Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

вцилиндрах высокого и (после промежуточного перегрева) в ци­ линдрах среднего давления в результате воздействия движущихся

впотоке пара частиц окалины, образовавшейся на внутренней поверхности труб паропроводов свежего пара или пара после промежуточного перегрева. Характер повреждений сходен с опи­ санным для лопаток последних ступеней.

Рис. 52. Приспособление для испытания лопатки:

1 — испытываемая лопатка, свободный конец которой зажат в верхнем захвате испытательной машины; 2 —

■плашка с вырезом по профилю лопатки; 3 — скоба, за­

крепляемая в нижнем захвате испытательной машины

Чтобы избежать эрозионных разрушений лопаток частицами окалины, следует уделять серьезное внимание выбору металла труб для указанных паропроводов и его термической обработке для иск­ лючения возможности образования легко отделяющейся с внутрённей поверхности труб окалины.

Для изготовляемых из холоднокатаного профиля лопаток, хвосты которых получают способом холодной высадки, применяют высокохромистую сталь с более низким, чем у стали 1X13, содер­ жанием углерода. Эта сталь марки 0X13 (ЭИ496) относится к фер­ ритному классу и имеет следующий химический состав (в %):

Механические свойства этой стали весьма близки к свойствам стали 1X13.

138

На прессах специальной конструкции операцию холодной высадки хвостов выполняют с особой тщательностью и контроли­ руют ее качество. После получения хвоста правильной формы и размеров лопатки подвергают механическим испытаниям и макро­ анализу. Приспособление для испытания таких лопаток на отрыв хвоста (по опыту некоторых заводов) показано на рис. 52. Лопатку устанавливают в плашку с вырезом в виде профиля, соответствую­ щего по форме профилю лопатки. Плашку укрепляют в нижнем

Рис. 53. Макроструктура (хорошая) хвоста лопатки, полученного способом холодной высадки (Х5)

захвате, а свободный конец лопатки — в верхнем захвате испыта­ тельной машины. При правильном расчете размеров и высокока­ чественном выполнении высадки разрушение при испытании про­ исходит или в виде разрыва в теле лопатки, или в виде среза буртов хвоста.

Не меньшее значение имеет макроанализ хвоста такой лопатки. Для макроанализа хвост лопатки разрезают поперек по макси­ мальной толщине профиля и после надлежащей подготовки травят, чтобы выявить направление волокон металла в месте высадки. Хорошая макроструктура (рис. 53) характеризуется симметричным расположением волокон, изгиб которых должен примерно повто­ рять конфигурацию хвоста.

Упрочненные хромистые нержавеющие стали. Как было ска­ зано, стали 1X13 и 2X13 обладают многими достоинствами,

139

обусловившими широкое применение их для изготовления лопаток турбин. Однако относительно низкая жаропрочность ограничивает область применения этих сталей температурами, не превышающими 400—480° С (в зависимости от уровня рабочих напряжений ме­ талла лопаток). Можно считать, что вопросы термической обра­ ботки сталей 1X13 и 2X13 изучены весьма обстоятельно и те воз­ можности, которые дает обычная термообработка для повышения их жаропрочности, в основном использованы. Как показали ис­ следования и практический опыт, стали, содержащие 12% хрома, являются хорошей основой для создания модифицированных сталей, упрочненных дополнительным легированием. Уровень жаропрочности модифицированных сталей может значительно пре­ высить достигнутый для сталей 1X13 и 2X13.

Дополнительное легирование осуществляют металлами, об­ ладающими значительной сопротивляемостью ползучести, высо­ кими температурами плавления и рекристаллизации. В отече­ ственном и зарубежном турбостроении применяют упрочненные жаропрочные стали мартенситного и мартенсито-ферритного класса на базе сталей, содержащих 12% хрома. В качестве упрочняющих примесей используют молибден, ванадий, вольфрам, бор, титан, ниобий и некоторые другие металлы. Известно, что для термически обработанных сталей указанных классов характерна структура, состоящая из твердого раствора и карбидов, от состава которых в большой мере зависит сопротивляемость металла ползучести. Композиции жаропрочных сталей создают на основе заранее про­ гнозируемого распределения легирующих элементов между твер­ дым раствором и избыточной фазой.

