2.3 Матеріали для виготовлення деталей гарячого тракту ГТУ

Найбільш поширеною групою матеріалів при виготовленні дис­ків, лопаток, компресорів ГТД є феритні сталі. Для виготовлення дис­ків високотемпературних ГТУ (за умови ефективного охолодження) використовуються сталі 15Х12ВНФ, 20Х12ВНМФ. Завдяки високій демпфуючій здатності для лопаток компресорів застосовують сталі 20Х1З, 14Х17Н2, 1ЗХ14Н2ВФР, 1ЗХ11Н2В2МФ. Для виготовлення лопаток компресорів з підвищеною корозійною стійкістю - сталь

08Х17Н6Т.

Іншою групою сталей, що переважно використовуються у вузлах камер згорання та турбіни, є аустенітні сталі. За Б.Гєцовим [1] аусте­нітні сталі, що використовують в газотурбобудуванні, поділяють на три основні групи.

Першу групу складають незміцнені сталі, нестабілізовані або стабілізовані титаном (ніобієм), із твердорозчинним зміцненням: 08Х18Н9, 20Х23Н18, 12Х18Н10Т, 09Х14Н19В2БР1, 10Х16Н13М2Б. Ці сталі характеризуються низькою границею плинності. Сталі цієї групи призначені для виготовлення регенераторів та корпусних дета­лей. Ці сталі мають високу жаростійкість при температурах до 600­650°С в продуктах згорання палива та на повітрі, що не містять солей морської води. Мають високу технологічність (виготовляють труби, лист), високий рівень термостійкості в умовах багаторазових запусків.

12Х18Н10Т - використовується для регенераторів, має задовіль­ний рівень корозійної стійкості в морському повітрі. Недоліком є схи­льність до корозійного розтріскування при 70-150°С в присутності со­лей морської води.

20Х23Н18 - матеріал жарових труб та деталей низькотемперату­рних турбін.

09Х14Н19В2БР1, 10Х16Н13М2Б - матеріали малонавантажених

дисків стаціонарних турбін.

Другу групу складають сталі із інтерметалідним дисперсійним зміцненням (за рахунок частинок №3Ті, №3(А1,Ті)): 10Х11Н20Т3Р, Х12Н22Т3МР, А-286, 08Х15Н24В4Т, ХН35ВТ, ЭИ612К, ХН35ВТЮР.

Третю групу складають сталі з карбідним дисперсійним зміц­ненням (37Х12Н8Г8МФБ, 31Х19Н9МВБТ, ЭИ434).

37Х12Н8Г8МФБ - для дисків авіаційних та суднових двигунів. Недолік - схильна до корозійного розтріскування.

31 Х19 Н9МВБТ - для дисків, лопаток стаціонарних турбін. Мо­жливим є виготовлення деталей деформацією або литвом.

Завдяки відсутності поліморфних перетворень до температур експлуатації та високому рівню жароміцності в газотурбобудуванні широко використовуються сплави на основі нікелю. До складу таких сплавів обов'язково входять хром, алюміній, титан, що забезпечують достатній рівень жаростійкості (рис.2.3) і жароміцності за рахунок ви­ділення інтерметалідної у'-фази (№3(А1,Ті)). Границя тривалої міцнос­ті деяких нікельових сплавів при температурі 850°С на протязі 10000 годин наведена у табл. 2.3. Рівень жароміцності сплаву залежить від кількості зміцнюючої фази (рис.2.4).г/см

V

2

1(Ґ 8 6

4

З

10" 8 6

4

З

 

 

 

 

 

\ЖСбА

 

 

 

 

\ЗП22()

■ ХН75І

мю

 

 

 

 

 

 

 

 

Ахн;

Ї5ВМТФКЮ

 

\зг

[800\*

 

 

 

ХН56ВМКЮХ

 

 

 

\

/>-

И89"?Л-

 

 

 

ОСС6КІ

X/

 

