Разработка научных основ создания нового поколения литейных жаропрочных наноструктурированных никелевых сплавов пониженной плотности с требуемым комплексом механических свойств Оспенникова Ольга Геннадиевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Особенности развития специальной металлургии в области литейных жаропрочных никелевых сплавов и модельных композиций 17

1.1. Разработка литейных жаропрочных никелевых сплавов и модельных композиций для литья турбинных лопаток по выплавляемым моделям 17

1.2. Литейные поли- и монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы и тенденции их легирования 27

1.3. Выводы по Главе 1 60

Глава 2. Методики проведения исследований и испытаний 62

2.1. Методики изготовления исходных сплавов и образцов для проведения исследований 62

2.2. Методики проведения структурных исследований 63

2.3. Методики испытаний для определения механических свойств 69

Глава 3. Компьютерное конструирование литейных жаропрочных никелевых сплавов нового поколения с пониженной плотностью 72

3.1. Метод компьютерного конструирования 72

3.2. Применение компьютерных экспериментов при поиске и установлении концентрационной области легирования фазово-стабильного поликристаллического жаропрочного сплава 76

3.3. Применение компьютерных экспериментов при поиске и установлении концентрационной области легирования фазово-стабильного монокристаллического жаропрочного сплава 79

3.4. Применение компьютерных экспериментов при поиске и установлении концентрационной области легирования фазово-стабильного монокристаллического интерметаллидного (на основе - фазы) жаропрочного сплава 82

3.5. Выводы по Главе 3 85

Глава 4. Разработка нового литейного поликристаллического жаропрочного никелевого сплава пониженной плотности 87

4.1. Экспериментальное исследование состава и структуры сконструированного поликристаллического жаропрочного сплава 89

4.2. Структурные превращения в сплавах с поликристаллической структурой при различных режимах термообработки. Разработка режимов термической и газостатической обработки 98

4.3 Механические свойства при растяжении, длительная статическая и циклическая прочность поликристаллического жаропрочного никелевого сплава нового поколения 103

4.4. Эволюция микроструктуры сплава ВЖЛ21 при длительных механических испытаниях 110

4.5. Выводы по Главе 4 118

Глава 5. Выбор системы легирования и разработка нового монокристаллического жаропрочного никелевого сплава пониженной плотности 122

5.1. Анализ проблем создания монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов с пониженной плотностью 122

5.2 Экспериментальное исследование состава и структуры сконструированного монокристаллического жаропрочного сплава 126

5.3. Структурные превращения в сплаве ВЖМ7 с монокристаллической структурой при различных режимах термообработки. Разработка режимов термической и газостатической обработки 132

5.4. Исследование физико-механические свойств монокристаллов из нового жаропрочного никелевого сплава пониженной плотности ВЖМ7 140

5.5. Эволюция микроструктуры сплава ВЖМ7 при длительных механических испытаниях 152

5.6. Выводы по Главе 5 156

Глава 6. Разработка нового монокристаллического интерметаллидного (на основе -фазы) жаропрочного сплава 160

6.1. Анализ проблем создания интерметаллидных жаропрочных сплавов на основе никеля 160

6.2 Экспериментальное исследование составов и структуры сконструированного монокристаллического жаропрочного интерметаллидного сплава 163

6.3. Особенности фазового состава и микроструктуры монокристаллов сплава ВИН3 с кристаллографической ориентацией 001 в литом и термически обработанном состояниях 175

6.4. Механические свойства при растяжении, длительная статическая и циклическая прочность монокристаллов с кристаллографической ориентацией 001 нового монокристаллического интерметаллидного (на основе -фазы) жаропрочного сплава ВИН3 184

6.5. Особенности фазового состава и микроструктуры монокристаллических образцов сплава ВИН3 с кристаллографической ориентацией 001 после длительных механических испытаний 192

6.6. Отработка технологических режимов литья сопловых лопаток из сплава ВИН3 197

6.7. Выводы по Главе 6 202

Глава 7. Разработка модельных композиций нового поколения на основе синтетических восков с повышенной геометрической стабильностью и ремонтных восковых составов 204

7.1. Анализ проблем создания и классификация модельных композиций для литья турбинных сопловых и рабочих лопаток по выплавляемым моделям 204

7.2. Исследование влияния различных видов наполнителей на свойства и стабильность модельных композиций 205

7.3. Влияние содержания наполнителя на свойства модельных композиций, выбор оптимальных составов 217

7.4. Влияние технологических параметров изготовления моделей на свойства и стабильность модельных композиций, выбор оптимальных технологических параметров 223

7.5. Разработка составов модельных композиций нового поколения для изготовления выплавляемых моделей лопаток и других деталей газотурбинных двигателей сложной конфигурации из жаропрочных сплавов 228

7.6. Выводы по Главе 7 235

Глава 8. Практическая реализация результатов работы 237

8.1. Внедрение нового жаропрочного сплава пониженной плотности ВЖЛ21 и технологии литья из него поликристаллических рабочих лопаток вертолетных газотурбинных двигателей 237

8.2. Внедрение нового жаропрочного сплава пониженной плотности ВЖМ7 и технологии литья из него монокристаллических рабочих лопаток вертолетных газотурбинных двигателей 254

8.3. Внедрение нового интерметаллидного сплава ВИН3 и технологий литья из него монокристаллических сопловых лопаток вертолетных газотурбинных двигателей 263

8.4. Внедрение нового поколения модельных композиций на основе синтетических восков 273

8.5. Выводы по Главе 8 278

Общие выводы по работе 280

Список литературы 284

• Литейные поли- и монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы и тенденции их легирования
• Эволюция микроструктуры сплава ВЖЛ21 при длительных механических испытаниях
• Исследование влияния различных видов наполнителей на свойства и стабильность модельных композиций
• Внедрение нового поколения модельных композиций на основе синтетических восков

Введение к работе

Актуальность работы. Важнейшей задачей государственной промышленной политики Российской Федерации является создание и производство конкурентоспособной техники гражданского и военного назначения, в том числе газотурбинных двигателей (ГТД) для самолетов и вертолетов, разработка которых должна базироваться на основе отечественных материалов нового поколения, энергоэффективных, ресурсосберегающих, в том числе цифровых технологий их производства и переработки.

