3.3.2.Влияние на усталость конструктивного и масштабного факторов

На рис. 3.3.8 показано влияние масштабного фактора на сопротивление усталости литых лопаток турбин. С увеличением высоты лопатки в 2...2,5 раза предел выносливости снижается в 1,5...2 раза, при этом рассеяние предела выносливости для одного типоразмера лопатки составляет ± 25 %.

Закономерность влияния на усталость литых лопаток сложности конструкции можно проследить на лопатках с одинаковыми пара­метрами профильной части, но отличающихся конструкцией систе­мы охлаждения (табл. 3.3.9). Лопатки с простейшей системой охлаж­дения в виде продольных каналов имеют предел выносливости = 270 МПа, замена системы охлаждения на штырьковую сни­жает до 170 МПа при Т_тп = 20 °С и до 200 МПа при Т_исп = 850 °С, а очаги усталостных трещин перемещаются с наружной на внутреннюю поверхности к основанию штырьков, где концентра­ция напряжений составляет α_о — 1,6...2. Этому также способствует значительная шероховатость внутренней поверхности R_а — 20...40 мкм по сравнению с R_a = 0,32...0,16 мкм на внешней. Для лопа­ток с перфорацией на кромках (для выхода охлаждающего воздуха) — 125 МПа, что вызывается образованием на поверхности отверстий обедненного легирующими элементами слоя глубиной 100 и более мкм при электроискровой обработке.

Рис. 3.3.8. Зависимость предела выносливости литых лопаток от длины профильной части

В профильной части охлаждаемых лопаток,, особенно дефлектор- ных, при испытаниях на усталость и в эксплуатации могут возбуж­даться формы колебаний, свойственные тонкостенным деталям типа оболочки, что важно иметь в виду при оценке фактической напря­женности лопаток.

Таблица 3.3.9

Предел выносливости литых лопаток турбин одного типоразмера при различных конструкциях системы охлаждения

Материал лопатки	Система охлажде­ния	Температура испытаний, °С	Предел выносливости, МПа
ЖС6К	Шестиканальная	20	270
	Девятиканальная	20	290
ЖС6У	Штырьковая	20	170
ЖС6У-ВИ	Штырьковая с рассекателем	20	180
ЖС6У	Штырьковая	850	200
ЖС6УВИ	Штырьковая с рассекателем	950	180
ЖС6УВИ	Штырьковая с перфорацией	20	140
ЖС6-У	Штырьковая и с дефлектором	700	260

Влияние на усталость температуры испытаний. Для ли­тейных сплавов характерны пониженные значения при темпера­турах до 500 ... 600°С. У сплавов ВЖЛ12У, ЖС6К, ЖС6УВИ при температуре 20 °С на базе циклов может составлять 100...140 МПа [3], а для деформируемых сплавов типа ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ, ЖС6КП и др. при тех же условиях он равен 200 ... 300 МПа.

Хотя литейные сплавы с равноосной структурой мало чувстви­тельны к надрезу при комнатной температуре, они имеют низкие значения пределов выносливости для гладких образцов. Это можно объяснить высокой ролью, которую играют в этих сплавах напряже­ния II-го и III-го рода за счет образования микропор, выделения вторичных структурных фаз. При комнатной температуре основной механизм упрочнения никелевых сплавов практически не реализует­ся, так как значения приведенного критического напряжения сдвига для γ и γ'-фаз примерно одинаковы. В локальных объемах мате­риала создается высокий уровень внутренних напряжений, обуслов­ленных различием коэффициентов линейного расширения γ и γ'- фаз, напряжений, возникающих при нагружении вследствие разли­чия модулей упругости фазовых составляющих и эффекта концен­трации напряжений вблизи дефектов структуры. В условиях дей­ствия циклических нагрузок в никелевых сплавах с ГЦК-решеткой имеет место атермическое развитие разрушения, при котором скольжение и накопление микропластической деформации происхо­дит в кристаллографических плоскостях; поперечное скольже­ние затруднено и наблюдается только плоскостное движение дисло­каций. Сплавы с направленной структурой в целом благоприятно ориентированы для развития скольжения в плоскостях упаковки, что обеспечивает возможность "рассеивания" скольжения, т. е. распространения его по большому числу параллельных плоскос­тей. В сплавах с равноосной структурой развитие такого процесса в больших масштабах невозможно ввиду случайной ориентации зерен относительно оси приложения нагрузки и их меньших разме­ров. Поэтому при нормальной температуре сплавы с направленной кристаллизацией имеют более высокий предел выносливости глад­ких образцов. В образцах с коцентратором напряжений процесс циклического деформирования локализуется у дна надреза, что приводит к более сильному снижению предела выносливости, чем для образцов с равноосной структурой.

При повышенных температурах механизм накопления пластичес­кой деформации изменяется: происходит переход от плоскостного скольжения при комнатной температуре к волнообразному при температурах Т > 0,4T_пл. Такое изменение механизма скольжения обусловлено, по всей вероятности, термической активизацией этих процессов в нестабильных никелевых сплавах, значительным облег­чением поперечного скольжения, являющегося для материалов с ГЦК-решеткой определяющим фактором температурной зависимос­ти деформационного упрочнения, реализацией дисперсного упрочне ния, высокой энергией дефектов упаковки. При указанных темпера­турах приведенное критическое напряжение сдвига γ-фазы значи­тельно выше аналогичного значения γ'-фазы.

Показатель наклона кривой усталости литейных сплавов m = 2...5, т. е. кривая очень крутая. С повышением температуры испытаний, начиная с 500°С, предел выносливости литейных сплавов возраста­ет, достигая максимального значения в интервале температур 650... 800°С. Одновременно увеличивается значение показателя т (до 11...16). Увеличение пределов выносливости и значений т при повышении температуры испытания характерно и для литых лопа­ток турбин, однако предел выносливости лопаток возрастает в меньшей мере (рис. 4.9), чем у образца, составляя около 10 ... 20 % для базы циклов. В целом разброс средних значений пределов выносливости литых лопаток при повышенных температу­рах на базе 2 10⁷ циклов колеблется от 180 до 300 МПа.

Рис. 3.3.9. Вероятности распределения показателей т кривых усталости для охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток:

1 — неохлаждаемые и 2 — охлаждаемые = 20 °С); 3 — охлаждаемые и неох­лаждаемые = 700 ... 950 °С)

Статистический анализ параметров кривых усталости охлаждае­мых и неохлаждаемых лопаток, испытанных при Т_исп = 20 и 750...900°С, показывает, что среднее значение т для охлаждаемых лопаток 7,6 (см. рис. 4.9). При повышенных температурах обе выбор­ки становятся однородными, а значение m возрастает до 12,4, од­нако S_m для всех случаев изменяется незначительно, составляя 2.