Изготовление заготовок рабочих лопаток турбины ГТД из жаропрочных никелевых сплавов на основе применения нанотехнологий

УДК 620.18.541.18

В. Е. Замковой, А. Я. Качан, А. С. Дудников, Н. Е. Калинина, Н. В. Андрейченко

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЗАГОТОВОК РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ ГТД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ

Разработана технология применения нанодисперсных композиций для модифицирования жаропрочного никелевого расплава при литье образцов и длиномерных лопаток ГТД.

Постановка проблемы и ее связь с практическими задачами

Проблема получения ультрадисперсных порошков (УДП) металлов, сплавов и нанодисперсных соединений из них, предназначенных для различных областей техники, является актуальной и имеет важное научно-техническое значение. В последнее десятилетие интерес к этой теме существенно возрос, так как обнаружилось, что уменьшение размера кристаллитов ниже некоторой пороговой величины может приводить к значительному изменению свойств металлов и сплавов [1, 2, 3]. Такие эффекты появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчетливо наблюдаются при размере зерен менее 10 нм. Изучение свойств нанодисперсных материалов требует учета не только их состава и структуры, но и дисперсности. Таким образом, одним из наиболее перспективных научно-технических направлений получения материалов с заданными высокими свойствами является модифицирование сплавов добавками из нанодисперсных композиций.

Учитывая предъявляемые высокие требования к выпускаемой продукции авиационной промышленности, в данном исследовании были разработаны и применены указанные нанодисперсные материалы в опытном производстве деталей горячего тракта ГТД. Для получения отливок с данной структурой целесообразно применять модифицирование расплавов малыми добавками нанодисперсных композиций тугоплавких соединений, инициирующих кристаллизацию.

Основоположником этого научного направления является В. П. Сабуров [1]. Несмотря на успехи в развитии теории модифицирования сплавов, в настоящее время отсутствует единая концепция, отражающая механизм воздействия нанодисперсных композиций на процесс кристаллизации как на макро, так и на микроуровнях.

По данным Ф. Ф. Химушина, И. И. Симса [4, 5], мелкозернистые сплавы в сравнении с крупнозерни-

стыми имеют повышенные значения твердости, сопротивление усталости и пластичности при комнатной и высоких температурах. Следовательно, в мелкозернистых материалах напряжения распределяются среди большего числа границ, что приводит к пониженному уровню деформации на каждой границе. В крупнозернистых же материалах на одно зерно приходится большая локальная нагрузка, что является причиной преждевременного растрескивания по границам зерен.

С целью повышения качества изготовления длинномерных лопаток ГТД за счет измельчения макроструктуры, наиболее эффективным является объемное модифицирование сплава нанодисперсными порошками. Объемное модифицирование жидких расплавов связано с определенными трудностями их введения, а также и равномерным их распределением по объему расплава. Изначально необходимо определить, какие из соединений (оксиды, карбиды, нитриды) могут образовывать устойчивые связи в расплавах и таким образом достичь управляемого модифицирования расплава. Наиболее предпочтительным при проведении экспериментов оказался метод смачивания никелем и сплавами на его основе большинства из соединений. Карбиды, нитриды и карбонитриды наиболее склонны образовывать в жидком никеле и его сплавах взвеси, обладающие определенной устойчивостью.

В работах [6] для определения эффективности модификатора используют величину эффективного ионизационного потенциала. Вещества, имеющие величину ионизационного потенциала меньше чем основа сплава, способствуют уменьшению размера кристаллов, а следовательно, являются активными модификаторами.

Вторым фактором, который характеризует способность элемента влиять на рост кристаллов, является фактор растворимости в металлической матрице. Активный модификатор должен располагаться по границам зерен, а не входить в их состав. При этом модификатор не должен образовывать собственные кластеры, а располагаться между класте-

© В. Е. Замковой, А. Я. Качан, А. С. Дудников, Н. Е. Калинина, Н. В. Андрейченко, 2008

лены кристаллографические параметры нанодиспер-сных соединений (табл. 3).

Исследования доказали, что все соединения имеют кристаллическое строение, а значение параметров решетки согласуются с данными для массивных порошков.

