Влияние на усталость лопаток технологических факторов

Сопротивление усталости лопаток в значительной мере определяется совершенством процесса их изготовления. Осо­бенно сложен и нестабилен процесс литья. Он сопровождается металлургическими дефектами в виде окисных плен, засоров, рыхлот, горячих трещин, образованием продольной полосчатости. Возможны также отклонения, связанные с деформацией стержня и т. д. Виды и количество дефектов определяются качеством шихты, огнеупоров для формы и стержня, материалом модельной массы, стабильностью температуры заливки металла, глубиной вакуума, условиями кристаллизации и др. Важное значение имеют также конфигурация и размеры лопатки, конструкция литниковой систе­мы. Для лопаток с дефектами литья в виде окисных плен, зазоров и рыхлот может составлять менее 100 МПа. Пределы выносливос­ти лопаток, отлитых в вакууме (1... Па) и без вакуума, практи­чески одинаковы, так как необходимая глубина вакуума в достаточ­ной мере не обеспечивается из-за повышенной газонасыщенности

формы и модельной массы. Увеличение глубины вакуума до Па и удаление модельной массы методом вакуумной возгонки, не требующей последующей сушки формы, способствуют повышению . Следствием нестабильности процесса литья является большая неоднородность размеров зерна в различных зонах лопатки (у кромок, в зоне хвостовика и т. д.). Мелкозернистая структура на поверхности лопатки повышает сопротивление усталости, что достигается модифицированием структуры поверхности путем ввода в первый слой литейной формы алюмината кобальта, частицы кото­рого играют роль центров кристаллизации (модификаторы) при остывании сплава. Для модифицированных лопаток характерна равномерная столбчатая мелкозернистая макроструктура. Зона мелких кристаллов проникает на глубину 1... 1,5 мм, а тонкие сечения (на выходных кромках) измельчаются на всю толщину зерна. Модифицирование наружной поверхности лопаток позволяет умень­шить величину макрозерна в 2... 3 раза, а внутренней — в 8... 10 раз. Одностороннее модифицирование повышает при нормаль­ной температуре на 15... 20 %, а двухстороннее — до 45 %. В табл. 4.8 показано влияние поверхностного модифицирования на уста­лость лопаток турбин, испытанных при комнатной температуре. Хотя положительное влияние мелкозернистого слоя на предел выносливости сохраняется до 800°С, его нельзя рекомендовать для лопаток, несущая способность которых определяется термоцикли­ческим (малоцикловым) нагружением, так как в этом случае моди­фицирование способствует снижению циклической долговечности и длительной прочности.

Сопротивление усталости у литых лопаток также определяется состоянием поверхностного слоя. Пескоструйной очисткой литейной поверхности получают шероховатость R_a = 2,5... 1,25 мкм, обработ­кой абразивными и полировкой войлочными кругами — R_a = 0,32... 0,16 мкм, но в поверхностном слое могут образовываться растягива­ющие остаточные напряжения, а предел выносливости при снятии припуска снижается не менее чем на 10 % (рис. 4.5).

В настоящее время широко рас­пространено литье лопаток методом о_а, мпа направленной кристаллизации, когда в лопатке образуется несколько зерен, вытянутых вдоль ее оси.

Рис. 3.2.5. Кривые усталости неохлаждаемых лопаток из сплава ЖС6К для раз­личных вероятностей разрушения:

без припуска;

— — — с припуском на механическую обработку

Таблица 4.8

Влияние на предел выносливости лопаток турбин размеров макрозерна. Симметричный изгиб, N =240 циклов, Т_исп = 20°С

Особенности технологии отливки	Диаметр макрозерна, мм	Предел выносливости , МПа	Место расположения очага разруше­ния
наруж­ная поверх­ность	внутрен­няя поверх­ность	входная кромка	выходная кромка
Исходная	5...7	7...10			Внутрен­няя по­верхность
Модифици­рование наружной поверхности	1...3	3...5			То же
Модифици­рование внут­ренней поверхности	3...4	0,7...1,2	210...220	170...180	Наруж­ная по­верхность
Двусторон­нее модифи­цирование	1...3	0,7...1,2	220...240	200...220	То же

Это повышает пластичность сплава во всем диапазоне температур, но несколько снижает жаропрочность, проявляется анизотропность свойств материала. Для литья лопаток с направленной кристаллиза­цией используют сплавы ЖС6Ф, ЖС26ВСНК и др., которые приме­няются в сочетании с многокомпонентными покрытиями на внешней поверхности и с хромоалитированием внутренних полостей лопаток. Изготовление лопаток с направленной кристаллизацией или монок­ристаллических позволяет стабилизировать технологический про­цесс литья, повысить сопротивление длительному статическому или термоциклическому разрушению.

Влияние на усталость лопаток защитных покрытий. Со­противление усталости лопаток из деформируемых сплавов после алитирования при температуре 20 °С снижается на 15... 35 %, а при рабочих температурах — на 5... 10 %, что объясняется низкой пластичностью алюминидов никеля. Такое покрытие толщиной 30 мкм растрескивается при деформации, равной 0,3 %. С повыше­нием температуры пластичность алюминидов увеличивается. По данным П.Т. Коломыцева покры­тия системы Ni-Cr в тех же ус­ловиях выдерживают деформа­ции 0,5... 0,7 X.

У малоразмерных литых лопа­ток турбин после алитирования при температуре 20 °С предел выносливости снижается на 10... 20 % (рис. 4.6). С увеличением размеров лопаток влияние алитирова­ния на усталость уменьшается, что, в первую очередь, связано с уменьшением относительной толщины алитированного слоя на кромках. Алитирование неохлаждаемых лопаток из сплава ЖС6К приводит почти к двухкратному росту , особенно с повы­шением температуры.

Рис. 3.2.6. Кривые усталости неохлаж­даемых лопаток (сплав ЖС6К):

1,2— неалитированяые и алитиро­ванные (l= 64 мм); 3,4—неалитированные и алитированные (l= 55 мм); 5,6 — неалитированные и алитиро­ванные l= 128 мм)

Р = 0,1; — — — Р = 0,5

Процесс электронно-лучевого нанесения многокомпонентных покрытий типа Ni-Cr-Al-Y по сравнению с алитированием предпола­гает более жесткие требования к качеству поверхности, подлежа­щей напылению: поверхность подложки не должна иметь глубоких рисок, каверн и включений инородных частиц, являющихся потенци­альными источниками дефектов. Наиболее насыщены "дефектами" литейная и полированная поверхности. Наименьшие плотности и размеры дефектов характерны для поверхности, подвергнутой виброшлифованию с последующей ультразвуковой промывкой, уменьшающему содержание на поверхности нежелательных хими­ческих примесей и загрязнений.

Рис. 3.3.7. Кривые усталости моделей лопаток при симметричном изгибе с растяжением = 160 МПа сплав ЖС6У, Т_исп = 900 °С:

1 — исходные; 2 — перфорация кромки; 3 — ВШ + покрытие Ni-Cr-Al-Y

Испытания на усталость при температуре 900 °С и симметрич­ном изгибе с растяжением о_т - 160 МПа специальных образцов из сплава ЖС6У, имитирующих профильную часть охлаждаемой лопат­ки, показали, что предел выносливости моделей исходного варианта она базе 10 циклов составляет а_а — 90 МПа, а с многокомпонентным покрытием — 120 МПа (рис. 3.3.7).