Speaker
Description
Жаропрочные никелевые сплавы применяются при изготовлении дисков и лопаток турбины высокого давления авиационных и морских газотурбинных двигателей, которые подвергаются воздействию солей из атмосферы и продуктов сгорания топлива. При температурах эксплуатации этих деталей последние испытывают высокотемпературную сульфидно-оксидную коррозию, приводящую к формированию дефектов на поверхности и истощению легирующими элементами поверхностного слоя, что приводит к их преждевременному разрушению. Исследования, в основном, ограничиваются построением по данным экспериментов зависимостей скорости роста коррозионного слоя и качественным
выводам на их основе [1-4]. Более глубокие связи и предсказательные возможности способна выявить математическая модель, учитывающая взаимную диффузию (транспорт) компонентов в деформируемой среде с учётом химических реакций и микроструктурных изменений. На основе анализа существующих работ и химических расчетов выписаны основные реакции сульфидно-оксидной коррозии жаропрочной стали, в котором рассматривается четыре химических реакции: окисление железа, хрома и сульфида хрома, сульфидирование хрома.
На первом этапе молекулярный кислород проникает в металл и реагирует с ионами железа и хрома, движущимися навстречу кислороду. После достижения критической толщины коррозионного слоя молекулярная сера проникает в повреждённый поверхностный слой и доходит до границы металл-оксид, где начинает реагировать с хромом и проникать вглубь металла, стимулируя взаимную диффузию и развитие сульфидного слоя. Продолжающееся наращивание оксидных слоёв вместе с окислением сульфида хрома освобождает серу для дальнейшего проникновения вглубь металла, из-за чего присутствие серы в оксидных слоях не наблюдается. Рассматриваются четыре химических реакции, в которых фигурируют диффундирующие реагенты 𝐹𝑒, 𝐶𝑟, 𝑂2 , 𝑆2 и неподвижные продукты 𝐹𝑒2𝑂3 , 𝐶𝑟2𝑂3 , 𝐶𝑟2𝑆3.
Описанный механизм учтен в формулировке связанной модели процессов взаимной диффузии и химических реакций в упруго деформируемой среде. Она позволяет описывать формирование слоистой структуры корродирующего поверхностного слоя, наблюдаемой экспериментально. Для описания транспорта компонент металлического сплава к коррозионной зоне разработан комбинированный подход к разложению диффузионного и деформационного движения, сочетающий использование маркерной диффузионной системы отсчёта и материальной конвективной скорости для описания связанных процессов взаимной диффузии и упруговязкого деформирования, обладающий определенными преимуществами [5]. На основе термодинамики сплошной среды получена система балансовых уравнений механики и вещества, определяющих уравнений и граничных условий. Численно исследуется одномерная задача для полупространства, демонстрирующая рост коррозионного слоя и обеднение хромом приповерхностного слоя материала с течением времени в атмосфере серы и кислорода. Модель может описывать обеднение легирующими элементами поверхности двухкомпонентного сплава железа и хрома, а также образование оксидных и сульфидных слоев и формирование остаточных напряжений, а ее результаты могут быть сопоставлены с экспериментами.
Исследование выполнено за счет крупного научного проекта Минобрнауки России
(соглашение № 075-15-2024-535 от 23.04.2024).
