Введение к работе
Актуальность работы
Монокристаллические лопатки из жаропрочных никелевых сплавов в современных газотурбинных двигателях работают в условиях воздействия высоких внешних силовых и тепловых нагрузок. В таких экстремальных условиях эксплуатация лопаток должна осуществляться в течение десятков тысяч часов. Воздействие инерционных и аэродинамических сил в процессе работы приводит к растяжению, изгибу и кручению лопаток. Вследствие высоких нагрузок и термических циклов возникают остаточные напряжения, то есть напряжения, которые существуют в лопатках при отсутствии внешних силовых и тепловых воздействий. Поэтому остро встает вопрос об определении количественных значений величин напряжений, которые накапливаются в процессе эксплуатации и, складываясь с напряжениями внешних нагрузок, могут приводить к разрушению лопаток. Кроме того, до начала эксплуатации требуется аттестация технологических операций с точки зрения количественной оценки величин остаточных напряжений, которые они вносят в процессе получения монокристаллической лопатки. В существующей нормативно-технической документации установлены жёсткие требования к кристаллографической ориентировке монокристалла, его субструктуре, к значениям периодов решёток - и '-фаз и к величине несоответствия периодов решёток - и '-фаз (мисфита). При этом, периоды решёток фаз и несоответствия периодов решёток определяют с искажениями, обусловленными действующими напряжениями (так называемый «стеснённый мисфит»).
Механические и жаростойкие свойства монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов (МЖНС) в значительной мере определяются совершенством кристаллического строения монокристалла и структурными характеристиками - и '-фаз. Для контроля кристаллической структуры наиболее подходящими являются рентгенодифракционные методы анализа в силу их неразрушающего характера и полноты извлекаемой информации.
Измерение напряжений в крупнозернистых материалах – и особенно в монокристаллах – представляет серьёзную проблему. Хорошо известный метод «пси-наклона» применим только для определения величины остаточных напряжений в поликристаллических материалах. На сегодняшний день величина остаточных напряжений в монокристаллических лопатках оценивается расчетным путём с использованием различных моделей. Экспериментально напряжения измеряются с использованием разрушающих методов (метод Давиденко, метод сверлений отверстий и др.). Поэтому разработка и постановка рентгеновского метода определения напряжений в монокристаллических лопатках является актуальной задачей.
На надёжность лопаток также существенно влияют топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы, образующиеся в процессе термической обработки и эксплуатации. С целью улучшения качества и надежности стоит задача управления технологическими процессами, определяющими параметры ТПУ фаз в процессе термической обработки монокристаллических лопаток. Задача может быть успешно решена только на основе детальных знаний структуры ТПУ фаз, для чего требуется не только применение существующих, но и разработка новых методик рентгенодифракционного анализа.
Таким образом, развитие существующих, разработка и постановка новых рентгеновских методик для исследования структуры МЖНС с применением современного исследовательского оборудования является актуальной задачей.
Цель работы
Разработка комплекса рентгенодифракционных методов анализа состояния структуры лопаток из МЖНС на всех этапах их производства и эксплуатации – начиная от затравочных кристаллов до турбинных лопаток после эксплуатации. Исследование структуры жаропрочного никелевого сплава четвёртого поколения ВЖМ4 с применением разработанного комплекса рентгеновских методов в сочетании с методами дифференциальной сканирующей калориметрии, просвечивающей (ПЭМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) с целью определения эффективности разработанного комплекса.
Задачи работы
– Усовершенствование метода определения количественных характеристик кристаллографической ориентировки монокристаллов и анализа его блочного строения за счёт применения совмещённых полюсных фигур и компьютерной графики;
– Экспериментальная реконструкция трёхмерного строения узлов обратной решётки монокристаллов сплава ВЖМ4 для подтверждения модели обратной решётки с сателлитами, позволяющей избежать появление на дифрактограмме дополнительных рефлексов;
– Разработка рентгеновского метода определения напряжений в гетерофазных монокристаллах, а также определения периодов решёток фаз, свободных от напряжений;
– Исследование эволюции структуры монокристаллов сплава ВЖМ4 в процессе длительных высокотемпературных механических испытаний, моделирующих наработку;
– Разработка методики определения сингонии и измерения периодов кристаллической решётки ТПУ фазы в монолитных монокристаллах сплава ВЖМ6.
Научная новизна работы
1. Усовершенствован метод определения количественных характеристик кристаллографической ориентировки структуры монокристалла и анализа его блочного строения за счёт применения совмещённых полюсных фигур и компьютерной графики.
