CC BY
45
УДК 621.74.045:669.046.516
Д-р техн. наук А. Я. Качан1, канд. техн. наук Н. А. Лысенко2, А .С. Дудников3,
С. А. Уланов1
1 Запорожский национальный технический университет, 2АО «Мотор Сич», 3Авиационный колледж им. А. Г. Ивченко; г. Запорожье
КАЧЕСТВО ОТЛИВОК РАБОЧИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ,
МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦАМИ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ И ОБРАБОТАННЫХ ГИП
Рассмотрено влияние наночастиц карбонитрида титана и последующих ГИП и термообработки на качество отливок рабочих лопаток турбины за счет повышения стабилизации структурной однородности сплава.
Ключевые слова: лопатка, модифицирование, горячее изостатическое прессование, структурная однородность, микроструктура, термообработка, наночастицы, карбонитрид титана.
Введение
Широкое применение при изготовлении рабочих лопаток турбины газотурбинных двигателей (ГТД) и энергетических установок получили жаропрочные никелевые сплавы [1].
Перспективным направлением повышения эксплуатационных характеристик рабочих лопаток турбины является модифицирование жаропрочных никелевых сплавов наночастицами тугоплавких соединений [2].
Эффективным способом повышения качества отливок деталей из жаропрочных никелевых сплавов является горячее изостатическое прессование (ГИП), сущность которого состоит в всестороннем сжатии отливок газами при высоких температурах [3].
Поэтому важным является исследование влияния комбинированных технологий на качество отливок рабочих лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов, включающих модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений и последующее горячее изостатичес-кое прессование и термообработку.
Цель работы — оценка влияния комбинированной технологии на качество отливок рабочих лопаток турбины из жаропрочного никелевого сплава.
Объект исследования — отливки рабочих лопаток турбины вентилятора 2-й ступени из жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ.
Методы исследований
Исследования проводились на заготовках-отливках рабочей лопатки 2-й ступени вентилятора из жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ после выполнения следующих технологических операций:
1. Модифицирование карбо-нитридными частицами титана (в виде таблеток Ti[Ti(C,N)]) с последующей обработкой горячим изостатичес-ким прессованием;
2. После газостатической обработки без проведения операции модифицирования карбонит-ридом титана;
3. Термообработка отливок лопаток после ГИП проводилась по стандартному режиму (гомогенизация при температуре 1210+15 °С в течение 3,5 часов с охлаждением на воздухе).
Процесс горячего изостатического прессования проводили по следующему режиму:
- начальное давление в СВД — 25 МПа;
- нагрев от комнатной температуры до Т = = 950+10 °С со скоростью 8 ° С /мин;
- выдержка при температуре 950+10 °С — 1 час;
- нагрев до температуры 1210+10 °С со скоростью — 4 ° С /мин;
- выдержка при температуре 1210+10 °С — 3 часа;
- давление в СВД при температуре 1210 ° С — 160 МПа;
- при охлаждении отливок использовалась функция быстрого охлаждения в аргоне.
Макроструктуру выявляли методом химического травления в реактиве, состоящем из 80 % HCl и 20 % Н2О2.
Результаты исследований и их обсуждение
Химический состав лопаток турбины, отлитых из сплава ЖС3ДК-ВИ, после ГИП (как без присадки модификатора, так и модифицированных карбонитридом титана Ti[Ti(C,N) ]), соответствовал требованиям ОСТ1.90.126-85, табл. 1.
© А. Я. Качан, Н. А. Лысенко, А .С. Дудников, С. А. Уланов, 2014
Таблица 1 — Химический состав лопаток турбины из сплава ЖС3ДК-ВИ, после ГИП без пересадки модификатора и модифицированных карбонитридом титана ТЦТЦС^)]
Состояние материала лопатки Содержание элементов, %
С & W Al Mo Fe Si Mn S
ГИП (без присадки Ti[Ti(C,N)]) 0,08 11,5 9,76 4,38 4,50 2,59 4,02 0,20 0,06 <0,4 0,003
ГИП + Ti[Ti(C,N)] 0,09 11,64 9,76 4,47 4,52 2,69 4,00 0,18 0,07 <0,4 0,003
Нормы 0СТ190126-85 0,060,11 11,012,5 8,010,0 3,84,5 4,04,8 2,53,2 3,84,5 < 2,0 < 0,4 < 0,4 < 0,015
Макроструктура газостатированных лопаток турбины без модифицирования, а также с присадкой модификатора на поверхности и в сечениях пера и хвостовика представлена на рис. 1.
Величина макрозерна в пере лопатки турбины, отлитой с присадкой ТЦТДС^)], в ~ 6 раз меньше, чем без присадки (см. рис. 1, табл. 2).
В хвостовой части уменьшение размера макрозерна модифицированных лопаток в сравне-
нии с серийной лопаткой незначительно и составляет » 30 %.
В макроструктуре хвостовика отливки серийной лопатки у поверхности наблюдаются кристаллы, вытянутые в направлении отвода тепла при кристаллизации, а в пере лопатки — равномерная по сечению равноосная структура (см. рис. 1, а).
