Исследование влияния технологических факторов и химического состава на микроструктуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов при направленной кристаллизации

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Технический прогресс в области авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в значительной степени определяется качеством и эксплуатационными характеристиками наиболее ответственных деталей - рабочих лопаток турбины. Среди них наиболее высоким характеристикам прочности, жаропрочности, усталости соответствуют лопатки с монокристаллической и столбчатой структурой, полученные методами литья с направленной кристаллизацией и монокристаллитного литья.

Благодаря значительному объему исследований, проведенных по технологии и процессам направленной кристаллизации, изобретению многочисленных методов и устройств, обеспечивающих выращивание монокристаллической и столбчатой структур в отливке, решена задача получения необходимой и отвечающей всем требованиям макроструктуры. Однако, в лопатках, макроструктура которых полностью отвечает всем требованиям технических условий, при испытаниях наблюдается значительный разброс механических и эксплуатационных характеристик. Это позволяет говорить о том, что не менее важными факторами, определяющими конечные свойства литых лопаток являются параметры литой микроструктуры (расстояние между осями дендрита л, размер эвтектической г/г?-фазы dг/г?).

Однако, как показал анализ литературных данных и производственного опыта надежные экспериментальные и теоретические данные о влиянии технологических режимов литья (температурного градиента G, и скорости кристаллизации R), химического состава и теплофизических свойств сплава (интервал кристаллизации ДT, температуры критических точек сплава TL и TS) на степень дисперсности формирующейся в процессе затвердевания литой микроструктуры практически отсутствуют.

Поэтому исследования влияния технологических режимов направленной кристаллизации, химического состава и теплофизических свойств сплава на параметры литой микроструктуры и свойства отливок, полученных методом высокоскоростной направленной кристаллизации (ВСНК), являются весьма актуальными.

Цель работы. Повышение уровня эксплуатационных свойств отливок «Лопатка» за счет обеспечения необходимых параметров микроструктуры на основе изучения влияния химического состава, теплофизических свойств сплава и технологических режимов монокристаллитного литья.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

1. Экспериментальное и теоретическое изучение процессов формирования монокристаллической и столбчатой структуры отливки при ВСНК.

2. Установление взаимосвязи между основными параметрами литой микроструктуры (расстояние между осями дендрита л, размер эвтектической г/гґ-фазы dг/гґ) и технологическими режимами направленной кристаллизации (температурный градиент G, скорость кристаллизации R).

3. Разработка классификации легирующих элементов по их влиянию на переохлаждение сплава при направленной кристаллизации.

4. Определение влияния теплофизических свойств сплава (интервал кристаллизации ДT, температуры критических точек сплава TL и TS) на степень дисперсности формирующейся микроструктуры.

5. Построение математических моделей и номограмм, позволяющих определять параметры микроструктуры отливки в зависимости от содержания легирующих элементов в сплаве и технологических режимов направленной кристаллизации, то есть разработка частных и обобщенных моделей, вида:

- «параметр микроструктуры» - F (хим. состав, G, R)»,

- «параметр микроструктуры» - F (теплофизические свойства, G, R)».

6. Разработка методики расчета скорости кристаллизации отливки и определения скорости опускания формы в теплоноситель при высокоскоростной направленной кристаллизации, обеспечивающих получение микроструктуры заданной степени дисперсности и соответствующих свойств.

7. Разработка алгоритма прогноза свойств сплава в зависимости от параметров микроструктуры, химического состава и параметров литья.

Научная новизна работы.

1. Установлены зависимости между теплофизическими свойствами, химическим составом сплава, технологическими режимами литья (температурный градиент G, скорость кристаллизации, R) и параметрами литой микроструктуры при высокоскоростной направленной кристаллизации.

2. Предложены классификация легирующих элементов по механизму влияния на переохлаждение сплава и коэффициент переохлаждения KTL, позволяющий оценить степень влияния элемента на процесс кристаллизации.