2. Экспериментально получена система сечений узлов 222 и 202 обратной решетки - и '-фаз монокристалла ВЖМ4, которая позволила выявить тетрагональные искажения кристаллической решётки -фазы, обусловленные упругим взаимодействием с выделениями '-фазы.
3. Разработан и запатентован рентгеновский метод определения напряжений в гетерофазных монокристаллах, в частности, в кристаллических решётках - и '-фаз МЖНС, а также определения периодов решёток - и '-фаз, свободных от напряжений.
4. Установлено, что кристаллографические плоскости МЖНС различаются по степени искажённости в зависимости от индексов Миллера плоскости. Рассчитано и экспериментально показано, что искажения минимальны в кристаллографических плоскостях из семейств {122} и {133} в МЖНС с ориентировкой <001>. Поэтому целесообразно периоды решёток /-фаз и мисфит определять по отражениям от этих плоскостей.
5. Определены сингония, периоды решётки и ориентационное соотношение ТПУ фазы с матрицей в монолитных монокристаллах ВЖМ6.
Практическая значимость работы
– Разработанный комплекс рентгенодифракционных методов позволяет оценивать состояние структуры лопаток из МЖНС на всех этапах их производства и эксплуатации – начиная от затравочных кристаллов до турбинных лопаток после эксплуатации. Разработанные рентгенодифракционные методы внедрены в комплекс исследовательских методов Испытательного центра ФГУП «ВИАМ» и успешно применяются при выполнении НИР.
– Усовершенствованный метод анализа структуры монокристаллов позволяет по совмещённым полюсным фигурам с помощью компьютерной графики в едином эксперименте определять количественные характеристики ориентировки структуры монокристалла и анализировать его блочное строение. То есть параметры структуры, характеризующие прочность и надёжность работы монокристаллических лопаток.
– Разработанный рентгеновский метод определения напряжений в гетерофазных монокристаллах позволяет зафиксировать изменение напряжений после механического и термического воздействия на монокристалл и подобрать необходимый режим термической обработки для снятия напряжений.
– Рассчитано и экспериментально показано, что периоды решёток - и -фаз МЖНС с ориентировкой <001>, рассчитанные по отражениям от плоскостей из семейств {122} и {133} в наименьшей степени искажены напряжениями. Поэтому оценку степени жаропрочности сплава целесообразно осуществлять на основании анализа мисфита, рассчитанного по отражениям от данных кристаллографических плоскостей.
– ТПУ фазы в МЖНС могут существенно влиять на свойства материала. Это влияние в первую очередь определяется параметрами решётки ТПУ фазы. Разработанная методика определения сингонии и измерения параметров кристаллической решётки ТПУ фазы с применением ПЭМ и рентгеноструктурного анализа является эффективным средством для исследования влияния ТПУ фазы на свойства материала.
Личный вклад автора состоит в разработке и апробации рентгенодифракционных методов комплексной оценки состояния структуры лопаток МЖНС на всех этапах их производства и эксплуатации. В проведении детальных исследований структуры сплава ВЖМ4 с применением разработанных рентгеновских методов на современном рентгеновском оборудовании. Работа выполнена при научной консультации Полякова Сергея Николаевича (Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ).
Апробация работы
Материалы диссертации представлены на конференциях:
– Научно-техническая конференция «Создание и исследование конструкционных материалов для новой техники», Москва, ВИАМ, 2011;
– Всероссийская научная школа для молодёжи «Материалы и энергосберегающие технологии для производства ответственных деталей высокоэффективных газотурбинных двигателей, промышленных энергетических силовых установок и приводов», Москва, ВИАМ, 2010;
– 9th Liege Conference: Materials for Advanced Power Engineering, 2010;
– Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы металловедения сплавов цветных металлов», Москва, , 2009;
– Научно-практическая конференция, посвященная 120-летию со дня рождения И.И. Сидорина, Москва, ВИАМ, 2008;
– Международная научно-техническая конференция «Актуальные вопросы авиационного материаловедения», Москва, ВИАМ, 2007;
– Международная научно-техническая конференция «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение», Москва, ВИАМ, 2006;
– Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы создания перспективных авиационных двигателей», Москва, ЦИАМ, 2005.
Публикации
По результатам исследований получен 1 патент, опубликовано 16 печатных работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК.
Объём работы
Диссертация содержит 167 страниц текста, 119 рисунков, 17 таблиц, состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы из 96 наименований.