На совещании 22 ноября 2013 года по вопросу развития авиационного двигателестроения Президент Российской Федерации отметил, что «...один из наших ключевых приоритетов - новый среднемагистральный пассажирский самолет МС-21..., что демонстрационный двигатель для этой машины готов, проходит испытания. Важно не затягивать его сертификацию, чтобы в запланированные сроки приступать к серийному производству...».

Руководством страны была выделена отдельная подпрограмма по двига-телестроению в рамках единой государственной программы развития оборонно-промышленного комплекса. Одним из приоритетных направлений реализации указанной подпрограммы является создание перспективного вертолетного двигателя и двигателя с тягой 35 тонн (ПД-35). Двигатели будут создаваться в широкой кооперации предприятий АО «ОДК», в том числе с использованием технологий, полученных в ходе реализации проекта ПД-14 для МС-21.

Одним из основных направлений реализации Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, утвержденной Указом Президента Российской Федерации №642 от 01.12.2016 г. является создание материалов нового поколения. С этой целью Постановлением Правительства Российской Федерации от 19.09.2016 г. ФГУП «ВИАМ» определен организацией, ответственной за реализацию приоритетного технологического направления «Технологии материаловедения».

Для определения приоритетных направлений исследований в области разработки материалов нового поколения ФГУП «ВИАМ» совместно с институтами РАН, национальными исследовательскими университетами и конструкторскими бюро на основании анализа программ инновационного развития государственных корпораций (ГК Росатом, ГК Роскосмос, ГК Ростех), ПАО OAK», ОАО «РЖД», АО «Корпорация «МИТ», АО «КТРВ», АО «ОДК», АО «Вертолеты России» и др. разработал и реализует «Стратегические направления развития материалов и технологий их производства на период до 2030 года».

В настоящее время в Российской Федерации практически отсутствует полномасштабное производство вертолетных двигателей. По существу, все модификации вертолетных двигателей производятся в кооперации с зарубежными

разработчиками и поставщиками. Перспективным вертолетным двигателем является турбовальный двигатель ТВЗ-117ВМА-СБМ1В, разработанный и сертифицированный за рубежом, который определен в качестве коммерческого двигателя для российских вертолетов семейства Ми-8, в частности, Ми-171/172, а также для перспективных машин.

Для обеспечения технологической независимости Российской Федерации особенно остро стоит вопрос создания конкурентоспособных вертолетных двигателей с обязательным применением отечественных материалов и технологий нового поколения. Однако работы в данном направлении практически не проводятся. В конструкции единственного на сегодняшний день отечественного вертолетного двигателя ВК-2500 применяются материалы и технологии, разработанные более двадцати лет назад.

На совещании по проблемным вопросам внедрения и квалификации авиационных материалов для авиационных ГТД, в том числе вертолетных, было сформулировано поручение (протокол № 57-ДМ/18 от 08 декабря 2011 г.) -разработать комплексную программу и план работ по разработке и внедрению новых материалов и технологий для создания и модернизации перспективных авиационных двигателей нового поколения, включая двигатель ВК 2500 и его модификаций.

Основными направлениями повышения эффективности ГТД можно считать повышение термического к.п.д. (за счет увеличения температуры газа перед турбиной и степени сжатия) и улучшение удельных характеристик (за счет уменьшения габаритных размеров, массы, сокращения количества ступеней и деталей). При этом удельная масса ГТД является комплексным показателем, который характеризует параметрическое, конструктивное и технологическое их совершенство. Существенный вклад в улучшение удельных характеристик может обеспечить разработка и применение нового поколения жаропрочных сплавов пониженной плотности (снижение до 15 %) для рабочих и сопловых лопаток газотурбинных двигателей.

Масса двигательной установки одна из ключевых характеристик, которая определяет её конкурентоспособность. Наиболее материалоемкая часть авиационного двигателя - это турбина. Масса турбины, в первую очередь, определяется массой рабочих лопаток, так как они определяют контурную нагрузку на диски и, соответственно, их массу. Также масса рабочих лопаток определяет толщину корпусов, которые должны удерживать лопатки в случае их обрыва.

По экспертным оценкам конструкторов АО «ОДК-Авиадвигатель» снижение массы лопаток на 1 % дает возможность снизить массу турбин на 0,45 %. То есть, снизив массу лопаток на 15 %, за счет применения жаропрочных сплавов с пониженной плотностью, можно уменьшить вес турбин на 6,75 %. Для

перспективного двигателя ПД-14, исходя из суммарной массы турбин 750 кг это составит примерно 50 кг.

В соответствии с вышесказанным, а также учитывая отказ зарубежных компаний в продаже Российской Федерации материалов (компонентов), технологий и оборудования, можно сделать вывод о том, что только применение новых отечественных материалов, в том числе супержаропрочных материалов пониженной плотности, и энергоэффективных ресурсосберегающих технологий позволит создать российские конкурентоспособные вертолетные двигатели, превосходящие по всем техническим и экономическим характеристикам вертолетные двигатели фирмы АО «Мотор Сич» (Украина) и других моторостроительных компаний, что обеспечит технологическую независимость и безопасность Российской Федерации.

Выполнение основных разделов данной работы проходило в рамках НИР, выполненных за счет средств федерального бюджета Федеральной целевой программы «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на период до 2015 года» (шифры «Перспектива», «Ресурс», «Альтаир», «Авантаж», «Импульс»).

В связи с изложенным тема работы является актуальной, представляет собой крупную научную проблему, имеющую важное практическое значение для развития отечественного авиадвигателестроения.

