Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы синтеза жаропрочных сплавов
1.1 Анализ развития жаропрочных никелевых сплавов 19
1.2 Основные принципы и особенности легирования жаропрочных сплавов 30
1.3 Анализ методов, применяемых для синтеза сплавов 38
1.3.1 Методы компьютерного проектирования жаропрочных сплавов 43
1.3.2 Статистические методы, применяемые для разработки сплавов 52
1.4 Выводы по обзору литературных источников 86
1.5 Постановка задачи исследования. 88
1.6 Выводы 92
Глава 2. Синтез литейных жаропрочных никелевых сплавов методом пассивного эксперимента
2.1 Концептуальное проектирование БД по жаропрочным никелевым сплавам .94
2.1.1 Выбор архитектуры БД 95
2.1.2 Концептуальное проектирование и разработка структуры базы данных 98
2.1.3 Разработка ИПС и БД 101
2.2 Повышение информативности БД интерполяцией значений жаропрочности сплавов 106
2.3 Теоретические основы для статистического оценивания составов и свойств сплавов 121
2.3.1 Методы оценки закона распределения случайных величин 121
2.3.2 Основные положения метода информационной оценки резервов повышения жаропрочности 124
2.3.3 Постановка задачи оптимизации химического состава жаропрочного сплава 125
2.3.4 Методы решения задачи оптимизации сплава
2.4 Информационная оценка резервов повышения жаропрочности сплавов 130
2.5 Синтез жаропрочных никелевых сплавов с использованием методов ТРО 137
2.5.1 Особенности использования данных пассивного эксперимента 137
2.5.2 Критерии оценки качества модели . 139
2.5.3 Методы ТРО, применяемые для синтеза жаропрочных никелевых сплавов 141
2.5.3.1 Метод близости к лидеру ...141
2.5.3.2 Метод сфер 144
2.5.3.3 Метод пошаговой регрессии 152
2.5.3.4 Метод группового учета аргументов 155
2.5.3.5 Метод аппроксимации функции многочленом до 3-ей степени включительно 162
2.5.4 Выбор модели прогнозирования свойств сплава 183
2.5.5 Синтез состава жаропрочного сплава на основе никеля в ППП" Gradient" 183
2.5.5.1 Сравнительный анализ классического метода градиентного спуска с методом градиентного подъема в физически обоснованном направлении 184
2.5.5.2 Алгоритм работы и блок схема ППП "Gradient" 186
2.6 Выводы 189
Глава 3. Синтез состава сплава методом активного эксперимента
3.1 Теоретические положения упрочнения жаропрочных сплавов 194
3.2 Выбор легирующих элементов для жаропрочных никелевых сплавов 205
3.2.1 Обобщение и классификация диаграмм состояния 205
3.2.2 Классификация элементов по характеру взаимодействия с никелем 223
3.2.3 Выбор растворных, растворно-дисперсионных и межкристаллитных упрочнителей 225
3.3 Теоретические основы и оптимизация состава сплава методом активного эксперимента 243
3.3.1 Анализ влияния легирующих элементов на фазовый состав и жаропрочность никелевых сплавов 243
3.3.2 Построение математической зависимости влияния легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов 261
3.3.3 Определение допустимых интервалов содержания элементов в никелевых сплавах 281
3.3.4 Выбор пределов варьирования легирующих элементов для жаропрочных никелевых сплавов 289
3.3.5 Оптимизация состава сплава лопаточного сплава для ГТД 293
3.4 Выводы 309
Глава 4. Исследование свойств и структуры синтезированных сплавов
4.1 Методики исследований 313
4.1.1 Методика отливки образцов 315
4.1.2 Методика исследований механических свойств сплавов 318
4.1.3 Методика испытаний на длительную прочность 319
4.1.4 Методика исследований литейных свойств сплавов 320
4.1.5 Методика определения жаростойкости и коррозионной стойкости сплавов 325
4.1.6 Методика металлографических и электронно-микроскопических исследований 326
4.2 Исследование свойств синтезированных сплавов 329
4.2.1 Исследование рабочих свойств сплавов УГАТУ-1 и СЖС-2 329
4.2.2 Исследование литейных свойств сплавов УГАТУ-1 и СЖС-2 337
4.2.3 Исследование структуры сплавов 342
4.2.4 Анализ результатов исследования сплавов 354
4.3 Выводы 360
Глава 5 Производственное опробование и практические рекомендации
5.1 Технология выплавки сплавов и отливки образцов и деталей 362
5.2 Отработка технологических параметров литья лопаток из опытных сплавов .363
5.3 Исследование механических свойств и качества отливок 375
5.4 Отработка технологических параметров литья штампов из сплава ЖС95-ДУ 384
5.5 Производственные испытания штампов при штамповке лопаток 8-й ступени компрессора газотурбинного двигателя и исследование их механических свойств ...391
5.6 Технологические рекомендации по отливке штампов для ИЗШ 401
5.7 Технологические рекомендации по отливке сопловых и турбинных лопаток 405
Основные результаты и выводы 406
Литература 413
Акты внедрения 435
Приложения 454
- Статистические методы, применяемые для разработки сплавов
- Информационная оценка резервов повышения жаропрочности сплавов
- Выбор растворных, растворно-дисперсионных и межкристаллитных упрочнителей
- Исследование рабочих свойств сплавов УГАТУ-1 и СЖС-2
Введение к работе
іктуальность темы. Технический прогресс в области реактивного гателестроения зависит, прежде всего, от рабочих температур газовых турбин. >аметры работы турбин ограничиваются характеристиками жаропрочных «риалов, применяемых для лопаток. Лопатки изготовляются в основном из ейных жаропрочных никелевых сплавов. Сложность конфигурации лопаток, в таости наличие внутренних полостей, делает литье не только экономичным, и единственно возможным методом их получения. Кроме того, литые сплавы, тав которых не ограничивается условиями хорошей обрабатываемости при істической деформации, могут иметь более высокую степень легирования, а довательно, повышенную жаропрочность. В результате достигается их имущество в жаропрочности примерно на 45-60% по сравнению с юрмируемыми сплавами.
