CC BY
13
УДК 621.77-419:669.018.4
ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ ЛОПАТОЧНОГО И ДИСКОВОГО ЭЛЕМЕНТОВ НЕРАЗЪЕМНЫХ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ И МОДЕЛЕЙ
Т.П. Захарова, Л.А. Магеррамова, канд. техн. наук (ФГУПЦИАМ им. П.И. Баранова, e-mail: mag@ciam.ru)
Рассмотрены возможности и последствия применения диффузионного сращивания разнородных материалов путем горячего изостатического прессования (ГИП) литых монокристаллических лопаток и лопаток, отлитых методом направленной кристаллизации, с гранулируемым дисковым сплавом.
Проведены исследования микроструктуры диффузионного слоя между стыкуемыми сплавами, а также анализ изменений микроструктуры материала лопатки в результате ГИП блисков турбины. По данным испытаний составных образцов и моделей соединения из гранулируемого сплава ЭП741НП и разных жаропрочных лопаточных сплавов на длительную прочность и МЦУ установлено, что характеристики прочности диффузионного слоя, ширина которого не превышала 5-15 мкм, не отличаются от прочности приграничных слоев стыкуемых сплавов в пределах разброса по времени или числу циклов.
Предложена процедура выбора места соединения лопаток с дисковой частью блиска на основе определения оптимальной температуры для составляющих конструкцию сплавов в условиях эксплуатации колеса.
Ключевые слова: биметаллические образцы и модели, испытания, микроструктура, прочностные характеристики.
Investigation of State of Materials of Blade and Disk Elements Incorporated in One-Piece Bimetallic Samples and Models. T.P. Zakharova, L.A. Magerramova.
Possibilities and aftereffects of the use of diffusion bonding of dissimilar materials via hot isostatic pressing (HIP) of cast single crystal blades and directionally solidified blades with a P/M disk alloy are discussed.
Microstructure of a diffusion layer formed between the mating alloys was evaluated and changes occurred in a blade material microstructure as a result of HIPing turbine blisks were analyzed. Based on the data of creep-rupture and low-cycle fatigue tests of composite samples and models of bonding of P/M EP741NP superalloy and various blade superalloys, it has been found that strength characteristics of the diffusion layer with a width within a range of 5-15 mm do not differ from strength of the adjoining layers of the bonded alloys within the spread range in time and number of cycles.
A procedure for choice of bonding location of blades with a disk part of the blisk is offered on the basis of determination of an optimum temperature for the alloys being parts of the structure under blisk service conditions.
Key words: bimetallic samples and models, tests, microstructure, strength characteristics.
Как показал ряд исследований и зарубежный опыт, применение блисковых конструкций для турбинных колес, в которых лопатки из сплавов направленной кристаллизации или монокристаллические спекаются с дисковыми гранулированными материалами в
неразъемную конструкцию методом горячего изостатического прессования (ГИП), является перспективным.
Процесс ГИП позволяет создавать биметаллические конструкции с встроенными литыми лопатками, работающие в оптимальных
для каждого из соединяемых материалов температурно-силовых условиях и обладающие достаточной прочностью и надежностью зоны соединения [1, 2].
Кроме того, метод диффузионного соединения деталей позволяет устранить такие сложные конструктивные механические соединения, как замковые, фланцевые, а также сварные и паянные.
Уровень геометрической точности и сложности изготавливаемых методом ГИП деталей соответствует показателям процесса литья по выплавляемым моделям и отвечает требованиям, предъявляемым к эксплуатации изделия. Уровень механических, жаропрочных и усталостных характеристик материала превышает показатели деформируемого жаропрочного никелевого сплава.
I
М (5:1)
Рис. 1. Гладкий корсетный составной образец (а) и составной образец с надрезом (б):
1 - гранулируемый сплав ЭП741НП; 2 - ЖС32<001> ЖС26ВСНК; 3 - место соединения
Наряду с преимуществами при разработке конструкций биметаллических блисков турбин возникает ряд проблем [3-5], связанных в частности с:
- конструированием зон соединения разнородных материалов;
- выявлением свойств зон соединения;
- разработкой методик испытаний биметаллических образцов и готовых биметаллических блисков;
- выбором термообработки готового изделия;
- оптимизацией конструкции по прочностным характеристикам;
- разработкой методов контроля зон соединения и т. д.
