МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

КУДІН Вадим Валерійович

УДК 669.245.018.44-194:620.193.53

РОЗРОБКА І ВИПРОБУВАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА

ВИЛИВОК ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ З ЖАРОМІЦНИХ СПЛАВІВ

05.16.04 – Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Запорізькому національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України на кафедрі машин і технології ливарного

виробництва.

Науковий

керівник: | доктор технічних наук, професор

Цивірко Едуард Іванович,

Запорізький національний технічний університет (ЗНТУ),

м. Запоріжжя, професор кафедри машин і технології

ливарного виробництва

Офіційні

опоненти: | доктор технічних наук, професор

Пономаренко Ольга Іванівна,

Національний технічний університет “ХПІ”, м. Харків,

професор кафедри ливарного виробництва

кандидат технічних наук, доцент

Федоров Григорій Єгорович,

Національний технічний університет України “КПІ”,

м. Київ, доцент кафедри ливарного виробництва

чорних та кольорових металів

Провідна

установа: | Одеський національний політехнічний університет

Міністерства освіти і науки України, кафедра машин і

технології ливарного виробництва, м. Одеса

Захист відбудеться “__08__” __червня___ 2004 р. о _12.30__год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 в Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий “__30__” _____квітня____ 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02,

доктор технічних наук, професор Должанський А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток авіаційного газотурбобудування направлений по шляху зростання робочих параметрів газотурбінних двигунів (ГТД), яке супроводжується збільшенням рівня температур, питомої потужності, економічності та навантаженості деталей турбіни з одночасним підвищенням вимог до надійності та ресурсу роботи ГТД. Надійність і тривалість роботи ГТД в значній ступені залежать від експлуатаційної довговічності їх окремих елементів, серед яких найбільш відповідальними є литі деталі гарячого тракту турбіни: робочі лопатки і соплові апарати, які виготовляються литтям по моделям, що витоплюються в керамічних формах. Основними матеріалами для виготовлення цих деталей є високолеговані жароміцні сплави на нікелевій основі.

В сучасних вітчизняних авіаційних двигунах з тривалим ресурсом роботи (більше 10000 годин) використовуються охолоджуємі робочі лопатки з жароміцних нікелевих сплавів ЖС6У-ВІ, ЖС3ДК-ВІ та інших. Робочі лопатки в процесі експлуатації зазнають дію високих температур (760…975?С), а також статичних та динамічних напружень. В таких складних умовах реальна експлуатаційна довговічність литих робочих лопаток з вказаних сплавів не перевищує 1500 годин, вони відбраковуються по механічним пошкодженням і знімаються з експлуатації. Це викликає необхідність багаторазової заміни комплектів лопаток та збільшення витрат на капітальні ремонти ГТД. В зв’язку з цим виникає потреба в підвищенні надійності та експлуатаційної довговічності литих деталей гарячого тракту газотурбінних двигунів.

Експлуатаційна довговічність литих робочих лопаток в значній мірі залежить від стабільності структури та фізико-механічних властивостей жароміцних нікелевих сплавів. Поліпшення цих показників сплавів можливо за рахунок удосконалення технології виробництва виливок, зокрема, додавання раціональної кількості модифікаторів, розробки технології їх введення та удосконалення режиму термічної обробки модифікованих сплавів. Досвід попередніх досліджень показує доцільність використання в якості модифікаторів гафнію і цирконію. Однак вплив зазначених елементів на структуру і властивості виливок з таких жароміцних нікелевих сплавів як ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ потребує додаткового вивчення.

В зв’язку з викладеним вище робота, яка направлена на розробку удосконалених технологій виробництва виливок за рахунок раціонального модифікування гафнієм і цирконієм, а також удосконалення режиму термічної обробки модифікованих сплавів, що забезпечують збільшення фізико-механічних властивостей та експлуатаційної довговічності литих деталей, а в підсумку підвищення надійності та ресурсу роботи ГТД є актуальною і логічно пов’язаною із загальною концепцією розвитку авіаційного газотурбобудування.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно з тематичними планами кафедральних держбюджетних науково-дослідних робіт Запорізького національного технічного університету по темам № 04615 “Розробка та удосконалення ливарних сплавів для виливок металургійного, гірничорудного обладнання та інших видів техніки” (наказ № 21-01 від 20.11.1995 р.) та № 04610 “Розробка технологій виробництва виливок із сплавів заліза та нікелю і шляхи поліпшення їх фізико-механічних та спеціальних властивостей” (протокол № 16 від 18.10.2000 р.).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи було розробка і промислове випробування удосконалених технологій виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів для підвищення їх фізико-механічних властивостей, надійності та експлуатаційної довговічності.

Для досягнення зазначеної мети в роботі необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Встановити причини зниженої експлуатаційної довговічності литих робочих лопаток ГТД з жароміцних нікелевих сплавів в умовах дії високих температур (760…975?С) та складнонапруженого стану.

2. Визначити раціональну кількість гафнію і цирконію в якості модифікаторів, що сприяють підвищенню фізико-механічних властивостей виливок, розробити і випробувати раціональну технологію їх введення у рідкий розплав.

3. Дослідити вплив модифікування вказаними елементами та термічної обробки на макро- і мікроструктуру, склад, форму, кількість, розмір та морфологію структурних складових жароміцних нікелевих сплавів і, як наслідок, на комплекс фізико-механічних властивостей при звичайній (20С) та високій (760…795С) температурах.

