CC BY
178
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
ЕРЕМИН Андрей Евгеньевич, аспирант кафедры «Машиностроение и материаловедение».
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение», декан машиностроительного института.
ФИЛИППОВ Юрий Олегович, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».
МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка группы С-113 машиностроительного института.
КАЦ Виктор Семёнович, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 16.12.2013 г.
© А. Е. Еремин, Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов,
А. Е. Маталасова, В. С. Кац
УДК 621.74.042:669.187.56
Е. Н. ЕРЕМИН Ю. О. ФИЛИППОВ А. Е. ЕРЕМИН Г. Н. МИННЕХАНОВ
Омский государственный технический университет ООО «Сиблитпром», г. Омск
ИЗМЕНЕНИЯ
УПРОЧНЯЮЩЕЙ Г-ФАЗЫ В ЖАРОПРОЧНОМ СПЛАВЕ ПРИ ЕГО МОДИФИЦИРОВАНИИ
Изучено влияние комплексного модифицирования на жаропрочность сплава типа ЖС. Показано, что при модифицировании улучшается морфология и топография упрочняющей у'-фазы, снижается диффузионная проницаемость границ зерен, что повышает структурную стабильности и длительную прочность сплава.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, модифицирование, свойства, структура, морфология и топография, упрочняющие фазы
Жаропрочные никелевые сплавы широко используются для изготовления литых деталей ответственного назначения газотурбинных двигателей, некоторых видов протяжек, штампов горячей штамповки и других изделий, работающих при высоких температурах. Для повышения их эксплуатационных характеристик применяют модифицирование литого металла дисперсными тугоплавкими частицами [ 1 — 4]. В то же время влияние инокулирующего модифицирования на процессы, определяющие жаропрочность сложнолегированных никелевых сплавов типа ЖС, изучено недостаточно.
В связи с этим было проведено исследование влияния модифицирования инокуляторами в комплексе с активирующими добавками на структурные и кинетические факторы, определяющие жаропрочность сплава типа ЖС. В качестве инокуляторов использовали ультрадисперсные частицы карбонитрида титана. Исследовали взаимосвязь между структурными параметрами и жаропрочностью сплава. Просмотр макрошлифов образцов после испытаний на жаропрочность (рис. 1) показал, что разрушение всех образцов имеет межзеренный характер. В образцах из немодифицированного сплава разрушение происходит в зоне направленной кристаллизации по границам дендритов (рис. 1а). Жаропрочность таких образцов не превышает 28 ч. В модифицированных образцах, показавших наибольшую жаропрочность
б
Рис. 1. Структура образцов после длительных испытаний (х1): а — немодифицированный сплав; б — модифицированный сплав
(до 100 ч), структура была очень дисперсна (рис. 1б), что подтверждает выводы ряда авторов о положительном влиянии измельчения зерна на жаропрочность [2, 4 — 6].
Вопрос о влиянии размера зерна на уровень жаропрочности многократно обсуждался, но продолжает оставаться дискуссионным. С увеличением количества модификатора макрозерно измельчается, увеличивается общая протяженность границ зерен, сни-
а
Рис. 2. Морфология у'-фазы никелевого сплава: а — немодифицированного; б — модифицированного
б
а
жается граничная концентрация элементов — упроч-нителей границ зерен, и в итоге жаропрочность может снижаться. В то же время, если углы разориенти-ровки равноосных зерен уменьшаются, а при суспензионном модифицировании степень коллективности роста возрастает [7], то измельчение зерна не должно снижать жаропрочность. Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что объяснить повышение жаропрочности сплава при модифицировании только измельчением зерна при кристаллизации нельзя.
Сплавы типа ЖС относятся к группе литейных сложнолегированных многокомпонентных жаропрочных сплавов. Основными упрочняющими фазами являются карбиды и у'-фаза, представляющая собой интерметаллид (N1, СО)3(Л1, Т1). Поэтому факторами, определяющими качество и служебные свойства жаропрочных сплавов, являются фазовый состав, степень однородности, морфология и топография упрочняющих фаз [5, 6, 8].
На свойства никелевых сплавов большое влияние оказывает дисперсионное упрочнение матрицы за счет выделения у'-фазы кубической морфологии. Она имеет близкие с у-фазой значения параметра кристаллической решетки, что обусловливает их когерентную связь. Параметры образований у'-фазы и их объемная доля определяют прочностные характеристики и сопротивление ползучести объема зерен [6, 8].
Жаропрочность сплавов, упрочненных когерентными с матрицей выделениями упорядоченной у'-фазы, зависит от состояния этой фазы (дисперсности частиц, их объемной доли, формы и распределения), кинетики изменения структуры и в значительной степени определяется термодинамической устойчивостью системы (у + у') вплоть до температур, равных
0,8Тпл [9].