Хром обладает высокой жаропрочностью, увеличивает корро­ зионную стойкость, повышает температуру рекристаллизации и поверхностную устойчивость сталей. Этими и другими положитель­ ными качествами определяется роль хрома как базового металла для создания жаропрочных сталей. Хром принадлежит к числу элементов, суживающих область аустенитных структур с плотно­ упакованной решеткой гранецентрированного куба, обладающей повышенной прочностью при высоких температурах.

Высокой жаропрочностью характеризуется молибден — один из основных легирующих элементов, используемых для модифи­ кации сталей, содержащих 12% хрома. В. А. Ильина и В. К- Крицкая показали, что молибден относится к элементам, наиболее эф­ фективно усиливающим межатомные связи в решетке а-твердого раствора и его прочность при высоких температурах. Молибден является также сильным карбидообразующим элементом; с его введением в сплаве образуются простые и сложные карбиды раз­ личного состава.

Ванадий, имеющий высокую температуру плавления, будучи введен в сталь, способствует значительному повышению ее жаро­ прочности. Ванадий не повышает прочности твердого раствора; его упрочняющее влияние определяется способностью образовы-

140

вать стабильные мелкодисперсные карбиды и вызывать связанные с их выделением процессы дисперсионного твердения. Эти про­ цессы протекают в интервале температур 550—600° С. Образова­ ние и выделение упрочняющей фазы (мелкодисперсных карбидов) происходит в основном в процессе термической обработки сталей, содержащих ванадий. Однако при известных условиях эти струк­ турные превращения могут происходить и при длительном воздей­ ствии рабочих температур, если они близки к 550° С.

Чистый вольфрам обладает очень высокой сопротивляемостью ползучести. При равных условиях одинаковая с молибденом де­ формация ползучести достигается в вольфраме при напряжениях,

в1,5—2 раза больших. Вольфрам является тугоплавким металлом

свысокой температурой рекристаллизации. Он упрочняет основ­ ной твердый раствор, повышает температуру его рекристаллиза­ ции и тормозит диффузионные процессы, протекающие в условиях воздействия высоких температур в твердом растворе в ферритных сталях. Вольфрам также образует сложные карбиды и интерме­ таллические соединения и создает условия для дисперсного твер­ дения сплава, в который его вводят.

Металлический ниобий относится к числу высокожаропрочных металлов, таких как вольфрам и молибден. Он благоприятно влияет

на сопротивляемость ползучести хромистых сталей, в которых с введением ниобия развивается процесс дисперсионного твер­ дения.

Опыт создания модифицированных сплавов, содержащих 12% хрома, подтверждает известное положение о том, что эффективное повышение жаропрочности достигается при введении в сплав не одного, а двух, трех и более легирующих компонентов. Одновре­ менное разностороннее воздействие различных легирующих эле­ ментов позволяет добиться максимального упрочнения сплава. Поэтому в практике турбостроения для рабочих лопаток, эксплуа­ тируемых при высоких температурах, применяют хромистые нержавеющие стали, упрочненные комплексным легированием: молибденом и ванадием; молибденом, вольфрамом и ванадием; нио­ бием, вольфрамом и молибденом и др.

Сталь 1X11МФ (15X11МФ, Х11МФ). В качестве упрочняющих элементов этой стали, относящейся к мартенсито-ферритному классу, применены молибден и ванадий. Химический состав (в %) стали 1Х11МФ следующий:

Физические свойства стали 1X11МФ приведены в табл. 18. Эту сталь с 1956 г. широко используют как металл рабочих лопа­ ток, предназначаемых для длительной службы при температурах до 550—560° С. Освещая опыт разработки стали 1X11МФ, А. И. Чи­ жик, Е. А. Хейн и И. С. Жаковская указывают, что одним из

141