Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы синтеза жаропрочных сплавов 15
1.1. Анализ развития никелевых жаропрочных сплавов для получения отливок с равноосной структурой 15
1.2. Никелевые жаропрочные сплавы для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой 17
1.3. Методы синтеза жаропрочных сплавов 20
1.3.1. Классификация методов синтеза жаропрочных сплавов 20
1.3.2. Металлофизические методы синтеза сплавов 22
1.3.3. Математико-статистические методы синтеза сплавов 30
1.3.3.1. Теоретические основы математико-статистических методов 30
1.3.3.2. Методы, основанные на концепции пассивного эксперимента 32
1.3.3.2.1. Основные особенности концепции пассивного эксперимента 32
1.3.3.2.2. Регрессионный анализ 33
1.3.3.2.3. Методы теории распознавания образов 34
1.3.3.2.4. Методы, основанные на использовании искусственных нейронных сетей 35
1.3.3.3. Методы, основанные на концепции активного эксперимента 38
1.4. Выводы по обзору методов синтеза сплавов 45
1.5. Постановка задачи исследования 47
ГЛАВА 2. Информационное обеспечение при решении проблемы синтеза жаропрочных никелевых сплавов 50
2.1. Особенности информационного обеспечения при решении проблемы синтеза жаропрочных никелевых сплавов , 50
2.2. Разработка технологии доступа к информации по жаропрочным никелевым сплавам 51
2.2.1. Выбор архитектуры базы данных 51
2.2.2. Концептуальное проектирование и разработка структуры базы данных 54
2.2.3. Разработка информационно-поисковой системы ,...,56
2.3. Повышение информативности базы данных 59
2.3.1. Применение методов интерполяции жаропрочности сплавов 59
2.3.2. Выбор шкал для интерполяции 64
2.4. Анализ полученных результатов 76
ГЛАВА 3. Выбор легирующих элементов, определяющих жаропрочные свойства никелевых сплавов 79
3.1. Теоретические предпосылки выбора легирующих элементов, определяющих жаропрочные свойства никелевых сплавов 79
3.2. Анализ влияния легирующих элементов на свойства никелевых жаропрочных сплавов и оценка оптимальных диапазонов их концентраций . 81
3.2.1. Классификация легирующих элементов по механизму их влияния на свойства никелевых жаропрочных сплавов 81
3.2.2. Методика определения оптимальных концентраций легирующих элементов .83
3.2.3. Растворные упрочнители в никелевых жаропрочных сплавах ,87
3.2.4. Растворно-дисперсионные упрочнители в никелевых жаропрочных сплавах 92
3.2.5. Микролегирующие элементы в никелевых жаропрочных сплавах 97
3.2.6. Вредные примеси в никелевых жаропрочных сплавах 103
3.2.7. Выводы по анализу влияния легирующих элементов на свойства никелевых жаропрочных сплавов 105
3.3. Выбор основных легирующих элементов, наиболее значимо влияющих на жаропрочность 106
3.4. Выводы 106
ГЛАВА 4. Оптимизация составов жаропрочных сплавов при помощи математико-статистических методов синтеза сплавов 108
4.1. Преимущества использования математико-статистических методов при создании новых сплавов 108
4.2. Особенности применения активного и пассивного эксперимента при создании новых жаропрочных сплавов 110
4.2.1. Применение активного эксперимента при создании новых жаропрочных сплавов 110
4.2.2. Применение пассивного эксперимента при создании новых жаропрочных сплавов 112
4.2.3. Сопоставление концепций активного и пассивного экспериментов при создании новых жаропрочных сплавов 126
4.3. Использование статистической информации для построения математической модели 129
4.3.1. Расчёт матрицы планирования эксперимента 129
4.3.1.1. Выбор вида плана эксперимента 129
4.3.1.2. Выбор дополнительных факторов, учитывающих возможную нелинейность поверхности отклика 130
4.3.1.3. Оценка области определения модели 133
4.3.1.4. Отбор статистической информации для построения оптимального плана эксперимента 134
^ 4.3.1.5. Расчёт матрицы планирования эксперимента 136
4.3.2. Расчёт оптимального плана эксперимента 140
4.3.3. Расчёт математической модели зависимости жаропрочности никелевого сплава от концентраций легирующих элементов 141
4.4. Использование метода градиентного подъёма для поиска оптимального состава сплава 145
4.5. Выводы 149
ГЛАВА 5. Исследование свойств синтезированого сплава 151
5.1. Технология выплавки сплавов 151
5.2. Исследование эксплуатационных свойств синтезированного сплава 154
5.2.1. Технология получения образцов для испытаний 154
^ 5.2.2. Математическая обработка результатов исследования свойств 156
5.2.3. Испытания на кратковременную прочность 157
5.2.4. Испытания на длительную прочность 159
5.3. Исследование литейных свойств синтезированного сплава 161
5.4. Исследование структуры синтезированного сплава 170