Цель работы. Создание и внедрение с использованием цифровых технологий нового поколения литейных жаропрочных наноструктурированных никелевых сплавов пониженной плотности с повышенными механическими свойствами для газотурбинных двигателей перспективных вертолётов и других изделий авиационной техники, а также разработка технологии их получения ресурсосберегающими прогрессивными методами при помощи новых модельных композиций.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

с применением компьютерного конструирования определить концентрационные области легирования фазово-стабильных жаропрочных никелевых сплавов пониженной плотности с поли- и монокристаллической структурами, а также монокристаллического интерметаллидного жаропрочного сплава на основе у'-фазы;

исследовать технологические факторы, определяющие образование наноструктурных составляющих жаропрочных никелевых сплавов пониженной плотности при литье методами равноосной и направленной кристаллизации, термической и газостатической обработках;

исследовать фазовую стабильность новых сплавов при длительных высокотемпературных механических испытаниях;

с применением цифровых технологий определить технологические параметры литья из жаропрочного никелевого сплава пониженной плотности турбинных рабочих лопаток с поликристаллической структурой для вертолетных двигателей;

с применением цифровых технологий определить технологические параметры литья из жаропрочного никелевого сплава пониженной плотности турбинных рабочих лопаток с монокристаллической структурой с заданной аксиальной кристаллографической ориентацией <001> для вертолетных двигателей;

с применением цифровых технологий разработать технологические параметры литья из жаропрочного никелевого сплава пониженной плотности турбинных сопловых лопаток с монокристаллической структурой с заданной аксиальной кристаллографической ориентацией <001> для вертолетных двигателей;

разработать специальные режимы термической обработки и горячего изостатического прессования (ГИП) рабочих и сопловых лопаток из жаропрочных никелевых сплавов пониженной плотности, обеспечивающих формирование наноструктурного состояния, отсутствие ликвационнои неоднородности и снижение объемной микропористости;

исследовать влияние различных видов наполнителей, в том числе синтетических восков, на свойства модельных композиций, установить концентрационные зависимости компонентов и разработать модельные композиции нового поколения с повышенной геометрической точностью и стабильностью формы модели применительно к литью рабочих и сопловых лопаток ГТД из литейных жаропрочных наноструктурированных никелевых сплавов пониженной плотности;

провести общую квалификацию (паспортизацию) литейных жаропрочных наноструктурированных никелевых сплавов пониженной плотности с повышенными характеристиками и обеспечить внедрение в производство ресурсосберегающих технологий получения монокристаллических и поликристаллических лопаток вертолетных ГТД.

Сформулированные цель и задачи данной диссертационной работы полностью отвечают требованиям стратегий развития основных двигателестрои-тельных предприятий с учетом Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации и критических технологий развития науки, техники и технологий Российской Федерации, приоритетов их развития. Также они соответствуют паспорту научной специальности 05.16.09.

Научная новизна работы

1. Впервые предложены и реализованы значимые научно обоснованные технические и технологические решения по разработке с применением компьютерного конструирования нового поколения литейных жаропрочных нано-структурированных никелевых сплавов пониженной плотности с повышенными характеристиками и технологий изготовления из них монокристаллических и поликристаллических лопаток ГТД, которые внесли существенный вклад в создание научно-технического задела в области материалов для авиационного двигателестроения.

2. Уточнена и реализована применительно к разработке литейных жаропрочных никелевых сплавов пониженной плотности с повышенными характеристиками методика компьютерного конструирования, заключающаяся определении точного химического состава в пределах традиционной схемы легирования сплавов данного класса. Указанный метод может быть успешно применен к широкому кругу вновь разрабатываемых литейных жаропрочных никелевых сплавов пониженной плотности.

3. С помощью метода компьютерного конструирования и на основе результатов комплексных исследований физико-химических свойств, микроструктуры, фазового и химического состава, механических испытаний разработаны литейные жаропрочные наноструктурированные никелевые сплавы нового поколения, обладающие пониженной плотностью, высокой фазовой стабильностью и повышенными значениями кратковременной прочности, пластичности, выносливости и длительной прочности, следующих марок:

поликристаллическии сплав ВЖЛ21 (d =8,105 г/см³, of = 1000 МПа, 8²⁰ = 7,5 %, а!? = 360 МПа на базе 2-Ю⁷ циклов, о = 350 МПа);

монокристаллический сплав ВЖМ7 (d = 8,393 г/см³а^ = 1040 МПа, б²⁰ = 22 %, a!J = 510 МПа на базе 2-Ю⁷ циклов, о\Ц = 220 МПа);

монокристаллический интерметаллидный сплава ВИНЗ (d = 8,247 г/см , < = 810 МПа, 5²⁰ = 23,5 %, а¹/⁰ = 290 МПа, о» = 215 МПа на базе 2-Ю⁷ циклов, сС = 50 МПа);

4. Разработаны и обоснованы технологические параметры, обуславливающие управление структурообразованием при литье рабочих и сопловых лопаток методами равноосной (из слава ВЖЛ21) и направленной (из сплавов ВЖМ7 и ВИНЗ) кристаллизации и последующих многоступенчатой термической и ба-ротермической обработках, обеспечивающих достижение высокого уровня свойств.

5. Разработаны и обоснованы применительно к литью по выплавляемым моделям рабочих и сопловых лопаток из литейных жаропрочных нанострукту-

рированных никелевых сплавов пониженной плотности методики построения модельных композиций нового поколения (на примере Салют-7, ВИАМ МК-1, ВИАМ МК-2 и ВИАМ МК-Л) на основе синтетических восков с повышенной на 20 % геометрической точностью и стабильностью формы модели, не уступающие по свойствам импортным аналогам.

Практическая значимость и реализация результатов исследований Внедрение разработанных жаропрочных наноструктурированных никелевых сплавов пониженной плотности обеспечивает достижение следующих эксплуатационных параметров вертолетных двигателей:

применение сплава ВЖЛ21 и разработанной технология литья поликристаллических отливок образцов и рабочих лопаток 2-ой ступени с выходом годного при контроле макроструктуры по заданному конструктором размеру зерна 85-90 % с режимом термообработки, совмещенным с ГИП, обеспечивающими формирование наноструктуры, обеспечит длительную прочность при температуре 900 С с^₀⁰₀⁰ > 340 МПа (среднее значение) и относительное удлинение при растяжении при комнатной температуре 8 > 7 %. По среднему значению удельной длительной прочности сплав превосходит серийный сплав ЖС6У на 10 %, по среднему значению относительного удлинения - в 2 раза.