Надежность и работоспособность диффузионного соединения необходимо оценивать еще до начала производства колес блисков турбины. Кроме оценки надежности, необходимо также установить потенциальные несовершенства соединения и возможность образования и развития трещин в эксплуатационных условиях. С этой целью были проведены испытания биметаллических образцов, изготовленных ГИП из различных лопаточных сплавов и дискового гранулируемого сплава ЭП741НП, на разрыв, длительную прочность, МЦУ (рис. 1), изучены очаги образования трещин в слабых местах соединения, пути распространения трещин, особенности микроструктуры и дефекты.
Испытания на длительную прочность
Испытания специально изготовленных составных образцов, полученных соединением цилиндрических заготовок методом ГИП из пар сплавов ЖС26ВСНК + ЭП741НП и ЖС32<001> + ЭП741НП, проводили при температурах, обычно реализующихся в зонах замковых соединений рабочих колес турбин на расчетных режимах (650-800 °С), и времени от = 10 ч до £тах = 100 ч.
а
или
Все заготовки образцов из лопаточных сплавов после отливки были подвержены стандартным для них термическим обработкам. Биметаллические заготовки изготавливали по стандартным параметрам ГИП с последующей термообработкой, используемой для сплава ЭП741НП.
В качестве исходных данных для назначения режимов испытаний на длительную прочность были использованы кривые Ларсона-Миллера для материалов, составляющих образец. На рис. 2 представлены кривые Лар-сона-Миллера этих материалов, построенные по данным паспортов и сертификатов (сплошные линии), и результаты испытаний составных образцов (точки) из пар названных материалов. Обозначены зоны расположения очагов разрушения в образцах из пары сплавов ЖС32<001>, ЭП741НП (рис. 2, б): НП -в сплаве ЭП741НП; Ш - вблизи шва, М -в монокристалле - сплаве ЖС32<001>. Очаги разрушения биметаллических образцов из сплавов ЖС26ВСНК и ЭП741НП располагались вне зоны шва. При температурах ниже -700 °С разрушение начиналось в лопаточном сплаве, при высоких - в дисковом.
Рассматривая положение точек можно отметить, что длительную прочность составных образцов в основном определяет сопротивление разрушению составляющего соединения сплава - более слабого при данном виде нагружения и температуре.
Как видно по расположению точек, прочность шва пары ЖС32<001> + ЭП741 НП при температурах 750 °С не ниже средних пределов длительной прочности сплава ЭП741 НП, а при температурах 800 и 850 °С совпадает с ними. Малая толщина зоны соединения сплавов (5-15 мкм), незначительные отклонения в микроструктуре шва от структуры основных материалов не создают специфических условий для снижения его сопротивления длительному статическому разрушению. Отношение пределов длительной прочности (при 100 ч) биметаллических образцов и исходного более слабого материала можно оценить как 0,9-0,95.
18000 20000 22000 24000 26000 28000 Рьм
_1_
_1_
_1_
_1_
J
600
700 800 900
Т,°С для * = 100 ч
1000
20000
22000
24000
26000
28000
~п-т-1-т-1-т-Г"
600 700 800 900
Т, °С для 10 ч
1000
Рис. 2. Результаты испытаний образцов из сплавовЖС26ВСНКи ЭП741НП и составных (а) и образцов из ЖС32<001>, ЭП741НП и составных образцов (б):
черные точки соответствуют испытаниям составных образцов
Испытания на разрыв при сдвиге
Испытания на разрыв при сдвиге были проведены при температуре 750 °С. Разрушение образцов происходило вдоль шва. Предел прочности при сдвиге хь составил 0,58 от предела прочности при растяжении <зь. Результат соответствует оценке хь по гипотезе об эквивалентности сопротивления разрушению по интенсивности напряжений (рис. 3).
