Введение

Технические характеристики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) современных летательных аппаратов во многом обусловлены работоспособностью лопаток ротора ГТД (турбины высокого давления – ТВД) в условиях частых смен температурных режимов и нагрузок, а также периодических забросов по температуре газового потока, поступающего на рабочие лопатки ТВД.

Проблема увеличения длительной прочности и других эксплуатационных характеристик рабочих лопаток ТВД в тяжелых температурно-силовых условиях решается специалистами ВИАМ в соответствии со Стратегическими направлениями развития материалов и технологий [1–3], ориентированными на обеспечение безопасности [4] и конкурентоспособности российской авиационной техники. В ВИАМ также ведутся исследования и разработка новых литейных жаропрочных сплавов для турбины ГТД на основе никеля [5–7] и новых жаростойких и теплозащитных покрытий для деталей горячего тракта ГТД [2, 8].

Высокая анизотропия механических свойств монокристаллических жаропрочных сплавов на основе никеля [9–11] и значительное различие упругих, прочностных, пластических и теплофизических характеристик литейных жаропрочных сплавов, жаростойких интерметаллидных и теплозащитных керамических покрытий предопределили смену традиционных подходов к задачам разработки конструкций литых охлаждаемых рабочих лопаток ТВД. В связи с вышеуказанными проблемами создание литых охлаждаемых монокристаллических лопаток ТВД для двигателей пятого поколения неразрывно связано с процессом конструирования лопаток по технологии современного производства. Химический и фазовый состав жаропрочных материалов – основной фактор, определяющий свойства изделий для работы в условиях высоких температур и переменных механических нагрузок [12, 13].

Оценка точности расчета запасов статической и динамической прочности рабочих лопаток ГТД и назначенного ресурса двигателя доказывается данными стендовых испытаний и, кроме того, последующими всесторонними исследованиями структуры и свойств конструкционных материалов и функциональных покрытий, входящих в состав лопаток [14–18].

Материалыиметоды

Структуру монокристаллических лопаток ротора ТВД из литейного никелевого жаропрочного сплава ЖС32-ВИ исследовали как после полного цикла изготовления лопаток, так и после длительных ресурсных испытаний газотурбинного двигателя.

Анализ структурных изменений и повреждений никелевого жаропрочного сплава выполнили в наиболее горячем сечении пера лопатки в сравнении со структурой сплава в хвостовике лопатки. Общий вид рабочей лопатки с указанием сечения, в котором проводилось детальное исследование микро- и субструктуры, и схемой распределения температур на крейсерском режиме работы ГТД представлен на рис. 1.

Рис. 1. Рабочая лопатка турбины высокого давления ГТД (общий вид со стороны входной кромки; стрелкой указано положение восьмого перфорационного отверстия)

Исследование микроструктуры и химического состава фаз выполнили на металлографических шлифах после механического шлифования и полирования, электрохимического травления в насыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте. Типичная микроструктура входной кромки рабочей лопатки ГТД приведена на рис. 2.

Рис. 2. Микроструктура входной кромки рабочей лопатки ТВД в сечении восьмого перфорационного отверстия

Анализ микроструктуры никелевого жаропрочного сплава проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе JSM-6490LV в режимах отраженных электронов и вторичных электронов. Определение локального состава фаз выполнили с помощью системы энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) INCA x-sight.

Определение параметров кристаллических решеток γ-твердого раствора на основе никеля и γ′-фазы на основе соединения Ni₃Al на образцах из монокристаллического жаропрочного сплава ЖС32-ВИ выполнили методом рентгеноструктурного анализа (РСА) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4. Съемка рентгеновской дифрактограммы для прецизионного определения параметров кристаллических решеток γ- и γ′-фаз и их размерного несоответствия (мисфита) проведена в монохроматическом Fe K_a-излучении. Методика рентгеновского структурного анализа монокристаллов жаропрочных сплавов подробно описана в работах [16, 17].

Результаты

Исследование микроструктуры монокристаллического никелевого жаропрочного сплава после длительной высокотемпературной наработки в эксплуатационных условиях (порядка нескольких тысяч часов) методами РЭМ показало следующие значимые отличия: несмотря на то, что частицы γ′-фазы (когерентно сопряженные с γ-матричной фазой) сохранили кубоидную форму и внешне почти не изменились по сравнению с исходным состоянием (однако начавшееся огрубление микроструктуры и частичное слияние кубоидных частиц γ′-фазы заметно на фотографии), произошло образование пластинчатых выделений ТПУ фазы. На рис. 3 представлены трещины в рабочей лопатке ТВД, образовавшиеся по механизму термомеханической усталости.

