Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ
В работе рассмотрены методы, использующие расчетно-экспериментальный подход для оценки ресурса и средних рабочих температур защитных металлических покрытий MCrAlY. Приведена физическая модель процессов окисления и диффузии основного оксидообразующего элемента покрытия - алюминия. Представлены резуль...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2004 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2004
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61597 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ / К.А. Тадля, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 116-120. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859711338922639360 |
|---|---|
| author | Тадля, К.А. Круковский, П.Г. |
| author_facet | Тадля, К.А. Круковский, П.Г. |
| citation_txt | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ / К.А. Тадля, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 116-120. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Промышленная теплотехника |
| description | В работе рассмотрены методы, использующие расчетно-экспериментальный подход для оценки ресурса и средних рабочих температур защитных металлических покрытий MCrAlY. Приведена физическая модель процессов окисления и диффузии основного оксидообразующего элемента покрытия - алюминия. Представлены результаты расчетов ресурса и рабочей температуры покрытий.
У роботі розглянуті ме тоди, що викорис товують розрахунково-експериментальний підхід для оцінки ресурсу і середніх робочих температур захисних металевих покриттів MCrAlY. Приведено фізичну модель процесів окислення та дифузії основного оксидо-утворюючого елементу покриття - алюмінію. Представлено результати розрахунків ресурсу і робочої температури покриттів.
Considered in this paper are the methods that use calculation and experimental approach for MCrAlY coating life time and operation temperature estimation. Physical model of aluminium oxidizing and diffusion processes is presented. Coating life time and operation temperatures calculation results are proposed.
|
| first_indexed | 2025-12-01T04:59:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
Тепло- и массообменные аппараты
недомелених часток, а також підвищити продук-
тивність по твердій фазі за рахунок великої інтен-
с
Переваги даної конструкції РПА дозволили
створити високоефективну компактну лінію для
виробництва СМ продуктивністю 3000
ивності розмелу на першому ступені.
кг/год по
су
-
ленности.– М.: .– 160 с.
Д
АДЛЯ К.А., КРУКОВСКИЙ П.Г.
зики НАН Украины
ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОЦЕНКИ
КОРРОЗИОННОГО РЕСУРСА И РАБОЧИХ
У роботі розглянуті ме
товують розрахунково-експерим
підхід для оцінки ресурсу і серед
температур захисних металевих покриттів ператур защитных металлических покрытий
MC
ed in this paper are
the methods that use calculation
and experimental approach for
MCrAlY coating life time and op-
тор искомых параметров модели;
− температура, °С; м − модель;
.
спензії. Лінія виготовлена і встановлена на Бро-
дівському молочному заводі, де успішно експлуа-
тується в безперервному режимі з 2003 року.
ЛІТЕРАТУРА
1. Балабудкин М.А. Роторно-пульсационные аппа-
раты в химико-фармацевтической промыш
Медицина, 1983
2. Марчевський В.М., Улітько Р.М., Семінський О.О.
Млин пульсаційний.– Заявка №20031212977,
МПК В01F7/02.
3. Марчевский В.Н., Семинский А.О. Разработка
безотходной технологии и оборудования полу-
чения соевого молока// Сборник тезисов док-
ладов V Международной научно-практической
конференции студентов, аспирантов и молодых
ученых “Экология. Человек. Общество”.- К.:
ІВЦ “Видавництво “Політехніка”.- 2002.-
С. 485-486.
Одержано 02.10.2004 р.
К 539.219:620.193.2 У
Т
Ин-т технической теплофи
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ
ТЕМПЕРАТУР МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ПОКРЫТИЙ ЛОПАТОК ГТУ
тоди, що викорис-
ентальний
ніх робочих
В работе рассмотрены методы, исполь-
зующие расчетно-экспериментальный подход
для оценки ресурса и средних рабочих тем-
Consider
MCrAlY. Приведено фізичну модель проце-
сів окислення та дифузії основного оксидо-
утворюючого елементу покриття - алюмі-
нію. Представлено результати розрахунків
ресурсу і робочої температури покриттів.
С − концентрация, %;
Р − век
rAlY. Приведена физическая модель про-
цессов окисления и диффузии основного ок-
сидообразующего элемента покрытия - алю-
миния. Представлены результаты расчетов
ресурса и рабочей температуры покрытий.
τ − время, ч.
Индексы:
eration temperature estimation.
Physical model of aluminium oxi-
dizing and diffusion processes is
presented. Coating life time and
operation temperatures calcula-
tion results are proposed.
