научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ И АКУСТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ МАТЕРИАЛА РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ И АКУСТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ МАТЕРИАЛА РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 2, 2015

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА, ДИАГНОСТИКА, ИСПЫТАНИЯ

УДК 620.179.16+620.186:621.78

© 2015 г. Тарасенко Ю.П., Никитина Н.Е., Кривина Л.А., Мотова Е.А.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ И АКУСТИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ МАТЕРИАЛА РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБОКОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Институт проблем машиностроения РАН, г. Нижний Новгород

Приведены результаты исследования распределения анизотропии карбидной фазы в материале (сталь ЭИ 961) турбокомпрессорных лопаток в состоянии после эксплуатации и последующего термического отпуска, с использованием оптической металлографии и ультразвукового эхо-импульсного метода неразрушающего контроля. Обнаружена корреляция между параметром собственной акустической анизотропии и коэффициентом структурной анизотропии карбидной фазы материала рабочих лопаток ротора турбокомпрессора высокого давления.

На современном этапе развития машиностроения, когда техника становится все более сложной, выборочный контроль ответственных деталей, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, становится недостаточным, так как в полной мере не может гарантировать высокую работоспособность и надежность. Акустические методы неразрушающего ультразвукового контроля хорошо зарекомендовали себя в диагностике дефектов, нарушающих сплошность конструкционного материала, и практически не используются для исследований неоднородностей микроструктуры конструкционных материалов. Однако ультразвуковой эхо-импульсный метод нераз-рушающего контроля может быть весьма перспективным при оценке структурной неоднородности конструкционного материала, особенно на заключительной стадии изготовления ответственных деталей, таких, как рабочие лопатки ротора турбокомпрессора высокого давления (ТКВД).

Методика исследований. Объектами экспериментальных исследований являются рабочие лопатки из нержавеющей жаропрочной стали ЭИ961 (14Х17Н2Ш) шестой и восьмой ступеней ротора турбокомпрессора ТКВД двигателя ДЖ59Л, в постэксплуатационном состоянии и они же после термического отпуска. Из шестой ступени для изучения взято три лопатки, которые обозначили таким образом 6.1; 6.2; 6.3. Аналогичные обозначения введены для лопаток восьмой ступени, а именно 8.1; 8.2; 8.3.

Для проведения исследования микроструктуры материала рабочих лопаток применен метод металлографического анализа с использованием растрового оптического микроскопа "Неофот-32". Для определения коэффициента структурной анизотропии

Рис. 1 Рис. 2

карбидной фазы использовали программное обеспечение ОооёОга1ш. Коэффициент структурной анизотропии находили, используя отношения размеров включений карбидной фазы вдоль их длины и ширины С = йср//ср, где 1ср — средний продольный размер; йср— средний поперечный размер карбидной фазы.

Термический отпуск (ТО) проводили в лабораторной электропечи при температуре 600° с последующим охлаждением испытуемых деталей на воздухе в течение двух часов [1].

Акустические измерения проведены эхо-импульсным неразрушающим методом с использованием акустического стенда на базе серийного прибора И2-26 [2], а также пьезоэлектрического преобразователя сдвиговых волн частотой 9 МГц, размером 8 х 8 мл. При применении сдвиговых волн важной характеристикой является относительная разница скоростей сдвиговых волн взаимно-перпендикулярной поляризации. Например, при возникновении напряжений или пластической деформации вдоль определенного направления в материале скорости сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек этого направления, будут различны. Выбранный безразмерный параметр — величина акустической анизотропии материала — может служить количественной характеристикой структурных изменений в нем [3]. Также этот параметр в определенной степени показывает наличие текстуры, по-разному расположенных микродефектов, несплошностей и других неоднородностей.

Для лопаток шестой и восьмой ступеней проведены прецизионные (с погрешностью 0,01 мкс) измерения задержек в материале импульсов сдвиговых волн, поляризованных вдоль (направление 1) и поперек (направление 2) оси лопатки. Контролю подвергалась зона пера лопатки у галтели, подверженная при эксплуатации наибольшим рабочим нагрузкам. Импульсы распространялись по нормали к поверхности лопатки, несколько раз "прозвучивая" толщину детали. На основании прецизионных измерений задержек импульсов в материале вычислены параметры собственной акустической анизотропии материала лопаток двух рабочих ступеней ротора ТКВД в точке контроля а0 = (г2 - ¿1)Дср х 100%, где — задержка импульса сдвиговой волны, поляризованной вдоль оси лопатки; ¿2 — задержка импульса сдвиговой волны, поляризованной поперек оси лопатки.

