Газотурбинные установки (ГТУ) при эксплуатации служат одним из самых мощных источников энергии в современном производстве. Однако лопатки в двигателях этих устройств подвержены негативному воздействию высоких температур и механических нагрузок, что приводит к образованию плотного оксидного слоя. Он замедляет ремонтные работы, которые нужны для увеличения срока службы лопаток и снижения затрат на производство. Ученые Пермского Политеха разработали новый метод с использованием раствора серной и ортофосфорной кислот и выявили их оптимальную концентрацию, необходимую для эффективной очистки приборов.
Статья опубликована в журнале «Металловедение и термическая обработка металлов» за 2024 год. Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Для выработки энергии ГТУ используют топливо, при сгорании которого образуется газ. Сопловый аппарат турбины преобразует и передает полученную из него энергию. Он состоит из множества жаропрочных лопаток, которые и задают для газа верное направление.
Несмотря на устойчивость к высокой температуре, лопатки ГТУ все же подвержены ее негативному влиянию и механическим нагрузкам. В процессе эксплуатации на их поверхности появляются микротрещины и устойчивые оксиды металлов (в основном никеля, алюминия, титана, вольфрама, хрома). Они образуют оксидную пленку и затрудняют восстановление поверхности лопаток при ремонте, который важен для продления их жизненного цикла.
При починке лопаток ГТУ одна из важных задач — очистка поверхности от оксидов металлов в труднодоступных местах и образовавшихся микротрещинах. Для избавления от нагара и других компонентов применяют способы с помощью различных моющих средств, но ни один не позволяет в полной мере отделить оксидную пленку. Существует также метод катодной очистки с использованием электрического тока. Однако для использования такой технологии необходимо обработать поверхность растворителями и щелочными реагентами, которые повышают риск разрушения металла.
Ученые Пермского Политеха разработали новый способ очистки сопловой лопатки двигателя ГТУ с помощью раствора серной и ортофосфорной кислот в автоклаве. Автоклав — герметичный прибор, который применяют для нагрева и обработки материалов под высоким давлением.
Очистку выполняли в две стадии. Сначала образец поместили в автоклав с водным раствором серной и ортофосфорной кислот разной концентрации (5%; 7,5%; 10%) и в течение одного часа очищали при температуре 230 °C. Затем в течение 30 мин при комнатной температуре в дистиллированной воде удаляли остатки оксидной пленки с помощью ультразвуковой обработки. Чтобы выявить результаты, провели анализ участков поверхности образца электронным сканирующим микроскопом.
«Мы выяснили, что обработка раствором кислот с концентрацией 5% помогает частично удалить оксиды металла с поверхности лопатки. Раствор 7,5% более эффективен, но все же оставляет нетронутые участки. После очистки 10%-ным раствором поверхность образца полностью избавилась от оксидов металлов. Отслоившаяся пленка не растворилась в смеси. Это означает, что используемые кислоты в первую очередь разъедают слой поверхности сплава лопатки, расположенный под оксидной пленкой, а саму пленку оставляют более-менее цельной», – пояснил доктор технических наук, профессор кафедры химических технологий Пермского Политеха Владимир Пойлов.
Эксперименты ученых ПНИПУ помогли определить идеальную концентрацию растворов серной и ортофосфорной кислот при двухстадийной очистке поверхности лопаток двигателя ГТУ от оксидов металлов. Результаты исследования применимы во всех отраслях производства, где в качестве источника энергии используются газотурбинные установки. Применение 10%-ного раствора кислот в автоклаве поможет ускорить ремонтные работы и тем самым снизить трату ресурсов, а также увеличить экономическую выгоду при производстве лопаток.