Введение к работе
Актуальность темы.
Технический прогресс в области авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в значительной степени определяется качеством и эксплуатационными характеристиками наиболее ответственных деталей – рабочих лопаток турбины. Среди них наиболее высоким характеристикам прочности, жаропрочности, усталости соответствуют лопатки с монокристаллической и столбчатой структурой, полученные методами литья с направленной кристаллизацией и монокристаллитного литья.
Благодаря значительному объему исследований, проведенных по технологии и процессам направленной кристаллизации, изобретению многочисленных методов и устройств, обеспечивающих выращивание монокристаллической и столбчатой структур в отливке, решена задача получения необходимой и отвечающей всем требованиям макроструктуры. Однако, в лопатках, макроструктура которых полностью отвечает всем требованиям технических условий, при испытаниях наблюдается значительный разброс механических и эксплуатационных характеристик. Это позволяет говорить о том, что не менее важными факторами, определяющими конечные свойства литых лопаток являются параметры литой микроструктуры (расстояние между осями дендрита , размер эвтектической /-фазы d/).
Однако, как показал анализ литературных данных и производственного опыта надежные экспериментальные и теоретические данные о влиянии технологических режимов литья (температурного градиента G, и скорости кристаллизации R), химического состава и теплофизических свойств сплава (интервал кристаллизации T, температуры критических точек сплава TL и TS) на степень дисперсности формирующейся в процессе затвердевания литой микроструктуры практически отсутствуют.
Поэтому исследования влияния технологических режимов направленной кристаллизации, химического состава и теплофизических свойств сплава на параметры литой микроструктуры и свойства отливок, полученных методом высокоскоростной направленной кристаллизации (ВСНК), являются весьма актуальными.
Цель работы. Повышение уровня эксплуатационных свойств отливок «Лопатка» за счет обеспечения необходимых параметров микроструктуры на основе изучения влияния химического состава, теплофизических свойств сплава и технологических режимов монокристаллитного литья.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи:
-
Экспериментальное и теоретическое изучение процессов формирования монокристаллической и столбчатой структуры отливки при ВСНК.
-
Установление взаимосвязи между основными параметрами литой микроструктуры (расстояние между осями дендрита , размер эвтектической /-фазы d/) и технологическими режимами направленной кристаллизации (температурный градиент G, скорость кристаллизации R).
-
Разработка классификации легирующих элементов по их влиянию на переохлаждение сплава при направленной кристаллизации.
-
Определение влияния теплофизических свойств сплава (интервал кристаллизации T, температуры критических точек сплава TL и TS) на степень дисперсности формирующейся микроструктуры.
-
Построение математических моделей и номограмм, позволяющих определять параметры микроструктуры отливки в зависимости от содержания легирующих элементов в сплаве и технологических режимов направленной кристаллизации, то есть разработка частных и обобщенных моделей, вида:
«параметр микроструктуры» – F (хим. состав, G, R)»
«параметр микроструктуры» – F (теплофизические свойства, G, R)»
-
Разработка методики расчета скорости кристаллизации отливки и определения скорости опускания формы в теплоноситель при высокоскоростной направленной кристаллизации, обеспечивающих получение микроструктуры заданной степени дисперсности и соответствующих свойств.
-
Разработка алгоритма прогноза свойств сплава в зависимости от параметров микроструктуры, химического состава и параметров литья.
Научная новизна работы.
-
Установлены зависимости между теплофизическими свойствами, химическим составом сплава, технологическими режимами литья (температурный градиент G, скорость кристаллизации, R) и параметрами литой микроструктуры при высокоскоростной направленной кристаллизации.
-
Предложены классификация легирующих элементов по механизму влияния на переохлаждение сплава и коэффициент переохлаждения KTL, позволяющий оценить степень влияния элемента на процесс кристаллизации.
-
Установлены зависимости между теплофизическими свойствами, химическим составом сплава, технологическими режимами литья (температурный градиент, G, скорость кристаллизации, R) и параметрами литой микроструктуры при высокоскоростной направленной кристаллизации.
-
Разработана методика расчета скорости кристаллизации отливки при ВСНК, позволяющая управлять процессом погружения формы в расплав-теплоноситель для обеспечения заданной степени дисперсности микроструктуры.
-
Разработаны математические модели и алгоритм расчета режимов технологического процесса ВСНК в зависимости от требуемых параметров микроструктуры и эксплуатационных свойств отливки.
Практическая значимость работы:
-
Разработана методика расчета параметров технологического процесса направленной кристаллизации в зависимости от требуемых свойств отливки, параметров микроструктуры и химического состава сплава (отливки).
-
Разработаны номограммы, позволяющие в зависимости от требуемых свойств отливки, определить соответствующие параметры микроструктуры и в зависимости от параметров микроструктуры соответствующие режимы направленной кристаллизации.
Разработанные номограммы и математические модели опробованы на ОАО НПО «Сатурн» при производстве лопаток из жаропрочных сплавов ЖС26, ЖС32, АМ1, DS200.
Результаты работы в виде номограмм и методик определения режимов направленной кристаллизации отливок используются в учебном процессе на кафедре «Материаловедение, литье и сварка» РГАТА им. П.А.Соловьева в ряде изучаемых дисциплин, а также в курсовом и дипломном проектировании при подготовке инженеров по специальности «Материаловедение и технология материалов и покрытий».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Основные факторы, влияющие на дисперсность микроструктуры сплавов, сформулированные на основании теоретического исследования процессов кристаллизации и экспериментального анализа литой микроструктуры отливок, полученных методами высокоскоростной направленной кристаллизации.
-
Разработанная методика расчета скорости кристаллизации отливки при высокоскоростной направленной кристаллизации, основанная на решении методом конечных разностей уравнения теплового баланса.
-
Предложенный алгоритм определения режимов высокоскоростной направленной кристаллизации в зависимости от параметров микроструктуры, химического состава сплава и требуемых эксплуатационных свойств.
Объектами исследования являлись жаропрочные никелевые сплавы, предназначенные для монокристаллитного литья ЖС26, ЖС32, ЖС40, ЖС47, Rene5, АМ1, DS200.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели применяли современный металлофизический комплекс исследований: оптическую и электронную микроскопию, спектральный и микрорентгеноспектральный анализ. Среди дополнительных методик исследования необходимо отметить: методы измерения температур расплава, методы оценки качества отливок, включающие рентгеновский и FPI контроль, методы определения механических свойств сплава, включая испытания на кратковременную и длительную прочность.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:
XXIX Конференция молодых ученых и студентов, Рыбинск, 2005 г.;
Международная школа-конференция «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинск, 2006 г.;
Российская научно-техническая конференция «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2007 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и списка литературы. Изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 69 рисунков, библиографический список содержит 86 наименований.
