Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Основными причинами возникновения дефектов и разрушений материала лопаток газотурбинных двигателей являются нарушения технологии изготовления и несоблюдение заданных условий эксплуатации. В некоторых случаях возникновение дефектов вызывается синергетическим эффектом от нескольких факторов [1–3]. Рабочие лопатки являются наиболее нагруженными деталями газотурбинных двигателей (ГТД). Ресурс их работы определяется многими эксплуатационными факторами и параметрами. Температурными, включающими температуру эксплуатации, скорость и амплитуду перепадов. Силовыми, в основном представленными изменяющимися динамическими нагрузками, представленные радиальными, продольными и изгибающими напряжениями. Синергетический эффект, создающийся при комбинации этих факторов, вызывает высокотемпературную усталость, которая является наиболее распространенной причиной разрушения рабочих лопаток турбин, изготовленных из жаропрочных никелевых сплавов. Однако, при правильной эксплуатации на установленных режимах и нагрузках, рабочие лопатки ТВД могут эксплуатироваться в течении длительного времени [4].
Объект исследования: рабочая лопатка ТВД, эксплуатировавшаяся в газоперекачивающем агрегате ГТК-10-4. При периодическом контроле на ней была обнаружена продольная трещина в замковой части по среднему пазу с выходом на торцевую часть замка со стороны входной кромки. Проведен неразрушающий контроль, включавший визуальный осмотр с комплектом инструментов для визуально-измерительного контроля (ВИК), цветную дефектоскопию (ЦД), ультразвуковую твердометрию. Микрошлифы образцов исследовались методом световой оптической микроскопии с увеличением от 50 до 500 крат и методом сканирующей электронной микроскопии на растровом электронном микроскопе. Для подготовки микрошлифа проведена вырезка и холодная заливка дефектной области.
Неразрушающий контроль проводился в соответствии с требованиями [5]. Визуально был обнаружен недопустимый дефект в торцевой части замка по среднему пазу со стороны входной кромки – продольная трещина. После демонтажа лопатки, по результатам ЦД были уточнены параметры трещины: 30 мм вдоль замковой части, 9 мм со стороны торца. При оптической микроскопии в зоне зарождения трещины обнаружено повреждение поверхности в виде каверны 10х5 мкм. Структура металла, определенная после травления, имеет дендритную структуру, нарушений микроструктуры на обнаружено. Характер излома характеризуется как хрупкий транскристаллитный. При измерении твердости хвостовика лопатки были получены значения 290…310 НВ, что превышает допустимый по [5] диапазон 217…275. При анализе документации было выявлено, что лопатка изготовлена из материала INCONEL 738LC. В [5], материалом, используемым в качестве рабочих лопаток ТВД указан сплав ЭИ893. Оба материала относятся к никель-хромовым жаропрочным сплавам и широко примененяются в двигателестроении. Основными отличиями являются предел прочности, относительное удлинение и температурные режимы работы. У сплава INCONEL 738LC они составляют 1035 МПа, 7 % и 980 °С, а у сплава ЭИ893 900 МПа, 20 % и 850 °С соответственно. При работе лопаток в условиях температур ТВД в районе 780 °С, оба сплава разрешены к применению. По результатам электронной микроскопии поверхности раскрытой трещины, подтвержден хрупкий транскристаллитный характер излома, с небольшими участками проходящими по дендритным линиям. По внешнему краю трещины обнаружен очаг зарождения, шириной до 0,5 мм, протяженностью до 3 мм. На поверхности излома выделяются линии усталостных бороздок, свидетельствующие о дополнительном развитии дефекта после первоначального раскрытия.
Выявленные дефекты являются недопустимыми и ремонту не подлежат. Других дефектов, в том числе забоин и следов механического воздействия на перья лопаток не обнаружено. Характер и структура разрушения указывают на усталостную причину возникновения и развития трещин. Первоначальное разрушение возникло в месте дефекта поверхности при возможном сочетании ослабления посадки лопаток на рабочем диске ТВД и смещением распределения нагрузки на средний зубец замка. Обнаружение дефекта в ходе планового осмотра позволило своевременно обнаружить дефектный элемент и не допустить аварийного развития ситуации.
