Сплавы для упрочнения бандажных полок рабочих лопаток ГТД

Введение

В конструкциях турбин современных ГТД широко применяются лопатки с бандажными полками, имеющими на боковых торцах контактные площадки для обеспечения жесткости связи всех лопаток после их сборки в колеса. Такое соединение лопаток способствует повышению их вибрационной прочности. Вместе с тем повреждение бандажных полок является одним из главных факторов, ограничивающих ресурс лопаток и двигателя в целом. В условиях высоких температур и в результате динамического контактного нагружения бандажные полки турбинных лопаток наиболее интенсивно изнашиваются. Кроме того, в диапазоне температур 700–1100°С при виброконтактном динамическом нагружении имеет место процесс высокотемпературной фреттинг-коррозии, который приводит к износу и повреждаемости контактных площадок. Эффективным способом увеличения долговечности лопаток является упрочнение бандажных полок путем нанесения на контактные поверхности покрытий или напайки пластин из износостойких сплавов. Многолетний опыт эксплуатации рабочих лопаток турбин с упрочненными бандажными полками износостойким сплавом на никелевой основе (ВЖЛ2) и сплавами на кобальтовой основе (В3К и ХТН-61) полностью подтвердил надежность данного технологического решения [2–4].

Широкое применение для деталей узлов трения, длительно работающих при высоких температурах (до 800°С), в том числе для упрочнения бандажных полок лопаток, получил разработанный во ФГУП «ВИАМ» сплав ВЖЛ2. Для упрочнения лопаток при более высоких температурах ИМФ НАН Украины совместно с ГП ЗМКБ «Прогресс» им. академика А.Г. Ивченко был разработан сплав на основе кобальта (ХТН-61), который получил серийное применение на двигателях производства ГП ЗМКБ «Прогресс» и ОАО «Мотор-Сич». Применение износостойких сплавов для упрочнения лопаток позволило продлить межремонтный ресурс ГТД в несколько раз [5].

В настоящее время, в связи с ростом рабочих температур, нагрузок, требований к ресурсу и экономичности современных и перспективных ГТД, применяемые износостойкие сплавы не всегда устраивают конструкторов и производителей ГТД, и вопрос создания новой, эффективной защиты контактирующих поверхностей рабочих лопаток турбины становится все более актуальной задачей авиастроения [1, 6].

Последними разработанными во ФГУП «ВИАМ» (более 25 лет назад) износостойкими сплавами, предназначенными для применения в качестве упрочняющих покрытий деталей трения, работающих в экстремальных условиях в широком диапазоне температур, в том числе для повышения износостойкости и ремонта бандажных полок рабочих лопаток, являются сплавы В4К и Х25Н10В8, представляющие собой стеллит системы Co–Cr–W–C, легированный элементами IV–V групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, а также интерметаллидный сплав ВКНА-2М на основе соединения Ni₃Al [7]. Максимальные температуры эксплуатации этих сплавов 1000–1100°С, но широкого серийного применения они не получили, что связано с разработкой и внедрением более дешевого износостойкого сплава ВЖЛ2, который на тот момент устраивал конструкторов по всем своим характеристикам, в том числе максимальной рабочей температуре – до 900°С. Вместе с тем по ряду показателей разработанные во ФГУП «ВИАМ» сплавы В4К, Х25Н10В8 и ВКНА-2М не уступают современным зарубежным аналогам и могут быть использованы для упрочнения бандажных полок рабочих лопаток современных ГТД после проведения работ по технологическому опробованию, корректировки составов (при необходимости) и адаптации для применения современных технологий нанесения упрочняющих покрытий. Одним из перспективных методов упрочнения и ремонта бандажных полок лопаток может быть применение технологии лазерной наплавки порошковых композиций на основе разработанных износостойких сплавов [8–12].

В данной статье представлены результаты сравнительных исследований свойств разработанных во ФГУП «ВИАМ» материалов для упрочнения бандажных полок лопаток и свойства зарубежных материалов, применяемых для упрочнения деталей трения, работающих в экстремальных условиях, в том числе для повышения износостойкости рабочих лопаток турбины ГТД, – сплавы на основе кобальта марок ХТН-61, CM 64 и T-800. Все исследованные износостойкие сплавы представляют собой твердые растворы с мягкой матрицей, упрочненной различными фазовыми составляющими (фазами Лавеса, карбидами и боридами разных составов и др.), отличающимися высокой твердостью и обеспечивающими износостойкость сплава.

Материалы и методы

Для проведения исследований основных свойств износостойких материалов – упрочнителей бандажных полок лопаток, в соответствии с разработанными производственными инструкциями выплавлены шихтовые заготовки сплавов ВЖЛ2, Х25Н10В8, В4К и ВКНА-2М. Исследованы механические свойства и структура каждой композиции. Кратковременную прочность и пластичность определяли по ГОСТ 1497–84, твердость – по ГОСТ 8.064–94.