Изучение фазового состава нанопорошков методом рентгеноструктурного анализа (табл. 4) позволило установить, что в конечном продукте плаз-мохимического синтеза нежелательно присутствие свободных элементов, особенно углерода, так как в дисперсной форме резко возрастает пирофорность.

Микродифракционное исследование нанопорош-ков чистого титана и его соединений показало наличие рефлексов округлой формы без дифракционных дефектов. Это свидетельствует об отсутствии дефектов упаковки, т.е. о высоком совершенстве кристаллической решетки нанопорошков.

С целью оптимизации макроструктуры, получения равномерной полиэдрической, мелкокристаллической структуры на турбинных длиномерных лопатках было опробовано модифицирование сплава ЖС3ДК-ВИ нанодисперсными порошками Т1(С№) в таблетированном виде. Исследовали различную дозировку наномодификатора - 0,1 и 0,2 % мас. из учета 50 %-го усвоения расплавом и отлито 3 блока образцов по 8 в каждом и 2 блока лопаток.

Таблица 1 - Химический состав никелевого сплава ЖС3 ДК-ВИ

Содержание элементов, % масс.

А1 Т1 Сг Мо W Со Бе Мп N1

4,04,8 2,53,2 11,012,5 3,84,5 3,84,5 8,010,0 <2,0 <0,4 <0,4 Основа

Таблица 2 - Характеристика нанодисперсных соединений

Формула Форма Кристаллическая решетка

Т1 многогранники г.ц.к.

Т1С многогранники г.ц.к.

™ многогранники г.ц.к.

Т1(С№) кубическая г.ц.к.

^гС0.97 кубическая г.ц.к.

Таблица 3 - Кристаллографические параметры нанодисперсных композиций

Формула Сингония Тип фазы Период решетки, нм Плотность, кг/м3 Температура плавления (разложения), °С

а с

Т1С кубическая внедрения 0,4349 - 4920 3140

™ кубическая внедрения 0,4243 - 5430 2950

Т1(С^ кубическая внедрения 0,4256 - 4950 3120

Таблица 4 - Фазовый состав нанодисперсных модификаторов плазмохимического синтеза

Материал Содержание элементов, % масс.

С ^свободный С - ^связанный ^свободный ^связанный Т1 свободный Т1 связанный

Т1С 18...21 1,0.1,5 - - 76.80 1.0.1,5

™ - 1,0.2,0 20.23 - 75..78 1.0.1,5

Т1(С^ 15.17 0,5.1,0 19.22 - 60.65 0.5.1,0

рами расплава.

Исходя из перечисленных критериев, наилучшими модификаторами для никелевых сплавов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку (г. ц. к.) являются тугоплавкие композиции на основе титана с г.ц.к. решеткой. При этом расхождение атомных радиусов никеля и титана минимально.

Целю работы является повышение качества длиномерных лопаток ГТД за счет объемного модифицирования жаропрочного никелевого сплава ЖС3 ДК-ВИ нанодисперсными композициями.

Содержание и результаты исследования

Химический состав материала, применяемого для отливки образцов и лопаток ГТД, по нормам ОСТ1.90.126-85 приведен в табл. 1.

В качестве модификаторов никелевого сплава применялись нанодисперсные соединения на основе титана с размером частиц 10......100 нм.

В таблице 2 приведена характеристика туго-плавких нанодисперсных соединений, для модифицирования никелевых расплавов. Соединения получены на специальной установке плазмохимического синтеза [7, 12].

Методом рентгеноструктурного анализа опреде-

1 блок образцов - при температуре 1630 ° С -без модифицирования (по серийной технологии).

2 блок образцов - с модифицированием при температуре 1850 °С нанодисперсными порошками 0,1 % в виде таблеток Т1(С№).

3 блок образцов - с модифицированием при температуре 1850 °С нанодисперсными порошками 0,2 % в виде таблеток Т1(С№).

4 блок лопаток - при температуре 1630 °С -без модифицирования (по серийной технологии).

5 блок лопаток - с модифицированием при температуре 1830 °С нанодисперсными порошками 0,2 % в виде таблеток Т1(С№).

Модификатор в виде таблеток (предварительно смешаных и спресованых порошков титана и нано-модификатора - карбонитрида титана) - диаметр 8 мм, высота 5 мм, упакован в пакет из фольги ЭИ435 (Сг - 20 %, N1 - 80 %) массой 10 г

Исследовали литые образцы и лопатки сплава ЖС3ДК-ВИ до и после модифицирования по различным вариантам (табл. 5).

