CC BY
75
УДК.669.14.44: 621.762
А. В. Богуслаев, В. В. Клочихин, Н. А. Лысенко, Г. Л. Дубров, Д. А.Темкин
МОДИФИЦИРОВАНИЕ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ПОРОШКАМИ
В работе рассматривается возможность повышения физико-механических свойств жаропрочного сплава лопаток ГТД за счет введения в расплав ультрадисперсных порошков карбонитрида титана.
Современные газотурбинные двигатели требуют применения жаропрочных сплавов для лопаток турбин с высокими показателями свойств. Условия работы лопаток из литейных жаропрочных сплавов становятся все более напряженными в связи со значительным повышением температуры газа на входе в турбину, увеличением скорости полета, а также ресурса и цикличности работы двигателя [1].
Используя принцип иерархии структурных уровней [2] и синтеза сплавов [3], установили, что стали и сплавы интенсивнее упрочняются при суспензионном модифицировании ультрадисперсными порошками (УДП) тугоплавких соединений, частицы которых являются мельчайшими кристаллами размером 0,01...1 мкм, а также комплексными модификаторами, упрочняющими сплавы на нескольких структурных уровнях. На структурном уровне кристаллических решеток такие частицы, равномерно распределенные внутри зерен и имеющие межфазные границы, служат стоками вакансий и атомов примесей, которые в отсутствии частиц снижают силы меж-атомного взаимодействия в кристаллических решетках и прочность матрицы сплава.
Действие комплексных модификаторов, содержащих карбидо- и нитрообразующие элементы, сочетает модифицирование с микролегированием, обеспечивая измельчение зерна, твердорастворное и десперсионное упрочнение при термообработке [4].
В никелевых сплавах, модифицированных 0,025 % УДП Т1(С,М), карбидная фаза из эвтектического строения, называемого китайским шрифтом, переходит в компактную форму. Дифференциально-термический анализ показал, что у немодифицирован-ного сплава выделение карбидной эвтектики начинается при 70 % твердой фазы и происходит в меж-дуветвиях дендритов аустенита, когда в оставшейся жидкой фазе содержание углерода и титана достигает эвтектической концентрации, а у модифицированного - при 4 % твердой фазы, причем температура начала кристаллизации аустенита ниже, чем у немо-дифицированного, на 15 °С [2].
Известно, что с целью уменьшения анизотропии
микроструктуры и повышения механических свойств при отливке деталей ГТД вводили в расплав при достижении температуры разливки карбо-нитрид титана Т1(С,М) в количестве 0,01-0,04 % и разливкой расплава при температуре на 300-400 °С выше температуры ликвидус [5].
Для повышения механических свойств деталей и получения равноосной структуры, расплав перегревают выше температуры ликвидус не более чем на 510 °С, а охлаждают до температуры не менее чем на 250 °С выше температуры ликвидус, причем разливку с момента введения в расплав карбонитри-да титана завернутого в алюминиевую фольгу осуществляют в течение 2-7 мин.
Для повышения циклической стойкости отливок для ГТД предлагается способ модифицирования жаропрочных никелевых сплавов комплексной добавкой содержащей брикеты никеля - УДП тугоплавкого соединения и титан - УДП.
Предложенный способ был опробован при литье лопаток из никелевых жаропрочных сплавов. Приготовлены брикеты составов: титан - 90 %, УДП - 10 %; никель - 95 %,УДП - 5 % . Полученные брикеты спекали в вакуумной печи. При температуре 1650 °С вводили модификатор из расчета 0,025 % по весу порошков тугоплавкого соединения. После выдержки в течение 2-3 мин расплав охлаждали до температуры разливки.
Полученные результаты показали повышение предела прочности Ов на 15-20 % , относительное удлинение 5 в 1,5-2 раза, повышение циклической стойкости на 20-30 % [6].
