Обоснование выбора рациональной технологии изготовления и термической обработки отливок "лопатка" ГТД на основе анализа изменения структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов в условиях повышенных температур

• Автор: Красильникова, Марина Александровна
• Шифр специальности: 05.16.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Рыбинск
• Количество страниц: 254 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ

СПЛАВОВ.

1.1 Условия эксплуатации и требования, предъявляемые к

лопаткам газотурбинных двигателей.

1.2 Основные методы обеспечения жаропрочности сплавов.

1.2.1 Классификация никелевых жаропрочных сплавов.

1. 3 Методы обработки для изменения, улучшения и стабилизации свойств жаропрочных никелевых сплавов.

1.3.1 Методы термической обработки

1.3.2 Методы термоциклической обработки.

1.3.3 Лазерная обработка
1.3.4 Термомеханическая обработка.
1.3.5 Термическая обработка монокристаллитных отливок и сплавов полученных методом направленной кристаллизации
1.3.6 Термовременная обработка расплавов
1.3.7 Восстановительная термическая обработка.
1.4 Методы выбора способа термической обработки для отливок из жаропрочных сплавов
1.5 Основные выводы и задачи исследования.
2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.
2.1 Используемые материалы
2.1.1 Химический состав и некоторые свойства используемых сплавов.
2.1.2 Фазовый состав и структура жаропрочных никелевых сплавов
2.2 Методы исследования микроструктуры сплавов
2.3 Методика измерения внутреннего трения и модуля нормальной у пру гости.
2.4 Методика определения механических свойств сплавов.
2.5 Методика обработки результатов измерений
2.6 Метод экспертного оценивания
3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА
ФАЗЫ.
3.1 Влияние легирующих элементов.
3.2 Обзор классификаций легирующих элементов в жаропрочных никелевых
сплавах.
3.3 Классификация элементов на основе характеристик взаимодействия с никелем и физикохимических характеристик элементов.
3.4 Физикохимические исследования влияния химического состава и температуры на количество уфазы
3.5 Принципы выбора математической модели для описания зависимости количества одной из фаз от химического состава многокомпонентного
сплава.
3.6 Определение весовых коэффициентов фазообразующей способности элементов на основе регрессионных моделей.
3.7 Построение и анализ моделей для расчета КГФ по алюминиевому эквиваленту.
3.8 Косвенная проверка достоверности расчета КГФ по характеристикам жаропрочности.
4 ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ СТРУТУРООБРАЗОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
4.1 Анализ процессов атомного упорядочения в жаропрочных никелевых сплавах.
4.2 Диаграмма состояния 1 Сг
4.3 Изучение процессов структурообразования литейных жаропрочных сплавов на основе никеля.
4.4 Оценка температуры полного растворения уфазы и температуры солидус жаропрочных никелевых сплавов на основе их легирующего комплекса
4.5 Взаимосвязь температуры полного растворения уфазы с ее количеством
и характеристиками жаропрочности
5 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ВЫБОРА СПОСОБА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
5.1 Режимы термической обработки и свойства литейных
жаропрочных никелевых сплавов.
5.2 Изменение структуры и свойств сплавов в процессе эксплуатации.
5.3 Разработка системы выбора способа термической обработки.
5.4 Пример расчета по выбору способа литья и режима термической обработки для отливки типа Лопатка на основе предложенной автоматизированной
системы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Результаты длительной эксплуатации лопаток из этого сплава показали, что для реализации потенциальных возможностей столбчатой структуры следует создавать жаропрочные сплавы со специальным легированием ЖС, ЖСЗО, ЖС. Сравнительный анализ показал, что по свойствам отечественные сплавы с направленной столбчатой структурой не уступают зарубежным сплавам аналогичного назначения 0, 7 и др. Промышленное производство лопаток ГТД базируется на методе Бриджмена Стокбаргера , в котором процесс направленной кристаллизации осуществляется перемещением керамической формы с расплавом жаропрочного сплава на водоохлаждаемом кристаллизаторе из зоны нагрева в зону охлаждения, кроме того, этот метод реализуется и без перемещения формы путем плавного снижения температуры нагревателя метод . Процесс литья в низкоградиентных печах направленной кристаллизации типа ПМП2 часто сопровождался появлением на отливках ростового дефекта струйчатая ликвация, имеющего вид вертикальных полос, состоящих из равноосных зерен. Та, . Однако промышленное освоение разработанного в ФГУП ВИАМ, процесса высокоскоростной направленной кристаллизации в печах с жидкометаллическим охладителем УВНК9, УВНС5, УВНК, УВНК позволило снять эти ограничения, поскольку дефекты такого типа при использовании этой технологии практически полностью отсутствуют. Следующим этапом развития метода направленной кристаллизации и совершенствования структуры жаропрочных сплавов стало получение монокристаллических турбинных лопаток ГТД Повышение прочностных характеристик в монокристаллических структурах может быть достигнуто не только за счет полного устранения большеугловых границ, но и путем выбора оптимальной кристаллографической ориентации относительно действующих напряжений. В мировой практике используют два варианта промышленной технологии получения монокристаллических лопаток для ГТД отличающихся друг от друга способом зарождения монокристаллической структуры. Технология разработанная американской фирмой i, которая используется во многих странах мира Франция, Англия, Германия и др Она основана на отборе одного кристалла из многих столбчатых зерен, в которых за счет конкурентного роста формируется аксиальная, текстура 1. Отбор одного кристалла осуществляется в специально выполненном в литейной форме кристаллоотборнике, представляющим собой спиральный литниковый ход. Отечественная технология разработанная ФГУП ВИЛМ, основана на применении затравочных кристаллов затравок. Особенность такой технологии монокристаллическая структура зарождается от затравочного кристалла затравкизаданной кристаллографической ориентации. Применении затравочной технологии обеспечивает получение заданной пространственной ориентации с высокой степенью точности . В последние годы данный метод был усовершенствован путем разработки промышленной технологии монокристаллического литья , основанной на применении затравок из сплава системы i в комбинации с кристаллоотборником и пригодная для использования в установках направленной кристаллизации любого типа рисунок 3. Данная технология с применением комбинированного метода затравка кристаллоотборник нашла применение в серийном производстве при литье монокристаллических лопаток и обеспечивает практически стопроцентную передачу структуры от затравки к отливке лопаток. Величина анизотропии свойств жаропрочных сплавов во многом определяется количеством и морфологией упрочняющей уфазы, т. Несмотря на преимущества в прочностных характеристиках монокристаллов, ориентации 1 по сравнению с 1, наибольшее применение в промышленности получила технология монокристаллического литья охлаждаемых лопаток с кристаллографической ориентацией 1 модуль упругости таких монокристаллов в два раза меньше и, следовательно, уровень возникающих при эксплуатации лопаток термических напряжений ниже. Значительное превышение свойств по сравнению с однонаправленными структурами при ориентации 1 было достигнуто только после разработки сплавов со специальным легированием, предназначенных только для монокристаллического литья.