применение сплава ВЖЛ21 для литья лопаток и деталей с поликристаллической структурой с повышенными физико-механическими характеристиками обеспечит увеличение в 1,5-2 раза ресурса работы деталей турбин высокого и пониженного давления.

применение сплава ВЖМ7 и разработанной технологии литья монокристаллических отливок лопаток с высокой степенью структурного совершенства, с заданной кристаллографической ориентацией (КГО) (аксиальное отклонение не более 10) и выходом годного по монокристаллической структуре 90 %; режимом термообработки, совмещенным с газостатической обработкой, обеспечивающими формирование наноструктуры, обеспечит длительную прочность сплава при температуре 1000 С а| > 215 МПа (среднее значение), что превосходит сплавы-аналоги ВЖЛ20 на 20 % и LEK94 на 10 %.

применение сплава ВЖМ7 взамен существующих серийных сплавов ВЖЛ-20 и ЖС26 для производства рабочих и сопловых лопаток ТНД обеспечит повышение надежности работы вертолетных ГТД и увеличение в 2-3 раза ресурса работы турбинных лопаток.

применение сплава ВИНЗ и разработанного режима термообработки отливок образцов и сопловых лопаток с КГО [001], обеспечит длительную прочность при температуре 1150 С о\Ц > 60 МПа (среднее значение), что превосходит на 15 % интерметаллидный сплав-аналог ВКНА-1В с о}^ > 52 МПа.

применение сплава ВИНЗ взамен сплавов ВКНА-1В и ВКНА-25 для производства сопловых лопаток обеспечит повышение надежности работы вертолетных ГТД и увеличение на 20-30 % ресурса работы сопловых лопаток.

применение разработанных модельных композиций на основе синтетических восков (не уступающих по свойствам импортным аналогам (Paramelt (USA), BLAYSON (UK), REMET (UK), Deumex (EC) и др.), позволит обеспечить повышение на 20 % геометрической точности и стабильности формы модели (Салют-7, ВИАМ МК-1, ВИАМ МК-2, ВИАМ МК-Л) по сравнению с применяемой модельной массой Салют-4, при этом не потребуется доработка технологической оснастки, а также обеспечить импортозамещение и технологическую независимость Российской Федерации от зарубежных модельных композиций, поставка которых на предприятия авиадвигателестроения в настоящее время прекращена.

В целом внедрение результатов работы вносит значительный вклад в развитие современного отечественного двигателестроения для вертолетов гражданского и военного назначения, что позволило осуществить модернизацию отечественного вертолетного двигателя ВК-2500 с повышенными тактико-техническими характеристиками, а также создание двигателя нового поколения для скоростного вертолета, что обеспечивает импортозамещение в сегменте рынка производства вертолетных двигателей.

Модернизация и создание нового вертолетного двигателя позволит за счет применения разработанных материалов и технологий добиться повышения показателей надёжности вертолетных двигателей в 2-3 раза, снижения до 20 % прямых эксплуатационных расходов по двигателю, повышения грузоподъемности вертолёта на -25-30 %, улучшения топливной экономичности на 20-30 %, что в конечном итоге обеспечит выполнение прямого поручения Президента Российской Федерации.

По экспертным оценкам специалистов АО «ОДК-Климов» и АО «ОДК-Авиадвигатель» экономический эффект от внедрения разработок составит: по прямым эксплуатационным расходам: 56 000 000 $ / год или 1,680 млрд. руб./ год, по эксплуатационным расходам с учетом потребления топлива -201 600 000 $ / год или 6,048 млрд. руб./ год. Учитывая, что согласно прогнозным оценкам, производство перспективных вертолетов до 2030 года составит 200-250 штук в год (400-500 двигателей в год), ориентировочный объем продаж двигателей для вертолетов составит в среднем 600-750 млн. долларов в год.

Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается использованием современных аналитических методов анализа химического состава и структуры сплавов, сертифицированного оборудования для проведения

механических испытаний и значительным объемом выполненных экспериментов.

Основные положения, полученные лично автором и выносимые на защиту. Значимые научно обоснованные технические и технологические решения, завершившиеся разработкой материалов и технологий их переработки при производстве ответственных деталей вертолетных двигателей:

1. Разработка и обоснование технологических параметров, управляющих структурообразованием при литье рабочих и сопловых лопаток методами равноосной (из слава ВЖЛ21) и направленной (из сплавов ВЖМ7 и ВИНЗ) кристаллизации и последующих многоступенчатой термической и баротермиче-ской обработках, обеспечивающих достижение высокого уровня физико-механических и эксплуатационных характеристик.

2. Разработка нового фазово-стабильного литейного поликристаллического жаропрочного наноструктурированного никелевого сплава пониженной плотности ВЖЛ21 и технологических параметров литья лопаток вертолетных ГТД из нового сплава.

3. Разработка нового фазово-стабильного монокристаллического жаропрочного наноструктурированного никелевого сплава пониженной плотности ВЖМ7 и технологических параметров литья лопаток вертолетных ГТД из нового сплава.

4. Разработка нового фазово-стабильного монокристаллического интер-металлидного (на основе у'-фазы) жаропрочного наноструктурированного сплава ВИНЗ и технологических параметров литья лопаток вертолетных ГТД из нового сплава.

5. Разработка модельных композиций нового поколения на основе синтетических восков с повышенной геометрической стабильностью Салют-7, ВИАМ МК-1, ВИАМ МК-2, ВИАМ МК-Л и технологических параметров изготовления моделей применительно к литью рабочих и сопловых лопаток из литейных жаропрочных наноструктурированных никелевых сплавов пониженной плотности.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты исследований, выполненных самим автором или под его непосредственным руководством. Личный вклад автора состоит в теоретическом и научном обосновании поставленных целей и задач, проведении экспериментальных исследований по разработке наноструктурированных жаропрочных сплавов пониженной плотности, разработке технологических параметров литья лопаток и составов модельных композиций нового поколения и их апробации на производственных предприятиях, анализе полученных результатов и их обобщении, оформлении результатов в виде научных публикаций, докладов и патентов.