Т
x − координата, мкм; э − эксперимент
Введение
Лопатки современных энергетических газотур-
бинных установок (ГТУ) подвержены высокотем-
пературному окисл щаются металли-ению и защи
ческими покрытиями типа MCrAlY. Покрытия
M ть нанесены как отдельным по-СrAlY могут бы
к ь промежуточным между внеш-рытием так и быт
ним термобарьерным покрытие и основным
сплавом лопатки. Ресурс таких покрытий в энер-
гетических газовых турбинах составляет порядка
116 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
Тепло- и массообменные аппараты
3-4 года и более. Коррозионный ресурс MСrAlY
покрытий определятся временем диффузионного
ухода основного оксидообразующего элемента
алюминия (Al) из защитного покрытия, процент-
ное с держание которого в покрытиях составляет о
от 6 до 12 %. Экспериментальный подход к опре-
делению ресурса практически не возможен из-за
большой продолжительности и дороговизне,
практическое применение существующих моде-
лей, описывающих процессы высокотемператур-
ного окисления и диффузии в покрытиях типа
MCrAlY для долгосрочного прогнозирования час-
то затруднительно или невозможно из-за отсутст-
вия достоверных значений входных параметров
модели, н пример, коэффициен ов диффузии. В а т
литературе имеются сведения о коэффициентах
диффузии элементов только для простых компо-
зиций сплавов (двойные или тройные сплавы), в
то время как применяемые на практике сплавы
более сложные. В наиболее близкой по составу
основных элементов сплава работе [1] имеются
сведения о коэффициенте диффузии алюминия,
но только для тройного сплава NiCrAl.
1. Методы определения ресурса
и средних рабочих температур
защитных покрытий лопаток ГТУ
Предлагаемые в данной работе методы по оп-
ределению ресурса и средней рабочей температу-
ры используют расчетно-экспериментальный под-
ход [2], который позволяет найти эффективный
коэфф ные
входн ьзо-
вани
ессов и ресурса
ме
й системе и определяющие ресурс по-
кр
позволяет находить расчетные профи-
ли
ена.
и Р0 = прогноз.
ициент диффузии Al и другие неизвест
ые параметры модели на основе испол
я решений обратных задач.
Суть подхода в нашем случае состоит в выборе
такой модели массообменных процессов и такого
набора экспериментальных данных, которые в со-
вокупности позволяют на основе решения обрат-
ных задач получить более адекватную модель и с
ее помощью более точное долгосрочное прогно-
зирование массообменных проц
таллических покрытий при заданном критерии
ресурса.
Схема подхода (рис. 1) для прогнозирования
массообменных процессов сводится к следующе-
му:
1. Построение (выбор) математической моде-
ли, которая достаточно хорошо описывает основ-
ные физические процессы, происходящие в ис-
следуемо
ытия. В нашем случае только модели второго
типа могут быть использованы в таком подходе.
Эта модель
концентрации См для Al.
2. Проведение краткосрочных эксперимен-
тальных исследований для определения законов
образования окисной пленки и распределений
(профилей) концентраций Al в покрытии и основ-
ном сплаве (Сэ) для разных температур и различ-
ных моментов времени (выдержек образцов по-
крытий в печах).
3. Идентификация неизвестных параметров
Ри модели по данным эксперимента на основе
решения обратных задач.
4. Долгосрочное прогнозирование массооб-
менных процессов и ресурса покрытий на основе
выбранной в п.1 модели с найденными в п.3 пара-
метрами массообм
Обычно используют более простую схему про-
гнозирования (рис. 1): модель + найденные из ли-
тературы параметры модел
Схема йметодики для определения средне рабочей
температуры и остаточного ресурса покрытия приве-
дена на рис. 2.
1. Предварительные исследования. По схеме,
описанной выше проводится определение пара-
метров модели Рf(Т). В результате решение об-
Рис. 1. Схема подхода
по оценке ресурса покрытий.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 117
Тепло- и массообменные аппараты
ра
та (ис-
по
эк р
ачестве эксперимен-
ис. 3).
Окисел образуется соединением алюминия и
кислорода, к сре-
ды
покрытие – основной сплав
обеднения I и II, рис. 2).
Весь ия, уходит
из + ис-
че
тных задач для различных температур строятся
зависимости параметров Рf(Т) от температуры.
2. Получение данных с натурного объек
следование лопатки газовой турбины). В качестве
экспериментальных данных используются рас-
пределение концентрации Al по покрытию СЭ,
лученное либо с помощью рентгеноспектраль-
ного микроанализа либо методами неразрушаю-
щего контроля после отработки покрытия на ло-
патке газовой турбины определенного количества
часов. Возможно также использование другой
спе иментальной информации о протекавших
диффузионных процессах, например, положение
границ зон обезлегирования.