В настоящее время отечественная промышленность располагает широким ортиментом жаропрочных никелевых сплавов различного назначения, годясь по жаропрочности на уровне зарубежных сплавов, они оригинальны по таву и более экономичны.
Наиболее распространенные в отечественной практике авиационного отурбйностроения лопаточные сплавы имеют пределы 100-часовой ггельной прочности при 1000 С не более 160 и 180 МПа, а при 1050 С - 80-) МПа соответственно. Эти свойства уже не удовлетворяют современным ювиям эксплуатации турбинных двигателей в связи с требованиями ічительного увеличения ресурса и повышения рабочей температуры. Если в современных авиадвигателях вес жаропрочных сплавов составляет 40-Vo от веса турбины, то через 10-15 лет он должен составить 60-80%. По соторым прогнозам мощность двигателей за это время возрастет в 2-3 раза при гантельном росте рабочей температуры газовых турбин. Анализируя развитие жаропрочных сплавов, В.Симмонс и Г.Вагнер отмечают, > сделанный ранее прогноз в отношении применения тугоплавких металлов и тавов, а также дисперсно упрочняемых металлоокисных сплавов не оправдался, ;плавы на никелевой основе на ближайшие десятилетия останутся основными гериалами для газотурбинных двигателей.
В связи с этим повышение жаропрочности литейных никелевых сплавов для галей ГТД и ГТУ является одной из важнейших проблем в авиа- и «етостроении, судо- и танкостроении, энергомашиностроении и нефте-юдобывающей промышленности.
Исследованиями российских и зарубежных ученых А.А. Бочвара, У. ггериджа, М.В. Захарова, СТ. Кишкина, И.И. Корнилова, Г.В. Курдюмова, А. прела, И.Л. Миркина, НА. Одинга, К.А. Осипова, М.В. Приданцева, Е.М. вицкого, Р.У. Флойда, СБ. Масленкова, Р.Е. Шалина, И.Л. Светлова, Е.Б. чанова, В.Н. Толораия, В.В. Ртищева, Ч. Симса, В. Хагеля и др. разрешен ц важнейших теоретических и практических задач по различным проблемам
жаропрочности металлов и сплавов.
На современном этапе развития теории жаропрочности установлено, жаропрочность сплавов зависит от прочности межатомных связей, структу состояния границ зерен. Основным принципом создания литого сп обладающего высокой жаропрочностью, является принцип гетерогенні Решающая роль в достижении высокой жаропрочности принадлежит хараї взаимодействия сосуществующих фаз.
Выявленные принципы легирования жаропрочных сплавов пока не , конкретных количественных рекомендаций для выбора составов новых сплі В течение длительного времени эмпирический метод проб и ошибок (trials errors) был основным при разработке жаропрочных сплавов, однако он тре огромных средств на исходные материалы, дорогостоящее оборудован! проведение большого количества плавок. Эти затраты чаще всего не окупаї результатами поиска.
В связи с этим возникает необходимость в систематизации, обобщен] анализе многочисленных результатов исследований по проблеме cm жаропрочных сплавов и выработке новых подходов к прогнозированию сво сплава.
Поэтому разработка, развитие и совершенствование расче экспериментальных методов прогнозирования жаропрочных свойств ста опирающихся на возможность использования методов классичес металловедения, физики металлов и математического моделировг применения методов теории распознавания образов (ТРО), относятся к наиб приоритетным и актуальным научно-техническим проблемам машиностроенн
Исследования по теме диссертации проводились в рамках выполн хоздоговорных исследований и тематического плана госбюджетных ] Уфимского государственного авиационного технического универси: Теоретическая часть исследований выполнена при поддержке гра Минобразования России по фундаментальным проблемам металлургии t технологическим проблемам производства авиакосмической техники (1 2000гг.).
Цель работы Создание теоретических и технологических принципов син
литейных жаропрочных никелевых сплавов с высокими эксшгуатационн
свойствами с использованием методов активного и пассивного экспериментов
Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задг
разработка концепции и методики синтеза литейных жаропроч
никелевых сплавов, включающих решение следующих вопросов:
- создание тематической базы данных (БД) и информационно-поисю системы (ИПС), доступных в Internet, с развитыми и эффективными средсті предоставления систематизированных сведений о жаропрочных никеле сплавах по основным механическим, технологическим и эксплуатацион характеристикам;
*- разработку способа и компьютерной программы для повышения юрмативности базы данных, обеспечивающих максимальное спрямление зсции жаропрочности от температуры индивидуально для каждого сплава из
разработку метода и оценку резервов повышения жаропрочности сплавов іработкой малых объемов данных;
разработку методики выбора легирующих элементов для жаропрочных авов на основе никеля;
построение полиномиальных моделей влияния химического состава на юпрочность с использованием эвристических методов дискриминантного лиза, учитьшаюпшх характер обрабатываемой информации, где гистические свойства массива данных по жаропрочным сплавам неизвестны;
» разработка новых литейных жаропрочных никелевых сплавов и создание нологического процесса литья деталей из этих сплавов;
» исследование физико-механических и литейных свойств, фазового состава и уктуры новых сплавов (в зависимости от технологических параметров литья); » проведение промышленных испытаний и внедрение основных результатов оты в производство.
научная новизна
I. Разработаны концепция и методики синтеза литейных жаропрочных
orrpniLTV сгттаппта с wrrr4TTvanni*trcrPnf лл?*тптіг>та an-rsrairnrn w гтяггчтпилт
периментов.
I. Созданы теоретические и технологические принципы повышения
юпрочности литейных никелевых сплавов.
3. Разработана методика синтеза литейных жаропрочных сплавов с
юльзованием данных пассивного эксперимента, основанная на накопленной
формации о составе и свойствах разработанных и применяемых сплавов,
ючающая:
создание тематической БД и ИПС, доступных в Internet, с развитыми и
эффективными средствами представления систематизированных сведений о
жаропрочных никелевых сплавах по основным механическим,
технологическим и эксплуатационным характеристикам;
разработку способа и компьютерной программы повышения информативности
базы данных, обеспечивающих максимальное спрямление функции
жаропрочности от температуры индивидуально для каждого сплава из БД;
создание метода и реализующей его компьютерной программы для оценки
резервов повышения жаропрочности сплавов с использованием обработки
малых объемов данных;
построение полиномиальных моделей влияния химического состава на
жаропрочность с применением эвристических методов дискриминантного
анализа, учитывающих характер обрабатываемой информации, где
статистические свойства массива данных по жаропрочным сплаї неизвестны.