Износостойкость сплавов в условиях динамического виброконтактного нагружения исследовали по специальной методике, разработанной для определения триботехнических характеристик жаропрочных материалов при температурах до 1100°С, обеспечивающей измерение параметров износостойкости с достаточной достоверностью при статической и динамической составляющих нормальной нагрузки на испытываемые образцы. Методика включает определение линейного износа образцов с помощью профилографирования, что достаточно точно отражает не только абсолютную величину износа образца, но и характер изменения рельефа поверхности. Одними из параметров, определяемых при испытаниях по данной методике, являются: H_h – средний линейный износ, характеризующий изменение рельефа дорожки трения относительно базовой поверхности; H_max – максимальное локальное повреждение рабочей поверхности (в пределах дорожки трения).

Средний линейный износ H_h вычисляли по формуле:

 ,

где – средний линейный износ по одной профилограмме, рассчитанный при количестве точек рельефа не менее 30 на дорожке трения; n – количество профилограмм, снятых на одном образце (не менее трех при каждом фиксированном уровне нагрузок и температур).

Испытания проводили при следующих параметрах трибосопряжения:

– амплитуда взаимного перемещения образца относительно контробразца – А=200±10 мкм;

– статическая нагрузка при контакте – Р_ст=180 Н;

– максимальное значение динамической нагрузки при контакте – Р_дин=250 Н;

– площадь контакта – S=10 мм²;

– температура испытаний 20, 700, 800, 900, 1000 и 1100°С.

Для оценки уровня свойств износостойких сплавов, разработанных во ФГУП «ВИАМ», и сравнения с аналогами выбраны современные зарубежные сплавы, применяемые для упрочнения бандажных полок лопаток ГТД, свойства которых представлены в литературных источниках [13–16]:

– Coast Metal 64 (СМ-64) – стеллит на основе системы Co–Cr–W–C, применяемый для наплавки на контактные площадки бандажных полок лопаток турбины; сплав сохраняет высокую прочность при температурах до ~1150°С;

– Tribaloy T-800 – сплав на основе системы Co–Cr–Mo–Si, упрочненный фазами Лавеса, выделяющимися при добавлении в кобальтовые сплавы молибдена и кремния; применяется для плазменно-порошковой наплавки на детали трения, работающие в коррозионно-активной среде с повышенным износом при температурах до 1000°С;

– ХТН-61 – сплав на основе кобальта, применяемый для упрочнения бандажных полок рабочих лопаток ГТД с помощью напайки пластин и наплавки на контактные площадки; износостойкость и жаростойкость сплава обусловлены структурой, сформированной в процессе равновесной кристаллизации эвтектики кобальта с карбидом ниобия.

Результаты

Микроструктуры отлитых сплавов представлены на рис. 1. Все исследованные материалы имеют гетерогенную структуру. В сплаве ВЖЛ2 основной является (γ+γ′)-твердый раствор, присутствуют такие фазовые составляющие, как μ-фаза, фаза Лавеса, боридная эвтектика и карбиды. Структура сплава ВКНА-2М представляет собой твердый раствор с включениями β-фазы на основе соединения NiAl, карбидов и боридов типа Me₃B₂. В кобальтовых сплавах В4К и Х25Н10В8 основными фазовыми составляющими, наряду с твердым раствором, являются карбиды и интерметаллидная фаза, однако в сплаве В4К эти фазовые составляющие более крупные, их количество увеличено.

Рис. 1. Микроструктуры (×300) исследованных сплавов марок ВКНА-2М (а), ВЖЛ2 (б), Х25Н10В8 (в), В4К (г)

Большинство зарубежных материалов, применяемых для упрочнения деталей трения, работающих в тяжелых условиях, представляют собой сплавы на основе кобальта или никеля с карбидным и интерметаллидным упрочнением. Сплавы на основе кобальта – стеллиты систем Co–Cr–W и Co–Cr–Mo, как правило, отличаются лучшим сочетанием эксплуатационных свойств (износостойкости, жаропрочности, коррозионной и эрозионной стойкости и др.). Сплавы, рассматриваемые в качестве аналогов, являются наиболее высокотемпературными из современных износостойких жаропрочных сплавов, применяемых для упрочнения деталей ГТД и восстановления их профиля после эксплуатации.

Сплав СМ-64, также как сплавы В4К и Х25Н10В8, представляет собой стеллит системы Co–Cr–W–C. Основой сплава является твердый раствор на кобальтовой основе, упрочненный карбидами хрома и вольфрама.

Износостойкий материал ХТН-61 – это эвтектический сплав на кобальтовой основе системы Co–NbC с объемной долей карбида ниобия в эвтектике до 18%. Для упрочнения мягкой и пластичной кобальтовой матрицы и повышения жаростойкости и коррозионной стойкости сплав дополнительно легирован хромом, вольфрамом, алюминием и молибденом. Все эти элементы растворены в кобальте или частично внедрены в карбиды ниобия [15].

