Диафрагма турбины: новые материалы? 

Когда заходит речь о новых материалах для диафрагм, многие сразу думают о каких-то суперсплавах или керамике. Но на практике всё часто упирается не столько в абсолютную новизну, сколько в правильное применение уже известных составов в конкретных условиях. Или в адаптацию того, что хорошо работает в других отраслях, к нашим, турбинным, реалиям. Вопрос ведь не только в том, чтобы выдержать температуру и давление, но и в том, как эта деталь поведёт себя после тысяч часов работы, после сотен пусков и остановов, в контакте с конкретным рабочим телом. Вот об этом и хочется порассуждать, отталкиваясь от того, с чем приходилось сталкиваться.

От теории к практике: что на самом деле значит ?новый?

В каталогах и статьях всё выглядит гладко: повышенная жаропрочность, стойкость к ползучести, усталостная прочность. Берёшь образец, тестируешь — показатели идеальные. А потом ставишь опытную партию в реальную машину, и начинаются нюансы. Например, тот же инконель 718. Отличный сплав, проверенный временем для многих элементов. Но для диафрагмы турбины в определённом диапазоне средних температур и при высоком циклическом нагружении от термоперепадов у него может проявиться не та усталостная картина, которую ждали по лабораторным данным. ?Новизна? тут часто заключается не в материале самом по себе, а в полном понимании его поведения в связке с конкретной конструкцией проточной части.

Был у нас опыт с одним перспективным сплавом на никелевой основе с дисперсионным упрочнением. Лабораторные испытания на ползучесть обнадеживали. Но при длительной эксплуатации в среде с примесями (качество пара или газа не всегда идеально, как в учебнике) началось неожиданно активное поверхностное охрупчивание. Микротрещины по границам зёрен. Материал ?новый?, а проблема — классическая. Пришлось возвращаться к более консервативному, но предсказуемому варианту, зато с изменённой геометрией самой диафрагмы, чтобы снизить локальные напряжения.

Иногда ?новым материалом? оказывается хорошо забытое старое, но с современной обработкой. Возьмём жаропрочные стали типа ЭИ-415. Казалось бы, классика. Но современные методы вакуумно-дугового переплава или электрошлакового переплава радикально улучшили их чистоту по неметаллическим включениям и газовым пузырям. Для ответственной диафрагмы турбины это даёт прирост в надёжности, который может быть значительнее, чем от перехода на экзотический сплав. Вот это и есть реальный прогресс — не в названии, а в качестве исполнения.

Керамика и интерметаллиды: большие надежды и суровые ограничения

Невозможно говорить о новых материалах, не затронув керамику. Оксидная, нитридная — прочность на сжатие фантастическая, стойкость к температуре — мечта конструктора. Но для диафрагмы, которая по сути является крупногабаритной тонкостенной конструкцией сложной формы, главный камень преткновения — хрупкость и чувствительность к концентраторам напряжений. Любая микротрещина, любой дефект при литье или спекании — и деталь летит вразнос.

Пробовали делать сегменты или вставки. Например, для соплового аппарата первой ступени, где тепловой удар максимален. Да, в стационарном режиме показывали себя хорошо. Но при аварийной остановке, при резком охлаждении — термические напряжения вызывали растрескивание. Пока что массовое применение керамики в силовых элементах диафрагм, на мой взгляд, — дело довольно отдалённого будущего. Больше перспектив у керамических покрытий (TBC — thermal barrier coatings) на металлической основе. Это уже реальность, которая продлевает жизнь деталям.

Интерметаллиды, в частности на основе титанального алюминида (TiAl), — более близкая к практике история. Они легче никелевых суперсплавов, имеют хорошую жаропрочность. Мы рассматривали их для диафрагм турбин низкого давления или последних ступеней, где вес имеет значение. Но снова проблема с пластичностью при комнатной температуре и сложность обработки. Фрезеровка, сверление — целое искусство. Китайские коллеги, например, ООО Гуандун Хайен Энергетические Технологии, в своих разработках, судя по информации на их сайте haienenergy.ru, активно исследуют подобные направления для газовых турбин малой и средней мощности. У них есть практический опыт внедрения современных материалов в серийные изделия, что всегда интересно для обмена мнениями.