4. Встановити раціональний режим термічної обробки модифікованих сплавів, який забезпечує високі та стабільні експлуатаційні властивості.

5. Розробити удосконалені технології виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів, провести їх промислове випробування і дати практичні рекомендації по використанню цих технологій при виробництві литих деталей гарячого тракту ГТД.

Об’єкт дослідження. Технологія виробництва литих деталей для газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів.

Предметом дослідження служили литі робочі лопатки турбіни з жароміцних нікелевих сплавів, що модифіковані гафнієм та цирконієм.

Методи дослідження. При вирішенні поставлених задач використовували прогресивні методи виплавки жароміцних сплавів та отримання виливків, сучасні методи якісної та кількісної оцінки структурних складових сплавів, оптичної і електронної металографії, рентгеноспектрального мікроаналізу, визначення фізико-механічних та жароміцних властивостей металу при різних температурах. За допомогою регресійно-кореляційного аналізу, використовуючи сучасні комп’ютерні програми, встановлені достовірні залежності між більшістю вивчених параметрів структури і властивостей сплавів.

Наукова новизна одержаних результатів:

Одержало подальший розвиток визначення причин зниженої експлуатаційної довговічності литих робочих лопаток ГТД з жароміцних нікелевих сплавів ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ. Розробка відрізняється вивченням комплексу факторів, що змінюються в процесі експлуатації (розмір макрозерна, топографія, кількість та середній розмір карбідів, евтектичної ()-фази, а також термічна стабільність зміцнюючої -фази), які суттєво впливають на фізико-механічні властивості матеріалів лопаток, розвиток втомлених тріщин та вихід лопаток з ладу. Це дає можливість науково обгрунтувати вибір технологій виробництва литих деталей, що сприяють підвищенню їх властивостей.

Отримали подальший розвиток дослідження, що характеризують вплив модифікування гафнієм і цирконієм та термічної обробки на макро-, мікроструктуру і властивості виливок з жароміцних сплавів, які відрізняються тим, що вперше показують якісні та кількісні залежності впливу масової частки вказаних модифікаторів на склад, форму, кількість, розмір та морфологію структурних складових сплавів ЖС6У-ВІ і ЖС3ДК-ВІ. Це дає можливість забезпечити підвищення рівня фізико-механічних властивостей виливок з цих сплавів при звичайній (20С) та високій (760…975С) температурах.

Вперше виявлені залежності впливу гафнію і цирконію на мікроструктуру, механічні та жароміцні властивості виливок з нікелевих сплавів ЖС6У-ВІ і ЖС3ДК-ВІ після температурного перегріву до 12505С, що дозволяє прогнозувати експлуатаційну стійкість литих деталей гарячого тракту ГТД з цих сплавів при роботі двигунів на нестаціонарних режимах. Раніше вплив гафнію і цирконію на структуру та властивості виливок з вказаних сплавів після температурного перегріву до 12505С не вивчався.

Вперше встановлено вплив гафнію і цирконію на схильність жароміцного нікелевого сплаву ЖС6У-ВІ до виникнення топологічно щільно упакованої -фази, механізм, температурний та часовий інтервали її утворення. Вперше показано вплив цих елементів на морфологічний вид (голки або пластинки), кількість, розмір та термічну стабільність -фази, а також вплив форми та вмісту цієї фази на властивості сплаву. Раніше вплив гафнію і цирконію на схильність вказаного сплаву до виникнення -фази не вивчався.

Практичне значення отриманих результатів. В дисертаційній роботі була вирішена конкретна задача, яка пов’язана з удосконаленням технологій виробництва литих деталей для газотурбінних двигунів шляхом розробки раціональних варіантів модифікування та режиму термічної обробки модифікованих сплавів, що забезпечують підвищення фізико-механічних властивостей виливок з жароміцних нікелевих сплавів (довідка про результати промислового випробування від 16.10.2002 р.).

Впровадження практичних рекомендацій по використанню удосконалених технологій на підприємстві ВАТ “Мотор Січ” дозволить збільшити експлуатаційні властивості та строк служби литих деталей гарячого тракту ГТД, зменшити витрати на капітальні ремонти газотурбінних двигунів та отримати економічний ефект у сумі 592,219 тис. грн. на ресурс роботи (10000 годин) одного двигуна (акт випробування від 23.04.2003 р.).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові і теоретичні положення дисертації розроблені автором особисто. Здобувач брав участь у проведенні експериментів, дослідженнях та промисловому випробуванні. Автор особисто виконав розрахунки, аналіз, обробку, інтерпретацію експериментальних даних та узагальнення отриманих результатів. Написання спільних статей у співавторстві виконувалося при особистій участі автора. У дисертації не використані ідеї співробітників, що сприяли виконанню роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи докладалися та обговорювалися на Міжнародних науково-технічних конференціях “Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах” (1997, 2000, 2003 р.р., м. Запоріжжя), “Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів” (1998 р., м. Запоріжжя), “Повышение качества и экономичности литейных процессов” (1998, 2000 р.р., м. Одеса), а також науково-технічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу ЗНТУ (1996-2003 р.р.).

У повному обсязі робота доповідалась на кафедрі машин і технології ливарного виробництва Запорізького національного технічного університету та кафедрі ливарного виробництва Національної металургійної академії України.

