Исследование и разработка технологического процесса высокотемпературного уплотнения лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Голованов, Вячеслав Иванович

• Голованов, Вячеслав Иванович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Голованов, Вячеслав Иванович

Обшая характеристика работы:. ^

Глава 11 Анализ влияния ГИП на микроструктуру и механические свойства отливок из жаропрочных никелевых сплавов (обзор литературных данных);.

1.1 Горячее изостатическое уплотнение - эффективный метод улучшения качества отливок;.

1.2 Микроструктура литейных жаропрочных никелевых сплавов и прогнозирование ее поведения при ГИП. 2.

1.3 Особенности процесса рекристаллизации в жаропрочных никелевых сплавах:. 2.

1.4 Анализ повреждаемости жаропрочных никелевых сплавов при эксплуатации:. 3 Ь

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка технологического процесса высокотемпературного уплотнения лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов»

2.1 Анализ термодинамики и кинетики процесса «залечивания» микропор по механизму вакансионного растворения в условиях всестороннего сжатия. HI

212 Разработка технологических режимов ГИП литых поликристаллических лопаток из сплава ЖС6У.5* 9!

Заключение.>0

Глава 3. Разработка технологии ГИП для восстановления структуры и свойств лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ п о сле на ра ботки.

Введение. Краткий анализ повреждаемости микроструктуры при эксплуатации изделий из жаропрочных никелевых сплавов.?Г

3.1 Исследование повреждаемости микроструктуры при наработке лопаток ф ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ: постановка задачи, методика и объекты исследования.1г Ъ

3.2 Результаты исследования влияния наработки и ГИП на микроструктуру и распределение в ней легирующих элементов.

- Визуальное обследование лопаток.Я-8

- Исследование микроструктуры и фазового состава -методические особенности и результаты.SO

3.3 Радиоизотопное исследование повреждаемости материала лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в

• ! процессе длительной наработки.fQ3

3.4 Исследование влияния ГИП на микропоры в лопатках из сплава ЖС6У-ВИ после наработки.М8

3.5 Металлографические исследования поверхностных зон лопаток в различных состояниях.119

3.6 Испытания механических свойств.ill,

Заключение. Оценка эффективности рекомендуемого режима

ГИП в качестве ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6 ВИ.iZ5~

Глава 4. Заключение. Приложения (технологические инструкции, заявки на изобретения). f 2.9

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Повышение работоспособности л!гтых лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) является одним из важнейших направлений работ, связанных с увеличением ресурса и надежности современных ГТД. Одной из главных проблем в этом плане является уплотнение отливок путем «залечивания» несплошностей усадочного и газового происхс:кдения.

Литейная пористость является практически неизбежным дефектом отливок и, в частности, литых лопаток ГТД. Основными причинами образования пор в литых лопатках при; кристаллизации является различие объемов жидкой и твердой фазы и дефицит расплава у фронта кристаллизации. В результате при затвердевании в лопатках ГТД формируется система пор разного масштаба, которая негативно влияет на механические свойства и эксплуатационные характеристики изделий.

Эффективной технологией уплотнения материхта за счет удаления пористости является горячее изостатическое прессование (ГИП). Эффект .уплотнение при ГИП имеет термодинамическую природу: приложение: давления всестороннего сжатия, в соответствии с принципом Ле-Шателье, должно приводить к уменьшению объема -уплотнению - и, следовательно, к уменьшению пористости. Термодинамическая природа уплотнения при ГИП делает эту технологию, по существу, универсальным способом «залечивания» пористости в различных материалах. Вот почему технология ГИП нашла широкое применение во многих областях производства и обработки материалов: компактировании заготовок и деталей из порошков (гранул), реакционном спекании керамики, уплотнении отливок, при диффузионной сварке, обработке специальных материалов ракетно-космической техники и др.

