CC BY
18
К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ
УДК 621.791.7:620.17:620.18
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ С МУЛЬТИФРАКТАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ ИЗ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА
Э.Р. ГАЛИМОВ, А.С. МАМИНОВ, А.Д. АНВАРОВ, А.В. БЕЛЯЕВ
Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
Показывается возможность идентификации механических свойств на примере твердости НУ различных зон сварного соединения деталей газотурбинных двигателей из сталей аустенитного класса на основе мультифрактального анализа металлографического изображения структуры и расчета температурных полей.
В настоящее время при производстве и ремонте корпусов камер сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) НК-16СТ и НК-16-18СТ применяются жаропрочные стали аустенитного класса. Двигатель НК-16СТ состоит из газогенератора и свободной турбины. Каждый из них является самостоятельным модулем, установленным на свою раму. В качестве силового привода использован газогенератор двигателя НК-16СТ, а силовая турбина является новым специально разработанным модулем. Компоновочная схема ГТД НК-16СТ выполнена с учетом возможности объединения ее с газогенератором двигателя НК-16-18СТ.
На ряде предприятий накопилось значительное количество корпусов камер сгорания с различной наработкой в эксплуатации. Целесообразным является внедрение их, после доработки сменой крепления на более жесткий фланец, в эксплуатацию в составе оборудования наземного применения для перекачки природного газа. После изменения элемента конструкции корпуса камеры сгорания возникают дефекты сварки и подварки. На наличие дефектов влияет много факторов. К ним можно отнести повышенную жесткость нового фланца, различие в баллах зерна поковки и листа и др. Такие трещины можно разделать и подварить согласно требованиям нормативных документов только ограниченное количество раз. В случае превышения количества подварок корпус камеры сгорания признается по браковочным признакам негодным к эксплуатации.
Целью работы является повышение качества сварных швов наружного корпуса камеры сгорания ГТД НК-16СТ. Для достижения поставленной цели в процессе работы решаются следующие задачи:
• адаптация методологии мультифрактальной параметризации (МФП) для анализа изображений структур стали аустенитного класса;
• исследование взаимосвязи мультифрактальных параметров с изображениями структуры сварного соединения корпуса камеры сгорания;
• выработка практических рекомендаций для разработки технологического процесса сварки корпуса камеры сгорания ГТД НК-16СТ.
В ходе исследования применяются различные методы: определение
твердости по Виккерсу (НУ30), радиографический анализ, отбор проб и вырезка образцов, подготовка образцов к шлифованию, шлифование, полирование, © Э.Р. Галимов, А. С. Маминов, А. Д. Анваров, А. В. Беляев Проблемы энергетики, 2008, № 11-12
травление [1], микроструктурный анализ, микросъемка, мультифрактальный анализ и ряд других.
Наружный корпус камеры сгорания изготавливается из аустенитной стали 10Х11Н20Т2Р, химический состав которой приведен в табл. 1 по ГОСТ 5582-75. Аустенитные жаропрочные стали представляют собой стабильный однофазный твердый раствор Сг и N1 на основе Fe с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой. В этих сталях тип структуры металла шва, формируемой в процессе кристаллизации, зависит от химического состава стали и теплофизических условий кристаллизации.
Таблица 1
Химический состав стали 10Х11Н20Т2Р по ГОСТ 5632-72
Массовая доля элементов, %
C Si Mn Сг N п А1 В ¥е S Р
<0,10 <1,0 <1,0 10-12,5 18-21 2,3-2,8 <0,8 <0,008 осн. 0,020 0,030
При сварке плавлением аустенитных сталей главная проблема -правильный выбор режимов сварки для предотвращения горячих трещин в металле шва и зоне термического влияния. В связи с этим в работе детально рассматривается сборочно-сварочная операция, так как именно на этой стадии технологического процесса возникают дефекты.
Фланец приваривается к корпусу камеры сгорания автоматической аргонно-дуговой сваркой. Технологический процесс ремонта наружного корпуса камеры сгорания состоит из следующих операций: отрезка фланца старой конструкции, термическая обработка (отжиг), сборка с выполнением прихваток, аргонодуговая сварка, контроль, подварка дефектов, термическая обработка (старение), окончательный контроль. При сварке применяется приспособление для вращения детали с горелкой и керамическим соплом. Толщина деталей в месте сварки 2,5 • 10-3 м. Сварка осуществляется по следующим режимам: полярность прямая, сила сварочного тока Iсв = 160 ± 20 А, скорость сварки v св = 0,00433 0,005 м/с, электрод вольфрамовый диаметром dэ = 4 • 10-3 м. В
качестве основной защиты сварного шва применяется гелий Б по ТУ 51-940-80, аргон первого или высшего сорта, а для корня шва - аргон первого или высшего сорта по ГОСТ 10157-79. Контроль качества сварных швов выполняют согласно инструкции ТУС-006 «Наружный корпус камеры сгорания». В соответствии с данной инструкцией для сварного шва производится 100% радиографический контроль (особо ответственная операция) на выявление недопустимых дефектов в сварных швах и околошовной зоне. Дефекты сварки - трещины, подварки -завышенная ширина сварного шва, трещины.
Из наружного корпуса камеры сгорания в области сварного шва были вырезаны образцы для проведения серии замеров твердости по Виккерсу НУ30 и исследования микроструктуры. Ценными для исследования являются как годные образцы по результатам радиографического анализа, так и образцы с дефектами.
Твердость измерялась по всему сечению сварного соединения, каждый замер имел свою координату, т.е. стал известен характер распределения твердости в соединении. Места исследования микроструктуры и мультифрактального анализа четко привязаны к отпечаткам индентора.