Из результатов, приведенных в табл. 5, видно, что химический состав сплава ЖС3 ДК-ВИ отличается от 1 варианта, несколько превышая содержание титана.

Все отлитые лопатки прошли контроль ЛЮМ1-ОВ и полностью соответствовали всем предявляе-мым требованиям инструкции по люм-контролю.

Радиологический контроль показал, что все лопатки и образцы аттестованы как годные.

Изучение макроструктуры отливок показало, что структура металла, полученного без применения модификатора, отличается крупно-кристаллическим строением. Макроструктура модифицированных лопаток однородная, мелкозернистая; размер зерна составляет 0,1-1 мм. При литье без модифицирования средний размер зерна составляет 3-10 мм (рис. 1).

Макроструктура поперечных сечений лопаток, выполненных по схеме, представленной на рис. 2, характеризуется тонким строением с несколько вытянутыми от поверхности образца к центру зерна-

ми.

При контроле макроструктуры в сечениях установлено:

- на лопатках с модифицированием произошло существенное измельчение зерна;

- на лопатках с модифицированием получена однородная по длине и сечению структура, а зерна имеют полиэдрическую форму. На лопатках без модифицирования, за счет действия бокового теп-лоотвода на кромках (выходной в большей степени) образуются столбчатые кристаллы, растущие перпендикулярно кромкам. Длиновой параметр кристаллов достигает в ряде случаев ~7 мм. На хвостовике лопаток во всех вариантах отливок сохраняется тенденция образования, в основном, полиэдрических зерен. В модифицированных лопатках их величина несколько крупнее, чем на пере, а на лопатках без модифицирования величина зерен в хвостовике и пере существенно не отличается;

- существенной разницы в величине зерна в различных зонах по высоте пера не отмечается.

Мелкозернистые материалы по сравнению с крупнозернистыми имеют повышенные значения твердости, сопротивление усталости, сопротивления удару и пластичности при комнатных и высоких тем-

3 7 3 9 Ю И 12 13 1«

Рис. 1. Макроструктура лопаток в центральной части пера со стороны спинки Сверху - модифицированная отливка, снизу - немодифицированная отливка

Номер блока Содержание элементов %

А1 Т1 Сг Мо Со Бе Мп 81 N1

1 (образцы) 4,17 3,20 12,50 3,92 4,21 9,53 0,20 <0,4 0,11

2 (образцы) 4,23 3,69 12,47 4,28 3,82 9,90 0,19 <0,4 0,13

3 (образцы) 4,53 3,40 12,42 4,26 3,96 9,87 0,21 <0,4 0,19

4(лопатки) 4,32 3,49 12,37 4,36 4,21 10,0 0,20 <0,4 0,12 О

5(лопатки) 4,15 3,51 12,41 3,91 4,22 10,0 0,18 <0,4 0,13

Нормы 4,0-4,8 2,5- 11,0- 3,8- 3,8-4,5 8,0- <2,0 <0,4 <0,4

ОСТ 1.90.126-85 3,2 12,5 4,5 10,0

Таблица 5 - Химический состав никелевого сплава, применяемого для отливки образцов и лопаток по I......V вариантам

пературах. Авторы [5] отмечают тенденцию мелкозернистых материалов к повышению длительной прочности и пластичности при кратковременном разрыве. В отливках с крупным зерном распределение второй фазы по границам зерен менее равномерно. Поэтому преимущество более мелкого зерна в литых сплавах связано, по-видимому, со способностью более мелкозернистого материала распределять напряжения среди большего числа границ, что должно привести к пониженому уровню деформации на каждой границе. Мелкозернистая структура также характеризует локальные условия кристаллизации отдельных частей отливки и во многих случаях определяет плотность металла отливки. Таким образом, плотность зерен на единице площади для образцов с объемным модифицированием должна быть на порядок выше, чем в

немодифицированном сплаве. Для модифицированного сплава ЖС3ДК-ВИ каждое зерно представляет собой дендрит с осью первого порядка, оси второго порядка развиты незначительно. Немоди-фицированный сплав обладает развитой дендритной структурой с осями первого и второго порядка, причем оси второго порядка сильно развиты и сравнимы по величине с осями первого порядка. На крупнозернистый и малопластичный материал приходится большая локальная нагрузка, что способствует преждевременному растрескиванию по границам зерен.