3. Установлены зависимости между теплофизическими свойствами, химическим составом сплава, технологическими режимами литья (температурный градиент, G, скорость кристаллизации, R) и параметрами литой микроструктуры при высокоскоростной направленной кристаллизации.

4. Разработана методика расчета скорости кристаллизации отливки при ВСНК, позволяющая управлять процессом погружения формы в расплав-теплоноситель для обеспечения заданной степени дисперсности микроструктуры.

5. Разработаны математические модели и алгоритм расчета режимов технологического процесса ВСНК в зависимости от требуемых параметров микроструктуры и эксплуатационных свойств отливки.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика расчета параметров технологического процесса направленной кристаллизации в зависимости от требуемых свойств отливки, параметров микроструктуры и химического состава сплава (отливки).

2. Разработаны номограммы, позволяющие в зависимости от требуемых свойств отливки, определить соответствующие параметры микроструктуры и в зависимости от параметров микроструктуры соответствующие режимы направленной кристаллизации.

Разработанные номограммы и математические модели опробованы на ОАО НПО «Сатурн» при производстве лопаток из жаропрочных сплавов ЖС26, ЖС32, АМ1, DS200.

Результаты работы в виде номограмм и методик определения режимов направленной кристаллизации отливок используются в учебном процессе на кафедре «Материаловедение, литье и сварка» РГАТА им. П.А.Соловьева в ряде изучаемых дисциплин, а также в курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности «Материаловедение и технология материалов и покрытий».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Основные факторы, влияющие на дисперсность микроструктуры сплавов, сформулированные на основании теоретического исследования процессов кристаллизации и экспериментального анализа литой микроструктуры отливок, полученных методами высокоскоростной направленной кристаллизации.

2. Разработанная методика расчета скорости кристаллизации отливки при высокоскоростной направленной кристаллизации, основанная на решении методом конечных разностей уравнения теплового баланса.

3. Предложенный алгоритм определения режимов высокоскоростной направленной кристаллизации в зависимости от параметров микроструктуры, химического состава сплава и требуемых эксплуатационных свойств.

Объектами исследования являлись жаропрочные никелевые сплавы, предназначенные для монокристаллитного литья ЖС26, ЖС32, ЖС40, ЖС47, Rene5, АМ1, DS200.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели применяли современный металлофизический комплекс исследований: оптическую и электронную микроскопию, спектральный и микрорентгеноспектральный анализ. Среди дополнительных методик исследования необходимо отметить: методы измерения температур расплава, методы оценки качества отливок, включающие рентгеновский и FPI контроль, методы определения механических свойств сплава, включая испытания на кратковременную и длительную прочность.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:

- XXIX Конференция молодых ученых и студентов, Рыбинск, 2005 г.;

- Международная школа-конференция «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинск, 2006 г.;

- Российская научно-техническая конференция «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях.

1. Основные методы и устройства, применяемые в производственных условиях для получения наиболее ответственных отливок ГТД, в частности рабочих турбинных лопаток

Рассмотрен процесс формирования макроструктуры и микроструктуры отливок, выявлено влияние технологических режимов направленной кристаллизации на макроструктуру и свойства отливок с монокристаллической и столбчатой структурой. В ходе анализа существующих методов литья с направленной кристаллизацией и результатов исследований установлено, что в основном рассматриваются вопросы получения заданной макроструктуры отливок и снижения брака по макроструктуре. При этом не учитываются параметры микроструктуры и отсутствуют исследования по вопросам влияния основных режимов направленной кристаллизации (температурный градиент G, и скорость кристаллизации R) на параметры литой микроструктуры. Существующие модели, описывающие зависимость параметров микроструктуры от технологических режимов направленной кристаллизации, не учитывают влияние химического состава сплава, разной степени влияния температурного градиента и скорости кристаллизации и не имеют широкого применения на производстве.

На основе анализа литературных данных сформулированы основная цель и задачи исследования.