При разработке технологических режимов ГИП пористых материалов обычно руководствуются модельными представлениями процесса уплотнения, развитыми Эшби, Харрисоном, и другими. Обобщая данные разных авторов, предложенные механизмы уплотнения можно разделить на 2 группы: деформационные, когда диффузионные процессы не играют существенной роли; диффузионное заполнение пор, включая различные виды ползучести.

На практике процессы ГИП отливок обычно проводят в условиях преобладания деформационных механизмов уплотнения, которые реализуются при относительно высоких температурах и давлениях. Однако применительно к обработке литых лопаток ГТД правомерность такого подхода вызывает сомнения. Дело в том, что деформационное заполнение микропор обычно сопровождается большими степенями локальной деформации, следствием которой является локальная неконтролируемая рекристаллизация. Очевидно, что «нерегламентируемая» рекристаллизация может сказывать негативное влияние на механические свойства и эксплуатационные характеристики литейных (нелеформируемых) сплавов.

Кроме этого, при обработке литых лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплазов существует ряд других научных зо просо в, ответы на которые до сих пор не полечены. Перечислим некоторые из наиболее важных:

- следует ли ориентироваться, на температуру полного растворения у'- фазы (линия solvus в иностранной литературе) при выборе температурного режима ГИП лопаток ГТД из жаропрочных никелезых сплавов?

- Допустимо ли проведение ГИП таких лопаток в двухфазной области у-у'?

- Каковы принципы регламентации минимальных и максимальных давлений при П1П - не с точки зрения возможностей оборудования, а с позиций решения задачи удаления пор?

Наличие этих вопросов говорит о том, что научные принципы регламентации технологических режимов ГИП литых лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов требуют существенного развития.

Другая важная проблема повышения качества и работоспособности лопаток ГТД сзязана с возможностью и эффективностью использования ГИП для восстановления структуры и свойств поврежденных при эксплуатации лопаток. Термин «повреждаемость» обычно означает появление в лопатках микроскопических дефектов («повреждений»), при накоплении которых постепенно ухудшаются эксплуатационные характеристики.

Для уменьшения степени «поврежденности» материала при наработке в настоящее время применяют ремонтно-восстановительную обработку. Ее цель - повысить ресурс эксплуатируемых изделий. Для увеличения ресурса лопаток ГТД id жаропрочных никелевых сплавов после наработки обычно используют восстановительную термовакуумную обработку (ВТВО). Один из главных недостатков В ТВ О как восстановительной обработки заключается в том, что ВТВО не способствует уплотнению материала и уменьшению пористости. Очевидно, что и в случае литых лопаток ГТД после наработки для уплотнения и «залечивания» пор не зависимо от их происхождения может бьггь эффективно использована технология ГИП.

Целью настоящей работы является разработка основ технологического процесса газостатирсвания литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У, а также внедрение разработанного технологического процесса в серийное производство, что должно сбеслеч1гть кардинальное повышение уровня служебных сзойстз этих деталей.

Для достижения поставленной цели потребуется решение двух основных задач:

Изучение влияния ГИП на качество литых лопаток ГТД из сплаза ЖС6У в исходном состоянии (сразу после отливки - as cast).

Изучение эффективности ГИП как ремонтно-восстановительнои обработки лопаток ГТД после наработки: Научная новизна: Развиты научные принципы регламентации параметров ГИП (температура, давление, время) хтя уплотнения отливок из жаропрочных никелевых сплазов, позволяющие минимизировать действие пластической деформационной моды закрытия литейной и эксплуатационной пористости. Установленные закономерности поведения ансамбля Л1гтейных пор при ГИП использованы хтя решения двух важных W прикладных задач:

- уплотнения исходной (as-cast) литой структуры лопаток ГТД;

- использования газостати рования в качестве составляющей ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД после длительной наработки.

