Продление ресурса рабочих лопаток ГТК 10-4 из сплава ЭИ 893 после продолжительного срока эксплуатации

Abstract

В процессе длительной эксплуатации (десятки тыс. ч) в рабочих лопатках агрегата ГТК 10-4 под воздействием статических и динамических нагрузок, градиента температур, продуктов сгорания топлива и т. д. происходит деградация основного материала - сплава ЭИ 893. Структурные изменения в основном сплаве лопаток влияют на изменения его механических характеристик по сравнению с металлом в исходном состоянии, а именно - происходит повышение предела прочности, текучести, значений твердости и снижение характеристик пластичности, а, следовательно, снижение их сопротивления ползучести и многоцикловой усталости. Поэтому продление ресурса дорогостоящих изделий горячего тракта турбин является очень важной задачей, которая реализуется комплексным восстановлением исходной структуры и механических характеристик сплава ЭИ 893. Целью работы было изучение на семи рабочих лопатках (из комплектов с различным сроком эксплуатации) состояния материала ГТД после эксплуатационного старения, определение их ремонтопригодности и выбор режимов восстановительной термической обработки. Было установлено, что в процессе продолжительного срока эксплуатации при температуре 630...670 °С в рабочих лопатках происходит существенное изменение структурно-фазового состояния основного материала - сплава ЭИ 893, проявляющееся в растворении, коагуляции и неравномерном распределении упрочняющей фазы в объеме матричного раствора и выделении карбидов по субграницам в теле зерна и по границам зерен, образовании карбидов более сложного состава. Было установлено, что оптимальная структура основы с достаточной твердостью и микротвердостью формируется при двухстадийной восстановительной термической обработке: наблюдается некоторое снижение разноразмерности зерна (в основном 2...4 балл зерна), снижение плотности и размеров стабильных карбидных фаз в межзеренных прослойках, равномерном и регулярном распределении дисперсной упрочняющей фазы. Регенерация структуры после ВТО приводит к увеличению пластических (33,2...35,6 %) характеристик, а, следовательно, и сопротивлению усталости, при допустимых значениях прочности и вязкости разрушения, что в целом обеспечивает работоспособность восстановленных изделий.

During prolonged operation (thousands of hours) degradation of base material — EI 893 alloy — proceeds in working blades of GTK 10-4 unit under the impact of static and dynamic loads, temperature gradient, fuel combustion products, etc. Structural changes in the basic blade alloy influence the changes of its mechanical properties, compared to metal in initial state, namely, increase of ultimate strength, yield limit, hardness values and lowering of ductility characteristics take place and, therefore, also lowering of their creep resistance and high-cycle fatigue. For this reason, extension of service life of expensive items in turbine hot section is an extremely important task, which is solved by integrated restoration of initial structure and mechanical properties of EI 893 alloy. The objective of this work was studying GTE material state after operational aging on seven working blades (from sets with different operating lives), determination of their repairability and selection of modes of recovery heat treatment. It was found that during long operation periods at the temperature of 630–670 oC an essential change of structural-phase state of base material proceeds in the working blades, which is manifested in dissolution, coagulation and non-uniform distribution of strengthening phase in matrix solution volume and carbide precipitation on subgrain boundaries within the grains and on grain boundaries, and formation of carbides of a more complex composition. It was established that optimum base structure with sufficient hardness and microhardness forms at two-step recovery heat treatment, namely, a certain reduction of difference in grain dimensions (mainly, 2–4 grain size point), reduction of density and dimensions of stable carbide phases in intergranular interlayers, and uniform and regular distribution of disperse strengthening phase. Structure recovery after recovery heat treatment leads to improvement of ductile characteristics (δ = 33.2–35.6 %) and, consequently, also of fatigue resistance at admissible values of strength and fracture toughness, that, on the whole, ensures the serviceability of reconditioned items.