При испытаниях на длительную прочность при температуре 850 °С предел длительной прочности при сдвиге на 100 ч составил 0,4 от расчетного по указанной гипотезе. В табл. 1
ЖС26ВСНК
Рис. 3. Биметаллический образец для испытаний на сдвиг (а) с микроструктурой зоны соединения (б)
Таблица 1 Результаты испытаний на длительную прочность. Напряжение, МПа
Вид испытаний ЖС26ВСНК ЭП741НП Биметаллические образцы
Растяжение Сдвиг *Расчетн 520 300 эе значение 380 220 составных о 360* 90* бразцов.
приведены значения стю0 и тюэ для сплавов ЖС26ВСНК, ЭП741НП и для составных образцов при температуре 850 °С.
Пониженное сопротивление длительному статическому разрушению при сдвиге может быть объяснено следующими причинами. По краям прорези, как показали фрактографи-ческие исследования, располагались очаги разрушения. Расчеты методом конечных элементов подтвердили высокий уровень концентрации напряжений в этих зонах.
В образцах, испытанных на сдвиг, были обнаружены зоны с поверхностью излома по гранулам. Это свидетельствует о неполном диффузионном сращивании материалов, составляющих образец. Собственно, влияние разности механических и физических свойств соединяемых материалов на напряженно-деформированное состояние (НДС) и прочность соединения по данным расчета невелико.
Испытания на малоцикловую усталость
Испытания на малоцикловую усталость были проведены на биметаллических образцах гладких и с надрезом при «мягком» нагру-жении отнулевого цикла и температурах 700 и 750 °С. Составные образцы были изготовлены из сплавов ЖС26ВСНК и гранулируемого сплава ЭП741НП. На рис. 4 показаны кривые МЦУ образцов из сплавов ЖС26ВСНК,
МПа
800
600
400
200
100 1000 10000 100000 N циклы
Рис. 4. Кривые МЦУ сплавов ЖС26ВСНК ЭП741НП и результаты испытаний биметаллических образцов (▲)
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ЭП741НП и результаты испытаний составных образцов. Разрушение в биметаллическом образце начиналось в более слабом для условий испытания сплаве. Зона начала разрушения в изломе образцов имела характерный для МЦУ вид сколов с усталостными бороздками. Далее долом происходил по поверхности сплава ЭП741 НП в образцах с надрезом или имел смешанный характер в гладких образцах.
Исследования показали, что разрушение составных образцов при напряжениях стм > 373 МПа и числе циклов N < 1000 происходит по сплаву ЖС26ВСНК, а при < 373 МПа и N > 1000 циклов - по сплаву ЭП741 НП, т. е. по более слабому сплаву в данной зоне. Предел МЦУ ON на базе N= 104 циклов гладких образцов оказался ниже на 10 % предела для сплава ЖС26ВСНК. Для образцов с надрезом ON выше, чем у сплава ЭП741 НП, более чувствительного к концентрации напряжений, чем сплав ЖС26ВСНК. В табл. 2 представлены результаты испытаний на МЦУ составных образцов . Как и в образцах для испытания на длительную прочность, зона контакта стыкуемых сплавов располагалась в минимальном сечении гладкого образца с утонением и в вершине надреза - в образцах с концентрацией напряжений (а< = 0,3). В табл. 2 приведены относительные величины пределов МЦУ составных образцов oN со (ЖС26ВСНК+ЭП741 НП) и исходных сплавов «Сплава.
С целью обеспечения эксплуатационной надежности при конструировании ступеней блиска турбины необходимо предусматривать смещение шва относительно концентраторов напряжений и/или местное снижение напряжений в зоне шва .
Испытания на усталость составных
биметаллических образцов из сплавов ЖС30<001> и ЭП741 НП при асимметричном цикле нагружения
Одной из проблем создания металлических блисков является обеспечение их вибрационной прочности. Малое демпфирование может вызывать трудности в обеспечении динамической прочности таких колес, что обусловливает необходимость проведения специальных экспериментальных исследований. Последние направлены как на определение характеристик усталости зон соединения двух разнородных сплавов для лопаток и диска, так и на изучение демпфирования в биметаллическом бли-ске и разработку средств его повышения.