Как принято в неразрушающем контроле, величина задержки отсчитывалась от первого отраженного импульса. Погрешность определения величины а0 по результатам измерения временного интервала между первым и третьим эхо-импульсами составила 0,3%.

Результаты исследований. На рис. 1 представлена микроструктура материала перовой части лопатки шестой ступени вблизи галтели в состоянии после эксплуатации (х500).

Структура, приведенная на рис. 1, идентична для лопаток шестой и восьмой ступеней. По всей длине пера лопатки наблюдается наличие строчной карбидной фазы (игл), вытянутой в поперечном направлении. Их длина варьируется от 4 до 10 мкм, а

№ образца лопатки a0, % в постэксплуатационном состоянии a0, % после термообработки Размеры карбидной фазы после термообработки

длина, мкм ширина, мкм

6.1 0,90 0,05 1-3 0,5-1

6.2 0,44 0,17 2,2-4 1-2,2

6.3 1,4 0,55 2-4 2-3

8.1 1,65 0,44 2-4 1-2,5

8.2 1,13 0,05 1,8-3 0,2-1

8.3 1,3 0,96 2,5-3 1,8-2,2

ширина — от 0,5 до 2 мкм для лопаток шестой ступени, для лопаток восьмой ступени соответственно 2,5—4,5 мкм и 0,8—1,2 мкм. Можно предположить, что в процессе эксплуатации в результате длительного воздействия рабочих напряжений и повышенных температур произошла структурная деградация материала, так как в материале замковой части лопатки "игольчатой" карбидной фазы не наблюдается.

На рис. 2 показана характерная микроструктура материала лопаток шестой ступени после термического отпуска (х500); а - лопатка 6.1; б - лопатка 6.2.

В микроструктуре стали ЭИ961 после термического отпуска карбидные включения приобрели более округлую форму, но следы игольчатой карбидной фазы сохранились во всех исследуемых образцах, при этом длина "иголок" уменьшилась в среднем в 2,5 раза для лопаток шестой ступени и в 1,2 раза — для лопаток восьмой ступени.

В таблице приведены результаты определения параметра акустической анизотропии и размеров карбидной фазы в материале лопаток двух ступеней. После термообработки в лопатках шестой и восьмой ступеней наблюдается снижение величины а0, что может быть связано с изменением формы включений карбидной фазы. В лопатках 6.1, 8.2, для которых размер карбидной фазы после ТО наименьший, уровень акустической анизотропии самый низкий.

На рис. 3 и 4 приведены гистограммы параметра структурной анизотропии, определенной по размерам карбидной фазы, и параметра акустической анизотропии в материале лопаток 6 и 8 ступеней после термообработки соответственно.

Следует отметить, что величина акустической анизотропии является интегральным параметром, в который вносят вклад разные структурно-фазовые составляющие. По результатам наших экспериментов обнаружена корреляция между параметром акустической анизотропии и коэффициентом анизотропии карбидной фазы, определенным методом оптической металлографии, для лопаток после термообработки (рис. 3, 4).

а, % 0,5

0,3

0,1 0

С 1,2

1,0

0,6

0,2

а, % 1,0

0,2 0

С 1,0

0,2 0

Рис. 3

Рис.4

0

Выводы. Методом оптической металлографии установлено, что в материале перовой части лопаток в постэксплуатационном состоянии присутствует карбидная фаза игольчатой формы с высокой степенью анизотропии, являющаяся признаком деградации микроструктуры.

Выявлена корреляционная связь между параметром акустической анизотропии и коэффициентом анизотропии включений карбидной фазы материала лопаток. Найденная связь позволяет прогнозировать положительное влияние термического отпуска на структуру материала рабочих ступеней лопаток ротора ТКВД.

Выявлены перспективные возможности применения ультразвукового эхо-импульсного метода в качестве неразрушающего метода контроля структуры материала непосредственно на изделии, как на стадии выходного контроля при изготовлении и ремонте лопаток, так и в состоянии после эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Царева И.Н., Бердник О.Б., Кривина Л.А. и др. Оценка технического состояния рабочих лопаток компрессора из сплава ЭИ961 энергетической установки ГТЭ-45-3 // Прикладная механика и технологии машиностроения. № 1(22). Н. Новгород: Изд-во "Интелсервис", 2013. С. 37-42.

2. Моничев С.А., Никитина Н.Е. Ультразвуковой эхо-метод исследования упругих свойств твердых тел. Препринт № 24-04-03/Нф ИМАШ РАН. Н. Новгород, 2004. 22 с.

3. Мотова Е.А., Никитина Н.Е., Тарасенко Ю.П. О возможности диагностики компрессорных лопаток по параметрам затухания и скорости ультразвука // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 4. С. 88-95.

Нижний Новгород Поступила в редакцию 10.II.2014

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»