Публікації. По матеріалам дисертаційної роботи опубліковано 15 друкованих праць, в тому числі, 4 статті у фахових виданнях із переліку ВАК, 2 патенти та 9 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Матеріали роботи викладені на 189 сторінках, містять 33 таблиці, 61 рисунок, 16 додатків та 155 найменувань у списку використаних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрита актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження, представлені основні наукові положення, що виносяться на захист, практичне значення і цінність отриманих результатів, а також апробація результатів роботи.

Перший розділ носить оглядовий характер і присвячений аналізу можливостей удосконалення технологій виробництва литих деталей гарячого тракту газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів, з метою підвищення їх фізико-механічних та експлуатаційних властивостей.

Наведений аналіз існуючих досліджень щодо впливу різноманітних легуючих елементів та режимів термічної обробки на структуру, фазовий склад і властивості жароміцних сплавів показав, що можливості цих матеріалів досить широкі і розробка майбутніх сплавів йде, головним чином, в напрямку модифікації існуючих жароміцних сплавів. Аналіз теорії зміцнення сплавів показав, що одним з основних способів підвищення властивостей жароміцних сплавів є оптимальне використання легуючих додатків і модифікаторів, а також застосування раціональних режимів термічної обробки.

Показано, що незважаючи на велику кількість робіт вітчизняних і закордонних дослідників в галузі забезпечення високого рівня властивостей жароміцних нікелевих сплавів, питання визначення раціонального варіанту модифікування, режиму термічної обробки та технології виробництва виливок залишається дуже актуальним, а його рішення буде сприяти збільшенню фізико-механічних та експлуатаційних властивостей литих деталей, а в підсумку підвищенню надійності та ресурсу роботи газотурбінних двигунів.

Другий розділ присвячений опису матеріалів і методик досліджень.

Предметом дослідження служили литі робочі лопатки гарячого тракту турбіни, які виготовляються з жароміцних нікелевих сплавів. В якості шихти використовували серійні сплави ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ, що відповідають вимогам ОСТ 1.90.126-85. Сплави виплавляли методом переплаву мірної заготівки в вакуумній індукційній печі УППФ-3М з основним тиглем місткістю до 15 кг. Дослідні плавки проводили при температурі металу 1600С та глибині вакууму 0,665 Па. Для модифікування розплавів використовували гафній-нікелеву (ГФН-10 ТУ 48-4-419-80) та цирконій-нікелеву (ZrNi-85 ТУ 05.20.04-91) лігатури фракцією 0,2-1,0 мм.

Експерименти проводили на литих зразках, які заливали в попередньо підігріті до 950?С спеціальні керамічні форми, отримані по моделям, що витоплюються, і зразках виготовлених з робочих лопаток до і після термічної обробки (нагрів до 1210+15С, витримка 4 години, охолодження на повітрі).

Хімічний склад сплавів визначали спектральним та хімічним методами. Дослідження макро- і мікроструктури, визначення кількості структурних складових сплавів проводили стандартними методами (ГОСТ 1778-70) на металографічних мікроскопах МІМ-10 та NEOPHOT. Мікроскопічні дослідження структурних складових сплавів проводили на растровому електронному мікроскопі JSM Т-300, а їх хімічний склад визначали рентгеноспектральним мікроаналізом (РСМА) на мікрозонді МАР-3.

Визначення механічних властивостей проводили стандартними методами (ГОСТ 1497-84 і ГОСТ 9454-78) при температурі 20С. Випробування сплавів на довготривалу міцність проводили відповідно з вимогами ГОСТ 10145-84 на устаткуванні ВПК-11 та ДСТ-5000 при температурах 760, 850, 900 і 975С та відповідних напруженнях 590, 350, 250 і 230 МПа. Мікротвердість сплавів визначали стандартним методом за допомогою мікротвердоміра фірми “BUEHLER” та приставки mnp (HAVEMANN) структурного аналізатора “Епіквант”.

Математичну обробку експериментальних даних здійснювали з використанням методу регресійно-кореляційного аналізу за допомогою сучасних засобів обчислювальної техніки, застосовуючи стандартні пакети комп’ютерних програм “Excel”, “Statgraph” і “Mathcad”.

Третій розділ присвячений визначенню причин зниженої експлуатаційної довговічності литих робочих лопаток гарячого тракту ГТД, дослідженню структурних змін, що відбуваються в цих деталях в процесі експлуатації, а також впливу модифікування гафнієм і цирконієм та термічної обробки на структуру виливок з жароміцних нікелевих сплавів.

Встановлено, що для литих робочих лопаток з жароміцних сплавів ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ характерний великий розмір макрозерна, несприятлива морфологія і недостатня кількість зміцнюючих фаз, їх термічна нестабільність. В процесі експлуатації під дією високих температур (760…975С) та складнонапруженого стану в лопатках відбувалося збільшення розміру макрозерна, зміна топографії, кількості та середнього розміру карбідів, евтектичної (?+г)-фази, а також злиття і коагуляція часток зміцнюючої ?-фази. Ці структурні зміни призводили до зниження фізико-механічних та жароміцних властивостей матеріалів лопаток, що сприяло розвитку втомлених тріщин та виходу лопаток з ладу.

Для підвищення термічної стабільності структури та фізико-механічних властивостей литих деталей було проведено модифікування гафнієм і цирконієм серійних жароміцних нікелевих сплавів ЖС6У-ВІ і ЖС3ДК-ВІ та досліджено вплив цих елементів на структуру виливок.

