3.3.3. Влияние эксплуатационных факторов на усталость деталей гтд

В эксплуатации кроме силовых факторов, определяе­мых конфигурацией детали и действием внешних сил (статических, циклических и вибрационных), на деталь действует ряд других факторов, связанных с особенностями влияния окружающей среды: коррозия, изменение температуры, эрозия, износ, фреттинг-коррозия и т. д.

Силовые факторы, за исключением вибрационных и, в какой-то мере, циклических, достаточно точно прогнозируются и учитываются на стадии проектирования.

Проблема защиты деталей от коррозии решается, в первую очередь, за счет правильного выбора коррозионно-стойких материа­лов. Этому способствует широкое применение титановых и никеле­вых сплавов и, отчасти, коррозионно-стойких сталей. Из опыта эксплуатации ГТД следует, что практически всегда возникают условия, когда детали могут подвергаться различными видами коррозии (точечной, межкристаллитной, солевой, газовой и т. д.). Этому кроме напряженности детали способствуют внешняя среда, включая температуру; технологическая наследственность; поврежде­ния эрозией, забоины и т. д. Если первый и третий факторы практи­чески нерегулируемы, то второй, связанный с технологией изготов­ления детали, управляем, а влияние его на коррозионную стойкость в ряде случаев является решающим. Эффективность применения защитных антикоррозионных покрытий определяется, в первую очередь, их живучестью в эрозионных условиях и стойкостью к термоциклам.

К эксплуатационным повреждениям, приводящим к значительно­му снижению сопротивления усталости деталей, относится фреттинг. Можно предусмотреть возможность его появления в опреде­ленных узлах, но прогнозировать его возникновение с большой вероятностью на конкретном изделии так же сложно, как и прогно­зировать уровень переменных вибрационных напряжений в деталях.

Повреждаемость лопаток турбин связана с циклическим воздей­ствием теплового потока и вызываемых им термических напряже­ний, а также действием центробежных и газовых сил. При смене режимов работы двигателя и теплового поля возникают термомеха­нические напряжения в наиболее нагруженных сечениях лопатки, приводящие к термоусталостному и малоцикловому разрушениям материала. Наличие в топливе химически активных ионов , и др. приводит к образованию повреждений в лопатках турбин в виде сульфидной коррозии.

Проблема высоких температур решается, с одной стороны, повы­шением жаропрочности и жаростойкости применяемых материалов, с другой стороны, применением жаростойких и теплозащитных покрытий и, наконец, конструктивными методами создания специ­альных систем охлаждения деталей. При повышенных температурах ресурс деталей в значительной мере определяется совершенством систем охлаждения и живучестью защитных покрытий.

Рассмотрим подробнее причины возникновения и механизмы повреждений деталей ГТД в эксплуатации.

3.4. Типичные коррозионные повреждения и влияние их на усталость

Наряду с жаропрочными титановыми и никелевы­ми сплавами для отдельных ступеней лопаток и дисков компрессора, для валов турбин и крепежа применяются коррозионно-стой- кие стали мартенситного класса 13Х11Н2В2МФ, 13Х14НВФРА, 14Х17Н2,15Х16К5Н2МВФАБ и др., а также коррозионно-стойкая сталь аустенитного класса ХН45МВТЮБР, применяемая для лопа­ток компрессора каскада высокого давления.

Коррозионно-стойкие стали, обладая высокой коррозионной стойкостью в обычных условиях, при эксплуатации в приморских районах, особенно в тропиках или в зонах с интенсивным примене­нием минеральных удобрений, могут подвергаться коррозионным повреждениям, которые интенсивно развиваются жри стоянке и хранении техники.

В эксплуатации ГТД стальные детали часто покрываются бурыми пятнами или пленкой светло-коричневого цвета, представляющими собой окислы железа. На поверхности лопаток (на спинке, входной кромке и радиусе перехода от пера к хвостовику) образуются корро­зионные язвы различной глубины. Образованию и развитию коррози­онных повреждений в деталях кроме внешней среды способствуют эксплуатационные факторы: высокая напряженность детали, по­вреждения эрозией, солевые или другие отложения на поверхности

детали, вызывающие парниковый эффект при избытке ионов или Сl'. Важным фактором в формировании коррозионной стойкос­ти является технологическая наследственность, определяющая основные параметры свойств поверхностного слоя. Снижению стой­кости сталей к общей коррозии способствуют покрытия из Ag.

