СПЛАВИ ДЛЯ Зміцнення бандажних полиць робітничих лопаток ВМД
Електронний науковий журнал "ПРАЦІ ВІАМ"
ФЕДЕРАЛЬНЕ ДЕРЖАВНЕ УНІТАРНЕ ПІДПРИЄМСТВО "ВСЕукраїнський НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ АВІАЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ" ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР Укаїни<2
Авторизація
Наведено результати порівняльних досліджень властивостей розроблених у ФГУП «ВІАМ» матеріалів для зміцнення бандажних полиць робочих лопаток турбіни ВМД та властивості зарубіжних матеріалів, які застосовуються для зміцнення деталей тертя, що працюють в екстремальних умовах, у тому числі для підвищення зносостійкості бандажних полиць лопаток.
Робота виконана у межах реалізації комплексних наукових напрямів 9.7. «Високотемпературні сплави, що деформуються, і композиційні матеріали, зміцнені тугоплавкими металевими волокнами і частинками, що стираються ущільнювальні матеріали» і 10.3. «Технології атомізації для отримання високоякісних дрібнодисперсних порошків сплавів на різній основі для адитивних технологій і порошків припоїв для паяння» («Стратегічні напрями розвитку матеріалів і технологій їх переробки на період до 2030 року»)
Вступ
У конструкціях турбін сучасних ВМД широко застосовуються лопатки з бандажними полицями, що мають на бічних торцях контактні майданчики для забезпечення жорсткості зв'язку всіх лопаток після їх збирання в колеса. Таке з'єднання лопаток сприяє підвищенню їхньої вібраційної міцності. Разом з тим, пошкодження бандажних полиць є одним з головних факторів, що обмежують ресурс лопаток і двигуна в цілому. В умовах високих температур та в результаті динамічного контактного навантаження бандажні полиці турбінних лопаток найбільш інтенсивно зношуються. Крім того, в діапазоні температур 700-1100 ° С приВіброконтактне динамічне навантаження має місце процес високотемпературної фреттинг-корозії, який призводить до зносу та ушкодження контактних майданчиків. Ефективним способом збільшення довговічності лопаток є зміцнення бандажних полиць шляхом нанесення на контактні поверхні покриттів або напаювання пластин із зносостійких сплавів. Багаторічний досвід експлуатації робочих лопаток турбін із зміцненими бандажними полицями зносостійким сплавом на нікелевій основі (ВЖЛ2) та сплавами на кобальтовій основі (В3К та ХТН-61) повністю підтвердив надійність даного технологічного рішення [2–4].
Широке застосування для деталей вузлів тертя, які тривало працюють при високих температурах (до 800°С), у тому числі для зміцнення бандажних полиць лопаток, отримав розроблений у ФГУП «ВІАМ» сплав ВЖЛ2. Для зміцнення лопаток за вищих температур ІМФ НАН України спільно з ДП ЗМКБ «Прогрес» ім. академіка О.Г. Івченка було розроблено сплав на основі кобальту (ХТН-61), який отримав серійне застосування на двигунах виробництва ДП ЗМКБ «Прогрес» та ВАТ «Мотор-Січ». Застосування зносостійких сплавів для зміцнення лопаток дозволило продовжити міжремонтний ресурс ВМД у кілька разів [5].
В даний час, у зв'язку зі зростанням робочих температур, навантажень, вимог до ресурсу та економічності сучасних і перспективних ВМД, зносостійкі сплави, що застосовуються, не завжди влаштовують конструкторів і виробників ВМД, і питання створення нового, ефективного захисту контактуючих поверхонь робочих лопаток турбіни стає все більш актуальною завданням авіабудування [1, 6].