При более высоких температурах происходит интенсивная коагуляция и растворение частиц у'-фазы в у-твердом растворе, что приводит к разупрочнению сплавов и понижению их жаропрочности. В связи с этим важным параметром, характеризующим интегральную термостабильность и, следовательно, работоспособность никелевых сплавов, является температура растворения у'-фазы, которая ограничивает температурную область существования гетерофазной структуры сплава [10].
Установлена [11] общая для никелевых сплавов закономерность: наиболее жаропрочные сплавы наряду с максимальным количеством упрочняющей у'-фазы имеют максимальную температуру полного ее растворения.
Исследования показали, что наблюдается сильная неоднородность дисперсности и морфологии частиц у'-фазы, в масштабах дендритной ячейки литого не-модифицированного жаропрочного сплава (рис. 2а). В осях дендритов выделяются мелкие и регулярные по форме частицы большей частью треугольной формы, а в межосных пространствах — значительно более грубые частицы неправильной морфологии. Наряду с мелкими частицами (0,8 мкм) у'-фазы наблюдаются крупные, скоагулированные выделения (свыше 4 мкм), по границам которых возникают и распространяются микротрещины. Подобная разно-дисперсность является следствием двух факторов. Во-первых, температура распада твердого раствора, локализованного в осях дендритов, ниже по сравнению с таковой в межосном пространстве, что связано с обеднением данных участков алюминием, титаном и ниобием из-за ликвационной неоднородности [12]. Во-вторых, обогащение твердого раствора в осях дендритов вольфрамом существенно тормозит протекание диффузионных процессов. Таким образом, выделение частиц у'-фазы из твердого раствора в осях дендритов при более низких температурах и замедленный массоперенос обуславливает меньший их размер по сравнению с частицами в межосных участках при одной и той же скорости кристаллизации.
Количество и морфология у'-фазы в модифицированном сплаве значительно отличаются от таковых в немодифицированном (рис. 2 б). Модифицирование формирует более дискретные мелкодисперсные выделения у'-фазы большей частью квадратной либо прямоугольной формы. При введении 0,01 % частиц карбонитрида титана размер выделений у'-фазы составляет 0,8— 1,2 мкм, при 0,025 % тугоплавких частиц — 0,4 — 0,6 мкм. При дальнейшем увеличении концентрации тугоплавких частиц у'-фаза достигает размеров в 0,2 — 0,3 мкм с большой плотностью упаковки в матрице. Выделения у'-фазы выравниваются по размерам, их форма после длительных испытаний не изменяется, и располагаются они вдоль кристаллографических плоскостей с очень малым расстоянием между ними.
При этом на термическую стабильность литого металла изделий из жаропрочных сплавов огромное влияние оказывает ликвация легирующих элементов. В связи с этим были проведены исследования изменения распределения основных легирующих элементов в частицах у'-фазы и межчастичных пространствах при модифицировании жаропрочного сплава.
Исследования проводили на фольгах с использованием просвечивающего электронного микроскопа
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
а
б
Рис. 3. Общая картина распределения легирующих элементов немодифицированного (а) и модифицированного (б) сплавов: 1 — никель, 2 — хром, 3 — кобальт, 4 — ванадий,
5 — титан, 6 — алюминий, 7 — молибден, 8 — ниобий
ЛЕМ-2100 «ЛЕОЬ» с энергодисперсионным анализатором 1пса-250. Общая картина распределения легирующих элементов сканируемого участка поверхности фольги немодифицированного и модифицированного сплавов приведены на рис. 3.
В частицах у'-фазы немодифицированного сплава (рис. 3а) резко возрастает концентрация никеля, более плавно возрастают концентрации титана, алюминия и ниобия, резко падает концентрация хрома. В межчастичных пространствах выделяется большое количество эвтектики (у — у'), обогащенной хромом, кобальтом, молибденом и пониженным содержанием никеля. Вольфрам распределен равномерно как в частицах, так и в межчастичных пространствах.
В частицах у'-фазы модифицированного сплава наряду с алюминием и титаном возрастает концентрации кобальта, никеля и хрома. В межчастичных пространствах количество никеля, хрома и кобальта уменьшается (рис. 3б). После модифицирования элементы, имеющие высокую склонность к ликвации, перераспределяются более равномерно, обеспечивая заметное выравнивание химического состава между частицами у'-фазы и межчастичными участками. При этом наблюдается тенденция к формиро-
ванию более однородной структуры по сравнению с немодифицированным сплавом.
Таким образом, структура модифицированного сплава состоит из двух когерентно связанных фаз: у-твердого раствора и дисперсной у'-фазы кубической формы, однородных по составу, размеру и морфологии как в осях, так и в межосных пространствах.
