Введение к работе
Актуальность работы. Создание газотурбинных двигателей (ГТД) нового поколения во многом определяется разработкой жаропрочных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. Тяга двигателя, характеристики его экономичности и массагабаритные показатели в первую очередь зависят от температуры газа на входе в турбину и колігчества отводимой теплоты. Поэтому основная тенденция развития ГТД обусловлена непрерывным увеличением температуры рабочего газа. В свою очередь это требует повышения служебных характеристик материалов горячего тракта двигателя и прежде всего длительной прочности и термоусталости жаропрочных сплавов.
Наиболее ответственными деталями двигателя являются рабочие лопатки турбины, которые в современных двигателях длительно работают в v овиях высоких температурО30О-1400С), напряжений и агрессивных сред. Современный уровень жаропрочности и надежности работы лопаток достигнут за счет создания конструкции с развитой системой внутреннего охлаждения, применения точного литья по выплавляемым моделям, новых композиций никелевых сплавов и защитных покрытий. Однако, как показал анализ технологии изготовления лопаток и условий их длительной эксплуатации, возникают дефекты, обусловленные термоусталостным растрескиванием и высокотемпературной газовой коррозией. Это требует дальнеіішего повышения уровня жаропрочности, жаростойкости материала лопатки и стабилизации их свойств. Важный дополнительный резерв улучшения и стабилизации этих характеристик связан с технологией подготовки металличесюїх расплавов к процессу кристаллизации. Установлено, что чем выше степень равновесности расплава и равномерности распределения в нем атомов легирующих компонентов, тем слабее наследственное влияние шихтовых материалов и стабильнее качество отливок. Наиболее доступным и достаточно эффективным методом формирования равновесной структуры расплава является тепловое воздействие. Температурный режим выплавки сплавов, основанный на исследо-
вании их физико-химических свойств в жидком состоянии, получил название высокотемпературной обработки расплава (ВТОР). Однако влияние ВТОР на процессы направленной кристаллизации и формирование структуры отливок лопаток изучены недостаточно, а исследования по влиянию ВТОР на их эксплуатационные свойства практически отсутствуют.
Обеспечение надежности и долговечности лопаток турбины определяют также финишные методы обработки, формирующие, физико-химическое состояние поверхностного слоя детален. Это достигается путем применения традиционных методов нанесения диффузионных и конденсированных (ион-но-плазменных, магнетронних, электронно-лучевых) защитных покрытий. Вместе с тем, указанные методы, как показывает анализ производства и эксплуатации ГТД, ігуждаютея в совершенствовании с использованием последних достижений современной техники. Ионная имплантация, являясь одним из перспективных методов модифицирования поверхности конструкционных материалов, приводит к значительным изменениях! физико-химического состояния поверхностного слоя и, следовательно, эксплуатационных свойств. Однако, практически отсутствуют результаты исследования влияния ионной модификации на химический, фазовый состав поверхности и на эксплуатационные свойства жаропрочных никелевых сплавов.
Отдельные разделы диссертационной работы кыполнены в соответствии с федеральными программами «Энсрго- и ресурсосберегающие технологии в металлургии» и «Интеграция».
На основании вышеизложенного были поставлены цель и задачи исследования:
Цель работы. Повышение эксплуатационных свойств лопаток турбины ГТД путем разработки новых технологических процессов (выплавка и отливка сплава, обработка поверхности пера лопаток методом ионной имплантации).
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1. Исследование процессов ВТОР литейных жаропрочных сплавов
ЖС6У и ЖС32 при равноосной и направленной кристаллизации.
-
Изучение структуры и фазовых превращений в указанных сплавах после различных режимов ВТОР и определение влияния подготовки расплава на свойства отливок.
-
Исследование физико-химического состояния поверхности и изменения свойств сплава ЖС32 после ионной имплантации.
4.Исследование комплексного влияния процессов технологии ВТОР при плавке и ионной имплантации поверхности лопаток на эксплуатационные свойства в условиях длительных стендовых испытаний в составе полноразмерных изделий.
Научная новизна.
Исследовано влияние режимов выплавки с применением ВТОР на структур}' и эксплуатационные свойства высоколегированного сплава ЖС32 в условиях высокоскоростной направленной кристаллизации. Установлено, что литье с применением ВТОР но оптимальному режиму обеспечивает повышение пластичности и жаропрочности сплава.
Впервые исследованы закономерности изменения структуры, фазового и элементного состава поверхности литого жаропрочного никелевого сплава ЖС32 с монокристальной структурой после ионной имплантации La+ и Yb+. Определены режимы ионной имплантации и отжига, обуславливающие упрочнение и повышение жаростойкости вследствие образования термостабильных дисперсных фаз лантана и иттербия, а также "эффекта дальнодействия".
Практическая ценность. Разработанный режим выплавки лопаток турбины с применением ВТОР внедрен на Уфимском моторостроительном производственном объединении. Это позволило уменьшить долю производственных дефектов и увеличить выход годной продукции. На лопатки турбины из сплава ЖС32, изготовленные с ионной имплантацией поверхности La\ выпущены
технологические паспорта для проведения длительных испытаний на увеличенный ресурс - 1000 час в составе опытного изделия.
Автор защищает:
-
Результаты влияния ВТОР на структуру и свойства литейных жаропрочных сплавов ЖС6У и ЖС32 при равноосной и направленной кристаллизации.
-
Результаты исследования влияния ионной имплантации La+ , Yb+ на структуру, фазовый, химический состав и свойства поверхности лопаток из высоколегированного жаропрочного сплава ЖС32 с монокристальной структурой.
-
Результаты исследования комплексного влияния ВТОР и ионной имплантации поверхности La+ и Yb* на структуру и эксплуатационные свойства литых лопаток из жаропрочных сплавов на никелевой основе, в том числе, после длительных стендовых испытаний в составе полноразмерных изделий.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II семинаре России и стран СНГ « Структурно-морфологические основы модификации материалов методами нетрадиционных технологий (Обнинск, 1993); на конференции литейщиков России "Совершенствование литейных процессов", Екатеринбург, 1996; на международной конференции «Эвтектика IV», Днепропетровск, Украина, 1997; на XIV Уральской школы металловедов-термистов «Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов», Ижевск, 1998; на международном семинаре Аэрокосмической техники и технологии, (Индия, Бангалор, 1998). Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем работы - 182 страницы, из них основной текст - 102 страницы, рисунков -66 , таблиц - 21 , список литературы содержит - 132 наименования.