Апробация работы. Результаты и основные положения диссертационной работы лично представлены автором в виде устных докладов на следующих научно-технических конференциях: Международной конференции «Сварка и родственные технологии - настоящее и будущее». Киев, 2013; научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Екатеринбург, 2011; III Международной научно-практической конференции. Москва, 2005; конференции «Современные литейные высокожаропрочные и специальные сплавы, технологии их выплавки и литья монокристаллических рабочих лопаток газотурбинных двигателей». Москва, 2014; конференции «Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники». Москва, 2013; Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двига-телестроения». Самара, 2014; VI Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат». Москва, 2015; конференции «Современные жаропрочные деформируемые никелевые и интерметаллидные сплавы, методы их обработки», Москва, 2015; Международной научно-технической конференции. Москва, 2007 и др.

Публикации. По результатам работы опубликовано 57 научных работ, из них 33 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено 12 патентов РФ на сплавы, модельные композиции и технические решения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 8 глав, общих выводов по работе и списка литературы. Диссертация изложена на 308 страницах машинописного текста и содержит 81 рисунок, 65 таблиц, библиографический список из 269 литературных источников.

Литейные поли- и монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы и тенденции их легирования

Анализ зарубежных публикаций, а также общие тенденции развития материаловедения показывают, что в настоящее время интенсивно ведутся разработки и исследования в области литейных жаропрочных сплавов со специальными свойствами, сырья, исходных компонентов для их производства и технологий их переработки в высокотехнологичную наукоемкую продукцию с большой долей инновационной составляющей. Такие разработки в области жаропрочных сплавов и сталей проводят фирмы США, Японии, ЕС, Китая, Индии, ЮВА, Южная Америка, ориентирующиеся на переход от исследовательских работ к их коммерческому использованию [41].

Особо важное значение имеет применение рабочих и сопловых лопаток из нового поколения литейных жаропрочных сплавов с пониженной плотностью для перспективных авиационных газовых турбин с высоким КПД и длительным ресурсом.

В настоящее время в газотурбинном двигателестроении для литья рабочих и сопловых лопаток широко используются литейные жаропрочные никелевые сплавы пониженной плотности с равноосной структурой ВЖЛ12У (плотность сплава d = 7,93 г/см 3 , длительная прочность ст1100000 = 140 МПа) и ЖС6У (d = 8,4 г/см 3 , 1100000 = 170 МПа). Однако по своим характеристикам жаропрочности они не удовлетворяют современным требованиям [2, 3, 6, 42-49].

Дальнейшее повышение жаропрочности было достигнуто за счёт применения в газовой турбине монокристаллических лопаток из жаропрочных никелевых сплавов нового поколения. Основное преимущество монокристаллических лопаток по сравнению с традиционными поликристаллическими заключается в значительно более высоком сопротивлении высокотемпературной ползучести и термической усталости, что обусловлено отсутствием в монокристаллических лопатках границ зёрен [50].

В настоящее время можно выделить два направления в разработке литейных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) с монокристаллической структурой для производства турбинных лопаток перспективных авиационных двигателей. К первому относятся ЖНС, содержащие тугоплавкие переходные металлы Mo, W, Ta Re, Ru в количестве, ограниченном только их предельной суммарной растворимостью в - твердом растворе и равновесной с ним - фазе. Второе направление – это жаропрочные никелевые сплавы, экономно легированные тугоплавкими металлами (или не содержащие их), что обуславливает получение пониженной плотности.

В результате, в соответствии с международной классификацией, разработаны ЖНС нескольких поколений для литья монокристаллических лопаток авиационных двигателей [5, 28-32, 46, 50-72]. ЖНС поколения I содержат традиционные легирующие элементы (ЛЭ), такие, как Al, Ti, Cr, Mo, W, Ta, Nb, Hf. В состав ЖНС поколений II и III вводят ЛЭ – Re в количестве 2-4 % и 5-6 % соответственно. К поколениям IV и V относятся Re-содержащие ЖНС, дополнительно легированные Ru.

Типичные представители сплавов этого класса – известные зарубежные монокристаллические сплавы EPM-102/MX-4/PWA-1497 (GE, Pratt & Whitney and NASA, США) [68], TMS-138, TMS-162, TMS-196, TMS-238 (NIMS and IHI, Япония) [69-72] и отечественные ВЖМ4 и ВЖМ6 [28-32], которые имеют наибольшую длительную прочность и температурную работоспособность. При этом увеличение жаропрочности сплавов сопровождалось существенным повышением их плотности [73, 74].

Поэтому во многих исследовательских центрах работают над созданием монокристаллических жаропрочных сплавов со значительно более пониженной, по сравнению с ЖНС поколений II, III, IV, V плотностью. Так фирмой MTU (Германия) разработан монокристаллический ЖНС LEK94, как материал для лопаток ротора турбин среднего давления на двигателе TP400-D6 для европейского самолёта A400M [75]. Среди других достижений следует отметить монокристаллические ЖНС серии LDS (NASA, США) [76].

Во ФГУП «ВИАМ» разработан метод расчёта длительной прочности монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Подход основан на расчёте физико-химических и структурных параметров, определяющих жаропрочность гетерофазных никелевых сплавов, по аналитическим моделям [33].

Сформулированы основные принципы сбалансированного легирования монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов [33, 77-79].

Установлен фундаментальный факт существенной зависимости длительной прочности (макроскопическая характеристика) монокристаллов от величины и знака несоответствия периодов кристаллических решёток - и - фаз (микроскопический показатель) [69, 80].

Разработан метод компьютерного конструирования литейных жаропрочных никелевых сплавов, включающий расчёт фазового состав, параметров фазовой стабильности, физико-химических, структурно-фазовых, теплофизических и жаропрочных характеристик, который позволяет на основе расчетов сбалансированного легирования обеспечить заданные значения физико-механических характеристик жаропрочных сплавов, включая их фазовую стабильность [33]. Методом компьютерного конструирования были разработаны высокожаропрочные монокристаллические сплавы третьего и четвёртого поколений, легированные рением и рутением: ВЖМ1, ВЖМ4, ВЖМ6 [27-32].