Показано, что после ГИП среднее значение предела выносливости лопаток из сплаза ЖС6У (as-cast) с технологический прибылью равно а .i = 16,0 кгс\мм:, в то время как без ГИП соответствующее значение составляет a .i = 12,5 кгс\мм* .Таким образом, газостатическая обработка литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У по предложенному режиму на 20 % повышает усталостную прочность деталей. На защиту выносятся:

1. Методика выбора оптимального режима газостатической обработки литых лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, обеспечивающего доминирующую роль механизма диффузионного растворения пор при всестороннем сжатии (ГИП). Критерий априорной оценки оптимальных значений температуры и времени ГИП, основанный на сопоставлении диффузионного пути вакансий в гетерогенной микроструктуре сплаза и среднего расстояния от поры до вакансионного стока. Результаты экспериментального опробования методики на литых лопатках ГТД из жаропрочного ф никелевого сплава ЖС6У.

2. Данные о влиянии ГИП по разработанному режиму на микроструктуру, распределение легирующих элементов и механические свойства литых образце в и лэггатек ГТД из жаропрочного нпкелезего сплава ЖС6У.

Практическая ценность представленной работы заключается з том, что разработана технология ПШ для уплотнения материала литых лопатск ПГД из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У с равноосной зеренной структурой в исходном состоянии (as-cast). Показано, что при газостатировании лопаток первой ступени (предприятие ОАО «НПО «Сатурн») из сплава ЖС6У по предложенному режиму получаются наиболее стабильные значения предела усталостной прочности. Разработанная технология положена в основу «Технических условий» ТУ 1-503-0100-2002 «Поставка отливок из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У-ВП. ЖС6УМ-ВН, прошедших высокотемпературную газостатическую обработку") предприятия ОАО «НПО «Сатурн» и внедрена в серийное производство.

Другая важная прикладная задача, решаемая в настоящей работе - исследование эффективности ГИП в технологической цепи ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов после длительной наработки. Показано, что и в данном случае газостатирование, проведенное по режиму ТУ 1-503-0100-2002, является эффективным способом уплотнения сплава ЖС6У после наработки (размер микропор в «отработанных» лопатках ГТД после ГИП уменьшается на порядок величины) и вносит существенный вклад в восстановление исходной микроструктуры. и свойств жаропрочного сплава.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV International Scientific Forum "AIMS for Future of Engieneering Science", Igalo, Rep. of Montenegro, 2003; V International Scientific Forum "AIMS for Future of Engieneering Science"*, Paris, France, 2004; 24 Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», Ялта, Крым, 2004; 3 Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», Кацивели-Понизовка, Крым, 2004; 4 Московской Международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов, (ТПКММ), Москва. 2С05; Conference on Hot Isostatic Pressing (HIP'05), Paris, France, 2005.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Голованов, Вячеслав Иванович

Глава 4; Заключение и обобщенные выводы. Практическая реализация результатов исследований.

В работе: исследовано влияние: горячего изосгатического прессования (ГИП) на микроструктуру и механические свойства литых лопаток:ГТД и образцов! из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У в: исходном состоянии и;после длительной наработки:

Показано, что технология ГИП является эффективным способом? уплотнения литой структуры, жаропрочного сплава: Развиты» научные; принципы; регламентации! параметров- ГИП: (температура, давление, время) длят уплотнения? отливок; из жаропрочных! никелевых; сплавов; включая? материаловедческие- основы; обработки; монокристальных лопаток ГТД.

Установленные закономерности поведения «вакуумных» литейных пор при ГИП использованы для решения двух важных прикладных задач:

- уплотнения исходной (as-cast) литой структуры лопаток ГТД;

- использования газостатирования в качестве составляющей ремонтно-воссггановительной обработки лопаток ГТД после длительной наработки:

Разработана; технология; ГИП для уплотнения структуры литых; лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У с равноосной зеренной структурой; в исходном состоянии (as-cast). Показано, что при газостатировании лопаток первой ступени 40-04-4217 (предприятие

ОАО «НПО «Сатурн») из сплава ЖС6У по режиму Т - 1210 (^) °С,.