Способ получения монокристаллических отливок лопаток направленной кристаллизацией из жаропрочных сплавов, где с целью увеличения скорости направленной кристаллизации и повышения прочностных характеристик отливок перед заливкой в литейную форму в жидкий сплав вводят модификатор в количестве 0,1-0,5 % от массы сплава, при этом используют модификатор в виде брикетированной смеси порошков Т1(С,М) и одного из металлов, образующих с ним устойчивые химические соединения (титан, хром, никель), причем карбонит-
© А. В. Богуслаев, В. В. Клочихин, Н. А. Лысенко, Г. Л. Дубров, Д. А.Темкин, 2008 ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008
рид титана в составе модификатора вводят 0,01-0,05 % от массы сплава [7].
Исходя из имеющегося опыта следует, что при введении их в жаропрочные сплавы, УДП существенно повышают механические свойства. Известны два способа введения УДП в расплав - порошка карбонитрида титана, завернутого в алюминиевую фольгу и брикетированной шихты в виде таблеток.
Нано- и ультрадисперсные порошковые материалы обладают свойствами аутогезии - это связь между соприкасающимися частицами, которая препятствует их разъединению. По мере уменьшения размеров частиц все сильнее проявляется агрегирование частиц (комкование) [8].
У агрегированных ультрадисперсных порошков ухудшается сыпучесть и возникают затруднения в приготовлении однородных смесей прессования таблеток.
Для достижения равномерного распределения тугоплавких частиц УДП в объеме жидкого металла, в частности, карбонитрида титана - таблеткам следует отдать предпочтение.
Так, таблетка при погружении в расплав металла разрушается, при этом протектор из порошка титана способствует равномерному распределению УДП.
Целью настоящей работы явилось повышение физико-механических свойств материала рабочих лопаток турбины ГТД за счет использования модифицирования сплава с применением УДП карбонит-рида титана.
Материалы, технология изготовления и методы исследования
Для проведения экспериментов использовали жаропрочный сплав ЖС3 ДК-ВИ, порошок титана, карбонитрид титана.
Способ введения в расплав порошков Т1(С,№) - в виде брикетированных таблеток, где протектором является порошок титана.
Приготовление шихты для таблеток осуществляли в смесителе с эксцентричной осью вращения, в ат-триторе и вибрационным методом. Качество смешивания компонентов анализировали на брикетах с использованием оптического микроскопа.
Брикетирование таблеток производили с удельным давлением 1 т/см2. Предварительное спекание таблеток проводили в вакууме при 850 °С.
Плавку производили в индукционной вакуумной печи УППФ-ЗМ с остаточным давлением 0,266 Па при температуре 1600 °С с последующей термовременной обработкой (ТВО) расплава при температуре 1850 °С в течение 7 мин. Модификатор в виде таблеток вводили при температуре 1650 °С с выдержкой 1,0-1,5 мин.
Заливку сплава после введения модификатора осуществляли при температуре 1550 °С в керамические формы, нагретые до 900 °С.
Исследования микроструктуры производились с использованием микроскопа «Neophot-32».
Испытания на длительную жаропрочность до разрушения образцов при температуре 850 °С производили на машинах ВПК-11.
Макроструктуру выявляли методом химического травления в реактиве, состоящем из 80 % HCl и 20 % H2O2.
Результаты исследования и обсуждения
Важным моментом в процессе модифицирования жаропрочных сплавов является качество изготовляемых таблеток. На рис. 1 представлена структура таблетки Ti - Ti(C,N), где показано равномерное расположение частиц используемых порошко-
Рис. 1. Структура таблетки Т - Т1(С,К), х 500
Химический состав исходного сплава ЖС3ДК-ВИ в исходном состоянии (0), а также с введением модификатора (1) соответствует требованиям 0СТ1.90.126-85 и приведен в таблице1.
Физико-механические свойства определяли на отдельно отлитых пальчиковых образцах диаметром 12 мм после их термической обработки по стандартному режиму:
- гомогенизация при температуре 1210 °С (выдержка 3,5 часа), охлаждение на воздухе.