Сплав Tribaloy Т-800 представляет класс сплавов на основе кобальта системы Co–Cr–Mo–Si с интерметаллидным упрочнением или сплавов с фазами Лавеса – прочными интерметаллидными фазами, которые выделяются в кобальтовых сплавах вследствие добавления в них молибдена и кремния.

Микроструктуры сплавов ХТН-61 и Т-800 показаны на рис. 2 [14, 15].

Рис. 2. Микроструктуры (×200) износостойких сплавов на основе кобальта ХТН-61 (а) и Tribaloy T-800 (б)

Результаты исследований механических свойств выплавленных композиций и свойства материалов-аналогов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Свойства износостойких сплавов

По значениям максимальной рабочей температуры и уровню механических свойств разработанные во ФГУП «ВИАМ» сплавы близки к зарубежным аналогам. Вместе с тем значения твердости и прочности редко позволяют однозначно оценить износостойкость материала. С этой целью необходимо проведение испытаний в условиях, приближенных к реальным условиям работы конкретных деталей трения. В табл. 2 приведены значения среднего линейного износа и максимального локального повреждения сплавов, полученные при испытаниях образцов по разработанной методике в условиях динамического виброконтактного нагружения.

Таблица 2

Результаты испытаний трибологических свойств износостойких сплавов

После проведения испытаний оценивали внешний вид и характер износа образцов исследуемых сплавов. В низкотемпературной области (до 700°С) характер износа, вид поверхностей трения, наличие продуктов износа для всех испытанных материалов приблизительно одинаков.

По степени убывания износостойкости в диапазоне температур 800–1100°С исследованные материалы можно расположить в следующей последовательности: В4К (наилучшая), ВЖЛ2, Х25Н10В8, ВКНА-2М.

Наиболее интенсивно процессу фреттинг-коррозии материалы подвержены в области относительно низких температур (до 700°С). Поверхности трения сплавов при этих температурах имеют, как правило, ярко выраженный волнистый рельеф. По мере повышения температуры рельеф поверхности несколько сглаживается, поверхности покрываются слоем оксидов, служащих твердой смазкой в условиях высокотемпературной фреттинг-коррозии.

Вид дорожек трения образцов из сплавов В4К и ВКНА-2М после проведения испытаний представлен на рис. 3.

Рис. 3. Вид рабочих поверхностей образцов из сплавов ВКНА-2М и В4К после испытаний в режиме виброконтактного динамического нагружения при температуре 20 (а, г), 700 (б, д) и 1000°С (в, е)

При проведении испытаний косвенно можно судить об окалиностойкости исследуемых сплавов по наличию цветов побежалости на поверхности, появлению рыхлых оксидов. По интенсивности окисления поверхности исследуемые сплавы можно расположить в следующей последовательности: ВКНА-2М (наименьшая), ВЖЛ2, Х25Н10В8, В4К.

Анализируя результаты испытаний износостойких материалов в режиме виброконтактного динамического нагружения, следует сделать вывод о том, что в области высоких температур 800–1100°С материалы имеют экстремум, свидетельствующий об оптимальной температуре их эксплуатации. В этих условиях достигается минимальный линейный износ (H_h) и наименьшая повреждаемость по параметру H_max.

Оптимальными температурами эксплуатации износостойких сплавов следует считать:

– для сплава В4К: 800, 900, 1000, 1100°С;

– для сплава ВЖЛ2: 800, 900°С;

– для сплава Х25Н10В8: 700, 800, 900°С;

– для сплава ВКНА-2М: 700, 800, 1100°С.

Обсуждение и заключения

Из исследованных материалов наиболее высокими триботехническими характеристиками в режиме динамического виброконтактного нагруженияобладаетсплав В4К – может работать в диапазоне температур 800–1100°С. При температуре 1100°С также может работать сплав ВКНА-2М, износостойкость которого наименее зависит от рабочей температуры.

Наибольшей жаростойкостью, в том числе при температуре 1100°С, обладает сплав ВКНА-2М. Меньшая износостойкость сплава может быть связана с образованием на поверхности трения сплава ВКНА-2М порошкообразных оксидов, включающих значительное количество оксидов алюминия, что приводит к абразивному износу исследуемых пар трения.

Высокая износостойкость сплавов В4К и ВЖЛ2 объясняется образованием на поверхности трения оксидных пленок, обладающих хорошей адгезией к подложке, которые при высоких температурах играют роль твердых смазок, повышая фреттингостойкость материалов.

В целом сплавы могут быть рекомендованы для проведения работ по их технологическому опробованию в реальных условиях при температурах до 900 (сплав Х25Н10В8) и 1100°С (сплавы В4К и ВКНА-2М) и составить конкуренцию для зарубежных материалов-аналогов.

Необходимо учитывать, что выбор износостойкого материала и способа его нанесения производится индивидуально для каждого двигателя в зависимости от условий эксплуатации, марки основного материала лопатки и ее конструкции, технологических особенностей изготовления и ремонта и множества других факторов [4].