Р =- 160±10 МПа t = 2,5 - 3 часа получаются наиболее стабильные значения предела усталостной прочности. Металлографическое исследование: изломов разрушенных прн испытаниях лопаток; не выявило металлургических дефектов на поверхности разрушения.

Установлено, что после ГИП! среднее: значение; предела выносливости лопаток; с технологический прибылью равно а - 16,0 кгс\мм:, а средний ? предел: выносливости г лопаток без технологической прибыли составляет с .i = 22,6 ктс\мм!.

Для; сравнения ; пределов: усталостной прочности; были испытаны лопатки данной плавки, не проходившие газостатической обработки. Получено, что для лопаток с технологической прибылью с = 12,5 кгс\мм?, без технологической прибыли с .i — 16,6 кгс\ммТ.

Таким! образом, газостатическая обработка литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава-ЖС 6У по предложенному режиму на; 20-30 % повышает усталостную прочность деталей:

Разработанная технология; положена: в основу «Технических; условии» ТУ 1-503-0100-2002 «Поставкам отливок из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У-ВИ, ЖС6УМ-ВЩ прошедших; высокотемпературную газостатическую: обработку» предприятия ОАО: «НПО «Сатурн» (Приложение !) и внедрена в серийное производство:

Вторая I важная прикладная задача, решаемая в настоящей работе -исследование; эффективности! ГИП в технологической: цепи? ремонтно-восстановительной? обработки: лопаток: ГТД i из; жаропрочных; никелевых: сплавов 1 после длительной наработки: В работе; показано, что и в данном случае; газостатирование, проведенное по режиму ТУ 1-503-0100-2002* является эффективным способом уплотнения? материала; (размер микропор в «отработанных» лопатках ГТД после ГИП уменьшается; на; порядок величины): и вносит; существенный; вклад в восстановление; исходной микроструктуры и свойств жаропрочного сплава:

1 ЬО

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Голованов, Вячеслав Иванович, 2005 год

1. Тезисы доклад. «International Conference on HIP». Москва, В ИЛ С," 2002, 55 с.

2. Теория-и практика горячего изостатического прессования. В сб. «Ракетно-космическая техника», Москва, ЦНИТИ «Поиск», 1990, 137 с.

3. С.С.Хаюров, Технология легких сплавов, 3 (1985), с.с. 43-54:

4. А.П. Матвеенков, Ю.И. Пономарев, Итоги науки и техники. ВИНИТИ, Сер Порошковая металлургия,-б (1992) с.с. 3-31;5: L.G. Fritzemeier, Патент США № 5 573 609; Межд. кл. C21DTY78, 12.11.1996;

5. J.M: Eridon et al: Патент ClIIA ^fe 4 743 312, Межд. кл. C21D 1\7S, 10.05.1988 г.

6. М Б, Бронфин, Л.П. Сорокина, О Б. Тимофеева, Н.Ф. Шлыкова, Вестник ноу-хау, вып. 1, -V» 2 (1993) 83.8: Р. Валиев, Л. Корнелюк, И. Разумовский и В. Сергеев, ДАН СССР 320,5 322 (1991).

7. Ю.А. Бондаренко и др., в сб. «Литые лопатки газотурбинных двигателей»;под ред. Е. Каблова, Москва, МИСиС, 2001, стр. 420:

8. И.М. Лифшиц, В.В. Слезов, ЖЭТФ 35 (1958) 479.

9. П. Madden H.D. Патент США .У» 1 081 618, 1913.

10. Фирма Alcoa, патент США 3 496 624, кл. 29 196.2, 1970.