3. Определение рабочей температуры и оста-
точного ресурса покрытия. Для расчетов исполь-
зуется та же модель, что и в п. 1. Выбирается тем-
пература начального приближения из области ис-
следованной в п.1. По этой температуре определя-
ется вектор начальных параметров. Вектор на-
чальных параметров используется в модели для
получения расчетных значений распределения
концентрации алюминия. В к
тальных данных используются данные п. 2. Далее
проводится решение обратной задачи по опреде-
лению такой температуры покрытия Ti, при кото-
рой значения параметров Рf (Т) дадут близость
расчетных СМ и экспериментальных СЭ распреде-
лений концентраций алюминия в анализируемом
покрытии.
2. Физическая модель
Физическая модель диффузионного перерас-
пределения алюминия в системе “окисел – покры-
тие – основной сплав”, полученная на основе ана-
лиза результатов экспериментальных исследова-
ний покрытий типа NiCoCrAlY, имеет следующее
описание (р
Рис. 2. Схема метода для определения остаточ-
ного ресурса и средней рабочей температуры
защитных покрытий лопаток газовых турбин.
оторый абсорбируется из газовой
и посредством диффузии через слой окисла
x1-x0 поступает к границе x1 окисел – покрытие.
Диффузия алюминия из покрытия происходит в
двух направлениях:
- к границе x1 окисел – покрытие;
- к границе x4
За счет диффузионного ухода алюминия из
γ + β двухфазной зоны покрытия происходит об-
разование обедненных алюминием однофазных
зон с пониженным содержанием алюминия (γ фа-
за) как со стороны окисла, так и со стороны ос-
новного сплава (зоны
алюминий, уходящий из покрыт
γ β- двухфазной зоны покрытия за счет
зновения (расходования) β фазы. Профиль кон-
центрации алюминия в области покрытия типа
MCrAlY имеет вид ступенчатой кривой, а в облас-
ти основного сплава кривой с максимумом в меж-
диффузионной зоне. Можно выделить шесть ос-
новных зон: окисел x0< x < x1; область x1< x < x2,
Рис. 3. Типичное распределение концентрации
алюминия в покрытии типа MСrAlY и
основном сплаве.
118 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
Тепло- и массообменные аппараты
обедненная алюминием, где присутствует только
одна γ фаза; двухфазная область x2< x < x3, в кото-
рой одновременно присутствуют γ и β фазы; зона
x3< x< x4 в области покрытия, также обедненная
Al с γ фазой; междиффузионная зона в основном
сплаве x4< x < x5, обогащённая Al и зона x > x5 ос-
новного сплава, куда диффундирует алюминий из
междиффузионной зоны. Накопление алюминия в
междиффузионной зоне во времени происходит за
счет образования различных фаз (например γ+β- и
γ+γ’- фаз) вследствие разного количественного
состава и соответствующего ему термодинамиче-
скому равновесию элементов в покрытии и ос-
новном сплаве. Накопленный в междиффузион-
ной зоне алюминий частично диффундирует в ос-
новной сплав и обратно в покрытие. В рассмот-
ренной модели все границы кроме границы x4
(граница раздела покрытия и основного сплава)
являются подвижными. Границы x2 и x3 движутся
друг к другу вследствие уменьшения содержания
β фазы в γ+β- двухфазной зоне покрытия
x2 < x < x3, из которой диффундирует алюминий.
Концентрации общего содержания алюминия
C и β фазы Cβ в γ + β двухфазной зоне
x2< x < x3 уменьшаются во времени. Математиче-
ская модель, описывающая изложенные выше
процессы, детально представлена в [2].
4. Эксперимент
Полированные образцы с 200 – микронным
NiCoCrAlY покрытием, содержащим 10% алюми-
ни , име щим γ-(N /C , Cr)+ (NiAl) структуру
выдерживались на воздухе при 900 и 950 °С до
20000 ч. Покрытие наносилось на сплав IN738 по
вакуумно-плазменной технологии (LPP
я ю i o β
S). После
выдержек проводились металлографические ис-
следования и микрорентгеноспектральный анализ
об
с. 5 представлены результаты расчета
коррозионного ресурса покрытий для температур
900, 950 и 1000 °С. В качестве критерия ресурса
покрытий типа считать время
ис
О
Рис. 4. Расчетное распределения концентрации
Al после идентификации параметров модели в
сравнении с экспериментальными данными для
выдержки 1000 ч при температуре 900 °С.
Рис. 5. Падение во времени содержания β фазы
в покрытии.
разцов.
5. Результаты
Идентификация параметров модели, проводи-
лась с использованием выдержек 300 и 1000 ча-
сов. На рис. 4 приведены результаты после иден-
тификации параметров модели для выдержки
1000ч.
На ри
MCrAlY принято
чезновения β фазы. Из результатов видно, что
достаточным для энергетических газовых турбин
ресурсом (3 года) обладает покрытие при толщине
200 микрон при температурах ниже
950 °С.
ценка средних рабочих температур покрытия
по сечению лопатки проводилась по вышеизло-
женному методу. Исследовалась рабочая лопатка.