Роль композитов: не панацея, но интересная ниша

Металлические композиты, армированные волокнами, — это отдельная песня. Казалось бы, идеально: матрица из жаропрочного сплава, а волокна задают прочность. Но технология изготовления цельной диафрагмы из такого материала — это адская сложность. Равномерное распределение волокон в сложном объёме, обеспечение сцепления на границе матрица-волокно при рабочих температурах.

Гораздо более реалистичный путь — использование композитов для несиловых элементов или для ремонта. Например, для восстановления или упрочнения посадочных мест, бандажных полок. Напыление, наплавка композитными порошками. Это даёт локальный эффект, но часто именно он и нужен, чтобы продлить ресурс всей сборки без замены дорогостоящей отливки. На одном из ремонтов старых советских турбин так и делали — усиливали зону крепления лопаток в диафрагме НД методом лазерного наплавления спецпорошком. Ресурс увеличили почти вдвое.

Здесь важно не гнаться за модным словом ?композит?, а чётко понимать, какую задачу он решает. Если нужно перераспределить напряжения, снизить вес определённой части — возможно. Если нужна абсолютная герметичность и монолитность под давлением — тут традиционные методы пока надёжнее.

Вопросы сварки и обработки: материал — это только полдела

Часто неудачи с ?новыми материалами? происходят не из-за их свойств, а из-за неподготовленности к ним производственной цепочки. Допустим, привезли чудо-сплав. А как его сваривать при сборке диафрагмы из сегментов? Обычные технологии не подходят. Нужен специальный присадочный материал, строгий контроль подогрева, иногда даже вакуумная или аргоновая камера для сварки. Иначе в зоне шва получается хрупкая структура, которая станет очагом разрушения.

То же самое с механической обработкой. Некоторые современные сплавы после литья или спекания настолько твёрдые, что их обработка требует алмазного инструмента, особых режимов резания. Иначе инструмент горит, а на поверхности детали остаются наклёп и микротрещины — идеальные инициаторы усталостного разрушения. Помню, как на одном заводе пытались фрезеровать пазы в диафрагме из нового состава на стандартных станках. В итоге получили такой уровень остаточных напряжений, что деталь повело, и она не прошла приёмку по геометрии. Пришлось срочно искать подрядчика со специальным оборудованием.

Поэтому сейчас, когда говорят о новом материале, я всегда сначала спрашиваю: ?А как вы это собираетесь делать?? Технологичность — это не менее важный параметр, чем предел текучести. Иногда проще и дешевле спроектировать диафрагму под хорошо освоенный в производстве материал, но с оптимизированной конструкцией, чем внедрять материал-загадку со всеми вытекающими рисками для сроков и стоимости.

Взгляд в будущее: аддитивные технологии и гибридные решения

Вот что действительно может стать прорывом — так это аддитивные технологии для создания диафрагм. Не всего, конечно, а отдельных, самых нагруженных элементов. Возможность выращивать из металлического порошка структуру с внутренними каналами охлаждения, которые невозможно получить литьём, — это меняет правила игры. Материал при этом может быть тот же инконель, но свойства изделия в сборе будут совершенно иными из-за оптимального распределения массы и эффективного отвода тепла.

Уже сейчас есть экспериментальные образцы сопловых лопаток и сегментов диафрагм, сделанные на 3D-принтерах. Пока это дорого, требует постобработки и контроля каждой единицы, но направление перспективное. Особенно для ремонта — можно ?нарастить? изношенную или повреждённую часть именно тем же составом, что и основа.

И, наверное, самый реалистичный путь — это гибридные конструкции. Каркас — из проверенного жаропрочного сплава, а наиболее теплонапряжённые поверхности — из напыленного или приваренного методом пайки слоя другого, более стойкого материала. Или использование функционально-градиентных материалов, где состав плавно меняется от одного к другому. Это позволяет нивелировать недостатки одного материала достоинствами другого. На мой взгляд, именно такие гибридные решения, а не поиск единого ?философского камня?, — ближайшее будущее для диафрагм турбин. Как, впрочем, и для многих других элементов турбомашин. Всё упирается в экономику: будет ли выгода от увеличения ресурса или КПД больше, чем затраты на такую сложную технологию. Вот и весь вопрос.