11. Bailey P.G., Schweikert W.H. In: Superalloys. Metallurgy and Manufacture, 1976, p. 451-468.

12. Отчет по теме «Исследование и разработка рациональных режимов высокотемпературной газостатической обработки отливок из титановых сплавов ВТ5Л и ВТ20Л» от 611.89 ""

13. Chen Q.Z., Jones N., Knowles D.M. Acta Materialia 50 (2002) 1095-1112Ш

14. Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для. аэрокосмических и промышленных энергоустановок, т.т. I и II. Ред. Симе, Столофф, Хагель. Пер. с англ. М., Металлургия, 1995 г.

15. Производство высокотемпературных литых лопаток авиационных ГТД. Под ред. С.И. Яцыка. М., Машиностроение, 1995, 256 с.

16. Литые лопатки газотурбинных двигателей. Под ред. Е,Н. Каблова. М., «МИСИС», 2001, 632 с.

17. С.З. Бокштейн, С.С. Гинзбург, С.Т. Кишкин, И.М. Разумовский и Г.Б. Строганов. Авторадиография поверхностей раздела и структурная стабильность сплавов. М:, Металлургия, 1987, 272 с.

18. О.В. Маркович, Н.Г. Орехов и И.М. Разумовский, Физика металлов и металловедение 78 (1994) 91.

19. А.В. Логунов. Структурная стабильность и принципы легирования высокожаропрочных литейных никелевых сплавов. Дис. на соиск. уч. ст. док. тех. н., ВИАМ, М.: 1981, 485 с. с илл.

20. Н. Harada, V. Yamazaaki, Y. Koizumi et al. Proc. Inter. Conf. On High Temperature Alloys for Gas Turbine. France, Liege, 1981, p. 721.

21. F.G. Humphreys, M. Hatheriy, "Recrystallization and Related Annealing Phenomena". Pergamon, Elsevier Science Inc., Tarrvtovvn, NY, 1996

22. R.D. Doherty, Metal Science, 16 (1982) 1-13

23. V. Randle, B. Ralph, Acta Metallurgica, 34 (1986) 891-898.

24. A. Porter, B. Ralph, Jpurnal ofMateriaJs Science, 16 (1981) 707-713.

25. B. Lindsly, X. Pierron, Sub-Solvus Recrystallization Mechanisms in UDCvtET®Alloy 720LI. Superalloys 2000. Ed. by T.M. Pollock, R.D. Kissinger. R.R. Bowman et all. TMS (The Minerals, Metals &Materials Society), 2000, pp. 59-68.

26. S.D Bond, J.W. Martin, "Surface Recrystallization in a Single Crystal Nickel-Based Superalloy", J. Mater. Sci., 19 (1984), 3867-3872.

27. T. Khan, P. Caron, Y.G. Nakagawa, "Mechanical Behavior and Processing of DS and Single Crystal Superalloys", J. Metals, July 1986, 16-19.

28. U. Paul, P R. Sahm, D. Goldschidt, "Inhomogeneities in Single-Crystal Components", Mater. Sci. Eng., A173 (1993), 49-54.

29. R.W. Salkeld, T.T. Field, E.A. Ault, "Preparation of Single Crystal Superalloys for Post-Casting Heat Treatment", L'S-Patent 5,413, 648 (1995).

30. R. Burgel, P.D. Portella, Ji Preuhs Recrystallization in single crystals of nickel; base superalloys. Superalloys 2000. Ed. by T.M. Pollock, R.D. Kissinger, R.R. Bowman et all. TMS (The Minerals, Metals &MateriaIs Society), 2000, pp. 229238;

31. S. Kitajima, M. Ohta, H. Tonda, "Production of Highly Perfect Copper Crystals with Thermal Cyclic Annealing", J: Crystal Growth, 24\25 (1974), 521-526

32. W.J. Gostic, "Cyclic Recovery Heat Treatment'VUS-Patent 5,551,999 (1934).

33. О.А. Кайбышев и Р.З. Валиев. Границы зерен и свойства металлов' Москва, изд. Металлургия (1986).