4. Разработана методика синтеза литейных жаропрочных никелевых сплаво
использованием активного эксперимента, основанная на необходимости ввод:
рассмотрение новых химических элементов в качестве легирующ
включающая:
разработку теоретических основ, методику и критерии выбора легируют элементов для жаропрочных никелевых сплавов с учетом особенное! условий их работы на базе всех элементов периодической систеї ДЛМенделеева;
разработку принципов прогнозирования параметров начальных участи двойных диаграмм состояния системы <ннкель-элемент>;
создание метода оценки пределов варьирования легирующих элементов допустимых интервалов их содержания в жаропрочных никелевых сплавах;
построение математической модели влияния легирующих элементов жаропрочность литейных сплавов и оптимизацию их составов.
5. Разработаны принципы и методика выбора легирующих элементов д
жаропрочных сплавов на основе никеля, основанные на учете типа и параметр
двойных диаграмм состояния сплавов системы <никель-элемент>.
6. Построены полиномиальные модели влияния химического состава
жаропрочность с применением нового подхода к моделироваш
слабоформализованной задачи синтеза питейных жаропрочных никелеві
сплавов, в рамках которого с определённым успехом преодолеваются основи
трудности обработки данных пассивного эксперимента: их часі
неопределённость, зашумлённость, малая информативность и значительн
размерность массива исходных данных. Выбор наилучших модел
осуществлялся по критерию регулярности, характеризующему
прогностические возможности. Адекватность моделей проверяла
непараметрическими методами, позволяющими устанавливать требуем}
точность прогнозирования жаропрочности.
7. Впервые разработана технология формирования и наполнения проблем*
ориентированных БД и создана тематическая БД по жаропрочным никелеві
сплавам, в процессе создания которой было осуществлено концептуальн
проектирование и разработана нормализованная структура на основе реляционн
модели данных, что позволило реализовать на ее основе ИПС с развиты!
активными средствами представления систематизированных сведений
жаропрочных никелевых сплавах по основным механическим, технологическим
эксплуатационным характеристикам, доступную в Internet.
Разработаны способы, алгоритмы и реализующие их компьютерш программы повышения информативности базы данных и оценки резерв повышения жаропрочности сплавов.
8. Впервые получены данные о физико-механических и литейных свойстве
фазовом составе и структуре новых сплавов. Установлены закономерное
іуктурньк превращений и распределения легирующих элементов в литых ропрочных никелевых сплавах при кристаллизации в зависимости от кШческого состава и условий охлаждения отливки.
Достоверность полученных результатов обосновывается:
применением основных теоретических положений жаропрочности, физического металловедения и термодинамики, теории оптимизации систем, теории вероятности и математической статистики, теории распознавания образов (ТРО);
сравнением полученных результатов с результатами аналогичных или близких постановок и решений отечественных и зарубежных авторов;
экспериментальными исследованиями фазового состава, структуры, свойств и оценкой качества отливок, полученных на современном оборудовании, статистической обработкой результатов и сопоставлением их с данными
Основное практическое значение результатов состоит в следующем:
» разработаны теоретические и технологические ігргшциіш повышения
ропрочности, концепция и методики синтеза, на основе которых рассчитаны
шіческие составы новых многокомпонентных сплавов с использованием
;сивного эксперимента - УГАТУ-1, УГАТУ-2 и др., с использованием
гнвного эксперимента — СЖСК-1, СЖС-2, ЖСИ95-ДУ и др., обладающие
сокими физико-механическими и литейными свойствами и структурной
ібильяостью;
» созданы методики синтеза литейных жаропрочных никелевых сплавов с
пользованием методов активного и пассивного экспериментов, позволившие в
>' раз сократить сроки создания новых многокомпонентных сплавов, снизить в
50 раз трудозатраты, сэкономить в 10-20 раз дефицитные и дорогостоящие
гериалы по сравнению с существующими методами;
выработаны новые теоретические положения синтеза литейных
ропрочных никелевых сплавов, позволившие создать методический и
«пьютерно-программный комплекс, разработать математическую модель
аяния легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов и на их
нове получить новые сплавы для деталей ГТД, штампов ИЗШ и бурового
струмента, имеющие более высокие эксплуатационные свойства и
шологичность;
» впервые создан тематический банк данных, где представлены
:тематизированные сведения о жаропрочных никелевых сплавах по основным
паническим, технологическим и эксшгуатационньщ характеристикам;
фаботана структура базы данных (БД) и алгоритмы информационно-поисковой
зтемы (ИПС); осуществлена программная реачизация БД и ИПС, которые могут
пользоваться в качестве электронного справочника и являются необходимой
аовой для разработки математических моделей жаропрочных никелевых
сплавов;
предложены новые легирующие элементы и ряд межкристаллит]
упрочнителей для жаропрочных никелевых сплавов;
разработан высокоэкономичный технологический процесс литья лопате готовым газовым трактом в термостойкую оболочковую форму, который с основой отраслевого директивного процесса литья лопаток (дета авиадвигателей), внедренный в производство на серий двигателестроительных предприятиях;
разработаны технологические процессы плавки сплавов и технологии лв лопаток ГТД и ГТУ, штампового и бурового инструмента из новых сплавов.
Новизна и значимость технических решений подтверждаются авторею свидетельствами, патентами на изобретения и публикациями.
Практическая реализация работы
1. Износостойкий штамповый сплав ЖС95-ДУ (патент №2130088) ,
изотермической штамповки при температурах 950-975С, упрочнеш
тугоплавкими дисперсными соединениями, внедрен в Открытом акционер!
обществе Уфимского моторостроительного производственного обьединеї
(ОАО УМПО), что позволило повысить стойкость штампа при штампо
лопаток 8-й ступени компрессора ГТД в 2 раза.