Засвоєння уведених елементів складало 80-95%. Визначено, що чим більше кількість присадки та час витримки рідкого розплаву з моменту модифікування до заливки ливарної форми, тим менше відсоток їх засвоєння.

Підвищення вмісту цирконію від 0,046 до 0,387 % та гафнію від 0,187 до 1,267 % призводило до помітного зменшення середнього розміру макрозерна обох сплавів і цирконій сприяв більш активнішому подрібненню макрозерна в порівнянні з гафнієм. Ці елементи поменшували кількість та розміри крихкої складової у вигляді фасеток внутрішньо зеренного сколу. Особливо помітно це спостерігалося у сплавах з гафнієм. Визначено, що гафній зменшував розміри фасеток, а цирконій їхню кількість. Збільшення масової частки гафнію і цирконію у досліджуємих межах зменшувало розміри дендритних осередків та відстань між осями дендритів другого порядку. Тому, в такому металі можна очікувати менший розвиток дендритної ліквації.

При введенні в сплави ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ гафнію і цирконію відбувалось подрібнення гілок карбідів типу “китайських ієрогліфів” та їх глобуляризація, а також збільшення кількості та середнього розміру карбідів. Гафній сприяв утворенню карбідів глобулярної, кубічної та іншої різноманітної форми, які оточені ?-фазою. РСМА визначено, що глобулярні карбіди містять гафній, титан, ніобій і вольфрам, а карбіди кубічної форми по перерізу мають змінний хімічний склад, коли центральні ділянки збагачені гафнієм і титаном, крайні – ніобієм та вольфрамом. Введення цирконію призводило до утворення фази у вигляді “стрижня” і карбідів, які мають хрестоподібну форму. Із збільшенням масової частки цирконію, кількість таких карбідів підвищувалась. РСМА показав, що цирконій входить до складу цих карбідів.

Додатки гафнію і цирконію у досліджуємі сплави змінювали морфологію, кількість та розміри надлишкової евтектичної (?+г)-фази. В сплавах які містять гафній евтектичні включення уявляли собою колонії, які складаються з “пелюстків” (?+г)-фази та розділяючих їх прожилків -фази. Кількість та середні розміри цих включень збільшувалися пропорційно масовій частці гафнію. РСМА евтектичної (?+г)-фази показав, що вона збагачена елементами, коефіцієнт ліквації яких позитивний – Hf, Ti, Al, Nb, Ni та збіднена елементами, коефіцієнт ліквації яких негативний – W, Cr, Co. Визначено, що зміна морфології, збільшення кількості та розмірів евтектичної (?+г)-фази відбувалося за рахунок ліквації гафнію в междендритні області та на межі зерен.

Модифікування сплавів цирконієм збільшувало кількість, але зменшувало середній розмір евтектичної (?+г)-фази та призводило до виділення її у вигляді безперервного ланцюжка по межах зерен, який складається з дрібних включень. Встановлено, що при уведенні цирконію стримувалося утворення боридної евтектики і навколо евтектичної (?+г)-фази спостерігалися області з фазою типу NiZr, а також відбувалося виникнення мікропор та утворення несуцільностей по межах зерен, кількість яких з підвищенням масової частки цирконію збільшувалося.

Введення в сплави гафнію і цирконію змінювало морфологію основної зміцнюючої ?-фази. Замість кульоподібних виділень ?-фази утворювалися частки кубічної та прямокутної форми, а також зменшувався індекс та збільшувався середній розмір зміцнюючої ?-фази. Визначено, що зменшення індексу ?-фази в модифікованих сплавах викликане збільшенням відстані між частками, а укрупнення інтерметалідних виділень відбувалося за рахунок того, що гафній і цирконій, як ?-утворюючі елементи, входять до складу зміцнюючої фази.

При роботі газотурбінних двигунів на нестаціонарних режимах (запусканні, переході з режиму на режим, форсажі) нерідко мають місце випадки різкого підвищення температури газів (до 1250С), які подаються на турбіну, в результаті чого відбувається суттєвий перегрів лопаток. Дослідження впливу температурного перегріву до 12505С показало, що серійні сплави ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ мали недостатню стабільність структури, що викликало оплавлення навколо карбідів, огрубіння меж зерен та утворення “структур оплавлення”.

В сплавах, які містять гафній негативний вплив перегріву виявлявся більш помітно, внаслідок збільшення кількості та розмірів евтектичної (?+г)-фази, яка виділялася у вигляді “структур оплавлення”. Більш стійкою при температурному перегріві залишалася структура сплаву ЖС6У-ВІ, модифікованого 0,048% цирконію та сплаву ЖС3ДК-ВІ, який містить 0,046-0,212% цирконію, внаслідок виділення термічно стійкої евтектичної (?+г)-фази.

В мікроструктурі сплаву ЖС6У-ВІ, після випробувань на довготривалу міцність при температурі 900С і тривалістю більше 200 годин виявили надлишкову голкоподібну фазу, яка була ідентифікована як -фаза (рис. 1 а). Виявили два морфологічні види -фази – частки пластинчастої та голчастої форми, що виділялися в осях і міжосних об’ємах дендритів. Встановлено, що гафній значно збільшував вміст, але зменшував середній розмір -фази пластинчастої форми (рис. 1 б). Введення цирконію сприяло утворенню -фази голчастої форми (рис. 1 в), кількість і середній розмір якої знижувався з підвищенням масової частки цирконію.