34. Razumovskii, L. Komelyuk, R. Valiev and V. Sergeev, Mater. Sci. Eng. A 167 (1993) 123.

35. E. Болберова и И. Разумовский; Заводская лаборатория. 55 (1989) 36.

36. R.Z. Valiev, V.Yu. Gertsman and О. А. Kaibyshev, Phys. Stat; Sol. (a) 97 (1986)11.

37. C.3. Бокштейн, H.B. Мигунова и И.М. Разумовский, Физика металлов и металловед. 9 (1990) 1911

38. L.G. Komelyuk, A;Yu. Lozovoi and I.M. Razumovskii; Phib Mag- A 77, № 2 (1997) 46545; L.G: Komelyuk, A.Yu. Lozovoi and I.M. Razumovskii; Defect and Diffusion Forum 143-147 (1997) 1481.

39. N.P. Zulina, E:V. Bolberova and I.M. Razumovskii, Acta metall. mater. 44 (1996) 3625.

40. A S. Ostrovsky, B.S; Bokstein. App!. Surf. Sci 175-176 (2001) 312.

41. M.A. Кривоглаз, A M. Масюкевич, К.П. Ряоошапка. ФММ23 (1967) 200.

42. И;М. Лифшиц, В В. Слезов. ЖЭТФ 35 (1958) 479.

43. ИМ. Лифшиц, В.В; Слезов. ФТТ 1 (1959) 1401:

44. F.S: Наш. J: Phys. Chem. Solids. 6 (1958) 335.

45. B.S. Bokstein et al. Mater. Letters 39 (1999) 77.

46. Б.С. Бокштейн. Диффузия в металлах. M., Металлургия, 1978. 248 с.

47. F.R:N. Kabarro. Rep. Conf. Of the Strength of Solids, Phys. Soc., London, 1948. p. 75

48. И.М. Разумовский. Диффузия по внутренним поверхностям раздела и структурная стабильность жаропрочных сплавов. Дис. док. физ.-мат. наук, М.: ВИАМ, 1988, с. 153.

49. В.И. Голованов, А.В. Логунов. Перспективные технологии ОАО «Композит», Авиапанорама, № 2 (2003) с. 26.

50. H.B. Петрушин. Основы легирования жаропрочных никелевых сплавов с ориентированной структурой для турбинных лопаток перспективных авиационных двигателей. Автореф. док. дисс., Москва, ВИАМ. 1997 г.1 ЪН

51. Заключение № 51-0117-02. Авторадиографическое исследование повреждаемости материала лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в процессе длительной наработки. ОАО «Композит». 2002.

52. Заключение 67-0117-02. Исследование влияния длительной наработки и восстановительной обработки на микроструктуру, распределение элементов и фазовый состав лопаток из никелевого сплава ЖС6У. ОАО «Композит». 2002.

53. Итоговый отчет № 16-01174)3 по договору JSa 27П/0117-02/9743-88. Исследование процесса восстановления структуры и свойств лопаток ГТД из сплава ЖС6У после длительной наработки. ОАО «Композита, 2003

54. М.Б. Бронфин, Г.С. Булатов, И.А. Другова, Физика металлов и металловедение, 40 (1975) 363.

55. А:В. Логунов, В.И. Голованов, И М. Разумовский, С.Ф. Маринин, А.А. Тихонов, В.А. Поклад, В С. Фролов, Ю.Г. Быков. Газостатическое прессование эффективный способ устранения несплошностей в лопатках , ГТД. Перспективные материалы, «\» 3 (2004) с. 12-16.

56. J: . I С5ivpS»НС-ГО.' Лi-'i? 6кrc p П: О.*.':■ cKuM!to'*•*.r;>я.1. УТВЕРЖДАЮ: . .

57. Главиыи>«<женср-; OAO^fliO «Сатурн»5;1. Крылов:B:H:--- v*'г< i.1. Г l!-1г