-
Износостойкий сплав СЖСИ-1 (а.с.№396077) для бурового инструме: внедрен на предприятиях нефтегазодобывающей промышленности (3. "Удмуртнефть-Бурение"), позволил повысить межремонтный срок сяуж турбобуров в среднем в 2,2 раза; за счет этого достигнуты сокращение затрат обслуживание и ремонт забойных двигателей и увеличение рейсовой скорої бурения скважин в среднем на 35 %.
-
Высокоэкономичный технологический процесс литья лопаток с готов газовым трактом в термостойкую оболочковую форму стал основой отраслев* директивного процесса литья лопаток (деталей авиадвигателей), который внед] в ОАО УМПО.
-
Технологические процессы : плавки и технологии литья лопаток ГТД и Г из сплавов УГАТУ-1 и СЖС-2; получения сплава жидкофазньш методом технология литья шталшового инструмента ИЗШ из сплава ЖС95-ДУ; получи сплава способом плакирования порошков и технология литья бурові инструмента из сплава СЖСИ-1 внедрены в ОАО УМПО.
-
Тематическая БД по жаропрочным никелевым сплавам и рабочая вер( ИПС внедрены в ОАО УМПО, в БРЦ НИТ (УГАТУ), ОАО НИИТ (г. Уфа).
6. Теоретические и практические результаты исследований внедрены
учебный процесс Уфимского государственного авиационного технически
университета в новых учебных дисциплинах:
"Теоретические основы синтеза сплавов", для магистров по направлен 551800 "Технологические машины и оборудование" по программе 551? "Машины и технология литейного производства";
"Синтез литейных сплавов" для подготовки бакалавров по направлению
551800 "Технологические машины и оборудование" со специализацией 120300
"Машины и технология литейного производства"; 'Технология литья деталей авиадвигателей" для подготовки студентов по
специальности 120300 "Машины и технология литейного производства".
По результатам исследований изданы учебное пособие "Синтез сплавов І.Фи-ико-химические методы оптимизации состава сплавов" для тудентов,магистрантов и аспирантов и методические указания к лабораторным іаботам по дисциплине "Синтез литейных сплавов" на базе программного ;омплекса "ALLOYS" для студентов специальности 120300;.
На защиту выносятся:
1. Концепция синтеза литейных жаропрочных никелевых сплавов с исполъ-эванием методов активного и пассивного экспериментов.
штейных никелевых сплавов. 3. Методика синтеза литейных жаропрочных сплавов с использованием данных
ассивного эксперимента, основаїшая на накопленной информации о составе и
войствах разработанных и применяемых сплавов, включающая: создание тематической БД и РШС, доступных в Internet, с развитыми и эффективными средствами представления систематизированных сведений о жаропрочных никелевых сплавах по основным механическим, технологическим и эксплуатационным характеристикам; разработку способа и компьютерной программы повышения информативности базы данных, обеспечивающих максимальное спрямление функции жаропрочности от температуры индивидуально для каждого сплава из БД;
создание метода и реализующей его компьютерной программы для оценки резервов повышения жаропрочности сплавов с использованием обработки малых объемов данных;
' построение полиномиальных моделей влияния химического состава на жаропрочность с применением эвристических методов дискриминантного анализа, учитывающих характер обрабатываемой информации, где статистические свойстза массива данных по жаропрочным сплавам неизвестны. 4.Методика синтеза литейных жаропрочных никелевых сплавов с использова-
шем активного эксперимента, основанная на необходимости ввода в
зассмотрение новых химических элементов в качестве легирующих,
источающая:
разработку теоретических основ, методику и критерии выбора легирующих элементов для жаропрочных никелевых сплавов с учетом особенностей условий их работы на базе всех элементов периодической системы Д.И. Менделеева;
разработку методики прогнозирования параметров начальных участь двойных диаграмм состояния системы <никель-элемент>;
создание метода оценки пределов варьирования легирующих элементов допустимых интервалов их содержания в жаропрочных никелевых сплавах;
построение математической модели влияния легирующих элементов жаропрочность литейных сплавов и оптимизацию их составов.
5. Технология формирования и наполнения проблемно-ориентированных БД тематическая БД по жаропрочным никелевым сплавам, в процессе создан которой было осуществлено концептуальное проектирование и разработа нормализованная структура на основе реляционной модели данных, ч позволило реализовать на ее основе ИПС с развитыми и эффективны: средствами представления систематизированных сведений о жаропрочн: никелевых сплавах по основным механическим, технологическим эксплуатационным характеристикам, доступную в Internet.
Способы, алгоритмы и реализующие их компьютерные программы повышен информативности базы данных и оценки резервов повышения жаропрочное сплавов.
-
Методика выбора, основанная на учете типа и параметров двойных диаграл состояния сплавов системы <никель-элемент> и новые легирующне элементы р жаропрочных сплавов на основе никеля.
-
Результаты комплексных исследований физико-механических и литейных свойств, фазового состава и структуры новых литейных жаропрочных никелеві сплавов в зависимости от химического состава и условий охлаждения отливки.