І65МВТ

ю

 

\ ,

 

.ХН75БТЮ

ХН7бВМТЮ.Ф

 

Ш60ВТ

 

 

Ч^ЗИ8

 

 

ХНІ

ОТБКГ"

 

 

 

 

1

10

14

18

22

Сг, %

Рисунок 2.3 - Залежність втрати маси ^) жароміцних сплавів від вмісту хрому при випробуваннях у золі при 800°С протягом 200 годин (склад золи 66%Ка2804+1,8%У205+20,4%Ее203+8,3%КЮ+3,3%Са0) [1]

Таблиця 2.3 - Тривала міцність жароміцних сплавів на нікельо-вій основі [1]

Марка сплаву

850

°10000 , МПа

МЛЯ-М-246

290

В 1900

250

ІЧ 713С

180

Шітеї 700

170

ІЧ 738

160

ЖС6К

180

ХН55ВМТКЮ

150

ЗП220

150-160

О    10  20  ЗО 40  50  60 70

у, % (об'ємних)

1 - литі сплави;

2 - деформовні сплави

Рисунок 2.4 - Залежність тривалої міцності жароміцних нікельових сплавів від об'ємної кількості у'-фази [11]

Для виготовлення дисків ГТУ з різним строком експлуатації призначені жароміцні деформовні сплави на основі нікелю: ХН77ТЮР (ЗИ437Б), ЗИ607А, ХН70ВМЮТ, ХН73МБТЮ (ЗИ698), №топіс 80А, Чітопіс 90, ЕЧ706. Для робочих лопаток високотемпе­ратурних турбін використовують сплави ХН80ТБЮ, ЗИ607А, ХН70ВМЮТ, Чітопіс 80А, ЖС32, ЖС26. Для лопаток ГТУ з обмеже­ним строком експлуатації використовують ХН70ВМТЮФ, ХН55ВМТФКЮ, ХН62МВКЮ, ЗИ929, ХН56ВМКЮ, ЗП220, ЖС6КП, ЖС6У, М-252, Чітопіс 95, Чітопіс 100, №топіс 105, №топіс 115.

Сплави ХН70ВМТЮФ та М-252 також використовують для лопа­ток суднових та стаціонарних турбін з тривалим строком експлуатації.

ХН65ВМТЮ - для лопаток стаціонарних турбін.

Для лопаток з температурою експлуатації до 1000°С розроблені ливарні сплави ЖС6К, ЖС6У, ВЖЛ12У, ЕЧ 100, ЕЧ 792, МАЯ-М-200.

Для робочих лопаток перших ступеней стаціонарних турбін ви­користовують ливарні сплави типу ЕЧ 738, ЕЧ 738ЬС, ЧС70ВИ.

Для спрямовуючих лопаток з підвищеним рівнем стійкості до ВТК при обмеженій тривалості експлуатації використовують сплави ВЖЛ8, ЖС3. Для тривалого використання - СНЛ-1, ЗП539Л, ЗИ893Л, ЖС6К (у випадку додаткового захисту поверхні).

Для виготовлення крильчаток та невеликих дисків з лопатками застосовують ливарні сплави типу Німокаст, ЖС3Д (ливарна модифі­кація ХН70ВМТЮ).

Для камер згорання та корпусних деталей, завдяки високому опору корозії, використовуються: ХН70Ю, ХН78Т, ХН75МБТЮ, ВЖ85, ЗП99, ХН60ВТ, Чітопіс 75.

Сплави на основі кобальту використовують при виготовленні направляючих лопаток турбін з температурою експлуатації вище 1000°С (Х40, Х45, МАЯ-М-509, Б8Х-414), за рівнем жароміцності ці сплави не поступаються нікельовим, для яких нагрівання вище 1000°С зумовлює розчинення зміцнюючої у'-фази.

