Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Оценка запаса работоспособности изделия из порошковых жаропрочных сплавов

28.01.2020

Высокая стоимость материалов и повышенные требования к эксплуатационным характеристикам деталей турбины изменили подход к их конструированию и снятию с эксплуатации. Традиционные методы оценки полезного срока службы элементов газовой турбины консервативны. По прошествии определенного, заранее заданного числа рабочих циклов деталь снимается с эксплуатации. При этом ресурс назначают, исходя из результатов испытаний на малоцикловую усталость, по нижнему пределу, соответствующему количеству циклов, при котором в одной из тысячи деталей (например, дисков) развивается усталостная трещина длиной около 0,75 мм. Это означает, что 99,9% дисков снимается с эксплуатации досрочно, и многие из них еще обладают достаточным запасом работоспособности (рис. 6.3 и 6.4). С точки зрения стоимости представляется желательным отказаться от такого подхода и снимать диск с эксплуатации лишь после того, как в нем возникнут повреждения. Наиболее ответственным моментом при этом является выбор подходящего критерия, который позволил бы проводить отбраковку, исходя из концепций механики разрушения и предельной величины дефектов, поддающихся обнаружению. Методы неразрушающего контроля должны быть чувствительными, прежде всего, к дефектам, возникающим в процессе эксплуатации вследствие усталости и ползучести, а также воздействия внешней среды.
Оценка запаса работоспособности изделия из порошковых жаропрочных сплавов

Типичные усталостные повреждения образуются обычно у поверхности и представляют собой линии скольжения, служащие местом зарождения микротрещин. Разрушение вследствие ползучести, равно как и усталостное разрушение при повышенных температурах и больших деформациях, происходит в основном по механизму роста пор и их объединения вдоль границ зерен. Повреждение под влиянием внешней среды может состоять в охрупчивании или ослаблении границ зерен. Так, нагрев на воздухе, особенно жаропрочных сплавов на основе никеля, может приводить к сильному охрупчиванию вследствие зернограничного окисления. В итоге, действие этих механизмов разрушения приводит к формированию микротрещины (чаще всего поверхностной), которая способна распространяться в реальных условиях эксплуатации детали.

Выявление ранних стадий усталостного повреждения. Для наблюдения за ранними стадиями усталостного разрушения использовалось большое число различных физических явлений. Хотя некоторые из полученных результатов были достаточно обнадеживающими, почти все эти методы требуют дальнейшего усовершенствования, прежде чем их удастся с успехом применить для контроля турбинных дисков. Довольно большими возможностями обладают, однако, акустические методы. Один из наиболее перспективных — метод гармоник. Он основан на прохождении звуковой волны (например, поверхностной волны частотой 5 МГц) через область, содержащую усталостный дефект. На выходе из этой области измеряется амплитуда второй гармоники (10 МГц). С увеличением числа циклов нагружения амплитуда второй гармоники возрастает. Результаты этих измерений используют для определения срока службы детали при помощи модели, основанной на ряде предположений о характере существующих микротрещин и законах их роста. До сих пор такие исследования ограничивались областью сплавов на основе Al и Ti, однако метод применим и к никелевым жаропрочным сплавам.

Для выявления усталостных напряжений в никелевых жаропрочных сплавах может также использоваться метод затухания звуковых волн.

Пока еще окончательно не решен вопрос о применимости этих методов к исследованию высокотемпературных материалов и дефектов, обусловленных ползучестью.

Метод акустической эмиссии был с успехом применен к дисковым сплавам IN 901 и IN 100. Характерные результаты представлены на рис. 6.5. Интенсивность эмиссии начинает возрастать незадолго до того, как появляется первая трещина. Следовательно, в данном случае метод позволяет установить момент начала зарождения трещины. Измерения, выполненные в процессе испытаний на малоцикловую усталость при контролируемой деформации, показали, что интенсивность акустической эмиссии для сплава Incoloy 901 во всех случаях выше, чем для сплава IN 100, полученного методом Геторайзинг. Эти различия можно объяснить действием в сплаве Incoloy 901 механизма двойникования, не характерного для сплава IN 100. Таким образом, не исключена возможность использования акустической эмиссии в качестве метода неразрушающего исследования механизмов усталости.

Методы, основанные на измерении вихревых токов, не имеют большого значения для выявления ранних стадий усталостного повреждения, поскольку их чувствительность к столь мелким дефектам невелика.

Обнаружение поверхностных микротрещин. Применение методов механики разрушения для оценки оставшегося срока службы детали предполагает наличие информации как о расположении, так и о размерах трещины. Из этих требований вытекает необходимость разработки количественных методов неразрушающего контроля. Одна из проблем, которые при этом возникают, обусловлена зависимостью вероятности обнаружения дефекта от его размера. Характер этой зависимости показан на рис. 6.6. Совершенствование методов неразрушающего контроля должно способствовать приближению к идеальной зависимости, имеющей вид ступенчатой функции (вероятность обнаружения дефекта, превышающего некоторый определенный размер, равна I), при одновременном уменьшении, насколько это возможно, минимального размера поддающихся обнаружению дефектов.

Обширные сравнительные исследования различных методов неразрушающего контроля деталей турбин, полученных горячим изостатическим прессованием порошков, позволили авторам работы сделать вывод, что для выявления поверхностных дефектов лучше всего использовать метод проникающих (контрастных) жидкостей.

К другому заключению пришли Карджил и др. в своих исследованиях, посвященных поиску критерия для снятия с эксплуатации турбинного диска из сплава IN 718. Они подчеркивают необходимость разработки автоматизированных методов контроля с помощью вихревых токов и количественных методов неразрушающей дефектоскопии.

Причины этого расхождения во мнениях исследователей до некоторой степени проясняют результаты определения оставшегося срока службы дисков из сплава Incoloy 901. Данные табл. 6.1 позволяют сравнить возможности разных методов контроля. Обращают на себя внимание большие различия в чувствительности лабораторных и промышленных методов, основанных на проникновении жидкости в поверхностные дефекты. Указанные различия свидетельствуют о том, что результаты, полученные с помощью этих методов, сильно зависят от вида жидкости, среды, в которой проводятся испытания, и квалификации исследователя. Из табл. 6.1 также видно, что метод вихревых токов и метод проникающих жидкостей при наложении напряжений в лабораторных условиях обладают высокой надежностью. Во втором из этих методов предварительно приложенные к диску напряжения способствуют небольшому раскрытию узких поверхностных трещин. Основной вывод, который делают из результатов своих исследований Карджил и др., состоит в том, что принципиальные возможности метода вихревых токов и усовершенствованного метода проникающих жидкостей достаточны для осуществления нового подхода к снятию с эксплуатации дисков турбин. Однако реализация этих возможностей в конкретных условиях службы двигателей еще потребует больших технических усовершенствований.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: