11.1 Тривала експлуатація деталей ГТУ, вплив на структуру та властивості

Аналіз експлуатації деталей газотурбінних установок свідчить, що їх руйнування пов'язано зі змінами, які відбуваються під час експлуатації в геометрії деталей, в структурі, в хімічному складі поверхневих шарів матеріалу. При тривалій роботі в матеріалі деталей висока температура зумовлює дифузійну активність та є причиною процесів розчинення, коагуляції основних фаз, при надмірному легуванні з'являється небезпека появи нових фаз, що мають несприятливу будову та негативно впливають на властивості. Питання структурної стабільності існуючих жароміцних матеріалів вирішується лише на певному проміжку часу, впродовж якого на деталь діють визначені рівень температури та напружень. Висока вартість, дефіцитність більшості компонентів, складна технологія виготовлення деталей ГТУ потребує вирішення питання продовження строку служби деталей.

Одним з шляхів вирішення проблеми подовження терміну експлуатації деталі є спосіб підвищення ресурсу, пов'язаний з ремонтом деталей. З іншого боку, перспективним є обгрунтований (пов' язаний з умовами роботи) вибір матеріалу та схеми легування та вдосконалення технології виготовлення. Звісно це потребує значних витрат.

З метою відновлення геометрії робочих лопаток турбін у світовій практиці розроблено різні технологічні прийоми: зварювання, дугове паяння у вакуумі, гаряче ізостатичне пресування та поверхневе спікання. Найбільш поширеним способом відновлення геометрії є зварювання. Для нікелевих сплавів з низьким та середнім вмістом у'-фази (ХН77ТЮР, №топіс-80а, №топіс-90, №топіс-105) зварювання не приводить до утворення тріщин. У випадку підвищеної кількості у'-фази (Іпсопе1-738ЬС, ІпсопеІ-700, Шітеі-500, Шітеі-520) процес зварювання ускладнюється через схильність до утворення тріщин. В цьому випадку вважається доцільним проведення гарячого ізостатичного пресування або заповнення пошкоджень від ерозії або ВТК спіканням порошків подібного до основного металу складу.

Відновлення геометрії деталей є важливою, але недостатньою умовою для забезпечення збільшення ресурсу, оскільки не враховує зміни, що сталися в структурі матеріалу лопаток під час експлуатації. Отже, постає питання відновлення структури.

Існує декілька підходів до визначення залишкового ресурсу та можливості відновлення термічною обробкою структури лопаток, виготовлених з нікелевих сплавів, об'ємна кількість у'-фази в яких складає 60-70%. Структурні зміни, що викликають зменшення міцності, можуть бути охарактеризовані ступенем деградації у'-фази (Сд). Ступінь деградації характеризує зв'язок кінетики накопичення змін в у'-фазі з умовами експлуатації. Зворотність фазових реакцій визначає принципову можливість відновлення механічних характеристик до вихідного рівня за рахунок проведення високотемпературного нагрівання сплаву та залежить від ступеня несприятливих змін. На прикладі сплаву ЖС6У було показано, що крім деградації у'-фази фактором, що стримує регенерацію структури, є утворення карбіду М6С. Отже, Сд не є задовільним критерієм для сплавів, в яких відбуваються карбідні перетворення. Зменшення міцності та руйнування матеріалів може бути пов'язано зі змінами, що відбуваються під час експлуатації на межах зерен. На думку деяких дослідників, зменшення працездатності деталей ГТУ, зокрема лопаток, пов'язано із утворенням грубих структурних складових -зерномежових прошарків, що містять частинки у'-фази, кількість та розміри яких залежать від інтенсивності перебігу карбідних перетворень. Кількісним структурним критерієм оцінки залишкового ресурсу лопаток з ливарних жароміцних нікелевих сплавів пропонується вважати ширину зерномежового прошарку. В цьому випадку враховується фактор утворення пор та тріщин в примежових зонах. Для сплаву ЖС6У-ВИ граничними вважаються прошарки шириною понад 2,5 мкм. Відновлення працездатності матеріалу проводиться термічною обробкою на стадії, коли в прошарках ще не утворилися пори та мікротріщини. Довговічність лопаток в цьому випадку може бути подовжена на 30-40%. Деякі структурні дефекти, що виникають при роботі деталі є зворотними, тобто усуваються в процесі відновної термообробки. Існує можливість впливати на розмір частинок та об'ємну кількість у' - фази, усувати сполуки типу ата |1 фаз в нікелевих жароміцних сплавах, якщо нагрівання проводиться вище температури розчинення відповідних фаз.

Для забезпечення тривалої роботи деталей ГТУ необхідна найбільш повна інформація щодо поведінки матеріалу в експлуатаційних умовах (з урахуванням температури, напружень, впливу навколишнього середовища). Така інформація може бути отримана при максимальному відтворенні умов роботи в процесі випробування. В деяких випадках для прогнозування структурних змін використовують спеціальні розрахунки, що грунтуються на певних теоретичних засадах, наприклад, розрахунок РНАСОМР.