-
Технологические процессы: плавки и технологии литья лопаток ГТД и П из сплавов УГАТУ-1 и СЖС-2, получения сплава жидкофазным методом технология литья штампового инструмента ИЗШ из сплава ЖС95-ДУ, получен сплава способом плакирования порошков и технология литья бурове инструмента из сплава СЖСИ-І.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены научных конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: I и П Всесоюзн научно-технической конференции "Сверхпластичность металлов" (г. Моею 1976, 1981), I и II Республиканской научно-технической конференциях "Пу повышения качества и экономичности литейных процессов (г. Одесса, 19І 1990), втором Международном Российско-китайском симпозиуме астронавтике и технике (г. Самара, 1992), Всероссийской научно-техническ конференции "Оптимизация технологических процессов и управление качеств* при производстве фасонных отливок (г. Ярославль, 1993), Международні научно-техническом симпозиуме "Наукоемкие технологии и проблемы внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальне Востока (г. Комсомольск-на-Амуре, 1994), Всероссийской научно-методическ конференции "Проблемы создания национальной академической системы і данных и баз знаний" (г. Уфа, 1995), Российской межвузовской научі:
жначеской конференции "Фундаментальные проблемы металлургии" (г. Екате-шбург, 1995), Российской межвузовской научно-технической конференции їовьіе технологии" (г. Владимир, 1995), Всероссийской конференции >гечественная авиация и космонавтика в прошлом, настоящем и будущем" . Уфа, 1996), Всероссийской научно-технической конференции "Новые атериады и технологии" (г. Москва, 1997), Всероссийской научно-практической шференции "Прогрессивные технологии в литейном производстве" (г.Екате-шбург, 1997), I Международной научно-технической конференции "Актуальные зоблемы химии и химической технологии" (г. Иваново, 1997), Всероссийской іучно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы, эорудование и экологические аспекты в литейном производстве (г. Пенза, 1997), [еждународной научно-технической конференции "Прогрессивная техника и :хнология машиностроения, приборостроения и сварочного производства" . Киев, 1998), Всероссийской научно-технической конференции "Новые
ятрттагпл ы TPYwrmwrn*" /V \Лпгітя 1 ООїЛ К^-ж-тто'ШЗОЯРОЙ в"он{ЪАПРГТ"ТТ
Совершенствование литейных процессов" (г. Екатеринбург, 1999). Экспонировались на Международных и Всероссийских выставках изделия тампового и бурового инструмента из новых сплавов, информационно-зисковая система по жаропрочным никелевым сплавам, программные продукты база данных: в Болгарии - 1989 г., ФРГ - 1990 г., России (г. Уфа) - 1993 г., зссии (г. Москва) - 1995 г., России (г. Уфа) - 1995 г., Аргентине - 1996 г.,
л~,-тт,» /V. \Л*чпЛ 1QQ/7 г D„„„rm fv ТТа.,г,/Л 1Г1О0 г Т>„~« /- \ГА,~\ _ 1 <\С\П г ЗССіїИ ^Г. j *$»*) — lJJi і , і vwmj-і \Г. 4iwcu?u/ — ijs\j і ., x uCCrzzi ^i. j 4*a/ — ІУ^У Г.,
фмании -1999 г.
Публикации, По теме диссертации издано учебное пособие и опубликовано злее 120 работ. Основное содержание диссертации опубликовано в 63 научных >удах, в том числе получены 22 патента и авторских свидетельства на юбретения. Кроме того, материалы диссертации приведены в отчётах по НИР и іантам, выполненным при участии и под руководством автора.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пи глав, выводов, списка литературных источников. Общий объем работы 455 раниц, в том числе 388 страниц машинописного текста, 145 рисунков, 51 іблица, 376 наименований списка литературы. В приложении представлены жументы, подтверждающие использование и внедрение полученных зультатов исследований, разработанный технологический процесс и )мпьютерные программы. Суммарный экономический эффект от внедрения зультатов диссертационной работы составляет 7 585 000 рублей (в ценах >99г.).
Статистические методы, применяемые для разработки сплавов
Статистический подход к распознаванию образов можно использовать в тех случаях, когда имеющихся сведений недостаточно для описания образов или классов, которые, возможно, содержатся в рассматриваемом наборе данных.
В таких обстоятельствах выходом из положения может оказаться применение статистических методов для анализа, что позволяет использовать всю имеющуюся априорную информацию. Иногда необходимо провести и проанализировать новые наблюдения. Представление этих данных на статистическом языке (в виде, например, плотностей распределения, вероятностей) иногда оказывается чрезвычайно затруднительным. Если эти трудности не удается преодолеть удовлетворительным образом, то можно воспользоваться многошаговой процедурой, при реализации которой попеременно используются статистический, "физический" и эвристический подходы. В данном обзоре кратко остановимся на различных аспектах статистических методов распознавания. Более подробные сведения можно найти в монографиях [1.86, 1.89, 1.90] и обзорах [1.91, 1.104].
Исходным материалом для применения статистической процедуры служит некоторый набор объектов, каждый из которых задается некоторым набором значений признаков. Необходимы априорные сведения, касающиеся возможных плотностей распределения значений признаков, адекватности признаков и т.д. При статистическом подходе совершенно безразлично, являются ли объекты распознавания реальными физическими объектами либо такими "нефизическими" категориями, как "социальное поведение" или "экономический прогресс", если все они допускают единообразное представление через признаки.
Для построения количественных моделей влияния легирующих элементов на жаропрочность необходимо наличие статистического материала. В настоящее время накоплено достаточно информации по известным жаропрочным никелевым сплавам. Для обеспечения возможности обработки этой информации математическими методами была разработана тематическая реляционная база данных (БД) по жаропрочным никелевым сплавам [1.105-1.108], содержащая значения концентраций составляющих сплав химических элементов, значения 100-и 1000- часовой жаропрочности для известных значений рабочих температур, а также некоторую дополнительную информацию. Доступ к БД обеспечивается средствами разработанной для этого информационно-поисковой системы (ИПС).
Перед рассмотрением существующих математических методов с позиции их применимости для анализа влияния состава сплавов на жаропрочность, а также для решения задачи синтеза новых жаропрочных никелевых сплавов, необходимо определить смысл некоторых математических терминов в контексте сформулированной задачи.
Математическая обработка информации подразумевает наличие массива исходных данных, получение которого при наличии БД производится через запрос к ИПС. Исходные данные представляют собой сведения о химическом составе жаропрочных сплавов, т.е. наблюдения {Х\ Х2 — Хт)і где ХІ (Xi\- Xi2- — Xin)- п число рассматриваемых характеристик свойств, т.е. компонентов сплава. Каждому из ХІ соответствует значение целевой функции-100- или 1000- часовой жаропрочности (Y\ Y2 — Ym) ПРИ заданной температуре. Каждый объект (промышленный сплав) описывается набором признаков (факторов)-показателей, т.е. имеется ряд многомерных случайных величин, под которыми понимается набор количественных признаков определенного физического смысла. Массив исходных данных представляется в виде матрицы (m n), где m - число объектов-сплавов, п - число признаков-компонентов, характеризующих значения концентраций химических элементов, составляющих сплав, сумма которых (по строкам) составляет 100%:
Рассмотрим достоинства и недостатки известных математических методов с точки зрения их применимости и эффективности в решении задачи синтеза новых многокомпонентных жаропрочных никелевых сплавов.