5.5. Производственная апробация синтезированного сплава 174
5.6. Обсуждение результатов и технологические рекомендации 182
Основные результаты и выводы 189
Список литературы
- Никелевые жаропрочные сплавы для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой
- Разработка технологии доступа к информации по жаропрочным никелевым сплавам
- Анализ влияния легирующих элементов на свойства никелевых жаропрочных сплавов и оценка оптимальных диапазонов их концентраций
- Применение пассивного эксперимента при создании новых жаропрочных сплавов
Введение к работе
Актуальность темы. Технический прогресс в области турбореактивного двига-телестроения определяется, прежде всего, повышением рабочих температур газовых турбин. Однако параметры работы турбин ограничиваются характеристиками жаропрочных материалов, применяемых для изготовления рабочих лопаток Рабочие лопатки изготовляются, в основном, методом направленной кристаллизации (НК) из литейных никелевых жаропрочных сплавов (ЖС). Сложность конфигурации лопаток, в частности, наличие вігутренних полостей, делает литье не только экономичным, но и единственно возможным методом их получения Кроме того, литейные ЖС, состав которых не ограничивается условиями хорошей обрабатываемости при пластической деформации, могут иметь более высокую степень легирования, а, следовательно, и повышенную жаропрочность. В результате достигается преимущество в жаропрочности примерно на 45. .60 % по сравнению с деформируемыми ЖС.
Наиболее распространенные в практике отечественного авиадвигателестроения лопаточные сплавы ЖС26 и ЖС32 имеют пределы 100-часовой длительной прочности при 1000 С не более 200...255 МПа, а при 1050 С - 125...180МПа соответственно. Эти свойства уже не удовлетворяют в полной мере современным условиям эксплуатации ГТД в связи с требованиями значительного увеличения ресурса и повв'анения рабочей температуры. Поэтому работы в области создания новых никелевых ЖС отнесены к приоритетным направлениям фундаментальных исследований по разделу «Машиноведение», утвержденным постановлением Президиума РАН №233 от 01 июля 2003 г., и являются весьма актуальными.
Исследованиями российских и зарубежных ученых У. Бетгериджа, А.А. Бочвара, АЛ. Танеева, М.В. Захарова, Е.Н. Каблова, СТ. Кишкина, И.И. Корнилова, А. Кот-трелла, Г.В. Курдюмова, СБ. Масленкова, К.А. Осипова, М.В. Приданцева, В.В. Ртищева, Е.М. Савицкого, Ч. Симса, Р.Е. Шалина и др. разрешен ряд важнейших теоретических и практических задач по различным проблемам жаропрочности металлов и сплавов, выявлены подходы к разработке и применению формальных методов проектирования ЖС. Однако большое число легирующих элементов (ЛЭ) и сложный механизм легирования в никелевых ЖС исключают определение прямой связи между жаропрочностью и составом сплавов и предопределяют низкую эффективность большинства существующих расчетных методов. 9 ДОСиМЦЯйВДЩДО^^Голом разра-
'. гъ&т
ботки ЖС до сих пор является эмпирический метод проб и ошибок, который требует огромных средств на исходные материалы, дорогостоящее оборудование и проведение большого количества плавок.
Поэтому разработка и развитие расчетно-эксперименгальных методов прогнозирования жаропрочных свойств сплава, опирающихся на использование методов классического металловедения, физики металлов, математического моделирования, относятся к наиболее приоритетным и актуальным научно-техническим проблемам. В связи с этим возникает необходимость в систематизации, обобщении и анализе многочисленных результатов исследований по проблеме синтеза ЖС и выработке новых подходов к прогнозированию свойств сплава.
Целью работы является разработка методики проектирования никелевых ЖС для отливок с направленной и монокристаллической структурой, основанной на использовании математикс-статистических методов анализа накопленной статистической информации о составах и свойствах литейных никелевых ЖС.
Для этого были поставлены и решены следующие задачи:
-
Разработка базы данных (БД) по никелевым ЖС для отливок с направленной и монокристаллической структурой, и информационно-поисковой системы (ИПС) к БД
-
Разработка алгоритмов и программная реализация проектных процедур, связанных с повышением информативности БД и разработка методики оценки диапазонов концентраций ЛЭ, соответствующих литейным никелевым ЖС с максимальной жаропрочностью, на основе обобщения статистической информации из БД.
-
Разработка методики построения математических моделей (ММ) влияния составов литейных никелевых ЖС на их жаропрочность, использующую априорную информацию в качестве данных пассивного эксперимента.