Останніми розробленими у ФГУП «ВІАМ» (понад 25 років тому) зносостійкими сплавами, призначеними для застосування як зміцнювальні покриття деталей тертя, що працюють уекстремальних умовах у широкому діапазоні температур, у тому числі для підвищення зносостійкості та ремонту бандажних полиць робочих лопаток, є сплави В4К і Х25Н10В8, що є стеллітом системи Co–Cr–W–C, легований елементами IV–V груп Періодичної системи елементів Д.І. . Менделєєва, а також інтерметалідний сплав ВКНА-2М на основі сполуки Ni3Al [7]. Максимальні температури експлуатації цих сплавів 1000-1100 ° С, але широкого серійного застосування вони не отримали, що пов'язано з розробкою та впровадженням більш дешевого зносостійкого сплаву ВЖЛ2, який на той момент влаштовував конструкторів за всіма своїми характеристиками, у тому числі максимальної робочої температури - до 900°С. Разом з тим за рядом показників розроблені у ФГУП «ВІАМ» сплави В4К, Х25Н10В8 та ВКНА-2М не поступаються сучасним закордонним аналогам і можуть бути використані для зміцнення бандажних полиць робочих лопаток сучасних ВМД після проведення робіт з технологічного випробування, коригування складів та адаптації для застосування сучасних технологій нанесення зміцнювальних покриттів. Одним із перспективних методів зміцнення та ремонту бандажних полиць лопаток може бути застосування технології лазерного наплавлення порошкових композицій на основі розроблених зносостійких сплавів [8–12].
У цій статті представлені результати порівняльних досліджень властивостей розроблених у ФГУП «ВІАМ» матеріалів для зміцнення бандажних полиць лопаток та властивості зарубіжних матеріалів, що застосовуються для зміцнення деталей тертя, що працюють в екстремальних умовах, у тому числі для підвищення зносостійкості робочих лопаток турбіни ВМД – сплави на основі кобальту марок ХТН-61, CM 64 та T-800. Всі досліджені зносостійкі сплави являють собою тверді розчиним'якою матрицею, зміцненою різними фазовими складовими (фазами Лавеса, карбідами і боридами різних складів та ін), що відрізняються високою твердістю і забезпечують зносостійкість сплаву.
Матеріали та методи
Для проведення досліджень основних властивостей зносостійких матеріалів – зміцнювачів бандажних полиць лопаток, відповідно до розроблених виробничих інструкцій виплавлено шихтові заготовки сплавів ВЖЛ2, Х25Н10В8, В4К та ВКНА-2М. Досліджено механічні властивості та структуру кожної композиції. Короткочасну міцність та пластичність визначали за ГОСТ 1497–84, твердість – за ГОСТ 8.064–94.
Зносостійкість сплавів в умовах динамічного віброконтактного навантаження досліджували за спеціальною методикою, розробленою для визначення триботехнічних характеристик жароміцних матеріалів при температурах до 1100°С, що забезпечує вимірювання параметрів зносостійкості з достатньою достовірністю при статичній і динамічній складових нормального навантаження на зразки. Методика включає визначення лінійного зношування зразків за допомогою профілактики, що досить точно відображає не тільки абсолютну величину зношування зразка, але і характер зміни рельєфу поверхні. Одними з параметрів, що визначаються при випробуваннях за даною методикою, є: Hh – середній лінійний зношування, що характеризує зміну рельєфу доріжки тертя щодо базової поверхні; Hmax – максимальне локальне пошкодження робочої поверхні (не більше доріжки тертя).
Середній лінійний знос Hh обчислювали за формулою:
,
де - середній лінійний знос по одній філограмі, розрахований при кількості точок рельєфу не менше 30 на доріжці тертя; n – кількість філограм, знятих на одному зразку (неменше трьох при кожному фіксованому рівні навантажень та температур).
Випробування проводили за наступних параметрів трибосполучення:
– амплітуда взаємного переміщення зразка щодо контрзразка – А=200±10 мкм;
- Статичне навантаження при контакті - Рст = 180 Н;
- Максимальне значення динамічного навантаження при контакті - Рдін = 250 Н;
- Площа контакту - S = 10 мм 2;
– температура випробувань 20, 700, 800, 900, 1000 та 1100°С.
