Опыт освоения технологии литья секторов сопловых лопаток с монокристаллической структурой из сплава ВКНА-4У

Таким образом, в результате проведенной работы установлено, что благодаря микролегированию интерметаллидного никелевого сплава ВКНА-25-ВИ лантаном можно дополнительно повысить предел длительной прочности при температуре 1100 ° С, а также его жаростойкость. Структурные исследования сплава до и после испытаний подтвердили полученные результаты. Установленные в работе закономерности могут быть учтены при исследовании других интерметаллидных никелевых сплавов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов E.H., Логунов A.B., Сидоров В.В. Обеспечение ультравысокой чистоты металла -гарантия качества литейных жаропрочных сплавов //Металлы. 2000. №6. С. 40-46.

2. Каблов Д.Е., Сидоров В.В., Мин П.Г. Влияние примеси азота на структуру монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ и разработка эффективных способов его рафинирования //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 32-36.

3. Каблов E.H., Логунов A.B., Сидоров В.В. Микролегирование РЗМ - современная технология повышения свойств литейных жаропрочных никелевых сплавов //Перспективные материалы. 2001. №1. С. 23-34.

4. Ломберг Б.С., Овсепян C.B., Бакрадзе М.М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3-8.

5. Сидоров В.В., Петрушин Н.В., Макеев A.B., Чабина Е.Б., Калмыкова H.A. Влияние лантана и иттрия на жаростойкость монокристаллов из жаропрочных высокорениевых никелевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2005. №1. С. 7-15.

6. Каблов E.H., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов A.B. Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 97-105.

УДК 669.018.44

В.В. Герасимов, Е.М. Висик, В.А. Никитин*, М.Г. Зернова*

ОПЫТ ОСВОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ СЕКТОРОВ СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ СПЛАВА ВКНА-4У

Получение рабочих лопаток ГТД с монокристаллической структурой в настоящее время освоено рядом двигателестроителъных заводов авиационной промышленности.

В статье впервые освещается опыт освоения технологии литъя секторов сопловых лопаток с монокристаллической структурой из интерметаллидного сплава ВКНА-4У, отливки которых конструктивно являются более сложными, чем отдельно отлитые лопатки ГТД. Приведены схема модельного блока сектора из трех лопаток с элементами литниково-питающей системы, технические характеристики установки УВНК-14 для получения монокристаллических отливок высотой до 600 мм, основные температурные параметры процесса получения секторов на установке УВНК-14, дан анализ дефектов структуры в полученных отливках.

Ключевые слова: монокристаллические отливки, интерметаллидные сплавы, детали горячего тракта двигателя, установки для направленной кристаллизации.

Интерметаллидные сплавы типа ВКНА, обладающие рядом специфических особенностей: малой плотностью, высокой термостабильностью структуры, незначитель-

*ОАО «ММП им. В.В. Чернышева».

ным содержанием остродефицитных легирующих элементов, низкой стоимостью, -находят все более широкое применение в авиадвигателестроении. В ВИАМ разработаны и паспортизованы несколько сплавов этого типа: ВКНА-4У, ВКНА-1В и ВКНА-25 [1, 2]. Оптимальным уровнем свойств обладают сплавы с монокристаллической структурой кристаллографической ориентации [111] [3].

Современные технологии литейного производства позволяют эффективно воздействовать на структуру отливок, обеспечивая получение деталей с равноосной, направленной, монокристаллической и регламентированной структурой.

Основной эффект технологии направленной кристаллизации (НК) проявляется благодаря устранению границ зерен, ориентированных перпендикулярно основным действующим напряжениям в лопатках, что позволяет в 2-3 раза повысить ресурс работы изделий [4, 5]. Дополнительные преимущества при технологии НК можно обеспечить получением монокристаллических изделий заданной кристаллографической ориентации (КГО). Еще одна технологическая возможность воздействия на структуру отливок связана с регулированием скорости охлаждения отливки в процессе НК.

Математически скорость охлаждения при НК определяется произведением градиента температур на фронте роста (G) на скорость кристаллизации (V). Чем выше скорость охлаждения (GV), тем выше степень дисперсности всех структурных составляющих сплава и тем, как правило, выше уровень механических характеристик, особенно на базах испытаний до 1000 ч.

Впервые монокристаллические лопатки из сплава ВКНА-4У с монокристаллической структурой успешно прошли испытания на малогабаритном двигателе ВСУ-10 ОМКБ. Неохлаждаемые лопатки с кристаллографической ориентацией [111] были отлиты на установке в ВИАМ.

В связи с созданием корабельного варианта самолета МиГ-29 и двигателя была поставлена задача: оценить работоспособность сплава ВКНА-4У в сопловых охлаждаемых лопатках первой ступени турбины двигателя РД-ЗЗМК. (Работа выполнялась по договору «Отработка технологии и отливка опытной партии секторов лопаток ТВД из сплава ВКНА-4У MOHO» с ОАО «ММП им. В.В. Чернышева».) По имеющейся на заводе оснастке были изготовлены сектора из модельной массы МОН-10К и собраны в блоки с заливочной чашей и стартовым основанием (рис.1).