В стальных деталях наблюдаются межкристаллитная коррозия (МКК), или коррозия под напряжением (КПН), и локальная точеч­ная коррозия (ЛТК). Чаще всего МКК (КПН) обнаруживают в зоне радиуса перехода от хвостовика к профильной части, ЛТК — на кромках лопаток. Эти повреждения встречаются как в лопатках, так и в дисках, валах, крепеже и т.д.

При визуальном осмотре детали можно не выявить признаков коррозии, но под микроскопом обнаруживаются коррозионные пятна.

Разрушение поврежденных лопаток происходит от очага в виде коррозионной раковины или язвы. В условиях агрессивной среды развитие трещин МКК идет по границам зерен под действием внешних или внутренних напряжений.

Солевая коррозия титановых сплавов. При повышенных темпе­ратурах (250...500 °С) в среде, содержащей Сl', при действии статических нагрузок наблюдается поверхностное растрескивание титановых сплавов, приводящее к снижению длительной прочности и пластичности (σ_дл, σ_Т, δ, ψ) материала. В поверхности изломов возникают характерные признаки хрупкого разрушения материала с типичным рисунком скола. На хрупком изломе видны признаки растрескивания.

Сильное влияние на пластические свойства оказывают скорость нагружения, температура и величина статической составляющей. Наибольшее охрупчивание возникает при наличии концентрации напряжений, понижении температуры испытания и снижениискорости нагружения. Одной из причин охрупчивания титановых сплавов в солевой среде является наводороживание. Наибольшая концентрация водорода в 4...6 раз больше нормы наблюдается в местах концентрации напряжений (надрезах, галтелях и др.), по границам а-фазы и в β-фазе. Исследования, проведенные на сплаве системы Ti — А1 — V в условиях солевой коррозии, показали, что чувствительность к солевой коррозии увеличивается при содержа­нии А1 в сплаве сверх 4%. Причинами повышения склонности спла­вов системы Ti — А1 к солевой коррозии являются: а) усиление наводороживания металла в зоне, примыкающей к устью медленно растущей трещины, до момента ее спонтанного распространения в результате водородного охрупчивания; б) выделение охрупчивающей α₂-фазы при содержании алюминия 4% и более по границам зерен, что затрудняет пластическую деформацию и облегчает химические реакции, протекающие с выделением водорода, играющим основную роль в развитии солевой коррозии. Спектральный анализ показал, что растворимость водорода в β-фазе во много раз больше, чем в α-фазе. Вместе с тем концентрация водорода, необходимая для охрупчивания β-фазы (в десятки раз) выше, чем в случае охрупчивания α-фазы. Поэтому в сплавах типа Ti — Mo водород, поглощенный в процессе солевой коррозии, не вызывает снижения прочности, а в сплавах, легированных цирконием и оловом, солевая коррозия развивается. Охрупчивание происходит и при повышении темпера­туры, что связано с ростом растворимости водорода и увеличением скорости деформации, приводящими к более равномерному распре­делению водорода во всем объеме детали. Выдержка под нагрузкой и при температуре более 400°С образцов, покрытых солью NaCl, сопровождается увеличением содержания водорода в материале, особенно в зоне, непосредственно примыкающей к поверхности излома. Концентрация водорода в сплаве может быть резко сниже­на, а пластичность материала — восстановлена, если детали подвер­гнуть отжигу в вакууме при температуре 650°С в течение 24 ч. Явление солевой коррозии титановых сплавов опасно для ГТД, эксплуатирующихся в морских условиях, если рабочая температура Т_э=450°С.

Исследования, выполненные на сплавах ВТ6, ВТЗ-1 и ВТ8, показали, что солевая коррозия способствует снижению усталости и долговечности, уменьшая время до появления макротрещин и увеличивая скорость распространения трещин.