ВВЕДЕНИЕ 4
1 Компоненты системы теплозащитных покрытий 6
1.1 Керамический термобарьерный слой 7
1.2 Термически выросший оксидный слой 7
1.3 Жаростойкий слой 8
1.4 Жаропрочные сплавы на основе никеля
2 Основные причины разрушения и определение напряжений
в системе ТЗП 8
2.1 Методы расчета напряжений в системе ТЗП 9
2.2 Влияние обработки поверхности жаростойкого слоя на механизмы
разрушения ТЗП 12
2.3 Влияние усталости и ползучести на длительную прочность ТЗП 14
2.4 Напряжения, возникающие при изотермическом росте ТВО 18
3 Исходные материалы и методы экспериментальных исследований 20
4 Экспериментальные исследование процесса высокотемпературного
окисления сплавов на основе никеля 25
5 Расчёт напряжений в системе ТЗП 30
5.1 Исходные образцы рабочих лопаток ГТД и результаты
микроструктурных исследований 30
5.2 Исходные данные для расчета напряжений 35
5.3 Определение напряжений с использованием сферической
модели ТЗП 36
5.3.1 Расчет напряжений, вызванных различием коэффициентов
термического расширения у слоев ТЗП 37
5.3.2 Расчет напряжений, вызванных ростом оксидного слоя 39
5.4 Анализ полученных результатов расчета напряжений для объяснения
причин разрушения ТЗП рабочей лопатки ГТД 42
6 Экономическое обоснование проекта 43
6.1 Единовременные затраты на НИР 43
6.2 Текущие затраты на выполнение НИР 44
6.3 Анализ расходов, связанных с проведением НИР 48
7 Безопасность и экологичность проекта 50
7.1 Анализ потенциальных опасностей и вредностей при работе на ПК 50
7.2 Технические решения по обеспечению безопасности проведения
экспериментов 54
7.3 Производственная санитария помещения 56
7.4 Предупреждение аварий и взрывов 61
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 66
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 67
Начиная с момента создания первых серийных газотурбинных двигателей (ГТД) в 1940-ых годах, главной задачей конструкторов является повышение эффективности работы и надежности данного типа двигателя, что требует повышения температуры рабочих газов в горячей секции ГТД. Сдерживающим фактором при этом является способность материалов, из которых изготовлены элементы ГТД, выдерживать механические нагрузки в условиях высоких температур и их резких перепадов, а также в условиях агрессивных сред.
Одним из методов повышения рабочей температуры лопаток является охлаждение потоком воздуха, продуваемым сквозь внутренние полости лопаток, что обеспечивает их работоспособность в условиях высоких (1000- 1200°С) температур. Однако дальнейшее повышение температур рабочего газа при использовании такой схемы охлаждения затруднительно, поскольку оно ведет к увеличению теплового потока, подводимого к внешним поверхностям лопаток, что в сочетании с улучшением внутреннего охлаждения, ведет к повышению температурного перепада по толщине стенки. Это негативно сказывается на термоциклическом ресурсе лопаток.
Другим способом повышения температуры рабочего газа при сохранении ресурса лопаток является применение теплозащитных покрытий (ТЗП), обеспечивающих снижение теплового потока к основному материалу лопатки, что при условии его охлаждения, позволяет снизить его температуру, а также позволяет контролировать процесс окисления основного сплава при продолжительной выдержке в условиях высоких температур.
В данной работе рассмотрена система ТЗП, применяемая в лопатках ГТД, выполнен расчет напряжений, возникающих при росте оксидного слоя и резких перепадах температуры.
Целью дипломного проекта является анализ причин разрушения ТЗП рабочих лопаток ГТД и расчет напряжений, возникающих в покрытии при росте оксидного слоя и изменении температуры системы.
Основные задачи исследования:
1 Обзор литературных данных для выявления основных причин разрушения ТЗП и математических моделей для определения напряжений в ТЗП.
2 Проведение экспериментов по высокотемпературному окислению образцов отечественных жаропрочных сплавов на основе никеля.
3 Расчет термических напряжений и напряжений роста, возникающих в системе ТЗП при высокотемпературном воздействии.
4 Сопоставление полученных результатов расчета напряжений с микрофотографиями поперечных срезов ТЗП после окисления для определения причин разрушения покрытий.
5 Расчет затрат на выполнение НИР.
6 Определение основных элементов, формирующих опасные и вредные производственные факторы в ходе исследований, их количественная оценка и технические решения по обеспечению безопасности НИР.
В итоге исследований, проведенных в данной работе, были получены следующие результаты:
1 Проведен анализ литературных источников, посвященных причинам разрушения и анализу напряженно-деформированного состояния в системе ТЗП ГТД.
2 Проведен эксперимент по высокотемпературному окислению образцов сплавов ЖС-26, ЖС-30, ЖС-32 и ЖС-36, проанализированы результаты.
3 Выбрана модель для расчета напряжений, вызванных ростом оксидного слоя и различиями в значениях КТЛР у слоев ТЗП. Методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа исследован образец лопатки ГТД, предоставленный НПО «Сатурн», на основании чего были получены исходные данные о геометрии исследуемой системы и произведен расчет напряжений, возникающих в системе ТЗП.
4 Произведено сравнение напряжений ТЗП, полученных при аналитическом расчете, с напряжениями, характерными для реальных систем ТЗП.
5 Выполнен расчет затрат на выполнение НИР.
6 Определены основные элементы, формирующие опасные и вредные производственные факторы в ходе исследования, дана их количественная оценка и технические решения по обеспечению безопасности НИР.