Следует отметить, что конструкция сектора сопловых лопаток двигателя РД-ЗЗМК чрезвычайно не технологична для литья его с монокристаллической структурой, что вызвало необходимость установки большого количества кристалловодов для предотвращения зарождения «паразитных» зерен на отливке. В этом отношении аналогичный блок сопловых лопаток двигателя АЛ-31Ф значительно технологичнее, благодаря отсутствию центрального ребра на нижней полке блока, что позволило выполнить стартовую зону из двух сходящихся к затравке пластин (рис. 2).

В условиях серийного завода на собранные блоки было нанесено огнеупорное покрытие из Al2O3 со связующим на основе гидролизованного раствора ЭТС-40 по технологии, принятой в литейном цехе для рабочих лопаток первой ступени с монокристаллической структурой. После удаления модельной массы и прокалки при темпера-

туре 1050° С готовые оболочковые формы направлялись в ВИАМ для заливки и кристаллизации в них жаропрочного сплава ВКНА-4У.

В прокаленные керамические формы в ВИАМ устанавливались затравки с кристаллографической ориентацией [111], заделывались огнеупорной суспензией и направлялись на заливку лопаток в установке УВНК-14.

Рис. 1. Модельный блок в сборе со стартовым основанием и заливочной чашей

Рис. 2. Блок сопловых лопаток двигателя АЛ-31Ф более технологичный для роста монокристаллов

Установка УВНК-14 предназначена для получения деталей ГТД и ГТУ высотой до 600 мм включительно из жаропрочных и интерметаллидных сплавов нового поколения.

Технические характеристики установки:

- Производительность установки, шт. отливок/сут........................1-4

- Объем тигля, кг................................................5 или 30

- Напряжение питающей сети, В.................................... 380 10%

- Мощность установленная, кВт.......................................400

- Рабочая среда в плавильной камере: вакуум, Па

- Температура металла в тигле (максимальная), °С.......................1700

- Температура печи подогрева форм, °С................................1650

- Максимальные размеры рабочего пространства печи подогрева форм (ширина, длина, высота), мм................................. 150*400*650

- Скорость вертикального перемещения формы, мм/мин

рабочий ход....................................................2-15

обратный ход....................................................120

- Температура алюминия в кристаллизаторе, °С...................... 700-800

- Расход охлаждающей воды, м3/ч....................................10-16

- Давление охлаждающей воды на входе в установку, МПа............0,25-0,5

- Занимаемая площадь, м2 (не более).....................................38

- Уровень шума, Дб (не более).........................................75.

Установка снабжена дополнительным альтернативным кристаллизатором в виде водоохлаждаемой емкости с горизонтальными тепловыми экранами над ней.

Следует отметить, что установка УВНК-14, как и установка УВНК-9

Подготовка установки УВНК-14 к проведению плавок заключалась в замене комплектов нагревателей, боковых и торцевых экранов, ремонте плавильного тигля, замене элементов графитового крепежа. Отливка блоков сопловых лопаток осуществлялась как по технологии с жидкометаллическим кристаллизатором, так и с помощью альтернативного кристаллизатора в виде охлаждаемой емкости с горизонтальными экранами над ней.

Увеличение глубины погружения формы с крупногабаритной отливкой в охладитель и времени пребывания формы в нем привело к явлению, не наблюдавшемуся при отливке авиационных лопаток ГТД размером до 200-250 мм. Связано оно с тем,

что значительная усадка закристаллизовавшегося сплава отливки происходит, как правило, уже после того, как форма с отливкой извлечена из охладителя и находится в печи подогрева форм при температуре 1100-1200°С. При дальнейшем охлаждении, из-за различных температурных коэффициентов линейного расширения формы и металла, при затрудненной усадке происходит растрескивание формы без каких-либо отрицательных последствий для отливки или оборудования.

При получении крупногабаритных отливок в связи с увеличением времени пребывания формы с отливкой в охладителе и большом гидростатическом давлении охладителя происходит растрескивание керамической оболочки и попадание охладителя на отливку еще не поднятую в исходную перед заливкой позицию. Попадание охладителя на отливку недопустимо, так как вызывает брак деталей (рис. 3) из-за попадания жидкометаллического охладителя на поверхность отлитых сопловых блоков при появлении трещин в керамической оболочке.

Для выполнения работы в ВИАМ был выплавлен сплав ВКНА-4У из чистых шихтовых материалов. Состав сплава соответствовал требованиям ТУ 1-595-3-664-2004.

Результаты испытания образцов, полученных из этого сплава, также соответствуют требованиям ТУ и составляют: при температуре 20 ° С - ов=1120 МПа, 5=12,5%; при температуре 975° С и напряжении 190 МПа - время до разрушения 84 ч.