Существенное повышение жаропрочных свойств и эксплуатационных характеристик монокристаллических лопаток достигнуто благодаря применению жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением и рутением, например сплава ВЖМ4, в котором сформировано при определенных технологических процессах наноструктурированное состояние материала [81-84]. К таким процессам относятся созданные в ВИАМ технологии высокотемпературного вакуумного рафинирования и микролегирования, специальные режимы монокристаллического литья и многоступенчатой термической обработки сплавов. В результате на микроскопическом, атомном уровне структура монокристаллов из жаропрочных рений-рутений содержащих сплавов представлена только двумя фазами – сложно легированным никелевым твёрдым раствором замещения (матричная - фаза) с ближним порядком в расположении атомов компонентов сплава в ГЦК кристаллической решетке, в котором равномерно рассеяны высоко дисперсные кубовидные частицы у - фазы (формирующейся на основе интерметаллического соединения Ni3Al упорядоченная ГЦК структура). Кубовидные микрочастицы - фазы (объемная доля 70 %) с достаточно четкой огранкой и средним размером 400 нм разделены нанопрослойками - фазы с поперечным размером 50-90 нм. В прослойках фазы присутствуют квазикубоиды нанокристаллов - фазы размером 30 нм. При такой структуре материала упрочнение сплава обусловлено сопротивлением, которые оказывают микро и наночастицы у -фазы движущимся дислокациям.

В результате успешного завершения серии исследований во ФГУП «ВИАМ» были разработаны монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы ВЖЛ20 (d = 8,04 г/см3, = 190 МПа) [85] и ЖС36 (d = 8,724 г/см3, ст;07 = 250 МПа) [55]. Применение жаропрочного сплава ВЖЛ20 для производства лопаток турбин перспективных двигателей сдерживается из-за недостаточно высокой рабочей температуры сплава (1000С). Сплав ЖС36, содержащий 2 % рения, в настоящее время применяется для производства монокристаллических рабочих лопаток первой ступени турбины авиационных двигателей ПС-90, ПС-90А2. Однако использовать этот сплав для литья рабочих и сопловых лопаток более высоких ступеней турбин ВД и НД нецелесообразно из-за повышенной плотности, необходимости применения высокотемпературной термообработки и особенностей литейных характеристик, а также и склонности к образованию ростовых дефектов типа «freckles» при кристаллизации в условиях пониженного температурного градиента.

Работы ФГУП «ВИАМ» по созданию новых литейных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) всегда были тесно связаны с разработкой составов сплавов, металлургии их производства, технологии прецизионного литья охлаждаемых лопаток с равноосной, направленной и монокристаллической структурами, и с созданием специализированного литейного оборудования. Эти работы по созданию сплавов, проводились параллельно с разработкой двигателей нового поколения.

Эволюция микроструктуры сплава ВЖЛ21 при длительных механических испытаниях

Методами растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа проведено исследование микроструктуры образцов из нового сплава после высокотемпературных испытаний на длительную прочность при температурах 900, 1000 и 1050С. Анализ полученных результатов показал, что в процессе длительных высокотемпературных (1300 ч при 900С, 1851 ч при 1000С и 418 ч при 1050С) испытаний микроструктура и морфология частиц упрочняющей - фазы поликристаллического никелевого сплава с пониженной плотностью ВЖЛ21 претерпевает существенные изменения (Рис. 4.7-4.10).

В процессе переходной стадии высокотемпературной ползучести исходные кубовидные частицы -фазы (Рис. 4.5) специфическим образом коагулируют. При этом в отдельных зернах, кристаллографическая ориентация которых близка к направлению 001 и совпадает с направлением приложения нагрузки, частицы -фазы сращиваются в пластины с образованием так называемой рафт-структуры (Рис. 4.7, б, 4.8, б, 4.9, а).

Такая структура, имеющая вид регулярно чередующихся высокодисперсных прослоек - и -фаз (рафт-структура), сохраняет свою регулярность на протяжении всей стационарной стадии ползучести. Наряду с рафтированной -фазой в структуре материала рабочей части разрушенных образцов наблюдаются фазовые реакции, связанные с деградацией МеС-карбидной фазы и выделений эвтектической -фазы (Рис. 4.7, а, 4.8, 4.10). По данным микрорентгеноспектрального анализа продуктом карбидных реакций является образование новых карбидов, обогащенных молибденом и хромом (Таблица 4.13, Рис. 4.10), по-видимому, карбидов типа Ме6С.

Наличие карбидных фаз, обогащенных молибденом и хромом (типа Ме6С) при длительных высокотемпературных испытаниях, является типичным для жаропрочных никелевых сплавов с карбидно-интерметаллидным упрочнением.

Таким образом, полученные результаты позволяют заключить, что разработанный наноструктурированный сплав пониженной плотности ВЖЛ21 обладает достаточно высокой фазовой стабильностью.

По результатам проведенных исследований разработаны технические условия на прутковую (шихтовую) заготовку наноструктурированного сплава пониженной плотности ВЖЛ21-ВИ ТУ 1-595-1-1343-2012 «Литая прутковая (шихтовая) заготовка из жаропрочного сплава с пониженной плотностью марки ВЖЛ21-ВИ» (Опытная партия).

Литые прутковые (шихтовые) заготовки предназначены для получения отливок с поликристаллической структурой в плавильно-заливочных установках для равноосной кристаллизации типа УППФ.

Технические условия регламентируют технические требования к состоянию поверхности и структуре материала по химическому составу, механическим свойствам контрольных монокристаллических образцов, правила приёмки и методам контроля, условиям транспортировки и хранения литых прутковых (шихтовых) заготовок сплава ВЖЛ21-ВИ. Некоторые пункты технических требований приведены ниже.

1. Литые прутковые (шихтовые) заготовки из сплава марки ВЖЛ21-ВИ поставляют диаметром 90-10 мм и длиной не более 1000 мм, механически обработанными, без термической обработки.

2. На поверхности литых прутковых (шихтовых) заготовок не допускается наличие оксидных плен, усадочных раковин и шлаковых включений.

