ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 4, 2013
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕХАНИКА, ДИАГНОСТИКА, ИСПЫТАНИЯ
УДК 620.179.16:62-135
© 2013 г. Мотова Е.А., Никитина Н.Е., Тарасенко Ю.П.
О ВОЗМОЖНОСТИ ДИАГНОСТИКИ КОМПРЕССОРНЫХ ЛОПАТОК ПО ПАРАМЕТРАМ ЗАТУХАНИЯ И СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА
Рассмотрены возможности исследования структурного состояния материала рабочих лопаток осевого компрессора газотурбинного двигателя на основе измерения затухания и скорости ультразвука. Приведены результаты измерения параметров распространения импульсов продольных и сдвиговых упругих волн в материале лопаток после их эксплуатации и ремонта. Экспериментальные исследования проведены с использованием ультразвукового эхо-метода. Продемонстрированы возможности неразрушающего акустического метода оценки структурного состояния нержавеющей коррозионно-стойкой стали после эксплуатации, восстановительного ремонта и повторной эксплуатации лопаток в газотурбинном двигателе типа MS 5142 производства General Electric газоперекачивающего агрегата ГТК-25И.
Газотурбинный двигатель (ГТД) типа MS 5142 газоперекачивающего агрегата ГТК-25И служит приводом центробежного нагнетателя природного газа, предназначенного для его сжатия и транспортировки по технологическим и магистральным газопроводам. Рабочие лопатки компрессора являются одними из наиболее ответственных деталей приточной части ГТД. Они работают в весьма сложных условиях, подвергаясь воздействию повышенных температур (~300°), изгибных и растягивающих напряжений, в условиях повышенной влажности и запыленности. В результате такой эксплуатации материал лопаток испытывает изменения структуры, приводящие к снижению прочностных характеристик, что ограничивает их дальнейшую работоспособность.
В настоящее время традиционные способы увеличения ресурса работы узлов и деталей машин, например, химико-термическая обработка, часто являются экономически невыгодными, так как требуют использования дорогостоящих и дефицитных элементов (хром, молибден, ванадий, титан, никель и др.) и высоких энергозатрат. Вследствие этого целесообразным является создание на рабочих поверхностях деталей упрочняющих и защитных покрытий с повышенными прочностными и антикоррозионными свойствами. Специалистами ООО НПЦ "Трибоника" разработаны и успешно применяются восстановительно-ремонтные технологии с применением ионно-плазменных покрытий [1, 2] с целью продления срока службы деталей проточной части ГТД. Разработка неразрушающих методов контроля и диагностики материала лопаток как после длительной эксплуатации, так и после ремонта является актуальной задачей.
Применение ультразвука для неразрушающего контроля структурного состояния конструкционных материалов. В настоящее время все большее применение в различных
областях промышленности, на различных стадиях изготовления, эксплуатации и ремонта находят акустические методы неразрушающего контроля и диагностики. Акустический метод исследования заключается, в основном, в измерении важнейших информативных характеристик — затухания и скорости распространения упругих волн в материале и анализе экспериментально полученных зависимостей. Наиболее распространенным в практике ультразвукового контроля изделий различного назначения можно считать эхо-импульсный метод. Около 90% объектов, контролируемых акустическими методами, проверяют эхо-методом. Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе к нему. Если известна толщина, то по донному сигналу измеряют скорость и оценивают затухание ультразвука [3].
Наиболее популярные методы ультразвукового контроля основаны на оценке затухания ультразвуковых волн в материале. Это обусловлено, в первую очередь, большой чувствительностью этого параметра к структурным изменениям в материале. Возможность применения ультразвука для изучения структуры металлов впервые была обнаружена С.Я. Соколовым, установившим в конце первой половины прошлого века, что рассеяние ультразвука существенно зависит от среднего размера зерна металла.
В лаборатории Л.Г. Меркулов под руководством С.Я. Соколова применил ультразвуковой эхо-метод для исследования структуры двух углеродистых конструкционных сталей и инструментальной стали У12 [4]. По результатам исследований образцов стали 15, нагретых до температуры 900 и 1200° и охлажденных на воздухе, коэффициент затухания продольной волны на частоте 7,2 МГц составил 4 и 14 Нп/м (разница более чем в 3 раза). Образцы стали У12 были нагреты до 800° (охлаждение в масле и в печи) и при 1100° (охлаждение в печи). После нагрева до 800° и охлаждения в масле образец стали У12 был подвергнут отпуску при 200°. При этом коэффициент затухания ультразвука частотой 7,2 МГц составил 2,5, 8 и 23 Нп/м (изменение более чем в 3 и почти в 3 раза соответственно).
