Предел выносливости литых лопаток турбин одного типоразмера при различных конструкциях системы охлаждения

Влияние на усталость температуры испытаний. Для ли­тейных сплавов характерны пониженные значения при темпера­турах до 500... 600°С. У сплавов ВЖЛ12У, ЖС6К, ЖС6УВИ при температуре 20 °С на базе циклов может составлять 100...140 МПа [3], а для деформируемых сплавов типа ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ, ЖС6КП и др. при тех же условиях он равен 200... 300 МПа.

Хотя литейные сплавы с равноосной структурой мало чувстви­тельны к надрезу при комнатной температуре, они имеют низкие значения пределов выносливости для гладких образцов. Это можно объяснить высокой ролью, которую играют в этих сплавах напряже­ния II-го и III-го рода за счет образования микропор, выделения вторичных структурных фаз. При комнатной температуре основной механизм упрочнения никелевых сплавов практически не реализует­ся, так как значения приведенного критического напряжения сдвига для γ и γ'-фаз примерно одинаковы. В локальных объемах мате­риала создается высокий уровень внутренних напряжений, обуслов­ленных различием коэффициентов линейного расширения γ и γ'- фаз, напряжений, возникающих при нагружении вследствие разли­чия модулей упругости фазовых составляющих и эффекта концен­трации напряжений вблизи дефектов структуры. В условиях дей­ствия циклических нагрузок в никелевых сплавах с ГЦК-решеткой имеет место атермическое развитие разрушения, при котором скольжение и накопление микропластической деформации происхо­дит в кристаллографических плоскостях; поперечное скольже­ние затруднено и наблюдается только плоскостное движение дисло­каций. Сплавы с направленной структурой в целом благоприятно ориентированы для развития скольжения в плоскостях упаковки, что обеспечивает возможность "рассеивания" скольжения, т. е. распространения его по большому числу параллельных плоскос­тей. В сплавах с равноосной структурой развитие такого процесса в больших масштабах невозможно ввиду случайной ориентации зерен относительно оси приложения нагрузки и их меньших разме­ров. Поэтому при нормальной температуре сплавы с направленной кристаллизацией имеют более высокий предел выносливости глад­ких образцов. В образцах с коцентратором напряжений процесс циклического деформирования локализуется у дна надреза, что приводит к более сильному снижению предела выносливости, чем для образцов с равноосной структурой.

При повышенных температурах механизм накопления пластичес­кой деформации изменяется: происходит переход от плоскостного скольжения при комнатной температуре к волнообразному при температурах Т > 0,4T_пл. Такое изменение механизма скольжения обусловлено, по всей вероятности, термической активизацией этих процессов в нестабильных никелевых сплавах, значительным облег­чением поперечного скольжения, являющегося для материалов с ГЦК-решеткой определяющим фактором температурной зависимос­ти деформационного упрочнения, реализацией дисперсного упрочне ния, высокой энергией дефектов упаковки. При указанных темпера­турах приведенное критическое напряжение сдвига γ-фазы значи­тельно выше аналогичного значения γ'-фазы.

Показатель наклона кривой усталости литейных сплавов m = 2...5, т. е. кривая очень крутая. С повышением температуры испытаний, начиная с 500°С, предел выносливости литейных сплавов возраста­ет, достигая максимального значения в интервале температур 650... 800°С. Одновременно увеличивается значение показателя т (до 11...16). Увеличение пределов выносливости и значений т при повышении температуры испытания характерно и для литых лопа­ток турбин, однако предел выносливости лопаток возрастает в меньшей мере (рис. 4.9), чем у образца, составляя около 10... 20 % для базы циклов. В целом разброс средних значений пределов выносливости литых лопаток при повышенных температу­рах на базе 2 10⁷ циклов колеблется от 180 до 300 МПа.

Рис. 3.3.9. Вероятности распределения показателей т кривых усталости для охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток:

1— неохлаждаемые и 2 — охлаждаемые = 20 °С); 3— охлаждаемые и неох­лаждаемые = 700... 950 °С)

Статистический анализ параметров кривых усталости охлаждае­мых и неохлаждаемых лопаток, испытанных при Т_исп = 20 и 750...900°С, показывает, что среднее значение т для охлаждаемых лопаток 7,6 (см. рис. 4.9). При повышенных температурах обе выбор­ки становятся однородными, а значение m возрастает до 12,4, од­нако S_m для всех случаев изменяется незначительно, составляя 2.