CC BY
74
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669.15.620
П1ДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ЖАРОМ1ЦНОГО СПЛАВУ ДЛЯ ЛОПАТОК ГАЗОВИХ ТУРБ1Н
Ю.В. Батиг1н, професор, д.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к. т.н., ХНАДУ
Анотаця. Проведено пор1вняння властивостей жаром1цного сплаву на ткелевт основ1, одер-жаного в1дкритою плавкою i тсля електронно-променевог переплавки. Представленi та обгру-нтоват переваги сплаву тсля електронно-променевог переплавки.
Ключов1 слова: вiдкрита плавка, електронно-променева переплавка, зерно, експлуатацтт вла-стивостi, тривала мiцнiсть.
ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ДЛЯ ЛОПАТОК ГАЗОВЫХ ТУРБИН
Ю.В. Батыгин, профессор, д.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Проведено сравнение свойств жаропрочного сплава на никелевой основе, полученного открытой плавкой и после электронно-лучевой переплавки. Представлены и обоснованы преимущества сплава после электронно-лучевой переплавки.
Ключевые слова: открытая плавка, электронно-лучевая переплавка, зерно, эксплуатационные свойства, длительная прочность.
INCREASING SUPERALLOY' SERVICE PROPERTIES FOR BLADES OF GAS
TURBINES
Y Batigin, Professor, Doctor of Technical Science, W. Tarabanova, Associate Professor,
Candidate of Technical Science, KhNADU
Annotation. The comparison of superalloy properties based on nickel produced by open smelting and after electron-ray remelting are carried out. The advantages and explanations of alloy after the electron-ray remelting are grounded and presented.
Key words: open smelting, electron-ray remelting, grain, service properties, long-term strength.
Вступ
Для швидкого розвитку енергетики велике значення мае шдвищення ефективност ic-нуючих агрегапв, широке втшення ново! техшки. При цьому суттеве мюце вщведено газовим турбшам як одному з нових прогре-сивних тишв теплового двигуна.
Поpiвняння газово! турбши з шшими тепло-вими двигунами свщчить, що вона мае бага-то переваг, яю ставлять И поза конкуренщею в багатьох галузях енергетики i народного господарства.
Найбшьш навантаженим i вщповщальшм вузлом газових турбш е лопаточний апарат. Наявнють мaтepiaлiв, що забезпечують ком-
плекс необхщних властивостей, у значнш мiрi визначае рiвень розвитку енергетичного газотурбобудування. Висока температура газу 650-850 °С пред'являе пiдвищенi вимо-ги до лопаток турбш.
У зв'язку з цим актуальним е питання вибору матерiалу i методу його виплавки для лопаточного апарата газових турбш.
Обгрунтування використання жаромщних сплавiв для лопаток газових турбiн
У процес роботи лопатки зазнають впливу ди розтягуючих напруг, тому до матерiалу лопаток пред'являються вимоги не тшьки високо! мiцностi, але й вщповщно! пластич-ностi, опору ди малоциклово! втомностi, структурно! стабiльностi.
Найбiльш широко зараз використовуються для лопаток турбш нiкелевi сплави, якi яв-ляють собою матрицю з ГЦК реш^кою, що вмiщуе карбiди i когерентну iнтерметалiдну у' - фазу. Сплави змщнюються, головним чином, А1, Т1, Та, якi взаемодiють з N1 i утво-рюють у' - фазу з ГЦК решггкою.
Змщнення також досягаеться завдяки легу-ванню матрицi елементами, що утворюють твердi розчини. При цьому найбшьший ефект дають Мо, W, Сг.
Однак треба звернути увагу на те, що збшь-шення кшькосп Сг знижуе температуру роз-чину у' -фази i максимальну температуру, за яко! сплав може збер^ати достатню мiцнiсть [1].
З фазового аналiзу складних жаромiцних сплавiв можна зробити висновок, що елементами, яю змщнюють твердий розчин, зви-чайно е Бе, Сг, Мо, W, Т1 i А1. Змщнення може бути пов'язане зi збшьшенням атомного дiаметра.
Видiлення сполук типу АзВ( у' -фаза) з ГЦК реш^кою в аустенiтних жаромщних сплавах являе собою одне з найбшьших позитивних явищ. Такi сполуки утворюються тшьки в матриц з великою кшьюстю N1.
Фаза у' - ушкальна iнтерметалiдна фаза. При взаемоди з дислокацiями вона робить сутте-вий внесок у змщнення. Мщшсть у' -фази
збiльшуеться з тдвищенням температури. Крiм того, пластичнють у' -фази перешко-джае сильному окрихчуванню, на вщмшу вiд змщнення фазами, що мають бшьш високу твердють, наприклад, карбiдами. Рiвень мщносп i жаромiцностi залежить сут-тево вщ досконалостi границь зерен, що ре-гулюеться мiкролегуванням, а також вщ умов кристатазацл, яка забезпечуе однорщнють розташування зерен. Умови кристатзацл залежать вiд методу виплавки сплаву.