-
Разработка алгоритмов и программная реализация проектных процедур, связанных с определением концентраций ЛЭ, обеспечивающих максимум жаропрочности литейных никелевых ЖС.
-
Экспериментальная оценка эффективности разработанной методики синтеза сплавов на основе проведения промышленных испытаний нового сплава и исследования его физико-механических и литейных свойств.
-
Отработка параметров технологического процесса литья лопаток турбины высокого давления (ТВД) ГТД АЛ-31Ф из синтезированного сплава.
' ««Л'ЗМ *<» j
На защиту выносятся:
-
Методика проектирования литейных никелевых ЖС по данным пассивного эксперимента.
-
Математическая модель влияния ЛЭ на жаропрочность литейных никелевых ЖС.
-
Математические методы и реализующие их программы повышения информативности БД.
-
Тематическая БД по современным никелевым ЖС для отливок с направленной и монокристаллической структурой и ИПС к БД.
-
Результаты комплексных исследований физико-механических и литейных свойств нового литейного никелевого ЖС.
-
Результаты оценки эффективности разработанной методики проектирования сравнением физико-механических и литейных свойств синтезированного сплава со свойствами серийного сплава ЖС32.
Научная новизна
-
Разработана методика проектирования никелевых ЖС для отливок с направленной и монокристаллической структурой на основе моделирования влияния ЛЭ на жаропрочность.
-
Разработана методика построения ММ влияния состава ЖС на его жаропрочность, основанная на испсльзовании данных пассивного эксперимента и сочетающая преимущества активного и пассивного эксперимента.
-
Разработана тематическая БД по никелевым ЖС для отливок с направленной и монокристаллической структурой, и ИПС к БД.
-
Разработан метод повышения информативности БД с использованием методов интерполяции жаропрочности сплавов в нелинейных шкалах.
-
Построены ММ влияния концентраций ЛЭ на жаропрочность никелевых ЖС для отливок с направленной и монокристаллической структурой.
Методы исследований
Поставленные в работе задачи решались на основе методов физического металловедения, теории вероятностей и математической статистики, методов математического моделирования, автоматизированного проектирования, теории распознавания образов, теории автоматизированных банков данных.
Достоверность полученных результатов обосновывается:
-
Применением основных положений теории жаропрочности, физического металловедения, теории оптимизации систем, теории вероятности и математической статистики.
-
Сравнением полученных результатов с результатами аналогичных или близких постановок и решений отечественных и зарубежных авторов.
3 Обработкой результатов экспериментальных исследований структуры, свойств и оценки качества отливок из синтезированного сплава, полученных на современном оборудовании, статистической обработкой результатов и сопоставлением их с данными теоретического анализа.
Основное практическое значение результатов состоит в следующем:
-
Разработана новая методика проектирования литейных никелевых ЖС с использованием априорной информации о составе и свойствах известных сплавов, которая позволяет в 4.. .5 раз сократить сроки создания новых многокомпонентных ЖС, в 40 .50 раз снизить трудозатраты, в 10 .20 раз сэкономить расход дорогостоящих материалов.
-
На основе разработанной методики рассчитан химический состав нового многокомпонентного высокожаропрочного никелевого сплава, предназначенного для получения отливок с монокристаллической структурой. Исследованы физико-механические и литейные свойства синтезированного ЖС, произведено их сравнение со свойствами серийного сплава ЖС32.
-
Использование метода интерполяции в нелинейных шкалах позволило сократить необходимое число экспериментальных температурных исследований жаропрочности сплавов.
-
Впервые создан банк данных глубиной поиска 45 лет по химическим составам и свойствам никелевых ЖС для отливок с направленной и монокристаллической структурой. Разработана нормализованная структура БД и алгоритмы ИПС к БД по литейным никелевым ЖС. Получена БД и осуществлена программная реализация ИПС, применение которой является необходимой основой для разработки ММ никелевых ЖС.
Новизна, значимость технических решений и приоритет разработок подтверждаются:
-свидетельством РосПатента №2004620031 об официальной регистрации базы данных «База данных по никелевым жаропрочным сплавам для отливок с направленной и монокристашшческой структурой»;
-свидетельствами РосПатента №2001610394 и №2001610395 об официальной регистрации программ для ЭВМ «Система оценки фазовой стабильности жаропрочных никелевых сплавов» и «Система оценки оптимальных концентраций легирующих элементов в жаропрочных никелевых сплавах»;
-докладами и публикациями на международных и всероссийских научных конференциях и в межвузовских научных сборниках.
Практическая реализация работы
-
С использованием разработанной методики проектирования рассчитан состав и произведена плавка нового сплава УГАТУ-4, исследованы его механические и литейные свойства. Сплав прошел производственную апробацию в серийных условиях ОАО УМПО. Отлитые лопатки ТВД ГІД АЛ-31Ф прошли все виды контроля, предусмотренные в серийном производстве.