Предварительно проводились экспериментальные
исследования покрытия, нанесенного на лопатку
газовой турбины в местах, указанных на рис. 6. В
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6 119
Тепло- и массообменные аппараты
результате были получены данные о положение
гран зон обезлегирования (xиц кот
вались в решении обратных задач для
оп
1, x2, x3), орые
использо
ределения рабочих температур покрытия. Стоит
отметить, что остаточный коррозионный ресурс
покрытия для данной лопатки превышает 25 тыс.
часов представлены результаты для сечений лопа-
ток, которые существенно отличаются по высоте,
что привело к тому, что уровень температур лопа-
ток с разных ступеней практически одинаков.
Заключение
Представлены методы, которые позволяют
проводить анализ ресурса, остаточного ресурс
Рис. 6. Распределение рабочих температур
по контуру лопатки после отработки 26400 ч в
турбине. Пронумерованные точки соответст-
вуют пронумерованным позициям на лопатке.
1 – расчет; 2 – диапазон ошибок измерений.
а и
средней рабочей температуры защитных покры-
тий типа MCrAlY х турбин. Пока- лопаток газовы
занные результаты, полученные при помощи из-
ложенных методов, показали достаточно хорошее
согласование с экспериментальными данными.
Представлены также результаты определения
средней рабочей температуры защитного покры-
тия, полученные для лопатки после отработки
26400 ч.
ЛИТЕРАТУРА
1. J.A. Nesbitt, R.W Heckel. Interdiffusion in Ni-Rich,
Ni-Cr-Al Alloys at 1100 and 1200 °C: Part II. Dif-
sion Coefficients and Predicted Concentration
Profiles. Met. Trans. 18A December pp 2075-
2.
турбин// Пром. Теплотехника.- 2003.-
Т . 41-50.
fu
2086.
Круковcкий П.Г., Тадля К.А. Расчетно-
экспериментальный подход к анализу ресурса и
температуры защитных покрытий лопаток га-
зовых
. 23.- № 4.- С
Получено 02.10.004 г.
120 ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2004, т. 26, № 6
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-61597 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0204-3602 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T04:59:13Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Інститут технічної теплофізики НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Тадля, К.А. Круковский, П.Г. 2014-05-08T07:42:03Z 2014-05-08T07:42:03Z 2004 Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ / К.А. Тадля, П.Г. Круковский // Промышленная теплотехника. — 2004. — Т. 26, № 6. — С. 116-120. — Бібліогр.: 2 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61597 539.219:620.193.2 В работе рассмотрены методы, использующие расчетно-экспериментальный подход для оценки ресурса и средних рабочих температур защитных металлических покрытий MCrAlY. Приведена физическая модель процессов окисления и диффузии основного оксидообразующего элемента покрытия - алюминия. Представлены результаты расчетов ресурса и рабочей температуры покрытий. У роботі розглянуті ме тоди, що викорис товують розрахунково-експериментальний підхід для оцінки ресурсу і середніх робочих температур захисних металевих покриттів MCrAlY. Приведено фізичну модель процесів окислення та дифузії основного оксидо-утворюючого елементу покриття - алюмінію. Представлено результати розрахунків ресурсу і робочої температури покриттів. Considered in this paper are the methods that use calculation and experimental approach for MCrAlY coating life time and operation temperature estimation. Physical model of aluminium oxidizing and diffusion processes is presented. Coating life time and operation temperatures calculation results are proposed. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Тепло- и массообменные аппараты Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ The development of methods for life time and operation temperatures estimation of protective coatings for gas turbine blades Article published earlier |
| spellingShingle | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ Тадля, К.А. Круковский, П.Г. Тепло- и массообменные аппараты |
| title | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ |
| title_alt | The development of methods for life time and operation temperatures estimation of protective coatings for gas turbine blades |
| title_full | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ |
| title_fullStr | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ |
| title_full_unstemmed | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ |
| title_short | Разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток ГТУ |
| title_sort | разработка методов для проведения оценки и коррозионного ресурса и рабочих температур металлических покрытий лопаток гту |
| topic | Тепло- и массообменные аппараты |
| topic_facet | Тепло- и массообменные аппараты |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/61597 |
| work_keys_str_mv | AT tadlâka razrabotkametodovdlâprovedeniâocenkiikorrozionnogoresursairabočihtemperaturmetalličeskihpokrytiilopatokgtu AT krukovskiipg razrabotkametodovdlâprovedeniâocenkiikorrozionnogoresursairabočihtemperaturmetalličeskihpokrytiilopatokgtu AT tadlâka thedevelopmentofmethodsforlifetimeandoperationtemperaturesestimationofprotectivecoatingsforgasturbineblades AT krukovskiipg thedevelopmentofmethodsforlifetimeandoperationtemperaturesestimationofprotectivecoatingsforgasturbineblades |