Проведено исследование сопротивления многоцикловой усталости материалов лопаток и дисков ГТД (из сплавов ЖС30<001> и ЭП741 НП), а также биметаллических образцов из этих сплавов. Испытания на усталость гладких образцов (табл. 3) были проведены при растяжении для отнулевого цикла и температуре 650 °С на 6-тонном пульсаторе. Частота нагружения 35 Гц. База испытания 2 • 107 циклов.
Проведено исследование структуры диффузионного слоя шва, определены места начала и пути развития трещин образцов. В очагах усталостного разрушения были выявлены характерные для данного сплава и технологии микроструктурные несовершенства. В гранулируемом сплаве ЭП741НП - это керамические включения, внутризеренные несплошности и начальные сколы.
Для литейного сплава со структурой направленной кристаллизации - литейные (ростовые) поры, скопления микропор в межденд-
Таблица 2
Относительные величины предела МЦУ составных образцов (ЖС26ВСНК+ЭП741НП) и исходных сплавов (о„ с.о/^^сплава) при N = 104, Т = 750 С
Сплав Гладкие образцы Образцы с надрезом а< = 0,3
ЖС26ВСНК 0,90 0,80
ЭП741НП 0,84 1,10
Таблица 3
Результаты испытаний образцов из сплавов ЖС30<001>, ЭП741 НП
и биметаллических
Сплав «а, МПа <-1, МПа Зона разрушения
ЖС30<001> 225 341
ЭП741НП 300
ЖС30<001> + 225 ЖС30<001>
+ ЭП741НП
-Ф-
Рис. 5.. Кривые усталости гладких образцов при Т = 650 °С (отнулевой цикл):
▲ - ЖС30<001>; • - ЖС30<001> + ЭП741НП; ♦ ЭП741НП
Рис. 6. Микроструктура материала у границы соединения сплавов ЖС30<001>и ЭП741НП (а) и состояние упрочняющей у-фазы в сплаве ЖС30<001> вблизи границы соединения (б)
ритном пространстве и начальные сколы. Происхождение последних связано со сдвигом по благоприятно ориентированным по отношению к прикладываемой нагрузке плоскостям скольжения в одном или нескольких зернах (кристаллах). Практически во всех испытаниях очаги и распространяющиеся от них зоны усталостного разрушения были расположены в минимальном сечении в сердцевине образца без выхода зоны усталостного разрушения на поверхность. Кривые усталости гладких образцов при 650 °С (отнулевой цикл) приведены на рис. 5.
Разрушение биметаллического образца начиналось со стороны наиболее слабого при данной температуре сплава.
Микроструктура материала биметаллического образца у границы соединения сплавов ЖС30<001> и ЭП741НП показана на рис. 6, а, состояние упрочняющей у'-фазы в сплаве ЖС30<001> вблизи границы соединения - на рис. 6, б.
Исследование состояния микроструктуры материалов в составных образцах и моделях
Состояние микроструктуры диффузионного слоя между материалом лопатки и диска определяется химическим составом и технологией: режимами нагрева, давления в газоста-те, последующей термической обработкой.
В исследованиях были отмечены следующие характерные особенности микроструктуры шва (диффузионного слоя) между сплавом ЭП741 НП и сплавами ЖС26ВСНК и ЖС32<001>:
- четкая граница между швом и стыкуемыми материалами;
- ширина диффузионного слоя составляет от 5 до 15 мкм;
- отдельные крупные частицы выделения упрочняющей у'-фазы размером до 10 мкм;
- прерывистая окантовка по границам мелкодисперсными частицами у'-фазы и мелкими рекристаллизованными зернами.
Отклонения размеров и формы упрочняющей у'-фазы от их оптимального состояния, характерного для жаропрочных никелевых сплавов в исходном до начала эксплуатации виде, незначительны. Поэтому существенного снижения сопротивления разрушению мате-
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
-Ф
риала этой зоны не наблюдается. Это подтверждают результаты испытаний составных образцов, приведенные в предыдущих разделах. Отмечаются изменения микроструктуры сплава ЖС32<001> после технологического цикла изготовления биметаллических образцов. При металлографическом исследовании методами электронной микроскопии и
Яе + W
Рис. 7. Химический состав а-фазы при 800 °С в сплаве ЖС32<001>
акВнав
15К1> X1668 1517
Рис. 8. Микроструктура сплава ЖС26ВСНК (а) и ЖС32<001> (б) в составном образце после ГИП и термообработки
рентгеноспектрального анализа были установлены следующие характерные особенности, связанные с выделением интерметаллидных фаз игольчатой (пластинчатой) формы. Эти образования известны как топологически упакованные (ТПУ) фазы (а-фаза и ц-фаза). Их образование связано с наличием среди легирующих элементов рения и вольфрама (рис. 7).
