Методика расчета минимальной скорости ползучести лопаток турбин газотурбинных двигателей, основанная на учете деградации микроструктуры сплава

В текущих мировых экономических условиях авиакомпании нуждаются в сокращении финансовых затрат. Известно, что удельный вес затрат авиакомпаний на проведение технического обслуживания и ремонта (ТОиР) в общей структуре затрат составляет не менее 20 %, из которых свыше 40 % приходится на ремонт и обслуживание авиационных двигателей (АД). По существующим оценкам специалистов, эта статья расходов продолжит возрастать, что обусловлено неизбежным усложнением конструкций АД, которое диктуется необходимостью повышения эффективности и экологичности их эксплуатации. Одним из возможных путей сокращения затрат на ТОиР является переход на эксплуатацию по состоянию компонентов, эксплуатируемых в настоящее время до выработки установленного ресурса. К числу таких элементов, например, можно отнести лопатки турбин газотурбинных двигателей (ГТД). Как известно, лопатки турбин работают в весьма непростых условиях: на них воздействуют высокие температуры, большие центробежные нагрузки, агрессивная окружающая газовая среда, а их разрушение происходит, как правило, в результате накопления усталостных повреждений и ползучести. Прежде чем возникнут макроскопические повреждения, микроструктура сплава значительно деградирует и деформируется. Обнаружение на ранней стадии этих микроскопических повреждений, происходящих в сплаве, является тем инструментом, который может позволить перейти на эксплуатацию по состоянию лопаток турбин ГТД. В статье представлена методика расчета минимальной скорости ползучести сплава Inconel 738LC, основанная на учете микроструктурных изменений в условиях реальной эксплуатации. Полученные результаты предлагается использовать для расчета остаточного ресурса лопаток турбин по параметру ползучести.

1. Huang W.Q., Yang X.G., Li S.L. Evaluation of service-induced microstructural damage for directionally solidified turbine blade of aircraft engine // Rare Metals. 2019. Vol. 38, iss. 2. Pp. 157–164. DOI: 10.1007/s12598-018-1016-z

2. Tong J. Assessment of service induced degradation of microstructure and properties in turbine blades made of GH4037 alloy / J. Tong,X. Ding, M. Wang, K. Yagi, Yu. Zheng, Q. Feng // Journal of Alloys and Compounds. 2016. Vol. 657. Рp. 777–786. DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.10.071

3. Логунов А.В. Жаропрочные никелевые сплавы для лопаток и дисков турбин. М.: Московские учебники и Картолитография, 2018. 592 с.

4. Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления: справочник / Пер. с нем. Н.И. Туркиной и Е.Я. Капуткина. 2-е изд. М.: Металлургия, 1988. 400 с.

5. Лившиц Б.Г. Металлография: учебник для вузов. М.: Металлургия, 1990. 236 с.

6. Федорченко Д.Г., Новиков Д.К. Исчерпание ресурса деталей ГТД в эксплуатационных условиях: монография. Самара: Изд-во СамНЦ РАН, 2018. 264 с.

7. Li Sh. A physically based model for correlating the microstructural degradation and residual creep lifetime of a polycrystalline Nibased superalloy / Sh. Li, B. Wang, D. Shi, X. Yang, H. Qi // Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 783. Pp. 565–573. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.11.417

8. Monkman F., Grant N. An empirical relationship between rupture life and minimum creep rate in creep-rupture tests // Proceeding of ASTM, 1956. Pp. 593–620.

9. Mishra R.S., Mukherjee A.K. Correlations between high-temperature creep behavior and structure // Proceedings of the Third «Light Weight Alloys for Aerospace Applications» Symposium Sponsored by the Non-ferrous Metals Committee of the Structural Materials Division (SMD) of TMS, February 13–16 1995. P. 319.

10. Fan Y. Mechanical properties deterioration and its relationship with microstructural variation using small coupons sampled from serviced turbine blades / Y. Fan, H. Weiqing, Y. Xiaoguang, S. Duo-qi, L. Shaolin // Materials Science and Engineering: A. 2019. Vol. 757. Pp. 134–145. DOI: 10.1016/j.msea.2019.04.100

11. Carey J.A., Sargent P.M., Jones D.R.H. A deformation mechanism map for IN738LC superalloy // Journal of Materials Science Letters. 1990. Vol. 9, iss. 5. Pp. 572–575. DOI: 10.1007/BF00725881

12. Петрушин Н.В., Логунов А.В., Ковалев А.И. и др. Способ определения относительного объемного содержания упрочняющей 𝛾′-фазы в сплавах. Патент SU № 687965 A1, МПК G01N 27/02: опубл. 15.03.1992. 8 с.

13. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: монография. М.: Машиностроение, 1998. 463 с.