Наиболее широко распространенным статистическим методом является регрессионный анализ [1.109-1.111]. Благодаря регрессионному анализу (РА) возможны построение математической модели и статистический анализ результатов. В первом случае прибегают к методу наименьших квадратов (МНК) [1.112]. В предположении независимости наблюдений, равенства их дисперсий и нормального закона распределения случайного возмущения значений отклика для адекватной регрессионной модели МНК- оценки ее параметров не смещены, состоятельны и эффективны (имеют минимальные дисперсии) в классе всех возможных оценок [1.110].
Для решения задачи синтеза новых жаропрочных никелевых сплавов применение РА заключается в построении адекватной математической модели влияния легирующих элементов на жаропрочность, в результате чего появляется возможность для предъявляемого на вход состава сплава по модели рассчитывать прогнозируемое значение жаропрочности [1.84]. Трудности применения РА для поставленной задачи заключаются в необходимости разрешения ряда проблем. Во-первых, многофазная структура и сложный характер легирования в жаропрочных никелевых сплавах [1.95, 1.96, 1.113] определяют неизбежность неоднородности данных, а также взаимозависимости признаков в массиве исходных данных, выражающейся в явлении мультиколлинеарности, имеющей весьма отрицательные последствия для оценивания регрессионных коэффициентов, такие как неустойчивость получаемых оценок, численная неустойчивость процедуры оценивания, резкое увеличичение дисперсии оценок коэффициентов модели, сильная коррелированность коэффициентов модели и некоторые другие [1.110, 1.114]. Если данную проблему можно разрешить, например, методами ортогонализации признакового пространства [1.110, 1.115-1.118], то вторая проблема заключается в выборе в соответствии с поставленной задачей подходящего вида математической модели [1.119].
Применение таких распространенных методов, как метод всех возможных регрессий, шаговый метод, метод исключения, метод предсказания сумм квадратов, а также некоторых других [1.109, 1.116], затруднительно как из-за высокой размерности признакового пространства, определящей сложности переборного и вычислительного характера, так и из-за отсутствия формализованного критерия для выбора одной единственной модели, обладающей наилучшими прогностическими характеристиками, в отличие от используемого в них критерия минимума среднеквадратичной ошибки.
В силу выше перечисленного, для решения задачи синтеза новых жаропрочных никелевых сплавов применение традиционных приемов регрессионного анализа при нахождении наилучших математических моделей нецелесообразно.
Информационная оценка резервов повышения жаропрочности сплавов
Для оценки резервов повышения жаропрочности сплавов требуется оценить вид и параметры закона распределения параметра оптимизации - значений рабочей температуры жаропрочных сплавов для известной длительной прочности. В табл. 2.8 приведены марки сплавов и значения рабочей температуры для 100-часовой длительной прочности при 189 МПа, полученные ранее сплайн-интерполяцией в оптимальных для каждого сплава шкалах. Выбор значения 189 МПа обусловлен тем, что это максимальное значение 100-часовой жаропрочности при 1000С в БД.
Разработана программа, позволяющая в автоматическом режиме производить оценку параметров функции (2.26), а также осуществлять ряд предварительных и заключительных действий, которые будут описаны ниже.
Отдельный вопрос выбор левой и правой границ интервала возможных значений а и Ь. Вполне приемлемым является предположение о симметричности расположения «хвостов» плотности распределения значений предельной рабочей температуры, в соответствии с которым границы вычисляются следующим образом: a=v-3,5 o, b=v+3,5 c. Построенное с такими параметрами распределение вероятностей будет иметь вид, максимально приближенный к виду нормального распределения вероятностей [2.49]. Однако, в нашем случае, наиболее разумным является асимметричный выбор границ а и b пропорционально расстояниям (v-mi) и (ma-v), где mi и та, соответственно, минимальное и максимальное значения рабочих температур у сплавов из табл.2.8. Ассиметричный выбор границ айв позволяет учитывать специфику представлений информации в БД по жаропрочным сплавам.
После установления левой а=795.93 и правой Ь=1070.59 границ используется итеративный сходящийся алгоритм оценки коэффициентов функции плотности распределения (2.21), основанный на использовании метода симплекс-планирования путем решения системы уравнений (2.19), (2.20). В качестве метода интегрирования применяется адаптивный метод, основанный на формулах Ньютона-Котеса 8 порядка [2.25].
В итоге, для сплавов из табл. 2.8 получены следующие оценки параметров функции плотности распределения (2.21): А0 = -11.85530697993, Ai = 0.09665730406, А2 = -0.00032159608.
В табл. 2.9 приведены табулированные значения оценок как функции плотности распределения/ ) (2.26) с рассчитанными выше параметрами Ао, А і и Аг, так и функции распределения вероятностей F(x), выражающейся через функцию плотности распределения/(Зс).
Проведенное исследование показывает, что для разных групп сплавов при различных значениях длительной прочности эта вероятность находится в пределах 0,5-0,15 [2.50]. Пример такой оценки представлен на рис. 2.19.
На рис. 2.19 приведена функция распределения вероятностей (2.27) для сплавов из табл. 2.8, табулированные значения которой приведены в табл. 2.9. По оси ординат отложены значения функции распределения F(x)=P(a X x), соответствующие значениям х предельной рабочей температуры. Для максимального значения рабочей температуры хм = 1000С из табл. 2.8 значение F( M) рассчитывается по формулам (2.26) и (2.27), что продемонстрировано на рисунке: откладывается вертикальный отрезок от оси абсцисс до точки пересечения с кривой F(x), а от точки пересечения с F(x) - горизонтальный отрезок до точки пересечения с осью ординат. Для установления точности и надежности получаемых оценок вероятностей необходимо также и интервальное оценивание. Для решения этой задачи разработана методика, позволяющая для любого х є [а, Ь] определить границы доверительного интервала, в котором с заданной доверительной вероятностью.
Границы доверительной области определяются как огибающие полученного семейства кривых.
Пример построения доверительной области для функции распределения предоставлен на рис.2.20.