-
Рабочая версия тематической БД по никелевым ЖС и разработанные программные продукты внедрены на ОАО УМПО и в НИЧ УГАТУ.
-
Практические результаты исследований внедрены в учебный процесс УГАТУ в виде лабораторных работ «Компьютерное исследование состава и свойств жаропрочных никелевых сплавов» и «Компьютерное моделирование оптимальных составов жаропрочных никелевых сплавов» по дисциплине «Синтез литейных сплавов» направления подготовки дипломированных специалистов 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование».
Практическая реализация работы осуществлялась в рамках выполнения ПИР по Гранту Минобразования РФ А.03-3.17-124 для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов на 2003-2004 г., Гранту Минобразования РФ Т02-05.1-2750 «Фундаментальные исследования в области технических наук» на 2002-2004 г., тематического плана госбюджетных НИР УГАТУ, а также при поддержке Стипендии Президента РФ на 2003-2004 уч. г., Стипендии Президента РБ на 2002-2003 уч. г. и годовой Стипендии авиакомпании «Боинг».
Апробация работы
Основные результаты работы и отдельные ее разделы доложены и обсуждены на
научных конференциях и семинарах, в т.ч.: Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения» (г.Москва, 1999, 2000, 2001, 2004г.); Международной молодёжной научной конференции «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (г. Уфа, 1999 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2001,2003, 2004 г.); Международной конференции «Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов» (г. Харьков, 2002 г.); Международной научно-технической конференции «Генезис, теория и технология литых материалов» (г. Владимир, 2002 г.); Всероссийской молодёжной научно-технической конференции «Технология и оборудование современного машиностроения» (г. Уфа, 1998,2000 г.); Всероссийской студенческой научной конференции «Королёвские чтения» (г. Самара, 1999, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2000 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Решетнёвские чтения» (г.Красноярск, 2000г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы современного энергомашиностроения» (г. Уфа, 2002 г.). Результаты работы экспонировались на Всероссийских и республиканских выставках в г. Уфа в 2001 г. и 2002 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, в том числе 12 статей в тематических сборниках и сборниках трудов научно-технических конференций международного и российского значения, 13 тезисов докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, 1 свидетельство РосПатента об официальной регистрации базы данных, 2 свидетельства РосПатента об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Никелевые жаропрочные сплавы для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой
Исключение поперечных ГЗ путем направленной кристаллизации (т.е. создание столбчатой структуры литых никелевых ЖС) позволяет одновременно повысить их жаропрочность, пластичность и термостойкость [32, 62].
Процесс НК организуется таким образом, чтоб зерна росли в направлении продольной оси лопатки. Первое время для НК использовали ЖС, созданные для равноосного литья. Отсутствие в лопатке поперечных ГЗ привело к 3...5-кратному превосходству по долговечности в условиях термической усталости над обычными отливками (с равноосным зерном) из литейных лопаточных ЖС типа ЖС6У, 5-1900, Rene-SO, Маг-М247 [32]. Однако низкая поперечная прочность отливок со столбчатой структурой послужила толчком к некоторой корректировке состава ЖС, в частности к легированию гафнием (напр., ЖС6Ф, ЖСЗО, M?r-M200+Hf, РШ-1422 или CM2A1LC) (см. приложение 1). Hf модифицирует игольчатую морфологию карбидов типа МеС, которые упрочняют продольные ГЗ, повышая тем самым поперечную прочность [32, 62, 154].
Следующим шагом на пути НК было устранение всех ГЗ. Преимуществом этого единственного направленно закристаллизованного зерна над поликристаллической направленно закристаллизованной отливкой явилось отсутствие потребности в таких средствах пластифицирования и упрочнения ГЗ, как С, В, Zr, Hf (напр., сплавы ЖСЗОМ, ЖС40, Rene-Ж, CMSX-2, CMSX-3, PWA-ЫЩ [62]. Хотя в ЖС с равноосной структурой концентрация этих ЛЭ невелика, исключение их из состава сплава привело к существенному изменению структуры и многих свойств, в частности, характеристических точек и механических свойств [62]. С, В, Zr, Hf значительно снижают температуру солидус ЖС, и без них гомогенизацию монокристаллических изделий можно проводить при температурах на 40...95 С выше [32, 62]. Повышение температуры гомогенизации до 1260,..1320 С позволило более эффективно использовать упрочняющее влияние легирования, поскольку при этих температурах можно перевести в твердый раствор всю у -фазу. Кроме того, большинство ЖС для монокристального литья, особенно ренийсодержащие, имеют также более узкий интервал кристаллизации за счет повышения температуры солидус.