3. Механические свойства и длительная прочность контрольных монокристаллических образцов из сплава марки ВЖЛ21-ВИ, должны соответствовать следующим требованиям:

- предел прочности и относительное удлинение при 20 С в 950 С и 5 %;

- время до разрушения при испытании на длительную прочность при 975 С и напряжении 220 МПа не менее 40 ч.

Разработан и выпущен паспорт № 1859 на жаропрочный литейный сплав марки ВЖЛ21с рекомендацией его к опробованию в производственных условиях для изготовления турбинных лопаток с поликристаллической структурой, работающих длительно при температурах до 1050 С. Допускаются кратковременные забросы температуры до 1100 С.

Уровень свойств и квоты превосходства сплава ВЖЛ21 в сравнении с отечественными и зарубежными аналогами представлены в Таблицах 4.14 и 4.15.

Новый жаропрочный никелевый наноструктурированный сплав с пониженной плотностью ВЖЛ21 с поликристаллической структурой по длительной прочности в интервале рабочих температур 800-1050 С превосходит сплавы-аналоги ВЖЛ12У на 13,5-30 %, ЖС6У на 5-20 %, IN-100 (США) на 13-29 %, Rene-125 (США) - на 6-16 %.

По удельной длительной прочности стріd сплав ВЖЛ21 превосходит сплавы ВЖЛ12У (d = 7,93 г/см3, ст;о7 = 140 МПа) на 26 %, ЖС6У (d = 8,42 г/см3, ст;07 = 170 МПа) на 10 % и конкурентоспособен с зарубежными сплавами-аналогами IN-100 (d = 7,75 г/см3, 000 = 150 МПа) и Rene-125 (d = 8,46 г/см3, ст;07 = 155 МПа) (США).

Исследование влияния различных видов наполнителей на свойства и стабильность модельных композиций

В качестве наполнителей модельных составов в Российской Федерации, как правило, используют порошок карбамида (технической мочевины), уротропина (гексаметилентетрамина), синтетических смол (например, акриловой смолы), полистирола, хлористого аммония, фталимида, коллоидного графита, сажи и др. [262-265].

При выборе твердого наполнителя учитывают его плотность, гигроскопичность, зольность, фракционный состав, токсичность в исходном состоянии и при температуре прокаливания керамических оболочек, смачиваемость воскоподобной частью модельного состава (пластификатором) и др.

Соотношение плотностей наполнителя и пластификатора во многом предопределяет, как стабильность самого модельного состава, так и возможность его вторичного использования. Плотность воскоподобной части модельного состава (пластификатора) в расплавленном состоянии, как правило, находится в пределах от 0,75 до 0,88 г/см3, плотность при 20 С составляет от 0,9 до 1,0 г/см3. Если плотность материала наполнителя значительно больше плотности жидкого пластификатора, то такой наполнитель, после выплавки модельного состава из керамической оболочки, за время охлаждения жидкого пластификатора, осядет на дно бака-накопителя модельного состава. В результате модельный состав становится непригодным для повторного использования (для изготовления моделей отливок).

В работе [266] с точки зрения сохранения удовлетворительной текучести модельного состава и существенного понижения, при этом, величины линейной усадки моделей, количество твёрдого наполнителя рекомендуется рассчитывать по эмпирическому уравнению, % (по массе):

МН = 30гН/гП, (7.1) где rН и rП - плотность материала наполнителя и пластификатора модельного состава при 20 С, соответственно, г/см .

На отечественных предприятиях, из числа твёрдых наполнителей, наибольшее распространение получил карбамид (NH2CONH2), как наиболее дешёвый и недефицитный материал. Плотность карбамида при 20 С составляет 1,335 г/см3. Например, для приготовления модельного состава ВИАМ-102 вводят до 45 % (по массе) порошка карбамида.

Однако следует отметить, что наличие достаточно большого количества твёрдого наполнителя в модельном составе позволяет существенно уменьшить его линейную усадку, склонность к короблению моделей и повысить прочность и трещиноустойчивость. Наряду с этим, применение твёрдого наполнителя в модельном составе требует значительного повышения давления и температуры запрессовки модельного состава.

Основным недостатком карбамида, как наполнителя модельных составов является его гигроскопичность. Использование недостаточно высушенного карбамида в модельном составе ухудшает качество поверхности моделей и, соответственно, отливок. Кроме этого, длительное хранение моделей, приводит к высаливанию карбамида на поверхности моделей. Высаливание карбамида происходит в результате его взаимодействия с влагой воздуха. Появление кристалликов карбамида на поверхности модели, впоследствии, приводит к химическому взаимодействию карбамида с компонентами огнеупорной суспензии, и понижению качества поверхности отливки [265].

Одним из самых перспективных наполнителей для модельных композиций является терефталевая кислота (ТФК) - бесцветное кристаллическое вещество, слабо растворимое в воде, спиртах, диметилсульфоксиде. ТФК представляет собой чистый белый порошок, получаемый методом жидкофазного каталитического окисления параксилола кислородом воздуха в среде уксусной кислоты.

Главная область применения ТФК - получение полиэтилентерефталата (ПЭТФ), гранулят которого в свою очередь используется для производства искусственного волокна, пластиковых бутылок, пленки, пластмассы. Значительно меньшие объемы данной продукции используются в производстве диметилтерефталата и полибутилентерефталата (ПБТФ).

Очищенная ТФК получается путем очистки технической ТФК от примесей методом каталитического гидрирования на гетерогенном катализаторе – палладий на гранулированном активированном угле.

Учитывая, что за рубежом ТФК находит широкое применение в качестве наполнителя для восковых композиций при литье по выплавляемым моделям, в настоящей работе было принято решение о ее опробовании в качестве наполнителя для модельных композиций марки «Салют».

Внедрение нового поколения модельных композиций на основе синтетических восков

Для проведения опробования новых модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» производства ФГУП «ВИАМ» на Наро-Фоминском Машиностроительном Заводе были изготовлены опытные партии модельных композиций нового поколения, согласно разработанной технологии ТИ 1.595-1-838-2015.

Для проведения работ по опробованию новых модельных композиций в условиях производства ОАО «КАДВИ» была разработана и утверждена Программа работ по опробованию модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» производства ФГУП «ВИАМ».