Выводы по приведенному графику: с вероятностью 0,99 полученный доверительный интервал [0,0268, 0,1716] в действительности будет содержать сплавы, значения рабочих температур которых для 100-часовой длительной прочности при напряжении 189 МПа будут превышать имеющиеся в табл. 2.8
Выбор растворных, растворно-дисперсионных и межкристаллитных упрочнителей
Следующим этапом в выборе элементов, которые могут оказать полезное влияние на механические свойства сплава, является построение диаграммы растворимость - коэффициент распределения (рис. 3.14а). Элементы, расположенные в 1 и 2 участках рис.3.14 (Со, Си, Rh, Pd, Jr, Pt, Au, Mn, Fe, Cr, Ru, V, Tc, Mo, Os, Ga) могут служить легирующими добавками, упрочняющими матрицу никелевых сплавов.
Коэффициент распределения этих элементов 0,8; растворимость 10 ат %. Эти участки приведены на рис.3.146 в более крупном масштабе. Упрочнение никеля элементами 1-го участка возможно только за счет образования твердых растворов, элементы 2-го участка могут проявлять растворный и дисперсионный механизм упрочнения. В никелевых сплавах со специальными свойствами возможно использование элементов - добавок участка 2а, который выделен на диаграмме (рис.3.146) пунктирной линией. В 3-ем участке находятся нейтральные (пассивные к упрочнению никеля) элементы. Элементы, находящиеся в 4-ом участке, при кристаллизации никелевых сплавов распределяются, в основном, по границам зерен и в зависимости от их состояния являются упрочните-лями границ или же вредными примесями. Для синтеза жаропрочных никелевых сплавов должен быть выбран лучший комплекс из элементов первых трех участков.
На рис.3.15 проведено отсеивание элементов - добавок, образующих с никелем легкоплавкие превращения. По вертикальной оси отложена температура эвтектического или перитектического превращения элемента - добавки и никеля. К легкоплавким отнесены соединения или превращения, имеющие температуру плавления или разложения ниже предполагаемой рабочей температуры сплава. На рис.3.15 эта температура обозначена линией АВ и соответствует 1000 С. Элементы, расположенные ниже этой линии, являются вредными примесями (участок 3). Эффект разупрочнения никелевых сплавов указанными элементами при рабочих температурах будет тем больше, чем ниже температура их превращения и меньше предельная растворимость. Линия СД на рис.3.15 соответствует предполагаемой температуре солидуса синтезируемых сплавов. Принимая во внимание, что сплавы должны работать при температуре 1000 С, которая может составить 0,7 - 0,9 Тс [3.27, 3.28], температура их солидуса должна находиться на уровне не ниже 1270 С.
Поэтому элементы 2-го участка, температура превращения которых ниже 1270 С, также не могут быть применены как упрочняющие добавки для данной группы сплавов. Выше этих линий на участках 1 и 1 а располагаются элементы: Со, Fe, Pd, Rh, Jr, Os, Ru, Re, W, Al, Тс, Та, Ті, Nb, Mo, Cr, которые не образуют легкоплавких превращений с никелем.
Выбор легирующих элементов, образующих упрочняющие фазы на основе интерметаллидов никеля, приведен на рис.3.17. Влияние интерметаллидных фаз на прочность и жаропрочность сплавов зависит от условий их образования и структурного состояния, типа и параметров кристаллической решетки интерме-таллидного соединения. Важным критерием, определяющим предел текучести сплавов, является объемная доля интерметаллидных фаз. Выделения избыточных фаз тесно связаны с границами растворимости легирующих элементов на диаграммах состояния. Для характеристики изменения растворимости интерме-таллидного соединения в зависимости от температуры использован коэффициент растворимости ф, представляющий собой отношение (рис.3.17) предельной растворимости элемента-добавки в твердой фазе (при температуре превращения) к растворимости при комнатной температуре:
Ф=РА/РС; (3.25)
Коэффициент растворимости ф характеризует объем выделения упрочняющих фаз,который может выделиться из пересыщенного раствора:
ФІ=РА/РЕ; (3.26)
Ф2=РЕ/Рс; (3.27) где фі- характеризует объем выделения упрочняющих фаз ф2- характеризует стабильность фаз выделения,
Как следует из формулы (3.25) и рис.3.17, чем меньше значение коэффициента ф, тем больший объем интерметаллидной фазы выделяется при охлажде ний сплава.
Вследствие того, что по температуре плавления можно приближенно оценить силы межатомной связи соединения, отбор интерметаллидных упрочните-лей при структурном соответствии кристаллических решеток матрицы и ин-терметаллидного соединения может быть произведен по их температуре плавления (или разложения) и коэффициенту растворимости ф (рис.3.17). Из рис.3.17 следует, что наиболее эффективными интерметаллидными упрочните-лями для никелевых сплавов могут быть Ni3Al, Ni3Ti, Ni3Nb, Ni3Ta и Ni3Be. Наиболее удачными следует признать такие гетерогенные сплавы, в процессе охлаждения которых при температурах выше рабочей происходит значительное изменение растворимости упрочняющих фаз (рис.3.16, фі), а при более низких температурах растворимость их изменяется незначительно (рис.3.16, ф2).
В процессе эксплуатации жаропрочных сплавов из-за местных перепадов температуры в объеме изделия, что практически всегда имеет место, в нагретых участках происходит интенсивное растворение, а в участках с пониженной температурой - интенсивное выделение интерметаллидных фаз. Это приводит к местным перепадам концентраций в твердом растворе, а следовательно, и к усилению диффузии. При этом создаются условия для ускоренного процесса коагуляции и растворения выделившихся частиц, что приводит к разупрочнению сплава.
Следовательно, в области рабочих температур для стабилизации количества фаз выделения интерметаллидные соединения должны иметь мало меняющуюся с температурой растворимость (фі), выше - резко возрастающую растворимость (ф2), что необходимо для большего обьема выделения фаз.
Данные табл. 3.1 показывают, что при температурах, превышающих рабочие, по уменьшению обьема фаз выделения, элементы могут быть расположены в следующий ряд: А1, Та, Nb, Ті, Be. При принятом рабочем интервале температур 950-1050 С Be не может быть использован как дисперсионный упрочни-тель вследствие малого объема выделяющейся избыточной фазы (фі = 0,906).