Матерiал i методи дослiдження
Матерiалом дослiдження були лопатки турбш, виготовленi з нiкелевого сплаву ЕП-539, хiмiчний склад якого приведено у таблиц 1. Сплав ЕП-539 було виплавлено у вщкритш дуговiй печ^ а другий варiант - по^м пере-плавлявся способом електронно-променево! переплавки ЕПП, що здшснювалася за раху-нок теплоти, яка утворюеться в результат опромiнення металу потоком електронiв.
Проводилося випробування експлуатацшних властивостей. З метою вивчення впливу переплавки на мшроструктуру i характер руй-нування сплаву використовувалася оптична й електронна мiкроскопiя.
Результати дослщження та 1х обговорення
Дослщження мiкроструктури показало, що в металi пiсля електронно-променево! переплавки ЕПП в умовах 30% деформацi! в зош концентрацi! напружень пор значно менше i вони розташованi бшьш рiвномiрно, нiж в металi, що був виплавлений у вщкритш ду-говiй печi.
За допомогою кшьюсно! металографi! пщра-ховано, що 50 % пор у металi вщкрито! плавки мали розмiр вщ 22,4 до 45 мкм, а також наявна значна кiлькiсть пор розмiром бiльше 100 мкм (рис. 1А).
В металi з вщкритою плавкою + електронно-променевою переплавкою приблизно 50 % складали пори розмiром 16-22,4 мкм, а пори розмiром 100 мкм вiдсутнi (рис. 1Б). Цей факт можна пояснити тим, що метал тсля переплавки бшьш чистий вщ включень i у' -фаза в ньому розташована бiльш рiвномi-рно.
Таблиця 1 Хiмiчний склад нiкелевого сплаву
Вмют елементiв, %
С 81 Мп 8 Р N1 Т1 А1 Сг Мо Nb W
0,11 0,15 0,12 0,008 0,016 основа 2,2 3,6 16,0 2,78 1,70 3,66
♦ Б
Рис. 1. Крива ймов!рност розподшу розм1р1в пор: А - метал вщкрито! виплавки; Б - метал, одержаний тсля електронно-променево! переплавки
Рис. 2. Фрактограми злам1в: а - метал, одержаний у вщкритш печц б - метал тсля електронно-променево! переплавки х 10000
Дослщження злам1в пщ електронним мшро-скопом показало, що у злам! зразюв вщкри-то! виплавки багато дшянок з елементами крихкого зламу, наявт сколи (рис. 2, а). Пю-ля ЕПП злам мае в основному в'язкий характер (рис. 2, б).
З метою виявлення р1знищ у сташ границь зерен у метал! вщкрито! виплавки { тсля переплавки були проведет дослщження мшро-структури. В метал! вщкрито! виплавки на стиках зерен часто зустр1чаються груб! видь лення. Це приводить до концентраци локаль-них напружень { до виникнення крихких трщин по границях зерен при деформаци. В метал! ж тсля електронно-променево! переплавки видшень значно менше.
В табл. 2 наведет мехатчт властивосп т-келевого сплаву, одержаного у вщкритш пе-ч1, а в табл. 3 - сплаву, одержаного тсля ЕПП. Бшьш високий комплекс властивостей тсля електронно-променево! переплавки зу-мовлений тим, що технолопя переплавки сприяе р!вном!рному розпод!лу легуючих елемент!в. I пот!м при охолодженн! вщбува-еться р!вном!рне вид!лення зм!цнюючих фаз.
Пор!вняння характеру розташування карб!д!в у сплавах, одержаних у вщкритш дуговш печ!, ! у сплавах тсля переплавки свщчить про те, що в умовах вщкрито!' плавки карбщи мають грубу форму ! розташоват по границях зерен, утворюючи каркас. В умовах же переплавки вони бшьш дисперст ! мають куб!чну або пол!едр!чну форму.
На рис. 3 показано залежшсть тривало! мщ-ностi вiд кiлькостi у' -фази для вщкрито! плавки (2) i пiсля електронно-променево! переплавки (1).
