Совершенствование технологии производства отливок из жаропрочных никелевых сплавов

УДК 669. 245. 018. 44 В. В. Кудин, В. Е. Самойлов, В. Т. Кудин, Э. И. Цивирко, В. Н. Сажнев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

В работе установлены закономерности влияния модифицирования гафнием и цирконием и термической обработки на структуру и свойства отливок из жаропрочных никелевых сплавов. На основании полученных зависимостей разработаны усовершенствованные технологии производства отливок, которые обеспечивают повышение физико-механических свойств, надежности и эксплуатационной долговечности литых деталей горячего тракта газотурбинных двигателей.

Введение

Развитие авиационного газотурбостроения направлено по пути возрастания рабочих параметров газотурбинных двигателей (ГТД), которое сопровождается увеличением уровня температур, удельной мощности, экономичности и нагруженности деталей турбины с одновременным повышением требований к надежности и ресурсу работы ГТД. Надежность и длительность работы ГТД в значительной степени зависят от эксплуатационной долговечности их отдельных элементов, среди которых наиболее ответственными являются литые детали горячего тракта турбины: рабочие лопатки и сопловые аппараты, которые изготавливаются литьем по выплавляемым моделям в керамических формах.

Эксплуатационная долговечность литых рабочих лопаток в значительной мере зависит от стабильности структуры и физико-механических свойств жаропрочных никелевых сплавов. Улучшение этих показателей сплавов возможно за счет совершенствования технологии производства отливок, в частности, добавления рационального количества модификаторов, разработки технологии их введения и совершенствования режима термической обработки модифицированных сплавов. Опыт предыдущих исследований [1-3] показывает целесообразность использования в качестве модификаторов гафния и циркония.

В настоящей работе изучали влияние модифицирования никелевых сплавов ЖС6У-ВИ и ЖС3ДК-ВИ гафнием и цирконием на структуру и свойства отливок, разрабатывали технологию введения модификаторов, а также совершенствовали режим термической обработки модифицированных сплавов.

Методика исследований

В качестве шихты использовались серийные сплавы ЖС6У-ВИ и ЖС3 ДК-ВИ в виде литых заготовок, соответствующие требованиям ОСТ

1.90.126-85. Сплавы выплавляли методом переплава мерной заготовки в вакуумной индукционной установке УППФ-3М с основным тиглем емкостью до 15 кг. Для модифицирования расплавов использовались гафний-никелевая и цирконий-никелевая лигатуры (ГФН-10 ТУ48-4-419-80 и 2г№-85 ТУ05.20.04-91), которые предварительно дробились до размеров 0,2-1,0 мм. По расчету в сплав ЖС6У-ВИ вводили от 0,01 до 0,08 % циркония, в сплав ЖС3 ДК-ВИ - от 0,1 до 1,0 % гафния и от 0,02 до 0,09 % циркония.

Плавки велись, форсировано на максимальной мощности 120 кВт, при глубине вакуума 0,665 Па. После расплавления шихты, жидкий металл нагревали до температуры 1600 °С и выдерживали 2 минуты. Перед сливом металла, в готовый расплав при температуре 1580±10 °С опускали пакет из алюминиевой фольги, содержащий необходимое количество модификаторов. Подачу пакета в индукционную печь осуществляли через загрузочную камеру установки и выдерживали модифицированный расплав в течение 10-30 секунд при включенной печи. За счет индукционного перемешивания модификатор растворялся и равномерно распределялся по всему объему металла. При температуре 1570±10 °С модифицированный расплав заливали в предварительно нагретые до 950 °С керамические формы, полученные по выплавляемым моделям. Полученные отливки подвергали термической обработке по следующему режиму: нагрев до 1210+15 °С, выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе. Из полученных отливок изготавливали образцы для определения физико-механических и жаропрочных свойств, а также изучения структуры. Определение механических свойств проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 945478 при температуре 20°С. Длительную прочность определяли по ГОСТ 10145-84.

© В. В. Кудин, В. Е. Самойлов, В. Т. Кудин, Э. И. Цивирко, В. Н. Сажнев, 2008 ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008

Результаты экспериментов и их обсуждение

Технология введения модификаторов фракцией 0,2-1,0 мм показала, что выдержка жидкого расплава 10-30 секунд с момента модифицирования до заливки литейной формы во включенной печи при температуре 1580±10 °С обеспечивала его равномерное распределение по всему объему металла и полное растворение, а также максимальное усвоение (94-98 %).

Выдержка менее 10 секунд недостаточна для равномерного распределения по всему объему металла и полного растворения модификаторов фракцией 0,2-1,0 мм. При выдержке более 30 секунд умень -шался процент его усвоения, за счет взаимодействия с футеровкой печи и терялось модифицирующее действие, так как вводимый элемент образовывал стабильные соединения на его основе.

