Влияние коррозионных повреждений на сопротивление термической усталости жаропрочных сплавов

Целью исследований явилась разработка метода оценки влияния высокотемпературных коррозионных повреждений на сопротивление термической усталости образцов из жаропрочных сплавов на никелевой основе, применяемых для изготовления рабочих и направляющих лопаток и дисков газотурбинных установок. Для предварительного нанесения коррозионных повреждений образцы подвергали воздействию коррозионной среды при высоких температурах. Микроструктуру металла образцов перед испытаниями на термическую усталость (после накопления коррозионных повреждений и подготовки одной полированной поверхности) изучали методом цифровой металлографии. Испытания на термическую усталость проводили в вакууме на плоских корсетных образцах. Образцы фиксировали в осевом направлении и нагревали путем пропускания электрического тока. Заданную программу циклического нагрева/охлаждения поддерживали в течение всего испытания автоматически. Рассматривали программы испытаний с изменением температуры в пределах цикла в диапазонах 100 ↔ 850, 100 ↔ 900, 100 ↔ 1000 °C без выдержек и 100 ↔ 800, 100 ↔ 900, 100 ↔ 1000, 100 ↔ 1100, 500 ↔ 1000 и 500 ↔ 1050 °C с выдержками от 2 до 15 мин при максимальной температуре. Испытания образцов из двух жаропрочных сплавов с коррозионными повреждениями разной интенсивности показали существенное влияние времени выдержки при максимальной температуре цикла и толщины коррозионного слоя на сопротивление термической усталости материалов. Разработан метод оценки влияния коррозионных повреждений на сопротивление термической усталости с использованием четырехчленного деформационного критерия термоусталостного разрушения путем учета линейной зависимости параметров критерия от толщины коррозионного слоя. Зависимость толщины коррозионного слоя от температуры и времени выдержки в коррозионно-активной среде определяли на основе экспоненциальной и степенной зависимостей соответственно. Предложенный метод оценки термоусталостной долговечности прошел первичную апробацию для жаропрочных сплавов ХН56КВМТЮБ и ВЖМ4-ВИ с различными степенями коррозионных повреждений.

1. Никитин В. И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин. — Л.: Машиностроение, 1987. — 272 с.

2. Getsov L. B. Materials and strength of gas turbine parts. Vol. 1. Materials, properties, damage, deformation and fracture models / Altenbach H., Naumenko K., Eds. — Cham: Springer, 2021. — 469 p. DOI: 10.1007/978-981-16-0534-5

3. Наприенко С. А., Филонова Е. В., Чабина Е. Б., Горлов Д. С. Влияние газовой среды на процесс разрушения замков рабочих лопаток турбин наземных газотурбинных установок / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2021. № 3. С. 86 – 94. DOI: 10.31857/s0235711921030123

4. Гецов Л. Б., Баландина М. Ю., Грищенко А. И., и др. Эффект Ребиндера при испытаниях жаропрочных сплавов в контакте с расплавами солей / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 10. С. 54 – 62. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-10-54-62

5. Li Q., Liu F., Li Y., et al. A study of the hot salt corrosion behavior of three nickel-based single-crystal superalloys at 900°C / Crystals. 2024. Vol. 14. No. 4. P. 307. DOI: 10.3390/cryst14040307

6. Cruchley S., Li H. Y., Evans H. E., et al. The role of oxidation damage in fatigue crack initiation of an advanced Ni-based superalloy / International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 81. P. 265 – 274. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2015.08.016

7. Mudgal D., Singh S., Prakash S. Cyclic hot corrosion behavior of Superni 718, Superni 600, and Superco 605 in sulfate and chloride containing environment at 900°C / Metallography, Microstructure, and Analysis. 2015. Vol. 4. No. 1. P. 13 – 25. DOI: 10.1007/s13632-014-0182-0

8. Cervellon A., Yi J. Z., Corpace F., et al. Creep, fatigue, and oxidation interactions during high and very high cycle fatigue at elevated temperature of nickel-based single crystal superalloys / Superalloys. — Cham: Springer, 2020. P. 18. DOI: 10.1007/978-3-030-51834-9_18

9. Ruiz-Sabariego J. A., Pommier S. Oxidation assisted fatigue crack growth under complex non-isothermal loading conditions in a nickel base superalloy / Int. J. Fatigue. 2009. Vol. 31. Nos. 11 – 12. P. 1724 – 1732. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2009.03.009

10. Tong J., Dalby S., Byrne J., et al. Creep, fatigue and oxidation in crack growth in advanced nickel base superalloys / Int. J. Fatigue. 2001. Vol. 23. No. 10. P. 897 – 902. DOI: 10.1016/s0142-1123(01)00049-4

11. Сотов А. В., Проничев Н. Д., Смелов В. Г., и др. Разработка методики проектирования технологических процессов изготовления деталей ГТД методом селективного лазерного сплавления порошка жаропрочного сплава ВВ751П / Известия Самарского научного центра РАН. 2017. Т. 19. № 4-1. С. 96 – 104.

12. Гарибов Г. С., Гриц Н. М., Востриков А. В., Федоренко Е. А. Создание нового высокопрочного сплава ВВ751П для перспективных газотрубинных двигателей / Технология легких сплавов. 2009. № 1. С. 34 – 39.

13. Бер Л. Б. Температурно-временные диаграммы распада γ-твердого раствора в гранулируемых жаропрочных никелевых сплавах ЭП741НП и ВВ751П, их построение и использование при закалке заготовок дисков / Технология легких сплавов. 2017. № 4. С. 5 – 19.

