Исследование режима легирования и процесса плавки жаропрочного титанового сплава СТ6У с целью совершенствования технологии и повышения служебных характеристик готового изделия

• Автор: Логачев, Иван Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 150 с. : ил.

Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Применяемые жаропрочные титановые сплавы
1.2 Анализ влияния легирующих элементов на свойства титановых сплавов
1.3 Энергия активации диффузии и газонасьнцения
1.4 Методы получения титановых сплавов
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Исследуемый сплав и шихтовые материалы для его получения
2.2 Используемое оборудование для производства
2.3 Методы исследования структуры, определения химии и проведения испытаний
2.4 Методика оценки применимости литейного сплава для металлургии гранул
2.5 Расчет фазовых диаграмм
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА ГРАНУЛИРУЕМЫХ СПЛАВОВ. РАЗРАБОТКА СОСТАВА ЛИГАТУРЫ, ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ И РАЗРАБОТКА ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
3.1 Исследование влияния легирующих на свойства гранулируемых сплавов
3.2 Разработка состава лигатуры, выбор технологии и разработка параметров
процесса
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ
4 РАЗМОЛ И УСРЕДНЕНИЕ ЛИГАТУРЫ. ПОВЕДЕНИЕ ГАЗОВ ВО ВРЕМЯ ВЫПЛАВКИ. ИЗГОТОВЛЕНИЕ СЛИТКОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ
4.1 Размол и усреднение лигатуры
4.2 Поведение газов во время выплавки
4.3 Изготовление слитков и исследование свойств
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
5 МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. СВОЙСТВА ГРАНУЛИРУЕМОГО СПЛАВА СТ6У В СРАВНЕНИИ С ВТ18У И ВТ25У
5.1 Металлургия гранул
5.2 Свойства гранулируемых сплавов
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ИЗДАНИЯХ,
РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИЛОЖЕНИЕ В

ВВЕДЕНИЕ
Титановые сплавы, в том числе жаропрочные, широко применяются в различных отраслях промышленности. Исследование и разработка титановых сплавов для нужд авиационной и космической техники, включая авиационные газотурбинные и ракетные двигатели, продолжаются на протяжении более 50 лет. Первоначально масса титановых деталей составляла 5-10% от общей массы газотурбинного двигателя, в современных конструкциях весовая доля титановых сплавов составляет уже около 40%. [1]
Разработкой и производством их занимались и занимаются такие институты и предприятия, как ФГУП «ВИАМ», ОАО «ВИЛС», Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА», ОАО «СМК» «ROLLS-ROYCE PLC», «GENERAL ELECTRIC COMPANY» и др. Перед ними стоит постоянная задача повышения эксплуатационных характеристик разрабатываемых материалов.
Стоит отметить, что в настоящее время задача получения жаропрочного титанового сплава для двигателей, способного обеспечить длительную работу в диапазоне температур 600°С - 750°С является нерешенной как в России, так и за рубежом.
При этом в середине 1960-х годов был разработан титановый сплав СТ6 (ИМЕТ АН СССР), в котором в качестве основных легирующих элементов использовались: алюминий, вольфрам, цирконий. По замыслу создателей сплава такое сочетание легирующих элементов должно было значительно повысить имеющийся в то время уровень жаропрочности в условиях кратковременного применения в деталях турбонасосного агрегата (ТНА) жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Разработанная технология изготовления роторов ТНА ЖРД из сплава СТ6 должна была обеспечить необходимый уровень свойств и работоспособность при температурах до 800°С в течение 2-х часов при нагрузке 12 кг/мм2 в серийных изделиях. Промышленного применения эта технология в то время не получила.
Для изделий ракетно-космической техники растет необходимость снижения массогабаритного параметра, в том числе, за счет применения жаропрочных титановых сплавов вместо стали и сплавов без потери эксплуатационных свойств деталей. Таким образом, с развитием техники к титановым сплавам предъявляются все более высокие требования. Также усложняется и конфигурация деталей. Все это требует применения новых сплавов и технологий. Работа с титаном осложняется его особенностью - активной способностью взаимодействовать с газами атмосферы и многими другими химическими элементами.
Решение указанных проблем можно найти в применении металлургии гранул (рисунок 1). Центробежное распыление расплава с целью получения мелких гранул является одним из методов технологии скоростного затвердевания. Каждая гранула - это микрослиток, соответствующий составу распыляемого сплава. Последующее компактирование гранул позволяет получать заготовки или детали, имеющие равномерную структуру и химический состав.
Отжиг
УРиМС
Распылен не
гранул
ДСІ 2ГІ-И. ШСЫПк'И
капсулы
Проверка
капсул
герметич-
ность
Рисунок 1 — Технологическая цепочка метода металлургии гранул Это представляется особенно важным для получения крупногабаритных полуфабрикатов из высоколегированных титановых сплавов, склонных к ликвации и структурной неоднородности. [2]
Как и для любой технологии, помимо конечного продукта требуется и исходный материал. Для металлургии гранул - это слиток определенного

рассев и маги, тл.-статич. сепарация сепарации
|Мехобработк^ и
контроль
качества

Изготовление элементов капсул
про И’* в-во олект родов
Стоит обратить внимание на самый распространенный метод получения слитка - ВДП. Моделирование [133-134] показало, что ванна кристализуемого слитка имеет три основные характеристики:
-глубина ванны, которая обычно больше, чем диаметр слитка, и может превышать его в два раза;
- небольшая область, которая сильно перегрета ( +200 ° С ), при том, что большая часть ванны относительно близка к температуре ликвидуса;
перемешивание жидкого металла, которое обусловлено сочетанием электромагнитных сил, плавучести, массового потока и сил Марангони.
В этой ванне, растворение частиц будет иметь спектр временнотемпературных линий. Но по части этого спектра видно, что короткое время пребывания (несколько секунд) в жидкой ванне будет способствовать тому, что частицы материала будут проходить через процесс по существу без изменений. Следует отметить, что в производстве сплавов можно наблюдать частицы нерасплавленной губки титана в конечном продукте, что свидетельствует о коротком времени пребывания в процессе ВДП. Возможны различные изменения параметров ВДП. Например, может быть увеличена глубина бассейна за счет увеличения скорости плавления, или введено требование к шихте (использование только небольших кусков губки) при формировании электрода. Но в целом эти изменения приносят с собой либо финансовые или технические издержки, которые неприемлемы. И они служат только для уменьшения статистической вероятности сохранения частиц, а не для обеспечения полного удаления проблемы. Именно эта ситуация вызывает необходимость разработки альтернативных процессов для замены ВДП, например, на печь с холодным тиглем с дополнительным источником нагрева в виде плазмы или электронного луча.
Процессы плавления в холодном тигле широко обсуждались в литературе [135, 136] и имеют принципиальное преимущество, так как источник тепла не зависит от скорости плавления и поэтому они могут работать в условиях, позволяющих пребывать требуемое время в жидкой фазе. Для ЕВСНМ