Исключение углерода из состава ЖС для монокристального литья означает также отсутствие карбидов, которые являются источниками зарождения микротрещин, особенно при циклических испытаниях на усталость, термоусталость и малоцикловую усталость [62]. Таким образом, безуглеродистые ЖС состоят только из сложнолегированного ГЦК твердого раствора, упрочненного частицами у -фазы на основе интерметаллида (Ni, Со)з(А1, Ті, Та, Nb), т.е. являются простой системой у + у\
Стремление повысить жаропрочные свойства за счет легирования привело к появлению в конце 80-х годов ЖС 2-го поколения, содержащих до 3 % рения (ЖС36, CMSX-4, Rene-N5 и PWA-\4%4). В 90-х годах были разработаны ренийсо-держащие сплавы 3-го поколения ЖС50, CMSX-10 и Rene-Nb, в которых концентрация рения увеличена до 6 %. Однако в этих сплавах обнаружено выделение топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз, что значительно понижает длительную прочность монокристаллов в интервале рабочих температур 1050...1100 С. Для избежания этого в монокристальных ЖС 4-го поколения типа ЖС55, содержащих около 9 % рения, ограничивают суммарное содержание вольфрама и рения (Re + W) = 12... 14 % при ограничении концентрации хрома до 2...2,5 % и исключении молибдена [48].
При анализе химических составов монокристальных ЖС 1-го, 2-го и 3-го поколений следует обратить внимание на то, что ЖС типа Rene содержат небольшое количество углерода и бора. По мнению разработчиков этих сплавов, введение добавок углерода и бора необходимо для упрочнения малоугловых границ субзерен и снижения вероятности поверхностной рекристаллизации отливок при механической обработке [45, 59, 62].
В связи с тем, что стоимость производства монокристальных лопаток во много раз выше, чем лопаток со столбчатой структурой, продолжается совершенствование составов ЖС для НК. В частности, ренийсодержащие ЖС для НК 2-го поколения ЖС32, СМ\S6LС, PWA-1426, Rene-\42 (см. приложение 1) по ряду характеристик не уступают ЖС для монокристального литья 1-го поколения типа CMSX-2 и PWA-ШО. Разработаны также безрениевые ЖС ЖС40, SC-84 и TMS-64, не уступающие по длительной высокотемпературной прочности на больших базах испытания ЖС с рением [86, 105]. В этих сплавах концентрация молибдена повышена соответственно до 4,0 %, 4,3 % и 8 %. Молибден растворяется преимущественно в 7-твердом растворе и, в этом смысле, является некоторым аналогом рения. В результате плотность сплавов стала меньше, однако жаростойкость сплавов ухудшилась (особенно для сплава TMS-64 [159]).
Поиск оптимальных составов экономичных ЖС для монокристального литья еще не завершен. Поэтому ежегодно появляются десятки патентов и публикаций в России [48, 78-79, 81-85, 87-89], США [93-103], Франции [90-92], Великобритании [80], Японии [86]. Работы направлены на совершенствование составов и режимов термической обработки сплавов с целью повышения их жаропрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, улучшения литейных свойств. В приложении 1 приведены химические составы промышленных и экспериментальных ЖС для НК и монокристального литья.
Среди всех возможных кристаллографических ориентации (КГО) монокристаллов и направленно закристаллизованных зёрен, соответствующих продольной оси лопатки, наибольшее распространение получила ориентация 001 . Это связано с тем, что в ГЦК-решётке направлению [001] соответствует минимальное значение модуля Юнга, что приводит к максимальному сопротивлению мало- и многоцикловой термической усталости таких кристаллов [32, 62], Кроме того, в ряде случаев используется КГО Ш , соответствующая максимальному значению модуля Юнга и, как следствие, обеспечивающая высокую кратковременную и длительную прочность при температурах до 950...1000 С, а также (для некоторых сплавов и температур до 900 С) лучшую многоцикловую усталостную прочность [62].
Однако присутствующие в шихтовых материалах примеси могут привести к появлению нежелательных фаз, поэтому при производстве жаропрочных монокристаллов предъявляются высокие требования к чистоте сплавов, особенно в отношении неметаллических включений и карбидов. Содержание углерода в ЖС ограничивается концентрацией (2...4)-10 3 %, серы - (5...7)-10-4 %, а содержание газообразных примесей 02 и N2 должно быть меньше предела их растворимости в никеле - 10"4 % [62].