а | б | в

Рис. 1. Морфологія -фази в сплаві ЖС6У-ВІ, який містить гафній та цирконій, 500:

а – без модифікаторів; б – 0,445% Hf; в – 0,04% Zr.

Механізм виникнення -фази полягає в наступному. Гафній і цирконій розчиняючись в карбідах, -фазі та евтектичній (+)-фазі частково замінювали позиції хрому, молібдену, вольфраму, титану і при цьому підвищували їхню концентрацію в -твердому розчині. Внаслідок цього при кристалізації сплаву утворювалася метастабільна структура. При тривалій дії підвищених температур та прикладених напружень кристалічна структура сплаву переходила в більш стабільний стан за рахунок утворення дрібнодисперсної голкоподібної -фази, яка виділялася переважно з -твердого розчину, особливо в осях дендритів.

Визначено, що утворення -фази відбувалося більш інтенсивно в металі, що знаходився в напруженому стані, а голчасті частки, в порівнянні з пластинчатими були більш термічно стабільними і зберігалися в металі при нагріванні до температури 1240С і годинній витримці.

В четвертому розділі наведено результати дослідження впливу модифікування гафнієм і цирконієм на фізико-механічні властивості виливок з жароміцних нікелевих сплавів та на цій основі розробка удосконалених технологій виробництва литих деталей газотурбінних двигунів, що забезпечують підвищення експлуатаційних властивостей цих деталей.

Випробування механічних властивостей виливок з сплавів ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ показали, що в інтервалі концентрацій гафнію 0,187-1,267% і цирконію 0,046-0,387% відбувалося підвищення межі міцності та відносного подовження при кімнатній температурі. Ударна в’язкість обох сплавів, що містять гафній та сплаву ЖС6У-ВІ, який містить цирконій збільшувалася, а сплаву ЖС3ДК-ВІ, що містить цирконій зменшувалася (рис. 2). Встановлено, що масові частки гафнію сприяли більш значному підвищенню межі міцності, відносного подовження та ударної в’язкості обох сплавів, ніж цирконію.

Масова частка елементів, %

Рис. 2. Вплив елементів на механічні властивості виливок з сплавів ЖС6У-ВІ (? ^) та ЖС3ДК-ВІ (0 ?) при кімнатній температурі.

Вміст в сплаві ЖС6У-ВІ цирконію в кількості 0,03-0,048% призводив до підвищення довготривалої міцності при 900 і 975С, а при введенні 0,06-0,387% цирконію відбувалося її зменшення. Довготривала міцність при 760С збільшувалася у всьому інтервалі концентрацій цирконію, а максимальні значення були у сплаві, що містить 0,03-0,11% цирконію. В сплаві ЖС6У-ВІ з гафнієм довготривала міцність при температурах 760, 900 і 975С знижувалася майже пропорційно масової частки гафнію (рис. 3).

Масова частка елементів, % | Масова частка елементів, %

Рис. 3. Вплив елементів на довготривалу міцність виливок з сплавів ЖС6У-ВІ (? ^) та ЖС3ДК-ВІ (0 ?): (? 0 – з Hf; ^ ? – з Zr).

Введення в сплав ЖС3ДК-ВІ як гафнію, так і цирконію збільшувало довготривалу міцність при 850С. Встановлено, що масові частки цирконію призводили до помітно більшого зростання показників довготривалої міцності, ніж додатки гафнію (див. рис. 3). Визначено, що спільний вміст в сплаві ЖС3ДК-ВІ 0,6% гафнію і 0,05% цирконію сприяв більш значному підвищенню межі міцності, відносного подовження, ударної в’язкості та довготривалої міцності, ніж окреме уведення гафнію чи цирконію.

В процесі випробувань на довготривалу міцність при 900С збільшилася мікротвердість сплаву ЖС6У-ВІ незалежно від вмісту елементів. В сплаві, що містить цирконій більш високу мікротвердість мав сплав з 0,04% цирконію. Введення гафнію підвищувало мікротвердість майже пропорційно його масової частки. Встановлено, що при однаковій мікротвердості сплав, який містить цирконій в порівнянні з гафнієм, мав більш високу довготривалу міцність. При цьому із збільшенням мікротвердості сплаву масові частки цирконію сприяли підвищенню довготривалої міцності, а гафнію її зниженню (табл. 1).

Після температурного перегріву до 12505С механічні властивості серійних жароміцних сплавів при кімнатній температурі незначно збільшилися, а довготривала міцність зменшилася, але знаходилася на рівні, який перевищує вимоги стандарту. Підвищення вмісту гафнію в обох сплавах супроводжувалося різким зменшенням довготривалої міцності після температурного перегріву практично до нульових значень. При уведенні в сплави ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ цирконію в кількості 0,03-0,048% і 0,046-0,212% відповідно, відбувалося підвищення довготривалої міцності, а масові частки цирконію більше 0,06% і 0,212% відповідно, знижували її значення.