Оцифрованное изображение структуры разбивается на ячейки определенного размера. Разработанный алгоритм расчета мультифрактальных характеристик проводится в четыре этапа: 1) предварительная подготовка изображений изучаемых структур; 2) проведение автоматической генерации шкал (масштабов) для построения фрактальных регрессионных графиков; 3)
формирование фрактальной меры на изображении; 4) расчет мультифрактальных характеристик и проверка их на корректность [2-4].
Металлографические шлифы исследованы при увеличении х100 с применением программы МГЯОгот, разработанной д-ром физ.-мат. наук
В.Г. Встовским в ИМЕТ РАН. Для обеспечения точности и снижения вероятности получения случайных значений упорядоченности и однородности структуры (возможны нулевые значения) исследовалось 6 прилегающих областей для каждого отпечатка индентора твердомера п, т.е. общее количество анализируемых изображений 6 х п (в исследовании п = 12). Проведен мультифрактальный анализ микроструктур аустенитной стали 10Х11Н20Т2Р после сварки для основного металла, зоны термического влияния, линии сплавления и сварного шва, в том числе и для дефектных участков с трещинами (рисунок).
Рис. Микроструктура сварного шва с трещиной
Путем оценки характера распределения твердости и мультифрактальных параметров от координаты измерения, можно получить зависимость НУ30 от однородности F2oo (упорядоченности ^-^200). Исследования показывают снижение параметров однородности и упорядоченности для линии сплавлении и в местах возникновения дефектов, что подтверждает правильность вычислений. Предсказать структуру различных зон сварного соединения можно, зная марку материала, режимы сварки, условия нагрева (охлаждения) и др. В расчетах тепловых процессов, протекающих при сварке, широко используют зависимости, полученные путем схематизации и упрощения действительных процессов распространения теплоты. Эти допущения позволяют получить стройную теорию распределения температуры в телах при нагреве их различными движущимися источниками теплоты.
Приращение температуры в случае действия мгновенного точечного источника будет выражено следующим уравнением:
А Т = Q с -R2/(4а'{),
ср • (4п• а • t)3/2
где АТ - приращение температуры в рассматриваемой точке с координатами х, у, z; t - время; отсчитываемое с момента введения теплоты; R - расстояние до рассматриваемой точки от начала координат, где была введена теплота; X -коэффициент теплопроводности; ср - объемная теплоемкость; а - коэффициент
температуропроводности; Q - эффективная мощность.
Для коррозионно-стойкой аустенитной стали X =28 Вт/(м • К),
ср = 4,75 • 106 Дж/(м3 • K), а = 6 • 10-6 м2/с. Определяем Q = 4590 Вт. Принимается различное значение t, равное 10, 5, 1 с. Выявлен характер зависимости приращения температуры от времени t и расстояния R, который подтвердил, что на малых расстояниях R действуют достаточно высокие температуры, которые оказывают соответствующее влияние на формирование структур и вероятность образования горячих трещин.
Жаропрочная аустенитная сталь 10Х11Н20Т2Р отличается высоким коэффициентом теплового расширения, малой теплопроводностью и высокой релаксационной стойкостью при высоких температурах. Основными причинами появления трещин в сварном шве являются: исчерпывающаяся пластичность металла шва в результате усадки шва и перемещения свариваемых заготовок; межзереный характер высокотемпературной сварочной деформации. Установлено, что для предотвращения образования горячих трещин необходимо учитывать значение силы сварочного тока и скорости сварки, т.е. погонной энергии. Наиболее эффективно регулирование скоростью vce, в частности уменьшением ее до 0,00166 м/с при сварке жаропрочных сталей аустенитного класса, склонных к образованию горячих трещин. Снижение силы тока менее результативно. В этом случае обобщенным критерием режима является энерговложение, приходящееся на секундную длину шва. Чем больше эта величина, тем ниже стойкость против образования горячих трещин в металле шва и зоне термического влияния [5].
Выводы
В ходе исследования установлена связь между твердостью по Виккерсу HV30 и мультифрактальными характеристиками однородности F200 (упорядоченности -01-^2оо) для жаропрочной стали аустенитного класса 10Х11Н20Т2Р, а также показано распределение температур по сечению сварного соединения, что в комплексе позволяет контролировать появление нежелательных структур (трещин) в сварном шве путем изменения погонной энергии сварки.
Также проведенные исследования на базе методологии МФП позволяют прогнозировать твердость сварного соединения стали аустенитного класса 10Х11Н20Т2Р в его различных участках по металлографическому изображению структуры.
Symmary
The possibility of mcchanical properties' identification, as illustrated by hardness HV, for various zones of a welded connection of gas turbine engines parts made from steels
of austenite grade on the basis of multifractal analysis of metallographic images of structure and calculation of temperature fields was shown.
Литература
1. Баранова Л.В., Демина Э.Л. Металлографическое травление металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1986. - 256 с.
2. Возможность идентификации механических свойств металла оборудования химических производств при экспертизе промышленной безопасности на базе метода мультифрактальной параметризации / А.Д. Анваров, А.С. Маминов, В. А. Булкин и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2006. - № 1. -
С.77-82.
3. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Бунин И.Ж. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов. - Ижевск: Научноиздательский центр «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 116 с.
4. Встовский Г.В. Элементы информационной физики. - М.: МГИУ, 2002. -
260 с.
5. Сварка и свариваемые материалы / Под ред. Э.Л. Макарова. - М.: Металлургия, 1991. - С. 528.
Поступила 16.07.2008