В осях дендритов сплава ЖС32<001> наблюдали выделения а-фазы игольчатой формы как в исходном состоянии, так и после применения технологии ГИП и термообработки по режиму изготовления блиска. Однако в последнем случае объем ТПУ-фазы был более значительным, и выделения образовали сетку в твердом растворе сплава. ТПУ-фазы образуются в некотором благоприятном для них температурном интервале. Значительное влияние оказывает состав химических элементов.
Повышенное содержание ТПУ-фаз приводит сначала к охрупчиванию, а затем снижению длительной прочности никелевыхсплавов. Кроме того, отсутствие литературных данных о влиянии ТПУ-фаз на МЦУ приводит к необходимости проведения более подробного исследования влияния технологии на тонкую микроструктуру сплавов-материалов лопаток блиска турбины. Возможно, что оптимальным выбором материала для лопаток блиска ступеней турбины может оказаться сплав менее легированный, чем сплав ЖС32<001>, например, ЖС26ВСНК. Сравнение состояния игольчатых ТПУ-фаз в приграничных к диффузионной зоне областях сплавов ЖС26ВСНК и ЖС32<001> показало, что размеры и густота игольчатой фазы в первом случае меньше. На рис. 8 показано состояние ТПУ-фазы в сплавах ЖС26ВСНК и ЖС32<001> вблизи диффузионной зоны составных образцов.
Сопротивление разрушению диффузионного слоя в биметаллических конструкциях
Металлографические и фактографические исследования начала образования и путей распространения трещин в образцах и моделях соединения разнородных материалов, испытанных на длительную прочность и МЦУ, показали, что собственно диффузионный слой,
-Ф
-Ф-
расположенный между дисковым сплавом ЭП741НП и лопаточными сплавами ЖС26ВСНК или ЖС32<001>, не обладает собственными характеристиками прочности. Разрушения начинались либо на границе между швом и основным металлом, либо в одном из основных металлов. Дальнейшее развитие трещины могло быть смешанным, с переходом на другой материал или по одному из них.
Поскольку сплавы, составлявшие биметаллическую конструкцию обладали разными уровнями жаропрочности, то одним из главных факторов, определяющих зону зарождения и распространения трещины при испытаниях на длительную прочность, являлась температура. При температуре выше 700-750 °С (температуры равнопрочности по а100) сплав ЭП741НП уступает по длительной прочности сплавам ЖС26ВСНК и ЖС32<001>, и разрушение распространяется по границе со стороны спла -ва ЭП741НП или непосредственно по этому сплаву. При температурах ниже 700-750 °С разрушение идет по границе шва, а также по сплавам ЖС26ВСНК или ЖС32<001>.
При испытаниях на МЦУ составных конструкций наблюдали аналогичное явление. Определяющим фактором для зарождения трещины являлось сопротивление МЦУ более слабого из двух основных материалов. Сопротивление развитию трещины в сплавах с ориентированной структурой при умеренных
температурах ниже, и трещина в составных образцах перешла с границы шва в сплав ЖС32<001>. Сплав ЭП741 НП более чувствителен к концентрации напряжений. Поэтому определяющим для МЦУ является сочетание регулирующих факторов, указанных выше, в данных условиях нагружения и нагрева.
Собственно зона диффузионного соединения в образцах и моделях представляет собой переходную зону как по структуре, так и по прочности, в очень малых объемах.
Оптимальная температура зоны соединения лопаток с дисковой частью колеса
Результаты испытаний биметаллических образцов показали, что их разрушение происходит не по зоне соединения, а по тому сплаву, который обладает более низкими свойствами в условиях испытания, т. е. разрушение биметаллического образца начиналось по наиболее слабому при данной температуре сплаву.
