Раздел 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
2.1. Методика и программа проведения исследования
В соответствии с целью и задачами настоящей работы был проведен анализ применяемых в настоящее время методов исследования.
Существующие методы коррозионных исследований можно разделить на три основные типы [119, 142]:
1. Испытания образцов на специальных установках в лабораторных условиях.
2. Стендовые испытания натурных элементов или их моделей в условиях, моделирующих реальные.
3. Эксплуатационные или эквивалентные испытания конструктивных элементов в составе натурной машины.
Испытания натурного двигателя дают наиболее объективные результаты и учитывают все многообразие эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов, влияющих на долговечность и надежность работы лопаток. Но такие испытания являются очень дорогостоящими, связаны с определенной степенью риска и требуют значительных затрат времени. Сроки службы современных ГТД составляют и десятки, а иногда и сотни тысяч часов, а межремонтные ресурсы - 5...10 тысяч часов и более. Кроме того, в подконтрольной эксплуатации, при периодических разборках и обследованиях деталей нельзя применить разрушающие методы исследования процессов повреждения из-за необходимости дальнейшей эксплуатации. Частично проблему длительности натурных испытаний решают испытания по эквивалентным программам, но они не лишены отдельных перечисленных недостатков. Очевидно, что испытания в составе натурной машины должны быть завершающими, поверочными и не могут приниматься как универсальные, несмотря на важнейшие преимущества.
В настоящее время широко распространены методы исследований, связанные с испытаниями образцов и конструктивных элементов на специальных экспериментальных установках. Эти исследования отличаются, в первую очередь, сравнительной простотой и, что самое главное, при упрощенных, но точно зафиксированных условиях испытаний достигается хорошая повторяемость результатов и возможность их сопоставления, облегчаются непосредственно измерения и аналитические расчеты.
В практике исследований стойкости к высокотемпературной коррозии, в частности, наибольшее распространение получили так называемые тигельные испытания [154, 165] и различные их разновидности. В процессе этих испытаний образец погружается в расплав выбранных коррозионно-активных веществ, в качестве которых используются искусственные или естественные зольные отложения на лопатках турбин ГТД [73]. Одной из разновидностей тигельных испытаний являются электрохимические испытания, при которых исследуются процессы химического взаимодействие металлов с компонентами агрессивной среды [139, 170].
Ряд авторов отмечают характерные недостатки тигельных испытаний, вызывающих значительный разброс экспериментальных данных. К ним относятся уровень расплава в тигле, размеры тигля и образца, химический состав сплава и т.п.
В связи с этим был разработан метод испытаний с "тонким покрытием" [83, 135, 151]. В этом случае образцы покрывают тонким слоем коррозионно-активного вещества и затем выдерживают при заданной температуре в газовой атмосфере определенного состава. Эта методика и ее разновидности удобны для изучения механизма высокотемпературной коррозии и являются, по существу, как и рассмотренные выше, термохимическими методами исследования. Перечисленные методы испытаний обладают общими и весьма существенными недостатками, связанными с тем, что принятые в них условия испытаний существенно отличаются от условий работы деталей реальных ГТД. Кроме того, коррозионные свойства сплавов при таких испытаниях, как правило, оцениваются в отрыве от прочностных свойств и могут использоваться лишь как качественные, требующие уточнения.
Для целей настоящей работы использовался метод стендовых испытаний. Стендовые испытания являются компромиссными между натурными испытаниями и испытаниями образцов. Они получили широкое распространение при исследовании процессов высокотемпературной коррозии [17, 60, 120, 156]. Стендовые испытания позволяют достаточно точно воспроизводить условия эксплуатации, причем такие важнейшие параметры, как температура и состав продуктов сгорания, скорость газового потока. Большинство стендов работает при атмосферном давлении и при скорости потока 25 - 100 м/с, но существуют и высокоскоростные стенды со скоростями потока до 300 м/с [120], а также стенды высокого давления [60], хотя значительная стоимость ограничивает их применение. В целом ускоренные стендовые испытания для целей исследования коррозионной стойкости, видимо, являются наиболее корректными испытаниями и, как отмечается в работе [127], между различными стендовыми экспериментами достигается удовлетворительная корреляция.
С целью максимального приближения условий испытаний к эксплуатационным образцы и лопатки турбины в данном исследовании испытывались на специальном стенде в продуктах сгорания авиационного топлива ТС-1 с введением в камеру сгорания смеси солей ряда щелочных металлов, содержащих 80%Na2SO4 + 10%NaCl + 10%KNO3.
Содержание серы в топливе в процессе коррозионных испытаний поддерживалось на уровне 0,25%. Данная концентрация серы выбрана на основании анализа результатов испытаний, приведенных в работе [114]. Такая концентрация серы максимально влияет на долговечность большой группы жаропрочных лопаточных материалов.
Смесь солей щелочных металлов выбрана в качестве коррозионной добавки к продуктам сгорания топлива исходя из анализа литературных данных. Известно, что смеси Na2SO4 и NaCl, вводимые в продукты сгорания, вызывают наиболее интенсивное высокотемпературное коррозионное повреждение жаропрочных никелевых сплавов [132, 146]. Введение в смесь солей азотнокислого калия KNO3 осуществлялось для выявления мест концентрации щелочных металлов в слое окалины методом микрорентгеноспектрального анализа. Натрий, как химический элемент, имеющий малую атомную массу, данным методом обнаружить не удается. В то же время, по содержанию калия