Таблиця 1 –

Мікротвердість і довготривала міцність виливок з сплаву ЖС6У-ВІ

Масова частка елементів, % | Мікротвердість, МПа | Довготривала міцність, МПа

до випробувань, Hv1 /20/ | після випробувань, Hv2 /20/ | | | –

4227,0 | 4963,0 | 138,7 | 169,5 | 176,6

0,04 Zr | 4602,1 | 5582,0 | 922,8 | 244,8 | 208,2

0,06 Zr | 4503,7 | 4986,4 | 441,0 | 191,8 | 169,1

0,11 Zr | 4460,0 | 4532,1 | 433,6 | 123,8 | 103,9

0,445 Hf | 4771,0 | 5339,0 | 103,4 | 93,6 | 169,7

1,267 Hf | 5369,0 | 5752,0 | 30,5 | 70,3 | 111,9

Дослідження впливу форми та кількості -фази на властивості сплаву ЖС6У-ВІ показало, що з підвищенням вмісту пластинчастих часток -фази в сплаві з гафнієм відбувалося збільшення мікротвердості, але зменшення довготривалої міцності при 900С. Підвищення кількості голчастих виділень -фази в металі, що містить цирконій, збільшувало як мікротвердість, так і довготривалу міцність за рахунок їхнього позитивного впливу, як зміцнююча фаза.

Таким чином, проведені дослідження показали, що найбільш високі і стабільні фізико-механічні та жароміцні властивості були у сплаву ЖС6У-ВІ, що містить 0,03-0,048% цирконію та сплаву ЖС3ДК-ВІ, який містить 0,6% гафнію і 0,05% цирконію, склади яких були визнані оптимальними та рекомендовані для розробки на їх основі раціональних технологій виробництва литих деталей газотурбінних двигунів.

На підставі отриманих залежностей розроблені удосконалені технології виробництва виливок з жароміцних нікелевих сплавів:

1. Розроблена технологія отримання виливок з жароміцного сплаву ЖС6У-ВІ, якою на відміну від діючої передбачене модифікування розплаву в печі цирконієм фракцією 0,2-1,0 мм в кількості 0,03-0,05% за 10-30 секунд перед заливкою у ливарну форму та використання удосконаленого режиму термічної обробки (нагрів до 12305С, витримка 4 години, охолодження на повітрі) (Патент 31934). Модифікування цирконієм сприяло змінам в макро- і мікроструктурі виливок та суттєвому збільшенню показників механічних і жароміцних властивостей. Використання удосконаленого режиму термічної обробки для модифікованого сплаву додатково підвищило стабільність структури та збільшило фізико-механічні властивості виливок.

2. Розроблена технологія виробництва виливок з жароміцного сплаву ЖС3ДК-ВІ, який додатково містить 0,4-0,7% гафнію та 0,03-0,06% цирконію (Декл. пат. 29272А). У виливках, отриманих по такій технології відбувалися зміни в макро- і мікроструктурі, збільшилася кількість зміцнюючих фаз, підвищилася їхня міцність та термічна стабільність. Це сприяло збільшенню механічних та жароміцних властивостей виливок і, тим самим, підвищенню їх надійності та експлуатаційної довговічності.

П’ятий розділ присвячений промисловим випробуванням розроблених технологій виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів та визначенню економічної доцільності цих технологій.

Промислові випробування розроблених технологій виробництва виливок проводили на підприємстві ВАТ “Мотор Січ”. Результати випробувань показали, що розроблені технології, у порівнянні з серійною, дозволили забезпечити підвищення рівня фізико-механічних властивостей виливок з жароміцних нікелевих сплавів. Це гарантовано збільшить строк служби литих деталей гарячого тракту ГТД, значно зменшить витрати на капітальні ремонти ГТД та підвищить в цілому експлуатаційну надійність газотурбінних двигунів (довідка про результати промислового випробування від 16.10.2002 р.).

Впровадження практичних рекомендацій по використанню розроблених технологій на підприємстві ВАТ “Мотор Січ” при виробництві литих деталей гарячого тракту ГТД дозволить отримати економічний ефект у сумі 592,219 тис. грн. на ресурс роботи (10000 годин) одного двигуна (акт випробування від 23.04.2003 р.).

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі розробки удосконалених технологій виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів, зокрема, за рахунок отримання нових науково-обгрунтованих результатів про закономірності впливу модифікування гафнієм і цирконієм та термічної обробки на структуру і властивості виливок з вказаних сплавів. Це забезпечило збільшення фізико-механічних властивостей та експлуатаційної довговічності литих деталей ГТД, а в підсумку, дозволить підвищити надійність та ресурс роботи ГТД. По матеріалах, одержаних у роботі, сформульовані наступні висновки.

1. Одержало подальший розвиток визначення причин зниженої експлуатаційної довговічності робочих лопаток ГТД з жароміцних нікелевих сплавів ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ. Встановлено, що для литих деталей з вказаних сплавів характерний великий розмір макрозерна, несприятлива морфологія і недостатня кількість зміцнюючих фаз, їх термічна нестабільність. Як наслідок, в процесі експлуатації відбувалися структурні зміни в матеріалі деталей, які призводили до зниження фізико-механічних властивостей, розвитку втомлених тріщин та виходу лопаток з ладу.

