СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

Изобретение относится к области упрочнения лопаток, изготавливаемых из жаропрочных материалов, и может быть осуществлено на предприятиях, эксплуатирующих газотурбинные двигатели.

Известен способ повышения циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля [1], заключающийся в упрочнении методом "термопластического упрочнения".

Для повышения циклической прочности лопаток газотурбинных двигателей, применяемых в газоперекачивающих агрегатах, используются методы поверхностного пластического деформирования. В частности, в агрегатах ГТК-10-4 для этой цели применяется способ упрочнения стальными шариками, которые возбуждаются ультразвуковым способом.

Лопатки из никелевого сплава ЭИ893 после упрочнения в заводских условиях приобретают сопротивление разрушению (предел выносливости) на уровне σ_-1 = 240 МПа при исходном до упрочнения σ_-1 = 180 МПа.

После наработки агрегата ГТК-10-4 τ = 6000 часов производят профилактический ремонт в основном вследствие потери прочностных свойств лопаток, предел выносливости которых снижается до уровня σ_-1 = 140 МПа. Восстановление их прочности на ремонтных базах осуществляется ультразвуковым способом, что дает возможность повысить уровень предела выносливости до величины σ_-1 = 220 МПа. Однако последующие профилактические ремонты не позволяют восстановить предел выносливости до уровня σ_-1 = 220 МПа. Более того, часть лопаток приходится заменять по причине возникновения усталостных разрушений. Экономически такие агрегаты рентабельны, если общий срок их работы будет не ниже τ= = 50000 - 100000 часов. На практике эти требования не могут быть реализованы.

Как показано в работе [1], быстрая потеря прочностных свойств лопаток обусловлена большой степенью наклепа, возникающего при обработке их методом поверхностного пластического деформирования.

Известен способ термопластического упрочнения циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля [2], заключающийся в том, что производят нагрев детали выше 600^oC, но ниже температуры фазовых переходов, затем производят охлаждение нагретой детали со скоростью отвода теплоты, обеспечивающей достижение коэффициента теплоотдачи не менее (1,5•10 - 2,5•10)•10)•10⁴ Вт/м²•^oC, при этом охлаждение может быть произведено жидкостью под давлением 5 - 6 атм.

Предложенная технология восстановления лопаток газотурбинных двигателей, прошедших предварительное упрочнение в заводских условиях ультразвуковым способом, позволяет увеличить предел выносливости с σ_-1 = 140 МПа (после наработки τ = 6000 часов) до значения σ_-1 = 260 МПа.

Последующая эксплуатация в течение τ = 6000 часов показала, что исходный предел выносливости, равный σ_-1 = 260 МПа не снизился, а возрос до σ_-1 = 280 - 320 МПа, то есть в процессе работы лопатки дополнительно упрочняются. Этот эффект "тренировки" возникает при упрочнении методом термопластического упрочнения и физически связан с особенностями движения дислокаций. Дислокации в процессе знакопеременного нагружения двинутся к поверхности детали с образованием ступенек, которые с их накоплением трансформируются в микро- и макротрещины.

Технический результат, достигаемый изобретением, - повышение эффективности способа путем сохранения прочности лопаток газотурбинных двигателей в процессе работы на протяжении не менее 50000 часов без профилактической разборки двигателей.

Способ восстановления циклической прочности лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля, состоящий в том, что лопатки обрабатывают методом термопластического упрочнения, заключающемся в том, что их нагревают свыше 600^oС, но ниже температуры фазовых переходов, охлаждают жидкостью под давлением 5 - 6 атм со скоростью отвода теплоты, обеспечивающей достижение коэффициента теплоотдачи не менее (1,5•10-2,5•10)•10⁴ Вт/м²•^oC, согласно изобретению обработке подлежат лопатки, предварительно прошедшие процесс упрочнения методом поверхностного пластического деформирования и наработку в составе изделия, которые сначала полируют, проводят термическую обработку, обеспечивающую снятие деформационного упрочнения, а затем восстанавливают их циклическую прочность методом термопластического упрочнения.

Реализация способа осуществляется следующим образом. Лопатки из сплава ЭИ-893 ГТК-10-4, прошедшие упрочнение методом поверхностного пластического деформирования и отработавшие в составе изделия согласно регламента, в дальнейшем полируют для снятия дефектного поверхностного слоя и производят отжиг при температуре 850^oC характерной для данного сплава в течение 8 часов. Эта операция предназначена для снятия деформационного упрочнения, возникшего в результате поверхностного пластического деформирования. Затем производят обработку лопаток методом термопластического упрочнения. Такая технология позволяет резко увеличить срок службы лопаток, сохраняя их прочностные свойства.

При термопластическом упрочнении в поверхностном слое лопатки формируется остаточное напряженное состояние сжатия с максимумом у поверхности, за счет чего в процессе работы детали сдерживается движение дислокаций к поверхности, которые скапливаются на глубине 100-200 мкм, переплетаются и создают неподвижный барьер, препятствующий их выходу к поверхности, что увеличивает срок службы лопаток.

В связи с этим лопатки, упрочненные методом термопластического упрочнения при работе в условиях повышенных температур, не теряют своей прочности в течение не менее 50000 часов работы.

Таким образом, газоперекачивающие агрегаты, выпускаемые нашей промышленностью с лопатками, упрочненными методом повехностного пластического деформирования, после первого профилактического ремонта восстановленные методом термопластического упрочнения сохраняют свои прочностные свойства длительное время (практически до конца установленного срока службы), что дает возможность резко сократить эксплуатационные затраты.

Источники информации
1. Технологические остаточные напряжения и их влияние на эксплуатационные свойства деталей из жаропрочных и титановых сплавов. Диссертация на соискание степени доктора технических наук Кравченко Б.А. Куйбышев, КПтИ, 1972 г.

2. Патент N 2143011 "Способ повышения циклической прочности деталей газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля", автор Кравченко Б.А.