Механические свойства определяли на образцах, термически обработанных по режиму: закалка от температуры 1250 °С, выдержка 3.4 часа, с охлаждением на воздухе. Результаты испытаний образцов, отлитых по различным вариантам модифицирования, приведены в табл. 6 и 7.

Немодифицированная лопатка

Макроструктура в поперечном сечении

Модифицированная лопатка

Макроструктура в поперечном сечении

Рис. 2. Схема сечений лопатки, по которым проведен анализ макроструктуры

Таблица 6 - Механические свойства сплава ЖС3 ДК-ВИ, отлитого по I......III вариантам

Механические свойства при 20 °С

Номер варианта Номер образца Предел прочности а„, кгс/мм (х 9,8 МПа) Удлинение S, % Поперечно е сужение Y, % Ударная вязкость KCV, кгс*м/см2 Термообработка

1 116,5 19,2 23,1 6,10 Закалка с Т = 1210+15 °С,

I 2 109,6 15,4 21,0 6,75 выдержка 3.4 часа,

3 - - - 6,60 охлаждение на воздухе

1 115,0 21,6 21,0 5,90

II 2 112,8 21,0 23,6 7,90

3 - - - 4,40

1 108,2 17,0 18,3 7,50

III 2 115,0 17,4 24,6 6,10

3 - - - 5,60

Нормы ОСТ1.90.126-85 > 95,0 > 7,0 - > 3,0

Таблица 7 - Влияние модифицирования на свойства сплава ЖС3 ДК-ВИ, отлитого по I......III вариантам при длительных испытаниях на жаропрочность

Номер варианта Номер образца Напряжение кгс/мм2 (х 9,8 МПа) Температура испытания °С Задано часов Выдержка, часов Результат

1 35 850 До разруш. 39355 разруш.

I 2 37 850 До разруш. 29405 разруш.

3 41 850 До разруш. 9515 разруш.

1 35 850 До разруш. 39015 разруш.

II 2 37 850 До разруш. 34710 разруш.

3 41 850 До разруш. 10850 разруш.

1 35 850 До разруш. 42240 разруш.

III 2 37 850 До разруш. 31015 разруш.

3 41 850 До разруш. 12425 разруш.

Как видно из приведенных данных, наилучшие результаты показали образцы, отлитые с модифицированием. Их свойства превышают требования ОСТ1.90.126-85 по характеристикам холодной прочности, ударной вязкости и жаропрочности. Характеристики пластичности и ударной вязкости достаточно высоки для жаропрочных сплавов типа ЖС с равноосной кристаллизацией.

Фрактографическое исследование изломов разрывных и ударных образцов показал, что дефектов литья типа соровых включений, плен и др. не имеется. Изломы типичны для определенного вида испытаний и отражают сформированную макроструктуру образца.

Микроструктура исследовалась на поперечных шлифах лопаток, в тех же сечениях, где изучалась и макроструктура (рис. 6). Также изучалась микроструктура и на ударных образцах. Исследовались шлифы в нетравленном состоянии, для оценки морфологии и распределения карбидной фазы и после травления в электролите №2 18, для изучения уг-фазы и выделений уг-эвтектики.

При исследовании микроструктуры установле-

но:

1. Существенных дефектов литейного происхождения типа усадочной пористости, соровых включений в лопатках всех вариантов литья не отмечено.

2. В распределении карбидной фазы (рис. 3-5) отмечены следующие тенденции:

а) в корневом сечении у модифицированных лопаток распределение карбидной фазы практически одинаковое, в немодифицированных лопатках, у кромок, наблюдается выстраивание карбидов в строчки. Очевидно, это связано с образованием столбчатых макрокристаллов в этих зонах;

б) в среднем по высоте сечении пера и у бандажной полки у выходной кромки при любых вариантах литья имеется некоторое измельчение микрозерен и, соответственно, большая насыщенность карбидной фазой.