14. Петрушин Н. В., Оспенникова О. Г., Светлов И. Л. Монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы для турбинных лопаток перспективных ГТД / Авиационные материалы и технологии. Научно-технический журнал. — М.: ВИАМ, 2017. С. 72 – 102. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-s-72-103

15. Беляев М. С., Петрушин Н. В. Многоцикловая усталость монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4 / Материаловедение. 2017. № 12. С. 10 – 17.

16. Мовенко Д. А., Заводов А. В., Лаптев А. В., Лощинина А. О. Изменение структуры сплава ВЖМ4-ВИ в процессе высокотемпературной солевой коррозии при 750 °C / Металловедение и термическая обработка металлов. 2024. № 5. С. 21 – 28. DOI: 10.30906/mitom.2024.5.21-28

17. Голубовский Е. Р., Волков М. Е. Усталость монокристаллов никелевых сплавов ВЖМ-4 и ВЖМ-5 при повышенных температурах / Авиационные двигатели. 2018. № 1. С. 51 – 58. DOI: 10.54349/26586061_2018_1_51

18. Семенова А. А., Грищенко А. И., Семенов А. С. Влияние кристаллографической ориентации ГЦК-монокристаллов на уровень пластических деформаций при одноосном монотонном и циклическом термомеханическом воздействиях / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2023. № 5. С. 81 – 98. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.5.08

19. Гецов Л. Б., Добина Н. И., Рыбников А. И. и др. Сопротивление термической усталости монокристаллического сплава / Проблемы прочности. 2008. № 5. С. 54 – 71. DOI: 10.1007/s11223-008-9076-1

20. Гецов Л. Б., Семенов А. С., Голубовский Е. Р. и др. Особенности и единое описание I, II и III стадий ползучести монокристаллических жаропрочных сплавов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 3. С. 44 – 54. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-3-44-54

21. Семенов А. С., Грищенко А. И., Колотников М. Е., Гецов Л. Б. Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин. Ч. 2. Результаты расчетов / Вестник УГАТУ. 2019. Т. 23. ¹ 2(84). С. 61 – 74.

22. Getsov L. B., Rybnikov A. I., Semenov A. S. Thermal fatigue strength of heat-resistant alloys / Thermal Engineering. 2009. Vol. 56. No. 5. P. 412 – 420. DOI: 10.1134/s0040601509050103

23. Гецов Л. Б., Лаптев А. Б., Пузанов А. И., Шеляпина Н. М. Сульфидно-оксидная коррозия современных жаропрочных сплавов / Известия ВУЗов. Авиационная техника. 2019. № 4. С. 150 – 155. DOI: 10.3103/s1068799819040214

24. Семенов А. С., Гецов Л. Б. Критерии термоусталостного разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов и методы определения их параметров / Проблемы прочности. 2014. № 1. С. 50 – 62. DOI: 10.1007/s11223-014-9513-2

25. Гецов Л. Б. Семенов А. С. О запасах прочности деталей газотурбинных двигателей при термоциклическом нагружении / Авиационные двигатели. 2023. Т. 18. № 1. С. 79 – 98. DOI: 10.54349/26586061_2023_1_79

26. Семенов А. С., Грищенко А. И., Колотников М. Е., Гецов Л. Б. Конечно-элементный анализ термоциклической прочности лопаток газовых турбин. Ч. 1. Модели материала, критерии разрушения, идентификация параметров / Вестник УГАТУ. 2019. Т. 23. ¹ 1(83). С. 70 – 81.

27. Gao T., Jing J., Chen C., et al. A practical nonlinear damage accumulation method to predict the life and crack propagation of blade subjected to multilevel cyclic fatigue loads / J. Strain Anal. Eng. Design. 2020. Vol. 55. Nos. 3 – 4. P. 86 – 98. DOI: 10.1177/0309324719900598

28. Гецов Л. Б., Семенов А. С., Бессчетнов В. А. и др. Методика определения длительной прочности охлаждаемых лопаток из монокристаллических жаропрочных сплавов / Теплоэнергетика. 2017. № 4. С. 48 – 56. DOI: 10.1134/s004036361704004X

29. Семенов А. С., Семенов С. Г., Гецов Л. Б. Методы расчетного определения скорости роста трещин усталости, ползучести и термоусталости в поли- и монокристаллических лопатках ГТУ / Проблемы прочности. 2015. № 2. С. 61 – 87. DOI: 10.1007/s11223-015-9657-8

30. Гецов Л. Б., Михайлов В. Е., Семенов А. С. и др. Расчетное определение ресурса рабочих и направляющих лопаток ГТУ. Ч. 2. Монокристаллические материалы / Газотурбинные технологии. 2011. ¹ 8(101). С. 18 – 25.

31. Getsov L. B., Semenov A. S., Ignatovich I. A. Thermal fatigue analysis of turbine discs on the base of deformation criterion / Int. J. Fatigue. 2017. Vol. 97. P. 88 – 97. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2016.12.018

32. Shanyavskiy A. A. Fatigue crack propagation in turbine disks of EI698 superalloy / Frattura ed Integrita Strutturale. 2013. Vol. 24. P. 13 – 25. DOI: 10.3221/igf-esis.24.03

33. Choi H., Lim H. J., Yun G. J. An integrated unified elasto-viscoplastic fatigue and creep damage model with characterization method for structural analysis of nickel-based high-temperature structure / Int. J. Damage Mech. 2023. Vol. 32. No. 1. P. 73 – 102. DOI: 10.1177/10567895221124324