Разработали усовершенствованную технологию производства отливок из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ, которой в отличие от действующей, предусмотрено модифицирование цирконием и использование рационального режима термической обработки. Цирконий вводили в металл (по расчету) от 0,01 до 0,08 %.

Качественный металлографический анализ структуры металла показал, что введение циркония в интервале 0,03-0,05 % способствовало уменьшению среднего размера макрозерна, количества и размеров хрупкой составляющей в виде фасеток внутри-зеренного скола, размеров дендритных ячеек и расстояния между осями дендритов второго порядка, дроблению ветвей карбидов типа «китайских иероглифов» и некоторой их глобуляризации. Также дополнительное модифицирование обеспечивало получение в термообработанном металле меньшие размеры и увеличение количества эвтектической (у+уг)-фазы.

Результаты испытаний показали, что максимальными значениями предела прочности, относительного удлинения, ударной вязкости при 20 °С и длительной прочности при температурах 760 и 975 °С обладали отливки, содержащие 0,03-0,05 % циркония (табл. 1).

При модифицировании цирконием в количестве 0,01 и 0,02 % происходило незначительное повышение механических и жаропрочных свойств. Введение 0,06 % циркония и более, повышало физико-механические свойства отливок, по сравнению с немодифи-цированным металлом, однако их значения были несколько ниже, чем при модифицировании 0,03-0,05 % циркония (см. табл. 1).

Структурные изменения и изменения физико-механических свойств отливок оценивали не только в зависимости от массовой доли циркония, но и от различных режимов термической обработки. С целью придания максимальных механических и жа-

Таблица 1 - Механические и жаропрочные свойства отливок из сплава ЖС6У-ВИ, содержащего цирконий

Массовая доля циркония, % Механические свойства при 20 °С Длительная прочность, МПа

^в, МПа б, % кси, МДж/м2 _760 СТ1000 _975 СТ100

- 972 4,0 9,2 153,4 184,0

0,01 968 4,4 9,5 160,4 188,3

0,02 975 4,7 10,0 202,8 190,0

0,03 1003 5,2 10,8 290,4 258,0

0,04 1010 5,4 11,6 350,2 227,0

0,05 996 6,0 10,5 267,0 198,2

0,06 980 5,0 10,2 258,4 169,1

0,08 984 5,2 10,4 271,5 134,7

ропрочных свойств отливкам из сплава ЖС6У-ВИ, содержащего цирконий в количестве 0,03-0,05 %, их подвергали нескольким режимам термической обработки (табл. 2).

По результатам испытаний установлено, что наибольшее влияние на повышение механических и жаропрочных свойств отливок из сплава ЖС6У-ВИ, содержащего 0,03-0,05 % циркония, имел следующий режим термической обработки: нагрев до 1230±5 °С, выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе (см. табл. 2).

Металлографические исследования структуры показали, что термическая обработка по указан-

Таблица 2 - Механические и жаропрочные свойства отливок из сплава ЖС6У-ВИ после различных режимов термообработки

Режим термообработки Механические свойства при 20 °С Длительная прочность, МПа

ав, МПа б, % КСи, МДж/м2 _760 СТ1000 _975 СТ100

Нагрев до 1210°С 1010 5,4 11,6 350,2 227,0

Нагрев до 1220 °С 1012 5,5 11,4 377,5 260,3

Нагрев до 1225 °С 1015 5,8 12,0 395,3 310,5

Нагрев до 1230 °С 1026 6,0 12,3 417,4 333,5

Нагрев до 1235 °С 1018 5,7 11,8 402,7 321,4

Нагрев до 1240 °С 990 5,2 10,6 345,0 254,6

Примечание. Выдержка всех режимов 4 часа, охлаждение на воздухе.

ному режиму приводила к выравниванию размеров упрочняющей уг-фазы в осях и межосных пространствах дендритов и, соответственно, выравниванию по химическому составу в объеме металла. Также такая термообработка способствовала уменьшению количества эвтектической (у+уг)-фазы за счет частичного ее растворения в у-твердом растворе.

Установлено, что термическая обработка отливок с выдержкой при температуре ниже 1225 °С недостаточна для равномерного выравнивания размеров упрочняющей уг-фазы в осях и межосных пространствах дендритов. Повышение температуры выдержки выше 1235 °С приводило к появлению «структур оплавления», снижающих физико-механические свойства отливок.

Разработали усовершенствованную технологию производства отливок из жаропрочного никелевого сплава ЖС3 ДК-ВИ, который дополнительно содержит гафний и цирконий. Производство отливок из указанного сплава осуществляли по выше описанной технологии. По расчету в сплав вводили от 0,1 до 1,0 % гафния и от 0,02 до 0,09 % циркония.

По результатам испытаний установлено, что стабильными и достаточно высокими значениями предела прочности, относительного удлинения, ударной вязкости при 20 °С и длительной прочности при 850 °С обладали отливки, содержащие 0,4-0,7 % гафния и 0,03-0,06 % циркония (табл. 3).