3. Микроструктура сплава на всех лопатках и образцах после электротравления в реактиве N° 18 представляет собой у-твердый раствор, упрочненный уг-фазой и карбидами. уг-фаза имеет одинаковую дисперсность и равномерно распределена по зерну. Такая микроструктура характерна для нормально

термообработанного сплава ЖС3 ДК-ВИ.

Анализ сплава ЖС3 ДК-ВИ показал, что значительных отличий в микроструктуре сплава не наблюдается. Порошки модификатора распределились равномерно, и не влияют на общую картину микроструктуры (рис. 6).

Согласно металлографических исследований, размер частиц, плотность их распределения по размерам и доля уг-фазы не существенно менялись для исходных и модифицированных образцов. Отличие заключалось в расположении карбидов по границам зерен и двойников: сплошной цепочкой в исходной крупнозернистой структуре и в виде отдельных разрозненных выделений - в мелкозернистой модифицированной структуре.

Для получения оптимального уровня свойств жаропрочного сплава максимальную величину зерна в металле лопаток ГТД целесообразно ограничивать размером до 1 мм, особенно на кромках.

Выводы и перспективы дальнейших исследований

1. В результате выполненных исследований установлено:

- в модифицированных лопатках средний размер макрозерна уменьшился с 3......10 мм до

0,1......1 мм, т.е. в 10......12 раз;

- в модифицированных лопатках устранена стол-бчатость и неравномерность структуры по высоте и сечению лопаток, имеющая место в лопатках серийного производства;

- достигнуто повышение пластических свойств, 5 увеличилось с 15,8 % в исходных до 21,3 % - в модифицированных образцах, что является важным показателем для длиномерных лопаток;

- достигнуто повышение ударной вязкости модифицированных образцов от 6,1 кгм/см2 до 7,0 кгм/см2.

2. Испытания образцов на длительную прочность при 850 °С показали значительное увеличение их жаропрочности по сравнению с немодифицирован-ными образцами.

Целесообразно провести дальнейшие исследования в направлении совершенствования предложен-

ной технологии с целью обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик рабочих лопаток компрессора ТВД из жаропрочных никелевых сплавов.

Перечень ссылок

1. Сабуров В.П. Совершенствование технологических процессов при производстве отливок. Сб. научн. тр. - Омск: ЗМИ, 1987. - С. 26-32.

2. Семенченко В. К. Поверхностные явления в металлах и сплавах. - М.: гостехиздат, 1967. - 491 с.

3. Глезер Г.М., Качанов Е.Б., Кишкин С.Т. Авиационные материалы на рубеже ХХ-ХХ1 веков : Сб. научн. тр. - М.: ВИАМ, 1994. - С. 244-252.

4. Химушин Ф.Ф. жаропрочные стали и сплавы - М.: Металлургия, 1969. - 748 с.

5. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы/Пер. с англ. - М.:Металлургия, 1976. - 566 с.

6. Неймарк В.Е. Модифицированный стальной слиток. - М.: Металлургия, 1977. - 192 с.

7. Данилов В.И. Вибрат пращ. - Кшв: Наук. думка, 1971. - 453 с.

8. Данков П.Д. Поверхностные явления в твердых телах. - М.: Природа, 1933, № 12. - С. 5-12.

9. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1970. - 368 с.

10. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, на-нотехнологии. - М.: Физматлит, 2005. - 416 с.

11. Тушинский Л.И. Теория и технология упрочнения металлических сплавов. - Новосибирск: Наука, 1990. - 245 с.

12. Калинин В.Т., Дудников А.С., Качан А.Я., Калинина Н.Е. Получение нанокристаллических ком -позиций управляемым плазмохимическим синтезом. Научно-технический журнал «Вестник дви-гателестроения», №1(15)/2007. - 166 с.

13. Патент РФ 2069702, МКИ6С21С 1/00.Модифи-катор/ Калинин В. Т., Шатов В.В., Компляков В.И. - № 93030977; Заявл. 01.03.93. Опубл. 27.11.96. Бюл. № 33. - 8 с.

Поступила в редакцию 27.11.2007

Розроблено технологгю застосування нанодисперсних композицш для модиф1кування жаромщного нгкелевого розплаву при литт1 зразюв i довгорозм1рних лопаток ГТД.

The technology of application nano compositions for modifying heat nickel alloy is developed at moulding samples and long blades of GTD.