Результаты испытаний механических свойств при комнатной температуре представлены в таблице 2.
Из данных, приведенных в таблице 2, видно, что модифицирование сплава ЖС3 ДК-ВИ таблетками с УДП частицами Т1(С,М) обуславливает повышение прочностных и пластических характеристик материала. При этом, значения ударной вязкости (КСи) в ~2 раза превышают требования ОСТа и средних значений серийного сплава.
Модифицирование сплава ЖС3 ДК-ВИ также способствует повышению жаропрочности в ~2 раза по сравнению со значениями сплава, отлитого по серийной технологии, таблица 3.
Таблица 1 - Химический состав сплава ЖС3 ДК-ВИ
Марка сплава Условный номер Содержание элементов, %
С Сг Со W А1 Т1 Мо Бе Мп 8
ЖС3 ДК-ВИ (0) 0,07 11,40 9,97 4,30 4,41 2,64 4,09 0,09 < 0,4 < 0,4 0,002
(1) 0,07 11,68 9,63 4,30 4,65 3,56 4,12 0,09 < 0,4 < 0,4 0,002
Нормы ОСТ 1 90126-85 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
Таблица 2 - Механические свойства при комнатной температуре
Состояние сплава Механические свойства при Т = 20 °С
с„, МПа 8, % КСи, Дж/см2
Серийный сплав ЖС3 ДК-ВИ 967,0 11,2 31,3
Модифицирование Т1 - Т1 (С, К) 1085,0 1052,0 13,2 12,4 51,3 62,5
Нормы 0СТ1.90.126-85 > 950,0 > 7,0 > 30,0
Таблица 3 - Длительная жаропрочность
Состояние сплава Длительная прочность Т = 20 °С
Т °С * исп .5 ^ <г„ , МПа тр, час
Серийный сплав ЖС3 ДК-ВИ 850 340 35700 28800
Модифицированный Т - Т1(С,Ы) 850 340 46500 60430 60910
Нормы 0СТ1.90.126-85 850 340 ? 50,0
Установлено, что размер макрозерна литников и пальчиковых образцов, модифицированных карбо-нитридными частицами, примерно в 6 раз меньше (рис. 2, а), чем в аналогичных образцах, отлитых по серийной технологии (рис. 2, б).
Таким образом, изучение макроструктуры показало, что модифицирование карбонитридом титана способствует существенному измельчению мак-
розерна.
Металлографическим исследованием установлено, что литейный жаропрочный сплав ЖС3 ДК-ВИ имеет типичную дендритную структуру. Оси дендритов -никелевая матрица (ГЦК-твердый раствор), из которой при охлаждении выделяются частицы вторичной интерметаллидной у'-фазы (рис. 3, а). В междендритных пространствах и на границах зерен вы-
Рис. 2. Макроструктура в поперечном сечении литника, х 3: а - с присадкой модификатора; б - без присадки модификатора
188М1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008
49
деляются первичные фазы: карбиды типа МеС и кар-бонитриды.
Модифицирование сплава Т1(С,№) приводит к из-
мельченикишш щштш " ■ ас между
осями дев
Рис. 3. Макроструктура сплава ЖС3ДК-ВИ до термообработки, х 200:
а - без присадки модификатора; б - с присадкой модификатора
Модифицирующее воздействие ультрадисперсными частицами карбонитрида титана также проявляется на распределении и изменении морфологии первичных карбидов. При введении в расплав Т -Т1(С,М) происходит более равномерное распределение карбидных фаз. Первичные карбиды приобретают более благоприятную морфологию, выделяясь в виде дискретных глобулярных частиц.
Микроструктура пальчиковых образцов после проведения термообработки по стандартному режиму удовлетворительная и соответствует нормально термообработанному состоянию сплава ЖС3 ДК-ВИ (рис. 4, а). В процессе термообработки происходит упрочнение матрицы за счет выделения из у- твердого раствора частиц интерметаллидной уг-фазы. Структура сплава, модифицированного карбонитри-дом титана, отличается более чистыми границами зерен (рис. 4, б).