Завдяки антифрикційним властивостям і невеликому коефіцієнту лінійного розширення при температурах експлуатації кобальтові сплави, наприклад, Б8Х-414 використовують для виготовлення вту­лок спрямовуючих апаратів.

Високий рівень питомої міцності, що є характерним для титано­вих сплавів, зумовлює широке використання цих матеріалів при виго­товленні ГТД. Зменшення маси конструкції є особливо важливим для авіаційних двигунів. Заміною сталевих деталей на титанові забезпечу­ється зменшення маси в 1,7 разів із збереженням показників міцності та тривалої міцності. В двигунах титанові сплави переважно викорис­товуються для виготовлення деталей компресора. Маса компресорів знизилась на 30-35 %. Основною складністю при використанні тита­нових сплавів як матеріалу деталей компресорів (лопаток) є висока чутливість до стану поверхні. Вимагається високий рівень виробницт­ва (обладнання та кваліфікованого персоналу). З титанових сплавів виготовляють диски, барабани компресорів, спрямляючі апарати та робочі лопатки компресорів. Титанові сплави мають високий рівень корозійної стійкості. Ці матеріали забезпечують достатній рівень жа­роміцності до 450°С, тобто в умовах підвищення температури повітря, що відбувається в компресорі. Недоліком є схильність до корозійного розтріскування. При певних умовах (тиску та концентрації кисню) при виникненні свіжого зламу, коли поверхня не захищена окисною плів­кою, стає можливим спалахування титану на повітрі. Це явище має на­зву "титанова пожежа". З метою запобігання цього явища використо­вують оптимальний вибір зазорів між деталями та підбор пар "титан-сталь" замість небезпечного поєднання "титан-титан".

Найчастіше використовують титанові сплави з а- та а+р-структурою.

Для лопаток компресора використовуються сплави ВТ5, ВТЗ-1, ТС5, для дисків - ВТ6, ВТ9, ВТ20.

Титанові сплави також використовуються при виготовленні кор­пусів. В промисловості проводиться уніфікація титанових сплавів, за­раз відбувається поступове вилучення застарілих сплавів та їх заміна новими та модернізованими матеріалами. Для авіадвигунів рекомен­дують використовувати наступні титанові сплави: ВТ6, ВТ8-1, ВТ8М-1, ВТ20, ВТ18У, ВТ25У (табл. 2.4).

Таблиця 2.4 - Рекомендовані для використання в нових авіадви­гунах титанові сплави в залежності від температури експлуатації де­талей [12]

 

 

Деталі авіа­двигуна

Рекомендований температурний інтервал використання сплавів

50-350°С      |   300-500°С  |  450-550°С  | 550-600°С

Вентилятор, компресор ни­зького тиску

Компресор низького тиску

Компресор високого тиску

Компресор високого тиску

Диски ком­пресора

ВТ6, ВТ8-1, ВТ22

ВТ8-1

ВТ25У

-

Лопатки ротора компресора

ВТ6, ВТ8-1, ВТ22

ВТ8-1

ВТ25У

ВТ18У

Деталі ста­тора, кожух

ВТ6

ВТ20

-

-

Вибір матеріалу повинен враховувати переваги та недоліки сплавів, в залежності від температурного діапазону та оптимальних функціональних характеристик. Для дисків вентилятора та компресо­ра низького тиску рекомендовано сплави ВТ6, ВТ8-1, ВТ22. В цій по­слідовності зростає міцність сплавів і знижується надійність (тріщи-ностійкість), тому для двигунів цивільної пасажирської авіації дореч­ним є використання більш надійних сплавів ВТ6, ВТ8-1, а для двигу­нів військової авіації - більш міцного сплаву ВТ22, що дає виграш у масі.

Розподіл титанових сплавів за системами компресора турбореак­тивного двигуна наведено у таблиці 2.5.

Деяке обмеження використання титанових сплавів пов'язано із недостатньою зносостійкістю та ерозійною стійкістю цих матеріалів, та певними обмеженнями у технології лиття та зварювання.