Для оцінки рівня властивостей зносостійких сплавів, розроблених у ФГУП «ВІАМ», та порівняння з аналогами обрані сучасні зарубіжні сплави, які застосовуються для зміцнення бандажних полиць лопаток ВМД, властивості яких представлені у літературних джерелах [13–16]:
- Coast Metal 64 (СМ-64) - стелліт на основі системи Co-Cr-W-C, що застосовується для наплавлення на контактні майданчики бандажних полиць лопаток турбіни; сплав зберігає високу міцність при температурах до
- Tribaloy T-800 - сплав на основі системи Co-Cr-Mo-Si, зміцнений фазами Лавеса, що виділяються при додаванні в кобальтові сплави молібдену та кремнію; застосовується для плазмово-порошкового наплавлення на деталі тертя, що працюють у корозійно-активному середовищі з підвищеним зносом при температурах до 1000°С;
– ХТН-61 – сплав на основі кобальту, що застосовується для зміцнення бандажних полиць робочих лопаток ВМД за допомогою напаювання пластин та наплавлення на контактні майданчики; зносостійкість та жаростійкість сплаву обумовлені структурою, сформованою в процесі рівноважної кристалізації евтектики кобальту з карбідом ніобію.
Результати
Мікроструктури відлитих металів представлені на рис. 1. Усі досліджені матеріали мають гетерогенну структуру. У сплаві ВЖЛ2 основний є (γ+γ′)-твердий розчин,присутні такі фазові складові, як μ-фаза, фаза Лавеса, борідна евтектика та карбіди. Структура сплаву ВКНА-2М є твердим розчином з включеннями β-фази на основі сполуки NiAl, карбідів і боридів типу Me3B2. У кобальтових сплавах В4К і Х25Н10В8 основними фазовими складовими, поряд з твердим розчином, є карбіди та інтерметалідна фаза, однак у сплаві В4К ці фазові складові більші, їх кількість збільшено.
Мал. 1. Мікроструктури (×300) досліджених сплавів марок ВКНА-2М(а), ВЖЛ2(б), Х25Н10В8(в), В4К(г)
Більшість зарубіжних матеріалів, що застосовуються для зміцнення деталей тертя, що працюють у важких умовах, є сплавами на основі кобальту або нікелю з карбідним та інтерметалідним зміцненням. Сплави на основі кобальту - стеліти систем Co-Cr-W і Co-Cr-Mo, як правило, відрізняються кращим поєднанням експлуатаційних властивостей (зносостійкості, жароміцності, корозійної та ерозійної стійкості та ін.). Сплави, що розглядаються як аналоги, є найбільш високотемпературними із сучасних зносостійких жароміцних сплавів, що застосовуються для зміцнення деталей ВМД та відновлення їх профілю після експлуатації.
Сплав СМ-64, також як сплави В4К і Х25Н10В8, є стелліт системи Co-Cr-W-C. Основою сплаву є твердий розчин на кобальтовій основі, зміцнений карбідами хрому та вольфраму.
Зносостійкий матеріал ХТН-61 - це евтектичний сплав на кобальтовій основі системи Co-NbC з об'ємною часткою карбіду ніобію в евтектиці до 18%. Для зміцнення м'якої та пластичної кобальтової матриці та підвищення жаростійкості та корозійної стійкості сплав додатково легований хромом, вольфрамом, алюмінієм та молібденом. Всі ці елементирозчинені у кобальті або частково впроваджені в карбіди ніобію [15].
Сплав Tribaloy Т-800 представляє клас сплавів на основі кобальту системи Co-Cr-Mo-Si з інтерметалідним зміцненням або сплавів з фазами Лавеса - міцними інтерметалідними фазами, які виділяються в кобальтових сплавах внаслідок додавання до них молібдену та кремнію.
Мікроструктури сплавів ХТН-61 та Т-800 показані на рис. 2 [14, 15].
Мал. 2. Мікроструктури (×200) зносостійких сплавів на основі кобальту ХТН-61(а) та Tribaloy T-800(б)
Результати досліджень механічних властивостей виплавлених композицій та властивості матеріалів-аналогів представлені у табл. 1.
Властивості зносостійких сплавів