Кудін Вадим Валерійович. Розробка і випробування технології виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних сплавів

Краткое описание

Кудін Вадим Валерійович. Розробка і випробування технології виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних сплавів: дис... канд. техн. наук: 05.16.04 / Національна металургійна академія України. - Д., 2004

Кудін В.В. Розробка і випробування технології виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних сплавів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 Ливарне виробництво. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2004.
Дисертація присвячена розробці та промисловому випробуванню удосконалених технологій виробництва виливок газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів для підвищення їх фізико-механічних властивостей, надійності та експлуатаційної довговічності.
В роботі встановлені закономірності впливу модифікування гафнієм і цирконієм та термічної обробки на структуру і властивості виливок з жароміцних нікелевих сплавів. На підставі отриманих залежностей розроблені удосконалені технології виробництва виливок, які забезпечують підвищення фізико-механічних властивостей, надійності та експлуатаційної довговічності литих деталей гарячого тракту газотурбінних двигунів.
Основні результати роботи рекомендовані до практичного застосування при виготовленні відповідальних виливків для газотурбінних двигунів.

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 (g+g)-фази. Гафній сприяв утворенню евтектичних включень у вигляді «пелюстків» (g+g)-фази та розділяючих їх прожилків g-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 (+)-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 g-фази, часток кубічної і прямокутної форми, а також збільшувало середній розмір, але зменшувало кількість зміцнюючої g-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 1250±5С. 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 s-фази. Витримка сплаву більш 200 годин при випробуваннях на довготривалу міцність при 900С призводила до утворення в мікроструктурі металу s-фази. Введення в сплав гафнію значно збільшувало кількість і зменшувало середній розмір s-фази пластинчастої форми, яка підвищувала мікротвердість, але знижувала довготривалу міцність. Підвищення вмісту цирконію зменшувало кількість і середній розмір s-фази та сприяло утворенню її у вигляді часток голчастої форми, завдяки яким підвищувалась як мікротвердість, так і довготривала міцність. Виникнення s-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.