2. Одержали подальший розвиток якісні та кількісні залежності, що характеризують вплив модифікування гафнієм і цирконієм та термічної обробки на макро- і мікроструктуру, склад, форму, кількість, розмір та морфологію структурних складових жароміцних нікелевих сплавів ЖС6У-ВІ та ЖС3ДК-ВІ, а також на фізико-механічні властивості цих сплавів:

- відсоток засвоєння елементів розплавом тим менше, чим більше кількість їхньої присадки та час витримки рідкого розплаву з моменту модифікування до заливки ливарної форми;

- підвищення масової частки елементів призводило до зменшення середнього розміру макрозерна, зниження кількості та розмірів крихкої складової у вигляді фасеток внутрішньо зеренного сколу, зменшення розмірів дендритних осередків та відстані між осями дендритів другого порядку;

- введення в сплави гафнію і цирконію збільшувало кількість, середній розмір карбідів та змінювало їхній склад, форму і морфологію. Підвищення вмісту гафнію призводило до утворення замість карбідів типу “китайських ієрогліфів”, карбідів глобулярної, кубічної та іншої різноманітної форми, які містять гафній. Масові частки цирконію забезпечували утворення карбідів на його основі у вигляді “стрижня” і карбідів, які мають хрестоподібну форму;

- додатки елементів змінювали морфологію, кількість та розміри евтектичної ()-фази. Гафній сприяв утворенню евтектичних включень у вигляді “пелюстків” ()-фази та розділяючих їх прожилків -фази, а також збільшував вміст і розміри цих включень за рахунок ліквації в междендритні області і на межі зерен та за рахунок того, що він входить у їхній склад. Уведення цирконію збільшувало кількість, але зменшувало середній розмір евтектичної (?+г)-фази і призводило до виділення її у вигляді безперервного ланцюжка по межах зерен, який складається з дрібних включень. Підвищення вмісту цирконію стримувало утворення боридної евтектики, а також викликало появу мікропор та утворення несуцільностей по межах зерен;

- введення в сплави гафнію і цирконію сприяло утворенню замість кульоподібних виділень -фази, часток кубічної і прямокутної форми, а також збільшувало середній розмір, але зменшувало кількість зміцнюючої -фази за рахунок збільшенням відстані між частками;

- масові частки елементів підвищували межу міцності, відносне подовження та ударну в'язкість сплаву ЖС6У-ВІ при кімнатній температурі. Довготривала міцність при різних температурах сплаву з гафнієм знижувалася пропорційно його масовій частці, а сплаву який містить цирконій у кількості 0,03-0,048% збільшувалася;

- введення в сплав ЖС3ДК-ВІ гафнію і цирконію як окремо, так і спільно підвищувало межу міцності, відносне подовження при кімнатній температурі і довготривалу міцність при 850С. Ударна в'язкість сплаву з гафнієм збільшувалася, а сплаву що містить цирконій зменшувалася. Визначено, що більш високі фізико-механічні та жароміцні властивості мав сплав, що спільно містить 0,6% гафнію і 0,05% цирконію.

3. Вперше виявлені залежності впливу гафнію і цирконію на мікроструктуру і властивості виливок з сплавів ЖС6У-ВІ і ЖС3ДК-ВІ після температурного перегріву до 12505С. Гафній проявив негативний вплив, що викликало оплавлення навколо карбідів, утворення “структур оплавлення” і несуцільностей по межах зерен і, як наслідок, різке зниження довготривалої міцності сплавів. Структура сплавів, що містять цирконій у кількості 0,03-0,048% і 0,046-0,212% відповідно, після температурного перегріву залишалася більш стійкої, що забезпечило підвищення довготривалої міцності.

4. Вперше встановлено вплив гафнію і цирконію на схильність сплаву ЖС6У-ВІ до виникнення топологічно щільно упакованої -фази. Витримка сплаву більш 200 годин при випробуваннях на довготривалу міцність при 900С призводила до утворення в мікроструктурі металу -фази. Введення в сплав гафнію значно збільшувало кількість і зменшувало середній розмір -фази пластинчастої форми, яка підвищувала мікротвердість, але знижувала довготривалу міцність. Підвищення вмісту цирконію зменшувало кількість і середній розмір -фази та сприяло утворенню її у вигляді часток голчастої форми, завдяки яким підвищувалась як мікротвердість, так і довготривала міцність. Виникнення -фази відбувалося більш інтенсивно в металі, що знаходився в напруженому стані, а голчасті частки, у порівнянні з пластинчастими, були термічно стабільними і зберігалися в металі при нагріванні до 1240С і годинній витримці.

5. На підставі отриманих залежностей розроблені удосконалені технології виробництва виливок з жароміцних нікелевих сплавів:

- розроблена технологія отримання виливок з жароміцного нікелевого сплаву ЖС6У-ВІ, модифікованого цирконієм в кількості 0,03-0,05% та режим їх термічної обробки (Патент 31934) [5];

- розроблена технологія виробництва виливок з жароміцного нікелевого сплаву ЖС3ДК-ВІ, який додатково містить 0,4-0,7% гафнію і 0,03-0,06% цирконію (Декл. патент 29272А) [6].

6. Використання результатів досліджень у виробництві на ВАТ “Мотор Січ” дозволить збільшити експлуатаційні властивості і строк служби литих деталей гарячого тракту ГТД, зменшити витрати на капітальні ремонти ГТД та підвищити в цілому експлуатаційну надійність газотурбінних двигунів. Економічний ефект від впровадження розроблених рекомендацій з удосконалення технології виробництва литих деталей ГТД складе 592,219 тис. грн. на ресурс роботи (10000 годин) одного двигуна.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНИЙ У РОБОТАХ:

1. Кудин В.В., Цивирко Э.И., Долгов Б.В. Структура и свойства сплава ЖС3ДК-ВИ с гафнием // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. – 1997. – №1-2. – С. 48 – 49.