Таблиця 2.5 - Титанові сплави, що використовуються в констру­кції турбореактивного двоконтурного двигуна ПС-90А [12]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Марка сплава

Напівфабрикат

Вимоги за ТУ (ств, МПа)

Призначення (вузли, деталі)

Робочі темпера­тури, °С

1

2

3

4

5

^ Я а т оо V

Штамповки за ТУ-1-807-312-90

960-1000

Диски І-УІ ст. КВТ

до 350

Штамповки за ОСТ-1.90002-86

980-1180

Робочі лопатки венти­лятора (ВТ8М)

90

Штамповки за ОСТ-1.90197-89

960-1160

Диски привода підпор­них ступеней, диск вен­тилятора (ВТ8)

до 120

Диски УІІ-УІІІ ст. КВТ

до 450

Цільнокатані кільця за

ОСТ-1.92131-92

>980

Кільця обмежуючі І-Х ст. КВТ (ВТ8)

150

Прутки за ТУ1-805-178-90

>961

Лопатки І-УІІІ ст. КВТ, лопатки підпорних сту­пеней (ВТ8М),-лопатки направляючі

І- ІІ ст. КВТ

до 440

ВТ20 р=4,45 г/см3 псевдо а-сплав

Цільнокатані кільця за ОСТ-1.92039-75

>932

Фланці, сопла

До 500

Зварні кільця за ОСТ-1.90105-73

930-1180

Корпус КВТ, кільця СА, кільця робочі середніх ступеней КВТ, фланці

Листи за ОСТ-1.90218-76

930-1180

Навантажені листові деталі

Прутки за ОСТ-1.90107-73, ОСТ-1.90173-75

930-1180

Фланці, кільця

ВТ5Л р=4,4 г/см3 а-сплав

Литі електроди за ОСТ-1.90031-77 Відливки за

ОСТ-1.90060-79

686-980

Литі деталі різної склад­ності (фланці, крон­штейни, циліндри та ін.)

до 400


 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

г

3

4

5

"а З £ 5

03 ^4 5а +

а£

Кільця зварні за ОСТ-1.90100-73

930-1080

Кільця, фланці, обічайки, корпуси та ін.

до 350

Кільця цільноката-ні за ОСТ-1.92039-75

>883

Прутки за ОСТ-1.90173-75

900-1050

Прутки за ОСТ-1.90266-86

900-1050

Деталі арматури, пере-хідники, фланці, кільця, втулки та ін.

350-400

з @ -У в

Н 10 <^ 03^^

II і

Прутки за ОСТ-1.90173-75

980-1225

Деталі кріплення

до 350

ВТ18У р=4.49 г/см3 а-сплав

Штамповки за ТУ1-92-32-80

>883

Диски ІХ-ХІ ст. КВТ

до 580

р=4,55 г/cм3 псевдо а-сплав

Цільнокатані кіль­ця за ОСТ-1.92039-

75

>675

Кільця СА внутрішні, опора вальницева, фла­нці, кільця

до 350

Зварні кільця за ОСТ-1.90102-73

686-883

Кільці СА зовнішні, кі­льця СА, корпуси СА, кільця робочі I-Ш ст. КВТ, фланці реверсій-ного пристрою

до 350

Листи за ОСТ-1.90218-76

686-883

Штамповані зварні де­талі (обічайки, манже­ти, накладки та ін.)

до 350

Окрім наведених сплавів, в газотурбобудуванні використову­ються сплави типу МЛ5, АЛ2, АЛ5 для виготовлення литтям корпусів насосів постачання масла та палива.

Більш докладне вивчення складу, властивостей, термічної обро­бки жароміцних матеріалів та сплавів на основі алюмінію, магнію, ти­тану передбачено у дисциплінах "Спеціальні сталі та сплави в ГТБ", "Кольорові метали та сплави".