Высокотемпературная жаропрочность сплавов определяется свойствами не только кристаллитов, которые могут быть упрочнены в результате сложного легирования и дисперсных выделений тугоплавких фаз, но и границ зерен, где могут сосредотачиваться легкоплавкие примеси в свободном виде и в виде легкоплавких эвтектик или перитектик. Как следует из рис.3.15, особо вредными примесями с этой точки зрения являются S, Bi, Pb, Se, Sr, Те, Hg, Cd, Р, As, In. Кроме того, в сплавах должно быть ограничено содержание В, Mg, Со, Zr, Sb, Sn, Ge, Be, Si, Ga, Hf, Zn, Mn, Cu.
В никелевых сплавах совместно с исходной шихтой и в процессе плавки возможно попадание Pb, S, Р, Si, Mn, Fe. Эти элементы могут образовывать легкоплавкие превращения и соединения друг с другом и с легирующими компонентами никелевых сплавов.
Ослабить вредное влияние этих примесей можно введением в сплав присадок, связывающих их в тугоплавкие, термодинамически устойчивые соединения. При взаимодействии элементов в жидком состоянии происходит перераспределение примесей в соответствии с химическим сродством металла к примеси. Степень химического сродства определяется величиной свободной энергии образования соответствующих соединений. На рис.3.18-3.23 приводится отбор таких присадок по температуре плавления соединений и теплотами их образования. Граница стойкости тугоплавких соединений определялась по теплоте образования наиболее устойчивого легкоплавкого соединения.
Исследование рабочих свойств сплавов УГАТУ-1 и СЖС-2
Испытания кратковременной прочности опытного сплава проводились при температурах 20, 800, 900, 975, 1000, 1050 С. Определялись предел прочности ств, условный предел текучести о о,2, относительное удлинение 5 и сжатие \/. Для сравнения параллельно исследовались механические свойства сплава ЖС6-К. Химический состав плавок и результаты испытаний представлены в табл. 4.2 и 4.3. Средние показатели механических свойств исследованных сплавов в зависимости от температуры испытания приведены на рис.4.7, 4.8. Из рассмотрения табличных и графических данных следует, что с повышением температуры испытания прочностные свойства сплавов снижаются и особенно интенсивно после 1000 С. При 1050 С по сравнению со свойствами при нормальной температуре составляет 38,0; 48,5 и 29,6 % соответственно для сплавов УГАТУ-1, СЖС-2 и ЖС6-К. Наибольший предел прочности при комнатной температуре имеет сплав ЖС6-К, наименьший СЖС-2. При повышенных температурах ( 800 С) наибольшее значение прочности показывает сплав СЖС-2, имеющий наиболее высокую температуру плавления (tc=1349 С). Наименее прочным оказался сплав ЖС6-К (tc=1326 С). Сплав УГАТУ-1 (tc = 1341 С) по прочности занимает промежуточное положение.
Пластические свойства сплавов близки по значению и с повышением температуры испытания до 1000 С изменяются незначительно. Дальнейшее повышение температуры влечет за собой увеличение пластичности, особенно резкое для сплава УГАТУ-1 и ЖС6-К. Длительная прочность сплавов УГАТУ-1 и СЖС-2 и ЖС6-К исследовалась при температурах 800, 900, 975С. Результаты испытаний представлены в табл. 4.4.
На рис. 4.9 приведена логарифмическая зависимость времени до разрушения от напряжения. Из графиков следует, что кривые длительной прочности в логарифмических координатах "напряжение-время" хорошо аппроксимируются прямыми линиями. Эти прямые, характеризующие средние значения длительной прочности, имеют слабый наклон к оси абсцисс, что свидетельствует о малом падении данного свойства с течением времени. На логарифмических кривых длительной прочности отсутствуют перегибы (в пределах испытанных длительностей), связанные с изменением характера разрушения металла с переходом от внутрикристаллитного к межкристаллитному излому. Отсутствие изменения наклона логарифмической кривой длительной прочности свидетельствует об устойчивости структуры металла опытных сплавов при длительном температурном воздействии под нагрузкой.
Принимая во внимание полученные коэффициенты корреляции между аюо и tfiooo (г=0,85), экстраполяцией определены значения пределов длительной прочности за 1000 часов.
Полученные данные показали, что при всех температурах испытания и сроках службы максимальную жаропрочность имеет сплав СЖС-2, составленный из упрочняющей фазы с комплексом (№,Со)з(А1,Ті,1МЬ,ТА):
CTJ$ =591 МПа; а?$0 = 459 МПа; с?$ =377 МПа; CT$J0 =248 МПа;
сг?2о =230 МПа; акюо =140 МПа; іоо =227 МПа; a}jJo =146 МПа. Наименее жаропрочным оказался стандартный сплав ЖС6-К Ni 3(A1+Ti):
afSo = 526 МПа; afJoo =388 МПа; aJJo =304 МПа; a 0 =180 МПа; ст?2о =173 МПа; Ото =93 МПа; с\00 =156 МПа; ст} =77 МПа; Сплав УГАТУ-1 (Al+Nb) показал промежуточное значение пределов длительной прочности:
crfgg = 572 МПа; ofJo0 = 442 МПа; aJJ? = 350 МПа; cr So = 220 МПа; a?JJ = 207 МПа; CTJQOO =120 МПа; (У\00 = 197 МПа; а\050 = 147 МПа.
При испытаниях на длительную прочность выявилось, что опытный сплав характеризуется достаточно стабильными показателями длительной пластичности (табл.4.5). Независимо от продолжительности испытания пластичность сплава сохраняется примерно на одном уровне с небольшими колебаниями в сторону уменьшения или увеличения, связанными, видимо, с технологическими причинами. Наибольшая величина длительной пластичности отмечается для сплава УГАТУ-1: 5 = 4,9- 5,7%; \/ = 6,5- 6,9%. Сплав ЖС6-К показал в среднем 8 = 3,8-4,7 %, \/= 4,8-6,4 %. Наиболее жаропрочный сплав СЖС-2 имеет 5 = 4,8 - 6,4 %, \/ = 5,6 - 6,9 %.
Жаростойкость сплавов исследовалась при температурах 900, 1000С и 1050С в атмосфере воздуха в течение 100 часов. Результаты испытаний (табл.4.5) показывают, что сплавы по степени понижения жаростойкости в интервале исследованных температур могут быть расположены в следующий ряд: УГАТУ-1, СЖС-2 и ЖС6-К.