Структурно-фазовое обоснование метода прогнозирования ресурса защитных покрытий для лопаток стационарных ГТУ

• Автор: Можайская, Наталия Васильевна
• Шифр специальности: 05.02.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 130 с. : 73 ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Коррозионная стойкость жаропрочных сплавов и покрытий при высоких температурах

1.1. Особенности напряженного состояния и условий эксплуатации лопаток

ГАЗОВЫХ ТУРБИН

1.2. Защитные покрытия, их структура и свойства

1.2.1. Виды защитных покрытий для лопаток газовых турбин, их классификация и технология нанесения

1.2.2. Сопротивление высокотемпературному окислению покрытий

1.3. Деградация структуры и свойств покрытий

1.4. Методы прогнозирования ресурса покрытий

1.4.1. Экспериментальные методы исследования массообменных процессов для оценки ресурса в защитных покрытиях
1.4.2. Расчетные методы исследования массообменных процессов для оценки ресурса защитных покрытий
1.5. Выводы по главе
Глава 2. Материал и методы исследования
2.1. МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.2.1. Металлографические исследования
2.2.2. Рентгеноструктурный анализ
2.2.2. Методика рентгеноспектрального микроанализа
Глава 3. Исследование состояния лопаток ГТУ с покрытиями после длительной эксплуатации
3.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.2. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК С ДИФФУЗИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ
3.2.1. Направляющие лопатки Ной ступени ТВДтурбины ГТН
3.2.2. Рабочие лопатки 2-ой ступени ТВД турбины ПН
3.2.3. Направляющие лопатки 1-ой ступени ТВД турбины П
3.2.4. Направляющие лопатки ТВ
3.2.5. Направляющие лопатки судовых ГТУ
3.3. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК С ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫМИ
ПОКРЫТИЯМИ (ЕВ РУД)
3.3.1. Рабочие лопатки пиковой энергетической газовой турбины П
3.3.2. Рабочие и направляющие лопатки пиковой энергетической газовой турбины П
3.3.3. Рабочие и направляющие лопатки судовых ГТУ
3.3.4. Рабочие лопатки газовой турбины ПК-25И
3.4. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ЛОПАТОК С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫМИ
ПОКРЫТИЯМИ
3.4.1. Направляющие лопатки ПЭ
3.4.2. Направляющие лопатки газовой турбины П-б
3.4.3. Рабочие лопатки ПН
3.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 4. Закономерности образования и роста защитных оксидных пленок
4.1. Фазовый состав оксидных пленок
4.2. Влияние температуры выдержки
4.3. Влияние содержания алюминия в покрытии
4.4. Влияние толщины покрытия
4.5. Влияние технологии нанесения покрытия
4.6. Влияние состава основного металла
4.7. аппроксимация результатов испытаний
4.8. Выводы по главе 4..:
Глава 5.Кинетика изменения структуры покрытия
5.1. Фазовый состав покрытия и основного металла, его изменение при
длительной эксплуатации
5.1.1. Плазменное покрытие Ni25Cr5Al2SiTaY на ставе СМ247 LC
5.1.2. Плазменное покрытие Co29Cr6AlY на ставе ЖС6К
5.1.3. Плазменное покрытие Ni30Co28Cr8AlY и Ni30Co28Crl0AlYна ставе
IN738LC
5.1.4. Плазменное покрытие Ni25Col 7CrlOAlYRe на ставе Rene
5.1.5. Плазменное покрытие Ni25Col 7CrlOAlYRe на ставе PWA1483SX
5.2. Особенности изменения состава поверхностного слоя
5.3. Обезлегирование внешнего слоя покрытия
5.3.1. Влияние времени выдержки
5.3.2. Влияние температуры
5.3.3. Влияние состава покрытия
5.4. Выводы по главе
Глава 6. Моделирование структурно-фазовых изменений в покрытиях при изотермическом старении и создание Методики прогнозирования коррозионного ресурса покрытия
6.1. Физическая модель
6.2. Математическая модель и ее параметры
6.3. Методики прогнозирования коррозионного ресурса
6.4. Влияние основных параметров покрытий на их долговечность (примеры
РАСЧЕТА)
6.4.1. Идентификация параметров модели
6.4.2. Примеры расчета коррозионного ресурса покрытий
Выводы
Список использованной литературы
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Одна из основных проблем, возникающих при эксплуатации энергетических, транспортных и авиационных ГТУ - обеспечение надежности и долговечности наиболее ответственных узлов агрегата -лопаточного аппарата. При создании новых установок эти вопросы становятся особенно острыми, так как достижение необходимого уровня удельной мощности и эффективности турбины связано с температурным режимом работы турбины.
Эксплуатируемые в настоящий момент отечественные "пиковые" энергетические ГТУ, а также ряд ГТУ, эксплуатирующихся на компрессорных станциях, работают при температуре газа на входе в турбину около 1100°С, что соответствует температуре металла лопаток 900-1000°С. Применяемые для лопаток ГТУ современные жаропрочные никелевые сплавы, обладающие необходимым уровнем длительной прочности, не обеспечивают требования, предъявляемые к ресурсу лопаток, в связи с их невысокой коррозионной стойкостью в среде продуктов сгорания как чистых сортов топлива, так особенно топлив с высоким содержанием серы и натрия.
Достижение требуемого уровня работоспособности лопаточного аппарата ГТУ связано с созданием работоспособной композиции жаропрочный сплав - коррозионностойкое покрытие. Причем, очень важным является, чтобы, наряду с надежной защитой от коррозии в течение всего срока эксплуатации, взаимодействие материала покрытия с основой не ухудшало бы прочностных свойств металла лопатки (особенно усталостной и термоусталостной прочности) с одной стороны, и с другой, чтобы процессы взаимодействия покрытия с газовой средой и основой были прогнозируемыми. Такое прогнозирование является основой определения назначенного ресурса лопаток. Наличие сведений о фазовых равновесиях в

выше характеристик от времени и температуры, как правило, имеют степенной вид [13, 35, 40, 78, 79, 108, 175] и получены при проведении краткосрочного эксперимента продолжительностью до 2 - 3 тыс. часов.
В наиболее распространенном случае кинетическая зависимость окисления имеет вид степенной функции:
где Ат - прирост массы оксидной пленки, Б - площадь, к - константа скорости окисления, т- время, п - показатель степени.
Константа скорости окисления является функцией температуры (как правило, закон Аррениуса):
где ко - константа, Е - энергия активации процесса, R - газовая постоянная, Т - температура. Конкретные значения параметров определяются путем анализа и интерполяции экспериментальных данных. Экспериментальные исследования окисления некоторых интерметаллических соединений и двухфазных сплавов в интервале температур 800 - 1050°С показали, что в некоторых температурных интервалах их окисление подчиняется законам квадратичной или кубической параболы, а в некоторых -линейному закону окисления.
Толщина оксидной пленки А1203 на границе металлического и керамического слоев в модели прогнозирования ресурса термобарьерного покрытия в работе [148] моделируется окислительной моделью, полученной путем обработки экспериментальных данных по окислению образцов в печи и камере сгорания. Испытания включали в себя как статические, так и циклические испытания для различных интервалов температур - от 1038 до 1149 °С с выдержками до 1800 часов. В результате обработки была получена экспоненциальная зависимость роста толщины оксида AI2O3:
(1.1)
к -к0 ехр(— E/RT),
(1.2)