Разработка технологии доступа к информации по жаропрочным никелевым сплавам
На данный момент не существует сколько-нибудь полной, надлежащим образом собранной и систематизированной информации по никелевым ЖС, применяемым в авиакосмической технике для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой. Отсутствуют также публикации по созданию информационных комплексов на базе ЭВМ по данной тематике. Собранные эмпирические данные по никелевым ЖС позволили определить основные направления поиска информации, что привело к созданию довольно обширной базы данных по никелевым ЖС с направленной и монокристаллической структурой, обладающим широким диапазоном технологических, механических и эксплуатационных свойств.
Научный и практический эффект от информации по свойствам никелевых ЖС во многом определяется видом ее представления в БД и ИПС [132].
Существует множество способов организации структуры БД [37, 132, 142]. Выбор того или иного способа обусловливается рядом обстоятельств.
Во-первых, структура БД должна наиболее полно соотноситься со структу рой заносимых данных, минимизируя возможные искажения и потери информации и иметь возможность гибкой подстройки (модификации) структуры БД при изменении требований к данным либо при появлении новых данных, занесение которых без корректировки структуры БД невозможно.
Во-вторых, структура БД должна быть организована с учетом минимизации последующих временных, ресурсных и прочих издержек на обработку запросов к данным и формирование отчетов по ним. В данном случае речь идет о поиске «золотой середины» при попытке объединить экономичность представления структуры БД с эффективностью и открытостью доступа к данным.
Проведенный анализ форматов представления информации по никелевым ЖС в отечественных и зарубежных источниках выявил следующие закономерности.
1) в подавляющем большинстве источников используется табличное задание составов и свойств сплавов; задание составов и свойств строкой значений применяется крайне редко (напр., в работе [48]);
2) для большинства ЖС концентрации ЛЭ приводятся в соответствующих интервалах варьирования [32, 45, 111];
3) различия в системах единиц физических величин и методиках исследования свойств приводимых сплавов приводит к тому, что значения жаропрочности указываются для разных значений температур; напр., в работах, выполненных в США, где используется температурная шкала Фаренгейта, результаты испытания материалов приводятся для температур 1650 F (899 С), 1700 F (926 С), 1800 F (982 С), 1900 F (1038 С) и т.д. [93-103, 147, 152 и др.];
4) для многих сплавов приводятся взаимные ограничения на содержание ЛЭ.
Учитывая сформулированные требования и выявленные закономерности, были рассмотрены следующие варианты организации архитектуры БД:
1. Иерархическая или сетевая модели данных [142]. Разница между ними заключается в способах отражения связей между данными на логическом уровне. В иерархической модели данные хранятся в иерархии кластеров, а структура отражаемых связей представляется в виде дерева. В сетевой модели данные содержатся в виде связанных агрегатов, образующих сеть. Иерархическая и сетевая модели просты для понимания, но область их применения ограничивается описанием простых взаимосвязей между данными. Каждый сплав представляет собой независимый от других объект исследования, состав и свойства которого не обязаны согласовываться с составами и свойствами других сплавов. Основные неудобства и ограничения проявляются при попытках производить запросы к такой БД, которые не стыкуются с разработанной структурой БД.
2. Представление данных в форме таблиц соответствует реляционной мо дели данных (РМД), предложенной Е.Ф. Коддом [150] и исследованной в большом числе публикаций в нашей стране и за рубежом [28, 77, 107, 142-144]. В последнее время такое представление получило широкое распространение вследствие про стоты табличной формы представления данных (что привычно для специалистов, пользующихся справочной литературой), а также благодаря развитому теоретиче скому аппарату преобразования реляционных данных.
Анализ РМД позволяет сделать некоторые практические выводы: -популярность РМД легко объяснима широтой потенциальных областей применения для обработки данных в виде таблиц, а также ее математической строгостью, что существенно повышает уровень автоматизации систем и за счет чего упрощается процесс общения пользователя с ЭВМ [142];
- РМД основана на хорошо проработанной теории отношений, при проек тировании БД применяются строгие методы, построенные на нормализации от ношений [143-144];
-при использовании РМД интерфейс пользователя не связан с деталями физической реализации структуры памяти и стратегий доступа, т.е. модель обеспечивает высокую степень независимости (автономности) данных по сравнению с иерархической и сетевой моделями. Однако для эффективного использования этого свойства необходимо весьма тщательно проектировать схему отношений в БД [142].
- РМД уже стали и будут оставаться в ближайшем будущем наиболее под ходящей технологией для реализации информационных систем.