В пере и хвостовике модифицированной лопатки проявляется равномерная по сечению равноосная структура (см. рис. 1, б).
б — с присадкой Т1[И(С,М)]
Рис. 1. Макроструктура заготовок-отливок газостатированных рабочих лопаток турбины вентилятора 2-й ступени, отлитых по серийной технологии (а — без модифицированияТ1[Т1(С,М)]), а также модифицированных Т1[И(С,М)] (б)
Величина макрозерна в пере и хвостовике не-модифицированной лопатки примерно одинакова и составляет 2,0...4,5 мм (см. табл. 2).
В лопатке, модифицированной Т1[Т1(С,К)], размер зерна в пере в ~ 4 раза меньше, чем в хвостовой части (см. табл. 2).
При люминесцентном контроле методом ЛЮМ1-ОВ на поверхности пера лопаток выявлены точечные свечения.
Металлографическим исследованием в местах с наличием точечных свечений люминофора обнаружены поверхностные дефекты в виде соро-вых раковин и плен, проникающих в глубину: в лопатке без присадки модификатора — до 27 мкм, а в лопатке с присадкой ТЦТ1(С,К)] — до 14 мкм (рис. 2).
Люминесцентный контроль методом ЛЮМ1-ОВ в осевом сечении хвостовика и поперечном се-
чении пера лопаток после ГИП показал, что как в немодифицированной так и после модифицирования, точечное свечение люминофора, характерное для микропористости и усадочной рыхлости отсутствуют. ГИП способствует «залечиванию» пор и рыхлот. Размер выявленных после ГИП единичных микропор в хвостовой части лопаток составляет ~ 5 мкм без присадки и ~ 4 мкм с присадкой Т1[Т1(С,К)] (рис.3).
В пере лопаток после ГИП микропоры не обнаружены.
В немодифицированных лопатках, отлитых из сплава ЖСЗДК-ВИ, наряду с карбидами типа МеС, имеющими глобулярную морфологию, в междентритных пространствах и на границах зерен наблюдается выделение эвтектических карбидов в виде пластин (типа Ме6С), так называемых «китайских иероглифов» (рис. 4).
Таблица 2 — Параметры макроструктуры отливок газостатированных рабочих лопаток турбины вентилятора 2-й ступени, отлитых по серийной технологии и после модифицирования Т1[Т1(С,К)]
Состояние сплава Инд. номер лопатки Место измерения Размер макрозерна, мм Зона столбчатых кристаллов, мм
перо 2,0...4,5
ГИП (без присадки 479 (ед. до 7)
модификатора) 2,0.4,5 до 7
(ед. до 7)
ГИП + 'Щ'ЩСЩ 483 перо 0,4.1,0 -
хвостовик 0,9.3,5 -
Рис. 2. Соровые раковины и плены на поверхности отливок газостатированных лопаток турбины, отлитых (а) — без Т1[Т1(С,К)], а также модифицированных Т1[Т1(С,К)] (б), х 500
штт
, ШШ
ШШж Ш
■ттт
г ШШёШшш
а о
Рис. 3. Микропористость в хвостовой части отливок лопаток турбины после ГИП: а — лопатка турбины без присадки Т1[Т1(С,К)]; б — лопатка турбины с присадкой ТЦТДС^)]
а
Модифицирование сплава Т1[П(С,М)] способствует изменению морфологии первичных карбидов (типа Ме6С), которые приобретают более благоприятную форму. Наблюдается дробление пластин эвтектических карбидов. При этом как в хвостовой части, так и в пере модифицированных лопаток имеются небольшие участки с наличием эвтектических карбидов пластинчатой морфологии (рис. 5, табл. 3). Кроме того, в модифи-
а - х200
4 < ' - V .
• ► V ' 50 ргп
цированных лопатках карбиды и карбонитриды равномерно распределены в объеме металла.
Микроструктура лопатки после ГИП (без присадки карбонитрида титана) представляет собой у твердый раствор с наличием интерметаллид-ной у'- фазы, карбидов и небольшого количества карбонитридов и соответствует сплаву ЖСЗДК—ВИ в нормально термообработанном состоянии (рис. 6).
.« ■ (
ч \
1 ^ >
х /
* 20 рт
в - х200
х500
Рис. 4. Морфология карбидов и карбонитридов в пере (а, б) и хвостовике (в, г) отливки лопатки турбины после
ГИП без присадки ТЦТЦС.Щ
*
г- * '
" У»' ' ...
* \ ' * у.
, ■ V '„ ... ,
* 4
» .
.50 рт
а - х200
б - х500
\ ' '
111
Л
1 " и ■
>
- > . II
в - х200
г- х500
Рис. 5. Морфология карбидов и карбонитридов в пере (а, б) и хвостовике (в, г) отливки лопатки турбины
с присадкой Т1[Т1(С,М)]
Таблица 3 — Параметры структурных составляющих в газостатированных лопатках турбины из сплава ЖСЗДК-ВИ (до и после модифицирования)
Состояние материала Размеры структурных составляющих, мкм
карбиды нитриды микропоры расстояние между осями дендритов 2-го порядка
глобулярные типа МС эвтектические (пластинчатые) типа М6С
ГИП (без присадки модификатора) перо 2...5 5...35 практически отсутствуют - 25...40
хвостовик 3...15 7...85 единичные до 5 50...70
ГИП ТЦТКС.М)] перо 0,75...4 4...15 =5 2 - 7...12
хвостовик 2...10 5...60 ДО 9 единичные до 5 45...60
Рис. 6. Микроструктура отливки лопатки турбины после ГИП без присадки И [И(С,К)]:
а, б — перо; в, г — хвостовик
Модифицирование сплава Т1[Т1(С,М)] приводит к измельчению дендритной структуры (в особенности в пере) (рис. 7).