Рис. 3. Трещины в рабочей лопатке ТВД, образовавшиеся по механизму
термомеханической усталости

Рис. 4. Пластины ТПУ фазы в сечении шлифа и в статическом изломе рабочей лопатки турбины среднего давления (ТСД) ГТД Д-18Т из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава после наработки при эксплуатации в течение 7835 ч

Рис. 5. Схема выбора зон (1–5 – см. табл. 1) исследования химического состава ТПУ фазы и γ′-фазы

Образовавшиеся в жаропрочном сплаве пластины ТПУ фазы исследовали методом РСМА. На рис. 4 приведены изображения пластин ТПУ фазы в сечении шлифа и в статическом изломе рабочей лопатки турбины среднего давления ГТД Д-18Т из монокристаллического жаропрочного никелевого сплава после наработки при эксплуатации в течение 7835 ч. Схема выбора зон исследования химического состава ТПУ фазы и γ′-фазы приведена на рис. 5. Химический состав ТПУ фазы и γ′-фазы представлен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав ТПУ фазы и γ′-фазы в монокристаллическом никелевом

жаропрочном сплаве после высокотемпературной наработки

Помимо растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа также проводили рентгеноструктурные исследования для прецизионного определения параметров кристаллических решеток γ- и γ′-фаз на образцах из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава как после высокотемпературной выдержки без нагружения, так и после длительных ресурсных испытаний. Проведенный рентгеноструктурный анализ показал, что происходит устойчивое снижение величины параметра кристаллической решетки γ-твердого раствора после длительных ресурсных испытаний (порядка 1000 часов и более) в сравнении с исходным состоянием сплава; на малых базах испытаний (несколько сотен часов) изменение параметра кристаллической решетки γ-фазы малозаметно. На рис. 6 представлены наиболее характерные дифрактограммы рентгеновского рефлекса (222) в монохроматизированном Fe K_a-излучении как после воздействия высокой температуры без механических нагрузок, так и после длительных ресурсных испытаний. Результаты прецизионного определения параметров кристаллических решеток (γ/γ′)-фаз, а также размерного несоответствия кристаллических решеток фаз (мисфит) представлены в табл. 2.

Рис. 6. Наиболее характерные дифрактограммы рентгеновского рефлекса (222) (γ/γ′)-фаз монокристаллического никелевого жаропрочного сплава в монохроматизированном Fе K_a-излучении как после воздействия высокой температуры без механических нагрузок (а), так и после длительных ресурсных испытаний (б)

Таблица 2

Параметры кристаллических решеток (γ/γ′)-фаз и размерное несоответствие

параметров кристаллических решеток фаз при различных условиях

длительных высокотемпературных испытаний

Обсуждение и заключения

Выделение ТПУ фаз после длительной наработки подтверждается как данными РЭМ, где на снимке видны выделения фазы пластинчатой морфологии, так и данными рентгеноспектрального микроанализа, указывающими на химический состав ТПУ фазы, богатой рением и вольфрамом. Косвенно о выделении ТПУ фаз в процессе длительной эксплуатации материала свидетельствуют и данные прецизионного определения параметров кристаллических решеток γ-твердого раствора и γ′-фазы: снижение параметров кристаллической решетки характерно не только для γ-фазы, но и для γ′-фазы на основе соединения Ni₃Al. Величина снижения параметра кристаллической решетки возрастает с увеличением продолжительности ресурсных испытаний лопаток при высокой температуре.

Из результатов проведенных исследований можно сделать вывод, что снижение содержания легирующих элементов в γ-твердом растворе в результате выделения ТПУ фаз, богатых тугоплавкими элементами, является одной из причин понижения жаропрочности материала. Более того, ТПУ фазы оказывают отрицательное влияние на механические характеристики сплава из-за локального нарушения когерентности межфазных границ в зоне их возникновения, что неминуемо приводит к образованию клиновидных микротрещин в процессе высокотемпературной ползучести материала, по которым в дальнейшем происходит разрушение сплава.

Можно предположить, что контролировать выделение ТПУ фаз in-situ возможно посредством высокотемпературной рентгенографии, а также в процессе высокотемпературных испытаний жаропрочных сплавов под приложенной механической нагрузкой методами прецизионного определения параметров кристаллических решеток (γ/γ′)-фаз по величине снижения параметра решетки. Таким образом, можно будет исследовать кинетику появления ТПУ фаз в зависимости от нагрузок, продолжительности выдержки и температуры, что будет представлять большой интерес для исследователей-материаловедов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.595.21.0002 от 22.08.2014 г., уникальный идентификатор №RFMEFI59514X0002, с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания ФГУП „ВИАМ”».