3. При создании систем с большими объемами информации, ведутся рабо ты по совершенствованию РМД и разработке новых моделей, таких как: -модель «сущность-связь», по сути являющаяся разновидностью РМД [77, 144];
Анализ влияния легирующих элементов на свойства никелевых жаропрочных сплавов и оценка оптимальных диапазонов их концентраций
На основе обобщения многолетнего практического опыта и теории упрочнения гетерофазных сплавов были сформулированы следующие направления повышения жаропрочности сплавов [49, 62]: 1) упрочнение твёрдых растворов на основе у - и у-фаз; 2) повышение термической стабильности гетерофазной системы у+ у ; 3) повышение сопротивления окислению и газовой коррозии при высоких температурах; 4) сведение к минимуму вероятности образования нежелательных фаз в процессе термической обработки и длительной эксплуатации изделий из ЖС. Всю совокупность факторов, определяющих жаропрочность никелевого сплава, можно разделить на два больших класса [62]: 1) состав сплава; 2) характеристики типов и режимов финишной термообработки сплава.
Как указывается в работах [40,45, 62,113], наибольшее влияние на жаропрочность сплава оказывает его состав. Это связано с тем, что подбор оптимального состава ЖС (т.е. комбинации и количества ЛЭ) является главным методом упрочнения твёрдых растворов на основе у - и у-фаз, повышения сопротивления окислению и газовой коррозии при высоких температурах, термической стабильности системы 7 +у и сведения к минимуму вероятности выделения нежелательных фаз. Термообработка же деталей из ЖС является лишь финишным этапом формирования микроструктуры ЖС [32, 62, 113].
В связи с этим в качестве факторов, влияние которых на жаропрочность сплава будет исследоваться, необходимо использовать концентрации ЛЭ, причём только тех ЛЭ, которые оказывают наибольшее влияние на жаропрочность никелевых ЖС. Следовательно, необходимо;
1) выявить ЛЭ, оказывающие наибольшее влияние на жаропрочность ни келевых ЖС и определить оптимальные диапазоны содержания этих ЛЭ;
2) сравнить оптимальные диапазоны содержания выбранных ЛЭ с диапазонами варьирования ЛЭ сплавов, содержащихся в БД с целью оценки возможности повышения жаропрочности никелевых ЖС за счёт совершенствования их состава.
Результатом испытаний длительной прочности материалов является время до разрушения образца из данного материала т при заданных температуре испытания Т и разрывном напряжении сг, т.е. т=ДТ, а). В целях сопоставимости принято подбирать величину и таким образом, чтоб величина т оказывалась одним из чисел ряда 100; 500; 1000 ч [26, 60].
В современных авиационных ГТД 4-го поколения типа АЛ-31Ф [140] температура нагрева рабочих лопаток турбин высокого давления составляют около 1000 С (при стехиометрической температуре газов на входе в турбину 1394 С), а моторесурс таких двигателей составляет 150...500 ч [111], в том числе моторесурс до первого ремонта - 100 ч [140]. Поскольку наиболее распространёнными временными базами при испытании ЖС на длительную прочность являются 100, 500 и 1000 ч, причём базы 500 и 1000 ч превышают моторесурс двигателей, в качестве параметра, характеризующего жаропрочность сплавов, будем использовать величину 100-часовой жаропрочности при температуре испытания 1000 С OJQ .
Как уже указывалось в главе 1, отливки с направленной и монокристаллической структурой имеют, как правило, аксиальную КГО [001] либо [111]. КГО [111] ГЦК-решетки никеля соответствует максимальное значение модуля нормальной упругости кристалла, а также максимальная длительная и усталостная прочность в стационарных тепловых условиях и температуре испытания около 1000 С [62]. КГО [001] соответствует минимальное значение модуля нормальной упругости кристалла и максимальное значение модуля сдвига, а также максимальная мало цикловая усталостная прочность и термостойкость [62]. Поскольку основной причиной разрушения лопаток ГТД является малоцикловая неизотермическая (термомеханическая) усталость материала [61,62, 156], в литых лопатках ГТД предпочтительным является использование аксиальной КГО [001].
На основании вышеизложенного принимаем решение о том, что в качестве параметра, характеризующего жаропрочность сплавов, будем использовать вели чину 100-часовой жаропрочности при температуре испытания 1000 С ст} 0, определённую на образцах с аксиальной КГО [001].
В данной работе использовалась выборка сплавов из БД, содержащая информацию о составах и свойствах всех сплавов, для которых имеются сведения о 100-часовой жаропрочности при температуре 1000 С образцов с КГО [001] (см. табл. 6).
Для того чтобы оценить диапазоны варьирования концентраций ЛЭ и сделать вывод об эффективности их использования для упрочнения никелевых ЖС, на следующем этапе данной работы необходимо охарактеризовать механизмы их влияния на жаропрочные свойства никелевых сплавов.