Длительный отжиг при повышенной температуре приводит к изменению химического состава у'-фа-зы — увеличению содержания хрома и титана, что обусловливается температурной зависимостью растворимости входящих в нее элементов. Эти изменения в химическом составе, а также в морфологии и распределении у'-фазы являются причиной изменения механических свойств сплавов [11]. В связи с этим было исследовано влияние длительного отжига на структуру и свойства никелевого жаропрочного сплава. Изменение морфологии у'-фазы в процессе отжига представлены на рис. 4.
Установлено, что после закалки с 1210 °С значения жаропрочности немодифицированных образцов с увеличением продолжительности отжига при 950 °С снижаются существенно. Очевидно, ускоренный
а б
Рис. 4. Изменение морфологии у'-фазы жаропрочного сплава в процессе выдержки при 950 °С (х10000): а — немодифицированный; б — модифицированный
процесс растворения и коагуляции у'-фазы в этом случае (рис. 4а) приводит к нарушению стабильности свойств жаропрочного сплава, в частности, снижению прочностных его свойств.
После испытаний на длительную прочность можно различить в образцах рекристаллизованную и нере-кресталлизованную области, отличающиеся плотностью дислокаций и морфологией у'-фазы. После испытаний плотность дислокаций повышается как в у-, так и в у'-фазе. При этом в более мягкой у-фазе плотность дислокаций выше, чем в у'-фазе [10]. В процессе выдержки при максимальной температуре начинает развиваться частичная рекристаллизация. В структуре наблюдается у'-фаза в виде дискретных частиц с относительно плоскими гранями в рекристаллизованных зернах. О когерентной связи у- и у'-фаз в рекристаллизованных областях свидетельствует кубоидная форма частиц и 8-контраст на межфазных у/у'-границах. В нерекрестал-лизованных областях сохраняется повышенная плотность дислокаций; выделяющиеся при охлаждении у'-частицы некогерентны, имеют глыбообразную форму, их границы изрезаны. Размер выделений у'-фазы в немодифицированном сплаве растет с увеличением продолжительности отжига и достигает порядка 900 нм. Упрочняющая у'-фаза в модифицированных сплавах имеет более высокие термическую стабильность и температуру полного растворения, чем в сплавах традиционного легирования. Процессы растворения и коагуляции у'-фазы в таком сплаве замедляются (рис. 4б). Жаропрочность модифицированного сплава изменяется незначительно. В этом случае сплав имеет стабилизированную для температуры испытания структуру, что обусловливает постоянный во времени отжига уровень жаропрочности.
Таким образом, упрочняющая у'-фаза в модифицированных сплавах имеет более высокие термическую стабильность и температуру полного растворения, чем в сплавах традиционного легирования. При равных температурах количество упрочняющей фазы в модифицированных сплавах больше. Параметры образований у'-фазы и их объемная доля в модифицированном сплаве определяют повышенные прочностные характеристики и сопротивление ползучести объема зерен. При этом модифицирование активизирует диффузионные процессы в рас-
плаве и тем самым способствует более полному устранению ликвации. Так как диффузия является основой развития процессов на границах и в объеме зерна при повышенных температурах, то можно сказать, что термическая стабильность жаропрочных никелевых сплавов с модифицированной структурой будет возрастать [13].
Таким образом, влияние комплексного модифицирования заключается в улучшении морфологии, стабилизации упрочняющей у'-фазы, упрочнении твердого раствора (у-фазы) и повышении структурной стабильности сплавов вследствие снижения диффузионной проницаемости границ зерен. Такие изменения структуры модифицированного сплава приводят к увеличению жаропрочности, что может существенно повысить долговечность литых изделий.
Библиографический список
1. Объемное модифицирование никелевых сплавов при изготовлении отливок / В. Н. Чеченцев [и др.] // Литейное производство. — 1988. — № 9. — С. 13—14.
2. Фаткулин, О. Х. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов дисперсными частицами тугоплавких соединений / О. Х. Фаткулин, А. А. Офицеров // Литейное производство. — 1993. - № 4. - С. 13-14.
3. Еремин, Е. Н. Влияние инокулирующего модифицирования на морфологию и топографию упрочняющих фаз в жаропрочном сплаве / Е. Н. Еремин, А. С. Лосев, Ю. О. Филиппов, А. Е. Еремин // Литейщик России. — 2007. — № 8. — С. 39-43.
4. Плазмохимический синтез нанопорошков тугоплавких соединений и их применение для модифицирования конструкционных сталей и сплавов / М. Р. Предтеченский [и др.] // Литейщик России. - 2010. - № 3. - С. 28-29.
5. Каблов, Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) / Е. Н. Каблов. - М. : МИСИС, 2001. - 632 с.
6. Кишкин, С. Т. Литейные жаропрочные сплавы на никелевой основе / С. Т. Кишкин, Г. Б. Строганов, А. В. Логунов. -М. : Машиностроение, 1987. - 111 с.