2. Лысенко Н.А., Кудин В.В., Долгов Б.В., Цивирко Э.И. Модифицирование цирконием литейных жаропрочных никелевых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1998. – №3. – С. 14 – 17.

3. Лысенко Н.А., Кудин В.В., Клочихин В.Г., Цивирко Э.И. Структура и свойства никелевых жаропрочных сплавов с гафнием // Металловедение и термическая обработка металлов. – 1999. – №1. – С. 29 – 32.

4. Лысенко Н.А., Кудин В.В., Клочихин В.Г., Цивирко Э.И. Жаропрочные никелевые сплавы, модифицированные гафнием и цирконием Металловедение и термическая обработка металлов. – 1999. – №12. – С. 22 – 27.

ДОДАТКОВО НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ВІДОБРАЖЕНІ У РОБОТАХ:

5. Спосіб отримання виливків з жароміцного сплаву на основі нікелю та спосіб їх термічної обробки: Патент 31934. Україна, МКИ С22С19/03 / Н.О. Лисенко, В.В. Кудін, Е.І. Цивірко, В.Г. Клочихін. – №98116188; Заявлено 24.11.98; Опубл. 15.10.03, Бюл. №10.

6. Жароміцний сплав на основі нікелю: Декл. пат. 29272А. Україна, МКИ С22С19/05 / В.В. Кудін, Н.О. Лисенко, Е.І. Цивірко, В.Г. Клочихін. – №98041904; Заявлено 14.04.98; Опубл. 16.10.00, Бюл. №5-II.

7. Кудин В.В., Клочихин В.Г., Цивирко Э.И., Ткаченко И.Ю. Модифицирование жаропрочных сплавов гафнием // Металловедение и обработка металлов: Материалы конференции, посвященной 75-летию ДГТУ. – Донецк – Киев. – 1996. – С. 67-68.

8. Кудин В.В., Лысенко Н.А., Цивирко Э.И., Долгов Б.В. Модифицирующий эффект циркония в жаропрочных никелевых сплавах // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Сб. науч. тр. – Запорожье: ЗГТУ. – 1997. – С. 150 – 152.

9. Кудин В.В., Лысенко Н.А., Цивирко Э.И., Долгов Б.В. Влияние гафния на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов // Неметаллические включения и газы в литейных сплавах: Сб. науч. тр. – Запорожье: ЗГТУ. – 1997. – С. 156 – 157.

10. Кудин В.В., Лысенко Н.А., Долгов Б.В., Цивирко Э.И. Комплексное модифицирование гафнием и цирконием жаропрочных никелевых сплавов Пути повышения качества и экологичности литейных процессов. – Одесса: ОГПУ. – 1998. – С. 101 – 103.

11. Кудин В.В., Лысенко Н.А., Долгов Б.В., Цивирко Э.И. Комплексное влияние модификаторов на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. пр. – Запоріжжя: ЗДТУ. – 1998. – С. 87 – 88.

12. Кудин В.В., Цивирко Э.И., Лысенко Н.А., Долгов Б.В. Влияние модификаторов на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов при термических перегревах // Нові конструкційні сталі та стопи і методи їх обробки для підвищення надійності та довговічності виробів: Зб. наук. пр. – Запоріжжя: ЗДТУ. – 1998. – С. 89 – 90.

13. Кудін В.В., Коломійцев А.Г., Клочихін В.В., Цивірко Е.І. Вплив гафнію і цирконію на структуру і фазовий склад жароміцних сплавів Повышение качества и экономичности литейных процессов. – Одесса: ОГПУ. – 2000. – С. 26 – 30.

14. Кудин В.В., Лысенко Н.А., Цивирко Э.И., Наумик В.В., Пархоменко А.В. Влияние модификаторов на склонность жаропрочных сплавов к образованию ТПУ фаз Неметалеві включення і гази у ливарних сплавах: Зб. наук. пр. – Запоріжжя: ЗДТУ. – 2000. – С. 57 – 59.

15. Кудин В.В., Цивирко Э.И., Лысенко Н.А. Влияние модификаторов на структуру и свойства жаропрочного сплава при температурном перегреве Неметалеві вкраплення і гази у ливарних сплавах: Зб. наук. пр. – Запоріжжя: ЗНТУ. – 2003. – С. 64 – 66.

Особистий внесок здобувача в роботах, що опубліковані в співавторстві (у порядку, наведеному в списку опублікованих робіт): [1, 3, 7, 9] – розробка методики досліджень, встановлення залежностей між масовою часткою гафнію, структурою та властивостями сплавів, обробка та узагальнення результатів; [2, 8] – проведення експериментів, встановлення закономірностей впливу цирконію на мікроструктуру, структурні складові та властивості жароміцних сплавів; [5] – розробка технології отримання виливків та способу їх термічної обробки; [6] – розробка раціонального хімічного складу сплаву та визначення його впливу на структуру і властивості виливків; [4, 10, 11] – розробка технології модифікування, дослідження комплексного впливу модифікаторів на структуру і властивості жароміцних нікелевих сплавів; [13] – проведення досліджень, встановлення якісних залежностей впливу гафнію і цирконію на фазовий склад, форму та морфологію структурних складових жароміцних сплавів; [4, 14] – розробка методики отримання топологічно щільно упакованої