Исходя из вышесказанного, можно определить оптимальное с точки зрения прочности положение места соединения лопаток с дисковой частью в конструкциях биметаллических блисков турбин в зависимости от условий эксплуатации.
Точка пересечения кривых длительной прочности двух сплавов (см. рис. 2) является
Рис. 9 Зависимость оптимальной температуры зоны соединения диска из ЭП741 НП с лопатками из сплава ЖС26ВСНК (а) и ЖС32<001> (б) от длительности режима и эпюра температур колеса (в)
• ф
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
точкой их равнопрочности в зависимости от температуры и времени ее действия, что позволяет построить кривую равнопрочности двух соединяемых в одну конструкцию сплавов в координатах температура - время. По этой кривой по известной продолжительности расчетного режима можно определить оптимальную с точки зрения длительной прочности температуру места соединения лопаток с дисковой частью блиска.
Например, на рис. 2, б показаны результаты испытаний на длительную прочность биметаллических образцов из сплавов монокристаллического ЖС32<001> и гранулируемого ЭП741НП (точки) в сравнении с образцами из отдельных компонентов: ЖС32<001> и ЭП742НП.
Результаты испытаний образцов позволяют сделать вывод о том, что, например, для длительности режима 100 ч оптимальная температура зоны соединения -620 °С. Именно при этой температуре длительная прочность обоих сплавов примерно одинакова. При более высокой температуре лучшими свойствами обладает лопаточный сплав, а более низкой - дисковый.
На рис. 9 приведены зависимости оптимальной температуры зоны соединения диска из ЭП741НП с лопатками из сплава ЖС26ВСНК (а) и ЖС32<001> (б) от длительности «тяжелого» режима. По радиальной эпюре температур колеса можно установить зону в конструкции, где реализуется указанная оптимальная температура (рис. 9, в). При больших длительностях зона соединения должна быть при более низких температурах.
Выводы
С целью изучения сопротивления разрушению составных биметаллических конструкций типа блиска турбины рассмотрены возможности и последствия применения технологии диффузионного сращивания разнородных материалов путем горячего изостатического прессования (ГИП) литых монокристаллических лопаток и лопаток, отлитых методом направленной кристаллизации, с гранулируемым дисковым сплавом.
Оценка прочности и надежности соединения методом ГИП литых лопаток из сплавов
ЖС26ВСНК и ЖС32<001> с гранулируемым сплавом ЭП741 НП была выполнена по результатам проведенных испытаний составных образцов и моделей на разрыв, длительную прочность, малоцикловую усталость при рабочих температурах обода дисков в интервале 650-850 °С. В конструкциях образцов было предусмотрено расположение шва в минимальном сечении и в зоне концентрации напряжений (МЦУ).
Оценка микроструктуры диффузионного слоя (шва) между стыкуемыми сплавами, а также изменений микроструктуры материала лопатки в результате технологических операций ГИП блисков турбины была выполнена методами металлографического и рентгено-спектрального анализов на растровом электронном микроскопе иБМ-35СР. Место образования начальных трещин и пути их развития были установлены методами фрактографии с помощью сканирующего электронного микроскопа.
По данным испытаний составных образцов и моделей соединения на длительную прочность и МЦУ характеристики прочности диффузионного слоя, ширина которого не превышала 5-15 мкм, не отличаются от прочности приграничных слоев стыкуемых сплавов в пределах разброса по времени или числу циклов. Разрушение начиналось в более слабом материале или по его границе с диффузионным слоем. Дальнейшее развитие трещины определялось чувствительностью к трещинам при данном виде испытания основных материалов.
Характеристики длительной прочности составных образцов были получены при температурах от 650 до 850 °С, МЦУ - при 650, 700 и 750 °С, испытания на длительную прочность моделей соединения лопаток с диском - при 700 и 800 °С.
Ни в одном испытании трещина не распространялась по шву.
Исследованиями тонкой микроструктуры с увеличением 6000 раз было показано, что в диффузионном слое и на его границах отсутствуют несплошности типа пор или трещин.