2. Материалы и методика проводимых исследований

Исследования проводили на промышленных литейных жаропрочных никелевых сплавах, предназначенных для направленной кристаллизации и монокристаллического литья, которые в настоящее время широко применяются для изготовления рабочих лопаток турбины.

Отливки (лопатки и образцы) получали методом высокоскоростной направленной кристаллизации на установках УВНК-8, 9. Литейные формы получали по выплавляемым моделям. На установках в ходе затвердевания отливки фиксировали режимы направленной кристаллизации (температурный градиент, который изменялся в пределах от 50 до 80 град/см и скорость опускания формы, которая изменялась в интервале 5-20 мм/мин).

Готовые отливки и образцы проходили рентгеновский и люминесцентный контроль с целью выявления литейных дефектов, а затем травление на макроструктуру в реактиве Васильева. Отливки и образцы, признанные годными по микроструктуре без литейных дефектов, проходили травление на микроструктуру также в реактиве Васильева.

Размеры параметров микроструктуры: расстояние между осями дендрита л, размер эвтектической фазы dг/гґ определяли на микроскопе EPIPHOT 200.

Испытания образцов из сплава ЖС26 по 15 образцов от каждой плавки на длительную и кратковременную прочность проводили соответственно на испытательных машинах ВПК 11 и Р 5 в соответствие с ГОСТ 1497 - 84 и ГОСТ 10145-81. Статистическую обработку экспериментальных данных, корреляционный и регрессионный анализы проводили с использованием пакета «Statistica», версия 6.0.

3. Анализ влияния химического состава сплава и его теплофизических свойств (температурный интервал кристаллизации ДТ, температуры критических точек (TL; TS)) на склонность сплава к образованию крупнодисперсной структуры

Исследования проводили путем анализа существующих диаграмм состояния двойных систем «никель - легирующий элемент». Предварительно на основе анализа применяющихся в производственных условиях промышленных никелевых жаропрочных сплавов для монокристаллитного литья были выбраны диапазоны изменения содержания каждого легирующего элемента.

Затем были построены области диаграмм состояния двойных систем «никель - легирующий элемент», определены приблизительные температуры и концентрации легирующего элемента на границе диффузионного слоя в двойных системах.

С целью выявления влияния отдельного элемента в сплаве на степень дисперсности структуры (для элементов, понижающих температуру ликвидуса) был предложен коэффициент переохлаждения, КTL, (oC/процент), который показывает на сколько увеличится разность температуры ликвидус по высоте приграничного диффузионного слоя при увеличении содержания элемента в сплаве на 1%:

, (1)

где ДTL(Сmax) - разность температуры ликвидус по высоте приграничного диффузионного слоя для промышленного сплава с максимальной концентрацией легирующего элемента, оС; ДTL(Сmin) - разность температуры ликвидус по высоте приграничного диффузионного слоя для промышленного сплава с минимальной концентрацией легирующего элемента, оС; Сmax - максимальное содержание элемента в промышленном сплаве (из всех анализируемых сплавов), %; Cmin - минимальное содержание элемента в промышленном сплаве (из всех анализируемых сплавов), %.

Как показал сравнительный анализ процессов формирования структуры при направленной кристаллизации в двойных сплавах «Ni-5%Al» и «Ni-5%Ti» и градиентов температур ликвидус dTL/dx, создаваемых в приграничном диффузионном слое, с увеличением значения коэффициента переохлаждения КTL, склонность сплава к образованию крупнодендритной структуры возрастает. По диаграммам состояния двойных систем «никель - легирующий элемент» был проведен расчет коэффициента переохлаждения сплава КTL.