В соответствии с программой работ по опробованию модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» производства ФГУП «ВИАМ» в производственных условиях на оборудовании и оснастке ОАО «КАДВИ» были изготовлены восковые модели № ТА14.001.201.03 из модельных композиций ВИАМ МК-1, ВИАМ МК-2 для отливки детали «Венец лопаточный» (Рис. 8.26).

Восковые модели № ТА14.001.201.03 из модельных композиций ВИАМ МК-1 и ВИАМ МК-2 были запрессованы по следующим режимам. Из ВИАМ МК-1:

– при температурах прессования 70, 72 и 76С, давлении прессования 2,5 атм., выдержке под прессом 5 мин, выдержке в пресс-форме 15 мин (3 шт.). Из модельной композиции ВИАМ МК-2:

– при температуре прессования 76С, давлении прессования 2,5 и 2,8 атм, выдержке под прессом 5 мин, выдержке в пресс-форме 15мин.

По серийному технологическому процессу на отливку детали №ТА14.001.201.03 выполнена сборка моделей в блоки (Рис. 8.27)

По серийному технологическому процессу проведена окраска модельных блоков, нанесены 1-й и 2-ой слои керамической суспензии, 1-ый слой суспензии ложился ровно, без подтеков. Растрескиваний и отслоений 1-го и 2-го слоев керамического покрытия не выявлено. Была проведена заливка сплавом ЖС6К-ВИ двух керамических форм, изготовленных по моделям из модельной композиции ВИАМ МК-1.

Проведены обмеры геометрических размеров залитых отливок детали №ТА14.001.201.03 «Венец лопаточный», которые показали, что усадка модельной композиции марки «ВИАМ МК-1» производства ФГУП «ВИАМ» на отливке детали №ТА14.001.201.03 в целом на уровне усадки серийной массы. По результатам рентгенографического контроля, ЛЮМ-контроля качество залитых отливок по металлургическим дефектам соответствует серийному уровню.

Опробование модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» производства ФГУП «ВИАМ» в производственных условиях ОАО «КАДВИ» показало, что модельные композиции марок ВИАМ МК-1 и ВИАМ МК-2 возможно применять в условиях производства ОАО «КАДВИ» для замены модельной массы ЗГВ при условии равной рыночной цены.

По результатам опробования оформлен Акт №4-ССВ-070 от 30.09.2016 г. об опробовании модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» в условиях производства ОАО «КАДВИ».

Для проведения работ по опробованию новых модельных композиций в условиях производства ЦТК АТ ПАО «УМПО» была разработана и утверждена Программа работ по опробованию модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» производства ФГУП «ВИАМ».

В соответствии с Программой работ по опробованию модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» производства ФГУП «ВИАМ» в производственных условиях ЦТК АТ ПАО «УМПО» были изготовлены:

из модельной композиции ВИАМ МК-1 модели согласно параметрам серийных технологических процессов следующих отливок деталей:

- № 104.06.68.003-4 шт.;

- № 9М83.7202-62- 4 шт.;

- № 96.01.24.033-4 шт.

из модельной композиции ВИАМ МК-Л изготовление ЛПС для сборки блоков. Замечаний по изготовлению элементов литниково-питающей системы нет.

Была проведена сборка модельных блоков и изготовлены керамические формы по серийным технологическим процессам. Дефектов в части растрескиваний и отслоений керамического покрытия не выявлено. Проведено удаление модельных композиций из керамических форм и проведена их заливка по серийным технологическим процессам. По результатам контроля качества залитых отливок деталей на наличие металлургических дефектов выявлено, что выход годного полученного литья соответствует серийному

По результатам опробования составлен Акт №5-ССВ-070 от 30.11.2016 г. об опробовании модельных композиций марок «ВИАМ МК-Л», «ВИАМ МК-1», «ВИАМ МК-2» в условиях производства ЦТК АТ ПАО «ОДК-УМПО» и протокол о намерениях по перспективам применения модельных композиций производства ФГУП «ВИАМ», в котором рассматривается возможность заключения договора на поставку модельных композиций в количестве, соответствующем потребностям ЦТК АТ при серийном производстве крупногабаритных изделий мощностью 600 тонн алюминиевого литья и 105 тонн титанового литья в год (Ориентировочная годовая потребность в модельных композициях 20-25 тонн).

Апробация модельной композиции Салют-7 проводилась в литейных цехах АО «НПЦ газотурбостроения «Салют». В процессе апробации режимы прессования моделей соответствовали серийным технологиям: температура композиции в форкамере пресса - (75+5) С; давление прессования - 10-40 кгс/см2 в зависимости от габаритных размеров деталей. Отмечена глянцевая поверхность моделей без дефектов. Изготовленные модели до сборки хранились в течение 5 суток. Коробления, растрескивания моделей не обнаружено. Выборочный контроль линейных размеров моделей не выявил отклонений от детальных технологий.

Все операции по изготовлению отливок проводились согласно серийной технологии. После прокалки керамических форм от каждого наименования деталей проводили вскрытие одного керамического блока для визуального контроля чистоты поверхности внутренней полости. Отмечено, что вскрытые формы не имели следов модельной массы и имели ровную гладкую поверхность.

Контроль отлитых деталей проводили полной разметкой в соответствии с конструкторской документацией. В результате разметки установлено, что геометрия деталей соответствует чертежам и припускам по картам согласования на механическую обработку. Отлитые детали проходили все виды контроля, указанные в технических требованиях чертежей и технических условиях.

Анализ брака показал, что основные причины его не связаны с модельными композициями. Основными причинами брака являются неметаллические включения и рыхлоты. По результатам проведенной работы можно сделать заключение о том, что модельная композиция Салют-7 обеспечивает высокий выход годного литья (85 % для рабочих и сопловых лопаток).

Таким образом, на основании полученных данных разработана методика подбора технологических параметров изготовления моделей в зависимости от показателя текучести расплава модельных композиций различного состава. Эта методика позволяет выбрать оптимальные технологические параметры изготовления моделей в зависимости от сложности их конфигурации.