КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 26-29-20020
НазваниеТеоретическое и экспериментальное исследование связанных механохимических процессов при высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии жаропрочных сплавов в условиях эксплуатации высоконагруженных деталей газотурбинного двигателя большой тяги
Руководитель Келлер Илья Эрнстович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук , Пермский край
Конкурс №120 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые слова хемомеханика, связанные модели, взаимная диффузия, напряжения, конечные деформации, термодинамика необратимых процессов, высокотемпературная коррозия, жаропрочные никелевые сплавы, титановые сплавы, хлоридная коррозия, сульфидно-оксидная коррозия, лабораторный эксперимент, коррозионный слой, изменение химического состава
Код ГРНТИ30.19.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Детали газотурбинных двигателей в условиях эксплуатации подвержены высоким термомеханическим нагрузкам при воздействии на поверхности расплавов агрессивных сред, содержащих кислород, сернистые и хлоридные соединения, вызывающих высокотемпературную химическую коррозию и провоцирующих усталостное разрушение. Эти процессы в коррозионном слое сопровождаются взаимной диффузией компонентов металлического сплава и агрессивных веществ, их химическими реакциями и возникновением конечных собственных и реологических деформаций и остаточных напряжений, которые в сумме с действующими напряжениями в свою очередь влияют на диффузионную и химическую кинетику. Связанные уравнения этих процессов, разработанные авторами ранее, применяются к сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии жаропрочного никелевого сплава ЭИ 435 и титанового сплава ВТ6 при 1000 градусах Цельсия. Данные сплавы и испытания входят в программу, реализуемую АО "ОДК-Авиадвигатель" в рамках создания двигателя большой тяги. В рамках проекта будут выполнены лабораторные исследования распределения химического состава в коррозионном слое образцов сплавов ЭИ 435 и ВТ6, под действием расплавов Na2SO4 или NaCl при 1000 градусах Цельсия через 1, 2 и 4 часа испытаний. Будет выяснена зависимость развития процесса коррозии от поверхностных остаточных напряжений, предварительно наведенных на образцах лазерной проковкой. Будут построены частные формулировки модели для описания сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии обоих сплавов. Связанные уравнения, построенные при помощи термодинамики необратимых процессов, рассматриваются в геометрически нелинейной формулировке, в которой учитываются упругие, пластические и вязкие компоненты деформаций для возможности корректного описания механохимических процессов в коррозионном слое. Используется комбинированный подход к описанию диффузии и деформирования, сочетающий в себе материальное описание конвективного переноса и маркерное описание диффузии. Численная реализация модели выполняется в пакете программ COMSOL Multiphysics. Валидированный по экспериментальным данным расчет формирования коррозионного слоя и изменение распределения химического состава по его толщине позволят описать как стандартные инженерные характеристики коррозионной стойкости, так и более развернутую картину процесса с учетом эволюции собственных деформаций и остаточных напряжений, кинетики распространения фронта коррозии, образования слоистой структуры продуктов коррозии, влияния предварительно наведенного поверхностного слоя остаточных напряжений на процесс.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта планируется получение следующих основных результатов.
1. Модель эволюции распределения химического состава в поверхностном слое образца жаропрочного никелевого сплава ЭИ 435 при воздействии расплавов сульфата и хлорида натрия при температуре 1000 градусов Цельсия. Исследование эволюции распределения химического состава вблизи поверхности образца после 1, 2 и 4 часов воздействия расплава соли при 1000 градусах Цельсия микрорентгеноспектральным анализом. Описание в рамках модели экспериментально наблюдаемой структуры коррозионного слоя и механизмов его образования. Исследование кинетики распространения фронта коррозии.
2. Модель эволюции распределения химического состава в поверхностном слое образца титанового сплава ВТ6 при воздействии расплавов сульфата и хлорида натрия при температуре 1000 градусов Цельсия. Исследование эволюции распределения химического состава вблизи поверхности образца после 1, 2 и 4 часов воздействия расплава соли при 1000 градусах Цельсия микрорентгеноспектральным анализом. Описание в рамках модели экспериментально наблюдаемой структуры коррозионного слоя и механизмов его образования. Исследование кинетики распространения фронта коррозии.
3. Исследование роли предварительной поверхностной лазерной проковки (в частности, сжимающих остаточных напряжений) образцов в процессах высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии рассматриваемых сплавов. Исследование стойкости остаточных напряжений, наведенных лазерной проковкой, к выдержке при высокой температуре при химическом воздействии продуктов термогидролиза в расплавах солей.
4. Публикация трех статей в ведущих рецензируемых научных журналах и апробация результатов в виде докладов на четырех всероссийских и международных конференциях.
Предполагаемые результаты соответствуют лучшим публикациям по теме в мировой литературе, а разрабатываемая модель имеет ряд преимуществ, связанных с единообразным описанием реакционно-диффузионных и деформационных процессов при высокотемпературной коррозии. Понимание и математическое описание, валидированное экспериментально, механизмов формирования коррозионного слоя с учетом эволюции изменения химического состава по толщине, влияния начальных технологических и образующихся химических остаточных напряжений на кинетику диффузии и реакций представляется важными инструментами для проектировании перспективного газотурбинного двигателя повышенной тяги с учетом требований длительной прочности и коррозионной стойкости ответственных деталей из новых материалов. Необходимость для этого в термодинамически обоснованной связанной модели диффузионно-реакционных процессов в многокомпонентном металлическом сплаве с учетом роста и релаксации напряжений, которая была бы способна описывать процессы в распределенных телах во времени, обосновывается существованием в АО “ОДК-Авиадвигатель” программы подробнейших экспериментальных исследований высокотемпературной сульфидно-оксидной и хлоридной коррозии широкого ряда жаропрочных сталей и сплавов (в том числе изучаемые в работе), реализацией которой занимаются ВИАМ и ПНИПУ. В настоящее время только малая и описательная часть этой информации используется для прогнозирования коррозионной стойкости деталей авиадвигателя, однако тенденции цифровизации проектирования требуют разработки математической модели рассматриваемого процесса коррозии и планирования необходимых экспериментов.