ОБ ОСОБЕННОСТЯХ РАЗРУШЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК

Анатолий Петухов, начальник сектора ФГУП "ЦИАМ им. П.И. Баранова", д.т.н.

В мировой технической литературе получили весьма широкое распространение публикации как отечественных, так и зарубежных авиамоторостроителей о "монокристаллическом методе" изготовления лопаток турбин. Приняв за аксиому тезис о том, что лопатка, представляющая собой единый кристалл высокотемпературного сплава, приобретает недостижимые при других методах изготовления механические свойства, инженеры настойчиво совершенствуют соответствующие технологии. Но так ли однозначны достоинства этого популярного метода производства лопаток, и нет ли и здесь каких-то "подводных камней"?

Повышение ресурса литых лопаток высокотемпературных турбин связано не только с разработкой специальных литейных жаропрочных сплавов, но и с методами управления процессом кристаллизации отливки из этих сплавов. Поэтому осуществляется постоянный поиск таких процессов, которые обеспечивают формирование в деталях заданных структур, гарантирующих сохранение необходимых прочностных характеристик детали в течение заданного ресурса.

Как известно, максимальные параметры длительной прочности и ползучести достигаются благодаря увеличению размеров зерна. При этом уменьшается площадь границ зерен, образуется столбчатая их структура, ориентированная по направлению действия главных напряжений. Это способствует увеличению долговечности детали при воздействии на нее циклически изменяющихся статических и термических напряжений, повышению стойкости сплава к высокотемпературной коррозии.
Такая задача технически и практически достаточно успешно решается с использованием метода направленной кристаллизации (НК). Процесс производства отливки требует строгого соблюдения режимов литья и кристаллизации: поддержания давления, скорости роста кристалла, температурного градиента при охлаждении отливки и т.д. Это и позволяет сформировать в детали заданную столбчатую или монокристаллическую (МОНО) структуру.

Для формирования монокристаллической детали с заданными аксиальной и азимутальной кристаллографическими ориентациями (КГО) в литейную форму помещают специальную затравку, имеющую непосредственный контакт с холодильником.

Следует иметь в виду, что у МОНО при температурах ниже 900 °С по разным кристаллографическим направлениям механические свойства (прочность, упругость, тягучесть и пр.) анизотропные. При превышении 900 °С анизотропия уменьшается. От ориентации зерен не зависит только коэффициент линейного расширения.

Известно, что значения критических касательных напряжений в кристаллической решетке для сплава и его структурного состояния являются постоянными и не зависят от ориентации монокристаллов. Величины этих напряжений связаны с типом решетки монокристалла (октаэдрическая или кубическая). Для каждой ориентации в монокристалле действует та система касательных напряжений, для которой их критическая величина окажется максимальной. Очагами усталостных разрушений в деталях могут явиться технологические дефекты, конструктивнные или эксплуатационные концентраторы напряжений, находящиеся на плоскостях кристаллической решетки. На практике прогнозировать координаты "слабых мест" в этих системах очень сложно ввиду непредсказуемости размещения дислокаций в материале. При умеренной температуре (Т < 750 °С) такие разрушения наблюдаются в зоне пересечения плоскостей скольжения для КГО [001] и [111]. В этом случае развитие начальной усталостной трещины и наличие плоскостей скольжения провоцирует дальнейшее разрушение.

Фрактография изломов показала, что при Тисп > 900 °С характер разрушений лопаток, отлитых методом НК и МОНО, практически не отличается от характера разрушений поликристаллических лопаток. В очагах усталостного разрушения имелись сколы, а основная поверхность излома была сглаженной, трещины развивались по нормали к линии действия главных напряжений.

Нужно отметить, что в ходе испытаний при нормальной температуре в профильной части лопаток наблюдались смешанные разрушения. В начальной стадии процесс разрушений был подобен соответствующим процессам в поликристаллических лопатках: достигнув плоскости скольжения, трещина меняла направление развития и быстро распространялась по плоскостям скольжения, а в случае разрушения внутренних элементов лопатки в ней начинали возбуждаться различные формы колебаний (пластинчатые, крутильные и т. п.).

Аналогичный характер разрушения лопаток с НК и МОНО структурой наблюдается и в эксплуатации, когда в зоне действия умеренных температур образуются очаги разрушений от перфорационных отверстий на внутренней поверхности, от дефектов литья и т.п. Обращает на себя внимание, что для развития трещин провоцирующую роль играют сколы от начального повреждения лопатки фреттингом, который в турбинных лопатках с равноосной структурой обычно не приводит к усталостным разрушениям.

Появление в кристаллической структуре лопатки плоскости скольжения непредсказуемо. Инициировать ее может любой неточно рассчитанный элемент конструкции, сработавший в качестве концентратора напряжения, большая температурная неравномерность в процессе эксплуатации лопатки, небрежность при изготовлении и др. Все это существенно уменьшает надежность лопатки. Учитывая запредельную стоимость изготовления таких лопаток, вопрос об их применимости вновь становится актуален.