В связи с применением операции ГИП и последующей термической обработки, режимы которых были рассчитаны на получение высоких характеристик прочности у гранули-
-Ф
-Ф-
руемых сплавов в составе дисков, микроструктура материала литых лопаток в составных конструкциях, подвергающихся обработке по этим режимам уже изготовленных в окончательном виде, отличается от оптимальной для лопаток. В основном это связано с укрупнением и плотностью распределения игольчатых ТПУ- фаз, укрупнением упрочняющей у'-фазы и неравномерностью ее распределения по осям дендритов и в междендритном пространстве. Однако испытания образцов из монокристаллического сплава ЖС32<001>, подвергнутых стандартной при 1280 °С термообработке и обработке по режиму для составных конструкций при 1200 °С, показали, что длительная прочность на базе 200 ч при 800 °С и пределы МЦУ на базе 104 циклов при 650 °С практически не отличались.
Микроструктура диффузионного слоя, формирующегося в процессе ГИП, представляет собой результат интенсивного процесса перераспределения при высокой температуре химических элементов между дисковым и лопаточным сплавами. Диффузия элементов от более легированных сплавов ЖС26ВСНК и ЖС32<001> вследствие перепада концентрации происходит в основном в сторону гранулируемого сплава ЭП741НП, однако, по-видимому, имеет место и встречная диффузия от сплава ЭП741НП. В результате в диффузионной зоне образуется некоторое промежуточное состояние материала,которое в связи с малой толщиной может не обладать собственным сопротивлением разрушению, являясь
некоторым образом передающей прослойкой. В диффузионной зоне и на ее границе со стороны лопаточных элементов наблюдается коагуляция у'-фазы. Включения игольчатых выделений ТПУ-фаз в шве отсутствуют и обнаруживаются только в материале лопаточного элемента.
Таким образом, диффузионное соединение разнородных материалов с целью формирования блисков газовых турбин обеспечивает прочное и надежное крепление лопаток к диску при следующих условиях:
- определение разрушающих усилий с использованием методов расчета, учитывающих различие механических и физических свойств стыкуемых материалов, и обоснованный выбор критериев разрушения;
- размещение шва вне зоны концентрации напряжений и ослабленных сечений;
- выбор обоснованного расчетами и результатами испытаний профиля соединения хвостовика лопатки с диском;
- выбор материалов лопаток и диска, не подверженных существенным изменениям структуры и свойств в результате воздействия режимов технологического цикла изготовления блисков турбины.
Получение биметаллических соединений методом ГИП позволяет существенно повысить прочностную надежность, долговечность за счет наиболее оптимального распределения свойств, соответствующего градиентам термомеханических воздействий при работе колеса турбины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Магеррамова Л.А., Шорр Б.Ф., Захарова Т.П., Колотников М.Е., Самаров В.Н. Исследования блиска турбины из разнородных материалов // Юбилейный сборник ЦИАМ. - М.: ЦИАМ. 2005.
2. Магеррамова Л.А., Мельникова Г.В., Захарова Т.П., Самаров В.Н. Применение биметаллических турбинных блисков из современных гранулируемых и литейных никелевых суперсплавов для повышения надежности и долговечности газовых турбин // В сб.: Повышение качества, надежности и долговечности. Египет. ХНУ. 2006. C.77-81.
3. Magerramova L^., Kratt Е^., Zakharova^P.,
Yacinsky V.V. The structural and technological de-
sign feature of bimetallic blisks for high temperature gas turbine aviation engines / 2nd European conference for aerospace sciences (EUCASS), Brussel, 2007.
4. Magerramova L.A., Zakharova T.P. Problems of structural design, strength and reliability prediction for bimetallic blisks, manufactured by HIP made out of powder and cast Ni-base super alloys for gas turbine usage / 1nd European conference for aerospace sciences (EUCASS). Moscow. 2005.
5. Магеррамова Л.А., Захарова Т.П. Применение биметаллических блисков из современных гранулируемых и литейных никелевых суперсплавов для перспективных газовых турбин / В. сб.: Проблемы и пути их решения. - М.: ЦИАМ. 2005.
-Ф-
-Ф-
