Исследование диаграмм состояний систем на основе никеля с гафнием и цирконием и разработка припоев для жароврочных сплавов Квасницкий, Виктор Вячеславович

Введение к работе

Актулыюсть темы. Газотурбинные установки (ГТУ) успешно применяются во многих отраслях промышленности, в том числе на судах, газоперекачивающих станциях, самолетах и т.д. Основными конструкционными материалами турбин являются жаропрочные никелевые дисперсионно-твердеющие, дисперсноупрочненные и эвтектические сплавы, жаропрочность которых непрерывно повышается, а проблема их соединения усложняется.

Перспективным способом соединения перечисленных материалов является пайка в вакууме, однако существуют затруднения в обеспечении жаропрочности, жаростойкости и стойкости против высокотемпературной солевой коррозии (ВСК) припоев и соединений. Анализ литературы показывает, что наиболее высокую работоспособность соединений могут обеспечить припои с цирконием и гафнием, однако сведения о них ограничены, по составам с гафнием противоречивы, отсутствуют исследования закономерностей формирования фазового состава и свойств припоев и соединений. Решению этих вопросов посвящена настоящая работа.

Исследования проводились в соответствии с планами подготовки аспирантов ИЭС им. Е.О. Патоиа, ОКР «Уважение», ПИР и ОКР УГМТУ, научной стажировки в университете г. Клаусталя (Германия).

Целью работы является исследование фазовых равновесий в системах па основе никеля с гафнием и цирконием, изучение взаимосвязи структуры и свойств сплавов с их составом, разработка припоев и технологии пайки.

Для достижения пели необходимо было решить следующие задачи:

исследовать влияние легирующих элементов на температуру плавления и фазовый состав сплавов на основе системы Ni-Hf в области, богатой никелем, и определить принципы разработки припоев;

установить закономерности изменения свойств сплавов и принципы создания припоев при совместном введении гафния и циркония;

изучить взаимодействие припоев с газовой фазой и жаропрочными сплавами при пайке, структуру и свойства паяных соединений и на основе полученных результатов разработать технологию пайки;

осуществить опытно-промышленную проверку разработок и разработать техническую документацию на припои и технологию пайки.

Научная новизна. 1. Впервые построены политермические и изотермические сечения диаграммы состояния системы Ni-Cr-Hf, отражающие характер фазовых равновесий и фазовый состав богатых никелем спла-

bob при температурах 1250-1000С, концентрациях хрома до 24.5 % (ат.) и гафния до 22.2 % (ат.).

1. Получены уравнения поверхностей ликвидус и солидус системы Ni-Cr-Hf, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Установлено, что увеличение концентрации хрома и гафния сопровождается линейным повьпнепием температуры солидуса сплавов.

2. Выявлено, что в сложнолегированных эвтектических сплавах с гафнием, при содержании других легирующих элементов в пределах растворимости, основное влияние на структуру и свойства сплавов оказывает хром. Он стабилизирует фазу Ni₇Hf₂co значительно меньшей микротвер-достыо, чем NijIIf, (как и фазу Ni₇Zr₂ в системе с Zr) и в зависимости от его концентрации существует 2типа моновариантных эвгектик: y-Ni+Ni₅Hf HY-Ni+Ni₇Hf₂.

3. Построен нолитермический разрез системы Ni₇Zr₂-Ni₇lIf₂, ранее не исследованный.

4. Показано, что в эвтектических сплавах с гафнием введение циркония снижает их температуру плавления, причем тем больше, чем вьпдс концентрация хрома. Предложены уравнения и определен ход эвтектического желоба в системе Ni(Ni ) - Hf - Zr для определения эвтектических концентраций гафния и циркония.

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Результаты исследования влияния легирующих элементов, на структуру и свойства сплавов, политермнческие и изотермические сечения диаграмм состояния, уравнения поверхностей ликвщгус и солидус системы Ni-Cr-Hf.

2. Принципы разработки припоев при совместном введении гафния и циркония, основанные на взаимном замещении элементов в эвтектических сплавах и их влиянии на свойства сплавов.

3. Диаграмма плавкости системы Ni,Zr₂-Ni₇IIf₂.

4. Результаты исследований формирования и изменения состава, структуры и свойств паяных соединений.

5. Адгезионно-акгивные припои с гафнием и цирконием и технологии пайки жаропрочных сплавов.

Достоверность результатов работы подтверждена экспериментами с привлечением современных методов и средств научных исследований, произво/кявеиной проверкой разработок.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

На основе полученных научных результатов разработаны новые никелевые припои и технологии пайки и исправления дефектов литья дета-

лей из жаропрочных никелевых сплавов с помощью высокотемпературной пайки, обеспечивающие работоспособность соединений на уровне работоспособности основного металла. Разработаны временные технические условия УКФЛ 360107.001-ВТУ-95, УКФА 360107.002-ВТУ-95 и технологическая инструкция УКФЛ 387341.001 -ТИ па припои и технологию. Разработки существенно повышают эффективность, надежность и ресурс работы ответственных узлов судовых ГГД нового поколения.

Апробация работы. Отдельные результаты и разделы работы докладывались па научно-практической конференции «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин* (г. Москва, 20-22 апреля 1994г.), Международной конференции «Высокотемпературная пайка» (Смолешша, Братислава, Словакия 8-11 мая, 1994г.), Российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка - 95» (г. Пермь, 23-25 мая, 1995 г.), VI Международной научно-технической конференции «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (г. Запорожье, 27-29 сентября 1995 г.), 1-й международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в судостроешш»(г. Николаев, 24-27 сентября 1996 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава УГМТУ.

Диссертационная работа в целом обсуждалась па научно-техническом семинаре УГМТУ и семинаре ИЭС им. Г.О. Патона (1996 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы н приложения. Работа содержит 231 страницу, в том числе 120 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 14 таблиц, библиоітіафию из 187 наименований и приложение на 21 страницах.