Экспериментальные данные показали, что наименьшим затуханием обладает закаленная сталь, а наибольшим — образцы с перегретой структурой, так как перегрев дает значительный рост величины зерна металла. В то же время разница скоростей закаленных и отожженных образцов не превысила 0,5%, что уложилось в пределы погрешности проведенных измерений.
Алюминиевые сплавы подвергают закалке для получения пересыщенного твердого раствора, из которого при последующем старении выпадает мелкодисперсная фаза, упрочняющая сплав. В книге [5] приведены экспериментальные данные по измерению эхо-методом коэффициента затухания ультразвука частотой 2 МГц в образцах широко распространенного сплава Д16, закаленных при температурах от 480 до 540° (7 образцов с интервалом в 10°). Оказалось, что коэффициент затухания в интервале 480—520° растет от 0,5 до 1,3 Нп/м; затем резко возрастает почти в 3 раза и еще более чем в два раза (до 9,5 Нп/м) при достижении температуры 540°. Это объясняется возникновением пережога сплава. В то же время изменение скорости ультразвука, соответствующее изменению одной из резонансных частот образца, при увеличении температуры закалки от 520 до 540° составило 0,4%.
Способы отслеживания структурных изменений по значениям скоростей упругих волн применяются меньше — в силу того, что скорости эти, определяемые в основном модулями упругости, не склонны к значительным вариациям даже при существенных изменениях структурного состояния материала, в частности, при термообработке. Однако техника акустических измерений к настоящему времени ушла достаточно далеко от той, с помощью которой были проведены пионерские эксперименты С.Я. Соколова и Л.Г. Меркулова.
В работе [6] описано, в частности, исследование изменения скорости ультразвуковых объемных волн в образцах стали 20, выдержанных в течение часа при температуре 900° и закаленных в воде комнатной температуры, в зависимости от температуры отпуска (150—600°). Показано, что с увеличением температуры отпуска скорость ультразвука в сталях монотонно растет, а ее изменение составляет примерно 0,6%. Наибольший рост скорости распространения ультразвука наблюдался в области максимального распада пересыщенного твердого раствора углерода в альфа-железе (мартенсит), при температурах 150—400°.
Книга [7] посвящена экспериментальным исследованиям связи скорости продольных ультразвуковых волн в сталях и сплавах с особенностями их структуры, а именно, с химическим и фазовым составом, величиной структурных составляющих, наличием внутренних напряжений, пластической деформации и микроповреждений. Влияние структур, получаемых при различных температурах отпуска после закалки шести серий образцов при температурах от 753 до 953° (интервал температур 40°) исследовали, в частности, на стали У8А. При увеличении температуры отпуска от 160 до 550° (и уменьшении количества остаточного аустенита от 15% до 0) скорость ультразвука возрастала на относительную величину 1,2—1,5%, в зависимости от температуры закалки. В целом авторы книги [7] подтвердили, что скорость ультразвука в сталях и сплавах является структурно-чувствительной характеристикой, которую можно использовать для анализа состояния материала, если иметь в своем распоряжении ультразвуковую аппаратуру, позволяющую оценивать величину изменения скорости упругих волн с чувствительностью по крайней мере 0,1%.
Большой информативностью при исследовании состояния твердых тел обладают сдвиговые упругие волны. В частности, при возникновении напряжений или пластической деформации вдоль данного направления скорости сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек этого направления, будут различны. Впервые эта разница была обнаружена в конце первой половины прошлого века в стали холодной прокатки [8]. Оказалось, что скорости сдвиговых волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката, равны 3213 и 3110 м/с соответственно. Нетрудно видеть, что разница скоростей составляет 3,3%, т.е. величину, более существенную, чем изменения скорости ультразвука в экспериментах, описанных ранее.
Опираясь на проведенный анализ литературных данных, в своих акустических измерениях мы выбрали для диагностики состояния рабочих лопаток компрессора коэффициент затухания, скорость распространения продольных и сдвиговых волн, а также разницу скоростей сдвиговых волн взаимно перпендикулярной поляризации.
Экспериментальные исследования состояния основного металла компрессорных лопаток после эксплуатации и ремонта. Цель настоящей статьи заключается в изучении акустических свойств основного металла компрессорных лопаток для выяснения влияния восстановительной термообработки и нанесенного по технологии PVD (Physical Vapor Deposition) покрытия нитрида титана (TiN), а также длительной эксплуатации в составе ГТД на изменение структуры материала лопатки. Влияние самого покрытия на распространение объемных упругих волн очень мало, так как его толщина (~5 мкм) незначительна по сравнению с длиной волны (0,3—0,7 мм в данном случае).
Ультразвуковой эхо-метод неразрушающего контроля прим
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.