В большинстве отечественных и зарубежных работ, посвященных металловедению никелевых ЖС, применяемых для изготовления отливок с равноосной [38, 113], направленной и монокристаллической структурой [45, 62], предлагается классификация входящих в состав сплава ЛЭ по месту их преимущественного распределения, в соответствии с которой все ЛЭ могут быть разделены на следующие основные группы: 1) элементы, растворяющиеся преимущественно в у-твёрдом растворе ( -стабилизирующие ЛЭ) - Cr, Mo, Со, Fe, Re; 2) элементы, растворяющиеся преимущественно в у -фазе (у -стабилизирующие ЛЭ) - Ті, Al, Nb, Та, Hf; 3) карбидообразующие элементы - Cr, Mo, W, V, Hf, Nb, Та, Ті; 4) микролегирующие элементы, упрочняющие ГЗ - С, В, Zr, La, Y, Се и другие РЗМ;
Применение пассивного эксперимента при создании новых жаропрочных сплавов
Механизм упрочнения растворными упрочнителями основан на внесении искажений в кристаллическую решетку никеля при образовании твердых растворов, препятствующих перемещению подвижных дислокаций, а также снижении скорости диффузии (как самодиффузии никеля, так и диффузии ЛЭ в т-твёрдом растворе). Твердорастворное упрочнение сохраняется вплоть до высоких температур, однако выше 0,6 7$, т.е. в области высокотемпературной ползучести, упрочнение у-фазы зависит от скорости диффузии, поэтому ЛЭ, медленно диффундирующие либо замедляющие скорость диффузии других элементов, являются наиболее эффективными упрочнителями. Выявление однозначной закономерности влияния данных элементов на свойства никелевых ЖС затруднено тем, что они участвуют сразу в нескольких механизмах упрочнения: кроме аустенитной матрицы, они растворяются также в интерметалл идных фазах и образуют карбиды различных составов.
Хром в ЖС на основе никеля повышает жаростойкость и коррозионную стойкость за счет образования на поверхности сплава стойких оксидов типа Сг203. Снижение длительной прочности с увеличением концентрации Сг связано с тем, что с повышением степени легированности 7-твёрдого раствора растворимость в нём хрома уменьшается, и избыток его, во взаимодействии с другими ЛЭ, может выделяться в виде фаз неблагоприятной морфологии (фазы типа сс-Сг, а- и /ьфазы, карбиды типа Ме2зС6 и Ме6С). Кроме того, Сг уменьшает количество выделяющейся при распаде пересыщенного -твёрдого раствора у -фазы, ухудшает её термостабильность [104] и более, чем другие элементы, расширяет интервал кристаллизации ЖС [40]. сталлизации ЖС [40].
Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования хрома в заданной концентрации от содержания хрома (см. рис. 21), показывает, что оптимальное содержание хрома в никелевых ЖС для НК и монокристального литья равно 2...9 ат. %. Это согласуется с литературными данными, согласно которым в современных ЖС для НК и монокристального литья оптимальное содержание Сг можно оценить в 2...7 % (-2,3...8,0 ат. %) [45].
Кобальт является элементом весьма близким к никелю по атомному строению и конфигурации электронных орбиталей, образует с никелем неограниченный твёрдый раствор и несколько повышает температуру солидус сплава и его пластичность [40], одновременно понижая температуру сольвус [62]. Снижение длительной прочности с увеличением концентрации Со связано также с образованием ТПУ-фазтипа Co7W6, охрупчивающих сплав [130].
Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования кобальта в заданной концентрации от содержания кобальта (см. рис. 22), показывает, что оптимальное содержание кобальта в никелевых ЖС для НК и монокристального литья равно 4... 10 ат. %. Это согласуется с литературными данными, согласно которым максимальное значение жаропрочности обеспечивается при концентрации кобальта 7...10 % ( 7...10 ат. %).
Молибден растворяется преимущественно в твёрдом растворе, повышает термо стабильность у -фазы [104] и препятствует её коагуляции, замедляя диффузию алюминия в т-твёрдом растворе [40]. Наличие в сплаве молибдена также повышает стойкость к сульфидной коррозии, однако при этом снижается жаростойкость из-за образования легколетучих окислов [62]. Кроме того, молибден понижает температуру солидус сплава. Избыток молибдена также делает сплав склонным к выделению ТПУ-фаз ц, г и карбидных фаз Ме , с неблагоприятной морфологией [171, 173]. В связи с этим в современных ЖС на основе никеля молибден признаётся менее эффективным упрочнителем, чем, например, вольфрам и рений [40].
Анализ гистограммы, характеризующей зависимость жаропрочности сплавов и частоты использования молибдена в заданной концентрации от содержания молибдена (см. рис. 23), показывает, что оптимальное содержание молибдена в никелевых ЖС для НК и монокристального литья равно 0,1 ...0,7 ат. %. Это согласуется с литературными данными, согласно которым оптимальным диапазоном концентраций Мо является 0,5...2,0 % (-0,3...1,3 ат. %) [15, 62].