Таблица 3 - Механические и жаропрочные свойства отливок из сплава ЖС3 ДК-ВИ, содержащего гафний и цирконий

Массовая доля элементов, % Механические свойства при 20 °С Длительная прочность ^ МПа

ИГ гг ав, МПа б, % КСи, МДж/м2

- - 972 7,8 18,0 107,1

0,1 0,02 985 8,3 19,4 108,2

0,3 0,02 993 9,4 22,7 112,6

0,4 0,03 1012 10,8 29,5 115,8

0,5 0,04 1035 11,6 38,3 125,3

0,6 0,05 1056 12,0 45,2 137,7

0,7 0,06 1043 11,4 33,5 122,8

0,8 0,08 1028 10,8 26,4 114,5

1,0 0,09 1016 11,2 28,8 103,6

При содержании в отливках из сплава ЖС3 ДК-ВИ гафния и циркония ниже 0,4 % и 0,03 %, соответственно, их механические и жаропрочные свойства повышались незначительно. Введение массовой доли гафния и циркония выше 0,7 % и 0,06 %,

соответственно, приводило к появлению в микроструктуре металла фаз неблагоприятной морфологии и, как следствие, падению длительной прочности сплава (см. табл. 3).

Качественный металлографический анализ показал, что совместное содержание в отливках 0,4-0,7 % гафния и 0,03-0,06 % циркония приводило к уменьшению среднего размера макрозерна, количества и размеров хрупкой составляющей в виде фасеток внутризеренного скола, дендритных ячеек и расстояния между осями дендритов второго порядка, глобуляризации пленочных карбидов.

Рентгеноспектральным микроанализом установили, что гафний и цирконий, обладая высокими кар-бидообразующими свойствами, входили в состав карбидов, изменяя при этом их форму, размер и морфологию, а также повышали прочность и термическую стабильность, что благоприятно сказывалось на уровне жаропрочности и пластичности отливок.

Количественная оценка микроструктуры показала, что массовая доля гафния 0,4-0,7 % и циркония

0.03-0,06 % обеспечивала увеличение количества упрочняющих фаз: карбидов и уг-фазы, способствуя при этом повышению длительной прочности отливок.

Выводы

Таким образом, проведенные испытания показали, что разработанная технология производства отливок из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ, модифицированного цирконием и усовершенствованным режимом термической обработки, позволила повысить предел прочности литых деталей в 1,05 раза, относительное удлинение в 1,5 раза, ударную вязкость в 1,3 раза, длительную прочность при 975 °С в 1,8 раза, а при 760 °С в 2,7 раза, по сравнению с отливками, полученными по серийной технологии. Разработанная технология производства отливок из жаропрочного никелевого сплава ЖС3 ДК-ВИ, совместно содержащего гафний и цирконий, повысила в среднем предел прочности литых деталей на 7 %, относительное удлинение на 50 %, ударную вязкость на 100 % и длительную прочность на 20 %.

Указанные преимущества позволят обеспечить высокий уровень физико-механических свойств отливок из жаропрочных никелевых сплавов, увеличить срок службы литых деталей горячего тракта, что в целом повысит эксплуатационную надежность газотурбинных двигателей.

Перечень ссылок

1. Лысенко Н. А., Кудин В.В., Долгов Б.В., Цивир-ко Э.И. Модифицирование цирконием литейных

188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008

- 145 -

жаропрочных никелевых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. -

дение и термическая обработка металлов. - 1999.

- №1. - С. 29-32.

1998. - №3. - С. 14-17.

3. Лысенко Н.А., Кудин В.В., Клочихин В.Г., Ци-вирко Э.И. Жаропрочные никелевые сплавы, модифицированные гафнием и цирконием // Металловедение и термическая обработка метал-

2. Лысенко Н.А., Кудин В.В., Клочихин В.Г., Ци-вирко Э.И. Структура и свойства никелевых жаропрочных сплавов с гафнием // Металлове-

лов. - 1999. - №12. - С. 22-27.

Поступила в редакцию 15.10.2007

В po6omi встановлено 3aK0H0MipH0cmi впливу модифiкування гафтем i циркотем та mepMi4H0i обробки на структуру i влacmивocmi виливюв з жаромщних нiкелевих cплaвiв. На пiдcmaвi отриманих залежностей розроблено удocкoнaлeнi технологи виробництва ви-ливюв, як забезпечують пiдвищeння фiзикo-мeхaнiчних властивостей, нaдiйнocmi та екс-плуатацшно'1' дoвгoвiчнocmi литих деталей гарячого тракту газотурбтних двигутв.

The article defines regularities in the influence of modifying with hafnium and zirconium and thermal treatment as well on the structure and properties of Ni heat resistant castings. On the basis of relationships received new developed technologies of castings production were worked out which provide for improvement of physico-mechanicalproperties reliability and operational durability of cast parts for the heat tracks in gas turbine engines.