По результатам расчета все легирующие элементы, входящие в состав современных никелевых жаропрочных сплавов, были разделены на две группы, отличающиеся механизмом и степенью влияния на склонность сплава к образованию крупнодендритной структуры:

1. Группа элементов L1 - Al, Nb, Ti, Ta, С, В, Hf (kTL>1 0С/процент). Элементы данной группы способствуют образованию дендритного фронта роста с более крупнодисперсными параметрами микроструктуры (л, dг/г?) за счет повышения градиента температуры ликвидус (dTL/dx) по высоте приграничного диффузионного слоя.

2. Группа элементов L2 - Ta, Сr, W, Mo, Re (kTL<1 0С/процент). Элементы данной группы способствуют образованию дендритного фронта роста с более крупнодисперсными параметрами микроструктуры за счет замедления диффузионных процессов в твердо-жидкой зоне сплава.

Коэффициент переохлаждения KTL, на основе которого выделены группы элементов L2 и L1, связан с коэффициентами ликвации данных элементов: элементы с отрицательной ликвацией имеют коэффициент KTL<1 0С/процент, элементы с положительной ликвацией имеют коэффициент KTL>1 0С/процент.

Корреляционный анализ показал статистически значимую зависимость между легирующими элементами (суммарное содержание элементов групп L1 и L2), теплофизическими свойствами (ДТ, TL, TS) и параметрами литой микроструктуры (л, dг/г?). Результаты представлены в табл. 1.

Таким образом, появляется возможность прогнозировать параметры микроструктуры сплава в зависимости от химического состава сплава.

Таблица 1. Результаты корреляционного анализа

4. Анализ влияния технологических режимов высокоскоростной направленной кристаллизации (температурный градиент G, и скорость кристаллизации R) на параметры литой микроструктуры

Первоначально он проводился на характерном представителе никелевых жаропрочных сплавов Rene5. В ходе прямых натурных экспериментов величина температурного градиента изменялась в пределах от 40 до 200 град/см, а скорость кристаллизации от 2,5 мм/мин до 20 мм/мин. Параметры микроструктуры (л, dг/г?) определялись на электронном микроскопe EPIPHOT. Результаты измерения показали, что расстояние между осями дендрита л изменялось от 450 до 100 мкм, размер эвтектической г/г?-фазы - dг/г? изменялся от 50 до 10 мкм.

Результаты корреляционного анализа приведены в табл. 2. Обработка полученных экспериментальных результатов позволила получить регрессионные уравнения (2) и (3), описывающие зависимость междендритного расстояния л= f(G, R) и среднего размера частиц эвтектики г/г' dг/г? = f(G,R) от основных параметров литья.

Таблица 2. Результаты корреляционного анализа по группе технологических факторов направленной кристаллизации

; (2)

. (3)

крупнодисперсный кристаллизация теплофизический

Корреляционный и регрессионный анализы, проведенные по факторам G и R, показали:

- Температурный градиент G, создаваемый внешними факторами (теплоотводом от поверхности формы) на фронте роста отливки при ее охлаждении, является статистически значимым фактором, влияющим на размеры параметров микроструктуры монокристаллического сплава. Коэффициент корреляции в уравнениях «л-G», «dг/г? - G» более 0,9;

- Величина параметров литой микроструктуры с увеличением температурного градиента и скорости кристаллизации значительно уменьшается. Резкое измельчение структурных составляющих сплава наблюдается при G=60-150 оС/см;

- Скорость кристаллизации R является вторичным фактором и оказывает значительное влияние на параметры микроструктуры л и dг/гґ только при высоком температурном градиенте. Доказательством являются контурные графики, построенные по соответствующим регрессионным уравнениям, приведенные на рис.1. При низком температурном градиенте невозможно формирование отливки на высоких скоростях.

Таким образом, в данной главе установлена значимая статистическая связь между параметрами микроструктуры л и dг/гґ и технологическими режимами ВСНК (G и R).

Рис. 1. Контурный график (а) для прогноза расстояния между осями дендрита, л в зависимости от технологического режима и таблица технологических режимов (б).