Дуже велике значення мае характер розташу-вання часток у' - фази. Не в кожному випадку
наявшсть у складi мiжзеренних прошаркiв частинок у' - фази позитивно впливае на вла-стивост сплавiв. Так, в умовах вщкрито! плавки можна побачити велик грибоподiбнi частинки у' - фази разом iз видiленнями карбiдiв. Цей факт сприяе зниженню пластичность
О1000, МПа 1000
750
500
250 0
Кшькють у' - фази, %
1
2 *
25 35 45 55
Рис. 3. Залежшсть тривало! мщносп вщ кшькосп у' - фази: крива 1 - тсля електронно-променево! переплавки; крива 2 - вщкрита плавка
Таблиця 2 Мехашчт властивосл сплаву ЕП539, одержаного вщкритою плавкою
Температура випробування, °С св, МПа с0 2, МПа 5,% V,% КСУ, Дж/см2
20 1050... 1100 650.700 10.11 11.14 20-25
700 850... 900 600.650 10.12 11.13 -
800 750.800 550.600 10.12 11.14 -
850 600.650 500.550 10.12 11.15 37
900 450.500 400 12.14 15.17 -
Таблиця 3 Мехашчт властивосл сплаву ЕП539, одержаного тсля електронно-променево!' переплавки
Температура випробування, °С св, МПа с0 2, МПа 5,% V,% КСУ, Дж/см2
20 1150.1300 750.800 12.15 14.18 25-35
700 950.1150 700.750 12.16 14.16 -
800 850.950 650.700 12.16 14.17 -
850 600.650 500.550 10.12 11.15 45
900 550.600 500 12.14 15.17 -
Таблиця 4 Значення ударно! в'язкосп 1 коефщента р1знозернистост1 сплаву ЕП539
Вид плавки Ударна в'язшсть КСУ, Дж/см2 ^шах , мкм Ар , мкм Коефщент р1з-нозернистосп
Ввдкрита плавка 15 200 70 3
Електронно-променева переплавка 20 150 60 2,5
Електронно-променева переплавка 22 130 55 2,4
Ввдкрита плавка 10 230 70 3,3
Ввдкрита плавка 3,5 250 70 3,6
Одшею з позитивних рис сплаву тсля ЕПП е одержання дрiбного зерна. Як показано в роботах [1, 2], довговiчнiсть i ошр повзучостi зростае зi збiльшенням вщношення товщини деталi до розмiру зерна.
Проведет нами дослщження показали вплив рiзнозернистостi на ударну в'язкiсть. Коеф> цiент рiзнозернистостi визначався як вщно-шення максимального дiаметра зерна Ошах до середнього розмiру зерна £>ср. Данi наве-денi в табл. 4.
1з порiвнянь максимального розмiру зерна, коефiцiента рiзнозернистостi i величини ударно! в'язкостi сплаву вщкрито! плавки i пiсля ЕПП можна побачити, що ударна в'язюсть пiсля ЕПП бiльша, нiж в умовах вщкрито! плавки, а коефщент рiзнозернистостi, вщпо-вiдно, менше. На основi результатiв випро-бувань зроблено висновок, що максимальний розмiр зерна повинен бути менше 200 мкм, а коефщент рiзнозернистостi, менше 3.
Висновки
1. Бшьш високий комплекс властивостей шс-ля електронно-променево! переплавки, в по-рiвняннi з виплавкою у вщкритш дуговiй печi, зумовлений дисперснютю карбiдiв i у'-фази.
2. Показники мщносп, пластичностi, ударно! в'язкосп за кiмнатно! температури i в штер-валi температур 700-900 °С при електронно-променевiй переплавщ на 8-20 % бiльше, шж у вiдкритiй дуговiй печi.
3. Пюля електронно-променево! переплавки зменшуеться розмiр пор i !х кiлькiсть у 2-3 рази.
4. Показники тривалосп мщносп пiсля елек-тронно-променево! переплавки на 50-60 % бiльше, нiж у вщкритш дуговш печi.
5. Для досягнення достатньо високо! ударно! в'язкостi необхщно, щоб розмiр зерна був менший, нiж 200 мкм, а коефщент рiзнозер-нистостi менше, нiж 3.
Л^ература
1. Белов А.Ф. Структура и свойства гранули-
руемых никелевых сплавов / А.Ф. Белов.
- М. : Металлургия. 1992. - 128 с.
2. Захаров Н.В. Жаропрочные сплавы / Заха-
ров Н.В., Захаров А.Н. - М. : Металлургия, 1997. - 385 с.
3. Банных О.А. Влияние структурного со-
стояния на кратковременную жаропрочность сплава на никелевой основе // Структура и свойства жаропрочных металлических материалов. - М. : Наука, 1993. - С. 133-140.
4. Поляк Э.В. Структура дисперсионнотвер-
деющих сплавов на никелевой основе // Конструкционные и жаропрочные материалы для новой техники. - М. : Наука, 2005.- С. 107-114.
5. Ч. Симс. Жаропрочные сплавы / Ч. Симс,
В. Хагель. - М. : Металлургия, 2004. -576 с.
6. Гецов Л.Б. Детали газовых турбин /
Л.Б. Гецов- Л. : Машиностроение, 2002.
- 215 с.
7. Масленников С.Б. Жаропрочные стали и
сплавы / С. Б. Масленников. - М. : Металлургия, 2002. - 191 с.
Рецензент: О. I. Пятак, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакци 25 листопада 2010 р.