При этом уменьшается размер дендритной ячейки, а также расстояние между осями дендри-тов второго порядка (см. табл. 3).
Установлено, что расстояние между осями ден-дритов второго порядка, а также размер карбидов в пере лопаток меньше, чем в хвостовике (см. табл. 3):
- в немодифицированной лопатке — в 2...2,5 раза;
- в модифицированной лопатке — в 4... 5 раз.
Микроструктурное состояние в местах «залечивания» микропор и рыхлоты усадочного характера показано на рис. 8.
Установлено, что термообработка по стандартному режиму (1210 ° С, 3,5 часа) после ГИП спо-
собствует практически полной перекристаллизации упрочняющей интерметаллидной у'- фазы, заключающейся в растворении в у матрице фазы у' и повторном ее выделении в виде дисперсных частиц кубической морфологии с наличием небольшого количества скоагулированной интер-металлидной у'- фазы, что приводит к повышению структурной однородности сплава и релаксации напряжений в процессе ГИП.
Выводы
1. Качество материала отливок рабочих лопаток 2-ой ступени турбины вентилятора, отлитых из сплава ЖСЗДК-ВИ, модифицированного на-норазмерными частицами карбонитрида титана в виде таблеток Т1[Т1(С,М)] после обработки методом горячего изостатического прессования отвечает требованиям ОСТ1.90.126-85.
в - х200 г- х500
Рис. 7. Микроструктура отливки лопатки турбины после ГИП с присадкой Т [Т1(С,К)]: а, б — перо; в, г — хвостовик
2. В процессе горячего изостатического прессования при температуре 1210 °С и давлении 160 МПа происходит «залечивание» микропор и рыхлот, не выходящих на поверхность деталей (располагающихся во внутренних объемах металла). Уменьшение размеров и количества микро-пор в материале лопаток после ГИП способствует стабилизации структуры, а, следовательно, и свойств материала.
3. Модифицирование сплава Т1[Т1(С,М)] приводит к измельчению дендритной структуры (в особенности в пере). При этом уменьшается размер дендритной ячейки, а, следовательно, и расстояние между осями дендритов второго порядка.
4. Микроструктура материалов исследуемых отливок рабочих лопаток ТВ после ГИП соответствует шкале микроструктур, утвержденной ВИАМ. Структуры, характерные для перегретого состояния в материале рабочих лопаток турбины, прошедших операцию ГИП, не выявлены.
5. Термообработка по стандартному режиму (гомогенизация при температуре 1210 ° С, 3,5 часа)
после газостатирования способствует повышению структурной однородности сплава и релаксации напряжений, наведенных в процессе ГИП.
Список литературы
1. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) / Каблов Е. Н. — М. : МИСиС. — 2001 — 632 с.
2. Изготовление заготовок рабочих лопаток турбины ГТД из жаропрочных никелевых сплавов на основе применения нанотехнологий / [ Замковой В. Е., Качан А. Я., Дудников А. С., Калинина Н.Е. и др.] // Вестник двигателес-троения. — 2008. — № 1. — С. 40—46.
3. Влияние горячего изостатического прессования и термообработки на структуру и свойства отливок из жаропрочного никелевого сплава / [Жеманюк П. Д., Клочихин В. В., Лысенко Н. А., Наумик В. В.] // Вестник дви-гателестроения. — 2013. — № 1. — С. 109—115.
Поступила в редакцию 11.02.2014
Качан О.Я., Лисенко Н.О., Дудшков О.С., Уланов С.О. Яюсть виливюв робочих лопаток турбши модифшованих наночастинками тугоплавких сполук та оброблених Г1П
Розглянуто вплив наночастинок карбонтриду титану i наступних Г1П та термооб-робки на яксть вилив^в робочих лопаток турбти за рахунок тдвищення стабшзацн структурног однорiдностi сплаву.
Ключовi слова: лопатка, модифкування, гаряче iзостатичне пресування, структурна однорiднiсть, мкроструктура, термообробка, наночастинка, карбоштрид титану.
Kachan A., Lysenko N., Dudnikov A., Ulanov S. Quality of turbine rotor blade castings modified with high-melting compound nanoparticles and processed by hot-isostatic pressing
This paper considers the effect of titanium carbonitride nanoparticles and subsequent hot isostaticpressing and heat treatment on quality of turbine rotor blade castings due to improvement of alloy compositional homogeneity stabilization.
Key words: blade, modification, hot isostatic pressing, compositional homogeneity, microstructure, heat treatment, nanoparticles, titanium carbonitride.