5. Разработка методики расчета скорости затвердевания отливки при высокоскоростной направленной кристаллизации

Задача решалась с использованием метода конечных разностей, с этой целью отливка по высоте была разделена на ряд слоев высотой Дhi каждый. При допущении, что в пределах каждого слоя тело однородно, его физические свойства постоянны, температуры на границах слоев изменяются от tS до tL, было составлено балансовое уравнение вида:

ДQ1= ДQ2,

где ДQ1 - количество теплоты, которое выделяется в кристаллизующемся узле, Дж; ДQ2 - количество теплоты, которое отводится от кристаллизующегося слоя отливки, Дж;

Решение этого уравнения позволило получить формулы для расчета времени затвердевания произвольно-выбранного слоя отливки и скорости кристаллизации.

(4)

, (5)

где Дhi - толщина слоя отливки, м; Fi - площадь сечения выбранного слоя отливки, м2; Сэф - эффективная теплоемкость кристаллизующегося слоя отливки, Дж/кг*К; с - плотность жидкого металла отливки, кг/м3; L - толщина слоя «парогазовой рубашки», см; з - кинематическая вязкость паров алюминия, м2/с; Piф- периметр сечения формы выбранного слоя отливки, м; б - коэффициент теплоотдачи от литейной формы в теплоноситель (алюминий), Дж/м2*К; tф2 - температура наружной поверхности формы, оС; w - скорость погружения формы в расплав теплоносителя, м/с; dпрф - приведенный диаметр формы, м; а - коэффициент температуропроводности расплава-теплоносителя, м2/с. Значения коэффициента теплоотдачи на поверхности формы рассчитывались по уравнениям подобия.

Проведенные расчеты скорости кристаллизации показали, что в различных сечениях отливки при идентичных скоростях погружения формы в жидкометаллический охладитель, скорость продвижения фронта кристаллизации будет отличаться (рис.2), и, следовательно, скорость погружения формы должна быть переменной по высоте отливки, во избежание появления в пере лопатки «паразитных» зерен.

Рис. 2. Графическая интерпретация зависимости скорости кристаллизации от площади сечения отливки

Таким образом, разработанная методика расчета позволяет:

- рассчитать скорость погружения залитой литейной формы в расплавленный теплоноситель при ВСНК для отливок различной конфигурации;

- оценить скорость кристаллизации отливки, необходимую для обеспечения заданной дисперсности микроструктуры и заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств отливки.

В шестой главе приведен обобщенный анализ суммарного влияния технологических режимов высокоскоростной направленной кристаллизации (G, R); химического состава (суммарное содержание легирующих элементов групп L1 и L2) и теплофизических свойств сплава (ДT, (Ts+TL)) на параметры литой микроструктуры.

На основании обобщения собственных экспериментальных и производственных данных, результатов исследований, полученных другими авторами, были:

- получены регрессионные степенные уравнения, описывающие суммарное влияние приведенных выше факторов на параметры литой микроструктуры монокристаллической отливки:

; (6)

; (7)

; (8)

; (9)

- проведен анализ влияния параметров микроструктуры на эксплуатационные характеристики отливок (на примере сплава ЖС26), получены регрессионные уравнения:

; (10)

. (11)

Уравнения (6-9) адекватно описывают реальную зависимость в диапазоне значений факторов: G= 10 - 200 0С/см; R=5-20 мм/мин; L1=5-15%; L2=15-25%.

Уравнения (10-11) адекватно описывают реальную зависимость в диапазоне значений параметров микроструктуры: л=150-450 мкм; dг/г?=10-35 мкм.

Полученные уравнения позволили построить номограммы (рис 3, а, б) которые позволяют:

1. Подбирать параметры технологического процесса литья лопаток методом направленной кристаллизации в зависимости от требуемых параметров литой микроструктуры конкретного сплава.

2. Прогнозировать параметры литой микроструктуры жаропрочных никелевых сплавов при определенных режимах кристаллизации.

