 6. C. 53-75. [[ A. K. Shurin, G. P. Dmitrieva, I. I. Myaksyutam N. A. Razumova, "High-salt corrosion alloyed nickel-carbide eutectic alloys," (in Russian), in Zashita metallov, no. 6, pp. 53-75, 1989. ]]
24. Гишваров А. С. Теория ускоренных ресурсных испытаний технических систем. Уфа: Гилем, 2000. 338 с. [[ A. S. Gishvarov, The theory of accelerated life tests of technicalsystems, (in Russian). Ufa: Gilem, 2000. ]]
25. Машины и приборы для испытания материалов: сб. статей. М.: Металлургия, 1971. 299 с. [[ Machines and appliances for testing materials, (in Russian). Moscow: Metallurgiya, 1971. ]]
26. Гишваров А. С., Амирханова Н. А., Амиров Р. А., Янбердина З. Я. Моделирование высокотемпературной газовой коррозии элементов узлов ГТД // Автоматизация разработки авиационных двигателей: сб. науч. тр. Уфа: УГАТУ, 1989. С. 149-151. [[ A. S. Gishvarov, N. A. Amirhanova, R. A. Amirov, Z. Y. Yanberdina, "Simulation of high-temperature gas corrosion element nodes GTE," (in Russian), in Proc. Workshop on Avtomatizaciya razrabotki aviacionnih dvigateley, Ufa, Russia, pp. 149-151, 1989. ]]
27. Орышич И. В. Способ испытания жаропрочных сплавов на стойкость к высокотемпературной солевой коррозии: авт. свид. № 1772694. МПК7 G01N17/00. Опубл. 23.12.1992. Бюл. № 12. [[ I. V. Orishich, "Test method superalloys high resistance to salt corrosion," (in Russian), certificate no. 1772694, 1992. ]]
28. Орышич И. В., Порядченко Н. Е., Ракицкий А. Н. Расширение температурного диапазона при испытаниях жаропрочных и жаростойких материалов на сопротивление сульфидной коррозии // Защита металлов. 1994. № 5. C. 22-28. [[ I. V. Orishich, N. E. Poryadchenko, A. N. Rakitskiy, "Extended temperature range when testing heat-resistant materials for corrosion resistance to sulfide," (in Russian), in Zashita metallov, no. 5, pp. 22-28, 1994. ]]
29. Орышич И. В., Ракицкий А. Н. Расширение температурного диапазона испытаний жаропрочных сплавов на сопротивление высокотемпературной хлоридной коррозии // Защита металлов. 1995. № 3. C. 24-39. [[ I. V. Ori-shich, A. N. Rakitskiy, "Extended temperature range tests sup-
eralloys high-chloride-induced corrosion resistance," (in Russian), in Zashita metallov, no. 3, pp. 24-39, 1995. ]]
30. Орышич И. В. Коррозия сплавов на никелевой основе в расплавах тройной эвтектики из хлоридов MgCl2, КС1, NaCl // Защита металлов. 1997. № 4. C. 23-35. [[ I. V. Orishich, "Corrosion of nickel-based alloys in molten ternary eutectic of chloride MgCl2, К^, NaCl" (in Russian), in Zashita metallov, no. 4, pp. 23-35, 1997. ]]
31. Орышич И. В. Повышение сопротивления сульфидной коррозии никелевых жаропрочных сплавов путем легирования // Защита металлов. 1999. № 6. C. 22-30. [[ I. V. Orishich, "Increases resistance to sulfide corrosion of nickel superalloys by alloying," (in Russian), in Zashita metallov, no. 6, pp. 22-30, 1999. ]]
32. О коррозионной агрессивности растворов слабых кислот и их солей / В. С. Белеевский, Ю. И. Куделин, С. Ф. Лисов, В. А. Тимонин // Защита металлов. 1990. № 5. C. 45-51. [[ V. S. Belevskiy, Y. I. Kudelkin, S. F. Lisov, V. A. Timohin, "Corrosiveness of solutions of weak acids and salts thereof," (in Russian), in Zashita metallov, no. 5, pp. 4551, 1990. ]]
33. Воликова И. Г. Ускоренный метод определения стойкости коррозионностойких сталей в кислых и нейтральных средах // Защита металлов. 1971. № 4. C. 21-25. [[ I. G. Volikova, "Rapid method for determining the resistance of stainless steels in acidic and neutral media" (in Russian), in Zashita metallov, no. 4, pp. 21-25, 1971. ]]
34. Седыкин Ф. В. Технология и экономика электрохимической обработки М.: Машиностроение, 1980. 192 с. [[ F. V. Sedykin, Technology and economics electrochemical machining, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 1980. ]]