Следует отметить, что в металле, полученном по серийной технологии (без использования модификаторов), карбонитриды встречаются редко. Размер их не превышает 2 мкм. После присадки модификатора наблюдается повышение количества карбо-нитридных частиц. Карбонитриды равномерно распределены в объеме металла, размер их составляет ~ 2...4 мкм.
Люминесцентным контролем методом ЛЮМ1-ОВ показано, что более благоприятное внешнее состояние по наличию и распределению точечного свече-
Рис. 4. Микроструктура сплава ЖС3 ДК-ВИ после термообработки, х 500:
а - без присадки модификатора; б - с присадкой модификатора
ния люминофора имеют образцы, модифицированные карбонитридами титана по сравнению с образцами, полученными по серийной технологии. Металлографически установлено, что точечное свечение произошло по месту микропористости. Следует отметить, что в образцах, модифицированных карбонитридом титана, микропоры примерно в 4,5 раза меньше, чем в серийном металле (рис. 5). Размер единичных мик-ропор в серийном сплаве достигает 300 мкм, тогда как после модифицирования их размер не превышает 60 мв
Рис. 5. Микропористость в образцах из сплава ЖС3 ДК-ВИ после термообработки, х 200:
а - без присадки модификатора; б - с присадкой модификатора
б
б
б
Заключение
1. Химический состав серийного сплава ЖС3 ДК-ВИ (без присадки модификатора) удовлет -ворительный и отвечает требованиям технической документации (0СТ1.90.126-85).
2. Значения ударной вязкости и длительной прочности модифицированного сплава в ~ 2 раза превышают требования ОСТ1 90126-85 и средних значений серийного сплава.
3. Модифицирование Т - Т1(С,М) способствует измельчению макроструктуры сплава. При этом уменьшается размер дендритной ячейки и расстояние между осями дендритов второго порядка.
4. После введения модификатора наблюдается повышение количества карбонитридных частиц. Карбонитриды равномерно распределены в объеме металла, размер их составляет ~ 2...4 мкм.
5. Первичные карбиды в модифицированном сплаве приобретают более благоприятную морфологию, выделяясь в виде дискретных глобулярных частиц.
6. Модифицирование сплава карбонитридом титана способствует снижению размера микропор.
Перечень ссылок
1. Каблов Е.Н Литые лопатки газотурбинных двигателей. - Москва: МИСИС, 2001. - 631 с.
2. Гуляев Б. Б. И др. Иерархия структур и механические свойства литой стали. - Литейное производство, 1986. - №10. - 15 с.
3. Гуляев Б.Б. Синтез сплавов (Основные принципы). Выбор компонентов. - М., 1984. - 250 с.
4. Сабуров В.П. Упрочняющее модифицирование стали и сплавов. - Литейное производство, 1988. - № 9. - 7 с.
5. А.С.185069 СССР Авдюхин С.П. и др. Опубликовано 1988.
6. А. С. 1804120А1 СССР Сабуров В.П. и др. Опубликовано 1990.
7. А.С. 1570148 СССР Хлыстов Е.Н. и др. Опубликовано 1988.
8. Зимон А. Д., Андрианов Е.И. Аутогезия сыпучих материалов. - М.: Металлургия, 1978. - 430 с.
Поступила в редакцию 18.12.2007
В po6omi розглядаеться можливiсть пiдвищення фiзико-механiчних властивостей жа-ромщного сплаву лопаток ГТД за рахунок введення в розплав ультрадисперсних порошюв Kap6oHimpuda титана.
The objective of the work is to consider the possibility of improving physical and chemical properties of a heat - resistant alloy for the blades ofgas-turbine engines by adding into the melt superdispersed powders of titanium carbonitride.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения№ 1/2008
- 51 -