3. Корректировать химический состав разрабатываемых сплавов с целью получения литой микроструктуры с улучшенной морфологией и получения сплавов с более высокими эксплуатационными характеристиками.

4. Определять параметры литой микроструктуры сплава в зависимости от требуемых свойств, предъявляемых к отливке.

Рис. 3 - Номограммы для определения режима направленной кристаллизации в зависимости от предела кратковременной прочности и параметров микроструктуры.

Номограммы были опробованы на НПО «Сатурн» на сплавах АМ1 и DS200. Результаты контроля представлены на рис. 4.

Рис. 4. - Фотографии литой микроструктуры (а, б - х50; в- х100) сплава АМ1: а) перо лср=253 мкм; б,в) замок лср=253 мкм (диапазон от 230 до 280 мкм)

На основании проведенных исследований был разработан алгоритм решения задачи по выбору параметров литья с высокоскоростной направленной кристаллизацией для конкретного никелевого жаропрочного сплава с целью получения заданной дисперсности микроструктуры сплава и механических свойств. Схема решения задачи приведена на рис. 5.

Рис. 5. Алгоритм выбора режима кристаллизации отливки методом направленной кристаллизации с прогнозируемыми параметрами микроструктуры и свойствами

Заключение

1. На основании экспериментальных и теоретических исследований определены основные факторы (химический состав сплава (группы легирующих элементов L1 и L2)), теплофизические свойства (ДT, (Ts+TL)), технологические режимы направленной кристаллизации (G, R)), оказывающие непосредственное влияние на параметры литой микроструктуры (л и dг/гґ) отливок, получаемых методами высокоскоростной направленной кристаллизации. Доказано наличие корреляционной связи между указанными факторами, параметрами микроструктуры и механическими свойствами никелевых жаропрочных сплавов.

2. Получены математические модели, позволяющие прогнозировать параметры микроструктуры и свойства никелевых жаропрочных сплавов в зависимости от режимов кристаллизации и химического состава сплава на стадии технологической подготовки производства.

3. Разработана методика расчета скорости кристаллизации отливки, получаемой методом ВСНК, которая позволяет определить скорость погружения литейной формы в жидкометаллический охладитель для получения требуемой степени дисперсности литой микроструктуры изготавливаемой отливки.

4. Построены номограммы, позволяющие выбрать требуемые технологические параметры процесса высокоскоростной направленной кристаллизации отливок из различных жаропрочных никелевых сплавов в зависимости от требуемых свойств и параметров литой микроструктуры.

5. Разработан алгоритм определения режимов направленной кристаллизации в зависимости от параметров микроструктуры и эксплуатационных характеристик, предъявляемых к отливке.

Литература

1. М.В. Васильчук. Химический состав и свойства сплавов для направленной кристаллизации и монокристаллического литья [Текст]// М.В. Васильчук, А.А. Жуков. /Тез. докл. ХХIХ Конференции молодых ученых и студентов/Рыбинск, РГАТА.-2005, C- 146-147.

2. М.В. Васильчук. Исследование влияния технологических режимов на структуру и свойства жаропрочных сплавов при направленной кристаллизации отливок ГТД [Текст]// М.В. Васильчук, А.А. Жуков./ Материалы международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьева и В.Н. Кондратьева в 4 ч. - ч.4 - Рыбинск, РГАТА, 2006, C-108-112.

3. М.В. Васильчук. Влияние химического состава на условия формирования структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической и столбчатой структурой [Текст]// М.В. Васильчук, А.А. Шатульский//Заготовительные производства в машиностроении.- 2009. -№10 - C. 45-50.

4. М.В. Васильчук. Исследование влияния технологических режимов и химического состава на микроструктуру монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов при направленной кристаллизации [Текст]// М.В. Васильчук, А.А. Шатульский// Сборник материалов Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве». Рыбинск, 20-21.09 2007 г. C. 35-41.

Размещено на Allbest.ru