35. Акользин П. А., Апхазава М. В., Ирмевив Т. В. Метод коррозионного испытания металлов по истечению в жидких и коррозионных средах // Защита металлов. 1972. № 2. C. 15-20. [[ P. A. Akolzin, M. V. Aphazava, T. V. Irmeviv, "The method of corrosion testing of metals on the expiration of a liquid and corrosive environments" (in Russian), in Zashita metallov, no. 2, pp. 15-20, 1972. ]]
36. Стенд для коррозионно-электрохимических исследований в потоке морской воды / А. Н. Лебедев, Б. И. Курсанова, Е. В. Константинова, А. С. Дербышев и др. // Защита металлов. 1981. № 4. C. 45-56. [[ A. N. Lebedev, B. I. Kursanova, E. V. Konstantinova, A. S. Derbishev, "Stand for corrosion-electrochemical investigations is-in the flow of sea water," (in Russian), in Zashita metallov, no. 4, pp. 45-56, 1981. ]]
37. Никитин В. И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. Л.: Машиностроение, 1987. 272 с. [[ V. I. Nikitin, Corrosion and protection of gas turbine blades, (in Russian). Moscow: Mashinostroenie, 1987. ]]
38. Чижик А. А., Ланин А. А., Ермаков Б. С. Распространение коррозионных трещин в дисках паровых турбин // Энергомашиностроение. 1988. № 11. С. 32-34. [[ A. A. Chizjik, "Increase corrosion cracks in disks of steam turbines," (in Russian), in Energomashinostroenie, no. 11, pp. 32-34, 1988. ]]
39. Новикова А. Ф., Фесенко Л. Н., Теньковцев В. В. и др. Способ определения коррозионной стойкости ме-таллокерамических никелевых образцов: авт. свид. № 1377684. МПК7 G01N17/00. Опубл. 23.06.1988. Бюл. № 6. [[ A. F. Novikova, L. N. Fesenko, V. V. Tenkovtsev, A method for determining the corrosion resistance of nickel-me-tallokeramicheskih samples, (in Russian), certificate no. 1377684, 1988. ]]
40. Мирошниченко О. А., Шаповалов А. Л., Крутовая-Козинец А. А. Способ определения скорости коррозии углеродистой стали: авт. свид. № 1290147. МПК7 G01N17/00. Опубл. 12.03.1987. Бюл. № 5. [[ O. A. Mirosh-nichenko, A. L. Shapovalov, A. A. Krutovaya-Kozinets, A method for determining the corrosion rate of carbon steel, (in Russian), certificate no. 1290147, 1987. ]]
41. Богоявленская Н. В., Третьякова В. Д. Поведение углеродистой стали при электрополировке в электролите с добавками ПАВ // Защита металлов. 1972. № 2. C. 87-93. [[ N. V. Bogoyavlenskaya, V. D. Tretyakova, "Behavior of Carbon Steel at electropolishing in an electrolyte with the additives of surfactants," (in Russian), in Zashita metallov, no. 2, pp. 87-93, 1972. ]]
ОБ АВТОРАХ
ГИШВАРОВ Анас Саидович, проф., зав. каф. авиац. двигателей. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по тепл. двигателям ЛА (УГАТУ,1993). Теор. и эксп. иссл. в обл. надежности, ресурса и испытаний технических систем. ДАВЫДОВ Марсель Николаевич, доц. каф. авиац. двигателей. Дипл. инж.-мех. по авиац. двигателям (УГАТУ, 2002). Канд. техн. наук по тепл. и э/ракетн. двигателям ЛА (УГАТУ, 2006). Иссл. в обл. испытаний технических систем.
METADATA
Title: Test methods of turbine blades at high temperature gas corrosion.
Authors: A. S. Gishvarov1, M. N. Davydov2. Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: 1,[email protected] Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 19, no. 1 (67), pp. 45-54, 2015. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: The features of the existing test methods turbine blades on the high-temperature gas corrosion. A comparative analysis of their effectiveness. Key words: defectiveness; turbine blade; high-temperature
corrosion test methods; materials GTE. About authors:
GISHVAROV, Anas Saidovich, Prof., Dept. of Aircraft Engines. Dipl. engineer (USATU, 1973). Dr. of Tech. Sci. (USA-TU, 1993).
DAVYDOV, Marsel Nikolaevich, Dipl. engineer of aircraft engines. (USATU, 2002), Cand. of Tech. Sci. (UGATU, 2006).