7. Бабаскин, Ю. З. Структура и свойства литой стали / Ю. З. Бабаскин. - Киев : Наук. думка, 1980. - 240 с.
8. Патон, Б. Е. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления / Б. Е. Патон, Г. Б. Строганов, С. Т. Кишкин. - Киев : Наук. думка, 1987. - 256 с.
9. Горностырёв, Ю. Н. Роль внутренних напряжений в эволюции морфологии частиц у'-фазы в никелевых сплавах
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
при высокотемпературной ползучести / Ю. Н. Горностырёв, Н. Д. Бахтеева // Физика металлов и металловедение. — 1993.
- Т. 76. - Вып. 6. - С. 940-948.
10. Бокштейн, С. З. Диффузионные параметры границ фаз у/у‘ в сплаве на никелевой основе / С. З. Бокштейн // ДАН СССР. - 1980. - Т. 253. - № 6. - С. 1337.
11. Прогнозирование влияния структурных факторов на
механические свойства жаропрочных сплавов / А. В. Логунов [и др.] // МиТОМ. - 1981. - № 6. - С. 16-20.
12. Еремин, Е. Н. Дендритная ликвация и структура
жаропрочного сплава, модифицированного ультрадисперсными частицами тугоплавких соединений / Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов, А. Е. Еремин, А. С. Лосев // Заготовительные производства в машиностроении. - 2008. - № 2. - С. 51-54.
13. Еремин, Е. Н. Термическая стабильность жаропрочного сплава, модифицированного наночастицами тугоплавких соединений / Е. Н. Еремин, А. Е. Еремин // Литейщик России. -№ 10. - 2010. - С. 23-26
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение», декан машиностроительного института.
ФИЛИППОВ Юрий Олегович, доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».
ЕРЕМИН Андрей Евгеньевич, аспирант кафедры «Машиностроение и материаловедение». МИННЕХАНОВ Гизар Нигъматьянович, заместитель директора Общества с ограниченной ответственностью «Научно-техническая компания «Сиблит-пром».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 16.01.2014 г.
© Е. Н. Еремин, Ю. О. Филиппов, А. Е. Еремин,
Г. Н. Миннеханов
УДК 621.89:621.436 С. В. КОРНЕЕВ
А. П. СЕРКОВ
Омский государственный технический университет
ОЦЕНКА ДОСТОВЕРНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРИОДИЧНОСТИ СМЕНЫ МОТОРНОГО МАСЛА В ДВИГАТЕЛЯХ
Разработана методика оценки качества моторных масел с использованием цифровых хроматограмм по параметрам плотности распределения пикселей, которая позволяет перейти к более точной и объективной оценке состояния моторного масла по сравнению со способом «капельная проба».
Ключевые слова: двигатель, моторное масло, прогнозирование, объективность, наработка.
Исследования, выполненные в работах [1, 2], показывают, что оценку диспергирующих свойств (ДС) моторного масла целесообразно осуществлять с использованием:
— методики оценки качества моторных масел с использованием цифровых хроматограмм по параметрам плотности распределения пикселей;
— использовать в оценке диагностический параметр иь, который характеризует соотношения диаметров ядра и зоны диффузии хроматограмм (степень загрязнения, степень окисления и моющие свойства моторного масла).
С учетом [3] браковочные значения для ДС составляет 0,3, необходимо рассматривать диапазон изменения параметров ДС и иь в интервале наработок 400 — 500 мото-ч (рис. 1), как достижение предельно допустимого состояния моторного масла. Причем в оценках величины остаточного ресурса необходимо использовать значения предельно допустимого.
Весь диапазон наработки моторного масла можно разделить на три интервала (табл. 1). Изменения диагностических параметров иь и ДС на каждом из интервалов, так же как и весь диапазон диагности-
ческих параметров, подчиняется нормальному закону распределения случайной величины.
Выполненные статистические исследования показывают, что при разделении всего интервала наработок на три интервала (табл. 1) можно получить разброс между тремя интервалами наработки масла. Как видно из табл. 1, разбросы в процентах от среднего значения по трем интервалам достаточно велики в начале эксплуатации. Это значит, что в начале эксплуатации будут значительные разбросы, которые повлияют на точность определения величины остаточного ресурса. Таким образом, нецелесообразно до 100 мото-ч наработки ДВС с момента замены моторного масла проводить контроль состояния моторного масла для выявления его остаточного ресурса. В то же время в случае анализа разбросов по двум последующим интервалам наработки по табл. 1 видно, что процентное отличие между ними будет меньше. Соответственно, проведение контроля за состоянием моторного масла целесообразно проводить, начиная со 100 мото-ч.
Таким образом, при начале наблюдений со 100 мото-ч количество измерений составляет 24 еди-