Отработка технологических режимов литья секторов лопаток включает:

- определение оптимальных температур нагревателей НПФ (печь подогрева форм);

- определение оптимальной температуры расплава при заливке его в форму;

- определение местоположения формы относительно нижнего нагревателя ППФ с тем, чтобы затравка в стартовой зоне керамической формы не расплавилась полностью и не была бы слишком «холодной»;

Рис. 3. Дефектный блок сопловых лопаток

- определение скорости нагрева формы от комнатной температуры до рабочей (-1500° С). Эта величина определяется, как правило, термостойкостью керамической формы и для керамики из Л1203 принимается равной 15-25° С/мин;

- определение скорости перемещения формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения.

При этом совокупность всех параметров должна обеспечить максимальный выход годного по монокристаллической структуре отливок. В результате проведенной работы были определены все параметры процесса выплавки. По режиму: Гвн=1520° С, ?нн=1480° С, Грасплава при сливе из индукционной печи 1520-1560°С, скорость кристаллизации 5-8 мм/мин - были выплавлены заготовки секторов из сплава ВКНА-4У в количестве более 40 шт. Залитые блоки отправляли на завод, где осуществлялась обрезка всех элементов литниковой системы, удаление остатков керамической формы и стержня, травление на макроструктуру отливок и последующая механическая обработка.

Травление на макроструктуру выявило наличие на отдельных лопатках некоторых секторов «паразитных» зерен (указаны стрелками на рис. 4), появление которых связано с наличием заусенцев вокруг знаков керамических стержней и неплотным соединением многочисленных кристалловодов, плохо различимых на белом фоне модельной массы.

Рис. 4. «Паразитные» зерна, выявленные на некоторых блоках после травления

После проведения всех контрольных операций, сектора направлялись в механический цех, а затем на испытания.

Одновременно в заводских условиях на цеховом литейном оборудовании из того же сплава были получены сектора методом равноосного литья, которые также были механически обработаны и направлены на испытания.

И те и другие сектора прошли длительные испытания в составе изделия. После наработки 184 ч 20 мин было проведено исследование двух секторов лопаток соплового аппарата ТВД, отлитых двумя методами. Характер повреждений (локальное обгорание на кромках, термоусталостные трещины, развивающиеся от перфорационных отверстий) у обоих секторов приблизительно одинаковый. Существенного преимущества (по жаростойкости и термостойкости) на лопатках MOHO в сравнении с лопатками с равноосной структурой не выявлено. Однако исследование на оптическом и электронном микроскопах показало, что микроструктура материала сплава ВКНА-4У MOHO более

термостабильна по сравнению со структурой сплава ВКНА-4УР при равной наработке при испытаниях.

Для обеспечения требуемого ресурса изделия необходима дальнейшая доработка как конструкции узла, так и сплава ВКНА-4У MOHO в части повышения термостойкости, жаростойкости и способов нанесения покрытий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением. /Под ред. E.H. Каблова и Ю.Р. Колобова. М.: МИСиС. 2008. 328 с.

2. Базылева O.A., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерметаллид-ные сплавы /В сб.: «Авиационные материалы и технологии»: Юбилейный науч.-техн. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 57-60.

3. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Базылева O.A. Материалы для высокотеплонагруженых газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. С. 13-19.

4. Каблов E.H. Литые лопатки газотурбинных двигателей. М.: МИСиС. 2001. 632 с.

5. Герасимов В.В., Висик Е.М. Технологические аспекты литья деталей горячего тракта ГТД из интерметаллидных никелевых сплавов типа ВКНА с монокристаллической структурой //Литейщик России. 2012. №2. С. 19-23.

УДК 669.715:620.193

В.П. Жиликов, С.А. Каримова, С.С. Лешко, Д.В. Чесноков

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОРРОЗИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ИСПЫТАНИИ В КАМЕРЕ СОЛЕВОГО ТУМАНА

При испытании алюминиевых сплавов в КСТ установлено, что динамика их коррозионных потерь во времени аналогична динамике седиментации хлоридов и зависит от марки сплава (химического состава).

На сплавах, подверженных питтинговой коррозии, наблюдается наибольшая седиментация хлоридов и, соответственно, максимальные коррозионные потери, на сплавах с равномерной коррозией - меньшая седиментация хлоридов и минимальные коррозионные потери.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, коррозионные потери, седиментация хлоридов, питтинговая коррозия.

Известно, что хлориды являются мощным стимулирующим фактором коррозии металлов при эксплуатации в морских условиях [1-5]. При испытании в КСТ происходит ускорение процесса коррозии, хотя характер ее, как правило, не меняется. В зависимости от вида и марки материала, полуфабриката и термообработки коррозия протекает с разной скоростью, которая зависит не только от химического и фазового состава сплава, но и от скорости седиментации хлоридов и от удержания их на поверхности [6]. В связи с этим было проведено исследование восьми алюминиевых сплавов различного химического состава и сопоставлена динамика их коррозионного процесса с количеством хлоридов, удерживаемых на поверхности образцов в течение всего времени испытаний.