CC BY
33
УДК 669.715:621.74 doi: 10.30977/bul.2219-5548.2018.82.0.108
щдвищення структурно! стаб1льност1 та властивостей жаром1цних н1келевих сплав1в для лопаток гтд обробкою наноматер1алами
Грекова М.В., Дншровський нац1ональний унiверситет iменi Олеся Гончара
Анотаця. Зроблено анал1тичний огляд ¡снуючих представлень 7з проблеми тдвищення жаромщност1, жаростткост1 та довгов1чност1 жаром1цних шкелевих сплав1в групи ЖС лопаток газотурб1нних двигушв. Проведено анал1з впливу легуючих елемент1в сплав1в на струк-турш перетворення, види зм1цнення 7 короз1йну сттюсть. Для обробки шкелевих розплав1в за-пропоновано комплексний порошковий модиф1катор на основ7 карбоштрида титану Т (СЫ) з розм1ром частинок 50-100 нм. Визначено параметри наномодифжатора. Досл1джено макро-7 м1кроструктуру мкелевих сплав1в ЖС3, ЖС3ДК. У модиф1кованих зразках досягнуто подр1б-нення зерна в 3-5 раз1в 7 стабмзацт структури в пор1внянш з вих1дним станом. Досягнуто також тдвищення мехашчних властивостей сплав1в: аВ - на 10 %; а0,2 - на 13 %; 6 - на 20 % и КСи на 40 %. Випробування на високотемпературну короз1ю показали зменшення глибини коро-зп модифтованих зразюв на 25 %, що тдтверджують ефект модифтування сплав1в нанодис-персними модиф1каторами.
Ключов1 слова: жаромщш ткелев1 сплави, наномодиф1катор, структура, властивост1, лопатки газотурб1нних двигушв.
Вступ
Забезпечення експлуатацшно! надшносп та довговiчностi авiацiйно-космiчних виробiв - актуальна проблема сучасного виробництва як в авiацiйнiй, так i в космiчнiй галузях. По-лшшити яюсть та експлуатацшш властивосп виробiв можна, розробляючи новi та удоско-налюючи iснуючi матерiали. Ливарш жаромщш нiкелевi сплави застосовують для виго-товлення деталей авiацiйних газотурбшних та ракетних двигушв. До деталей газотурбшних двигушв висувають таю вимоги: висока щшьнють i герметичнють, вщсутнють пористости стабшьшсть розмiрiв, високий комплекс фiзико-механiчних характеристик, жа-ромiцнiсть, жаротривкiсть та довговiчнiсть [12]. _
Пiд час розробки жаромщних нiкелевих сплавiв iз заданими властивостями важливий етап обробки розплавiв, оскiльки технологiя виготовлення впливае на кшцеву структуру виливкiв. На стади обробки розплавiв найе-фективнiшi операцп модифiкування. Сьогод-нi для модифшування нiкелевих сплавiв застосовують чисп метали: цирконiй, титан, iтрiй, а також тугоплавю композици, в тому чи^ нанорозмiрного дiапазону, на основi карбiдiв, нiтридiв, боридiв i карбонiтридiв [1-3].
Аналiз публiкацiй
Пiд час розвитку виробництва жаромщних сплавiв !х хiмiчний склад ставав все складш-шим. Цей розвиток стимулювала потреба збь льшити коефiцiент корисно! ди авiацiйних газових турбiн безперервним збiльшенням робочих температур металу. Тому стали суво-рiшими вимоги до мщносп та жаромiцностi застосовуваних у турбш матерiалiв, суттево ускладнилася конструкцiя лопаток турбш, виконання яко! виявилося можливим тiльки за допомогою жаромiцних ливарних шкелевих сплавiв. Високолегованi жаромiцнi сплави вщносять до групи ЖС: ЖС6К, ЖС6У, ЖС32, ЖС6ФНК, ЖС6ФМ, ЖС6К-В1, ЖС3ДК.
До сьогоднi пiдвищення надшносп робо-ти турбiн i збшьшення експлуатацiйного ресурсу деталей здшснюють за двома основ-ними напрямами. Перший - замша юнуючих промислових жаромщних сплавiв на новi. Другий - пiдвищення комплексу службових характеристик шляхом легування, модифшу-вання юнуючих промислових сплавiв. Мiж-народна практика виявила, що другий на-прям економiчно вигiднiший i перспектив-нiший. Одним iз основних принципiв теорп легування жаромщних сплавiв е принцип багатокомпонентного легування [1, 7, 8], що призводить як до ускладнення складу i под-рiбнення часток змщнювальних фаз, що ви-
дшяються з пересиченого твердого розчину тд час старiння, так i до уповiльнення !х ко-агуляцп за пiдвищених температур внаслiдок гальмування дифузшних процесiв у матричному складнолегованому твердому розчиш.
Легувальнi елементи в шкелевих сплавах залежно вщ !х внеску у змiцнення i корозiйну тривкiсть, згiдно з роботою [46], можна роздь лити на кшька груп (табл. 1). Елементи, що входять до складу матрищ. Принципово важ-ливими особливостями шкелевих сплавiв е висока розчиннiсть легувальних елемеш!в у нiкелевiй матрицi i збереження ГЦК-гратки до Т = 0,8Тпл тривалий (до 105 год) час. До елеменпв, що впливають на твердорозчинне змiцнення матрично! у'-фази, вiдносять А1, Ti, V, W, Мо, Сг i Со. Алюмшш вiдiграе по-мiтну роль у змщненш твердого розчину i в утворенш змiцнювальних фаз. Хром не е ефективним змщнювачем твердого розчину. Основна мета його впровадження - тдвищи-ти корозiйну тривкiсть сплавiв.
Алюмiнiй i титан, що входять до складу у'-фази, здатш помггно змiцнювати твердий розчин, проте !х основне призначення поля-гае в тому, щоб, взаемодiючи з шкелем, утворювати видiлення у'-фази, забезпечуючи дисперсшне змiцнення жаромiцних сплавiв.
Експлуатацiйна довговiчнiсть литих робо-чих лопаток суттево залежить вiд стабшьнос-тi структури i фiзико-механiчних властивос-тей жаромщних нiкелевих сплавiв. Оскiльки можливiсть полшшити властивостi сплаву легуванням е обмеженою, можна його моди-фiкувати. Теоретичнi основи модифщування закладенi у фундаментальних працях В.1. Данилова, П.Д. Данкова, В.€. Неймарка, П.А. Ребiндера, М.В. Мальцева, А.1. Гусева.
Експериментальна частина
В основi модифiкування первинного зерна шкелю - зародковий механiзм. У модифщо-ваному нiкелевому сплавi е додатковi центри кристатзацп, якими служать частинки мета-левих з'еднань, спецiально введет в розплав. Кристатзащя з багатьох центрiв, штучно створених у розплав^ сприяе формуванню дрiбнозернистоl рiвномiрноl структури мета-лу. Однак не кожна чужорщна частинка, створена в розплав^ може бути центром кри-статзацп пiд час тверднення нiкелевого сплаву. Зародком може служити частка, що мае деякий критичний розмiр i подiбна структурно до речовини, що кристатзуеться на нiй. Зокрема мiж кристалiчними решiтками титану i нiкелю е необхiдна структурна та розмiрна вiдповiднiсть, тому титан i з'ед-нання на його основi - ефективнi модифща-тори [6].
Аналiз результатiв перспективних напря-мiв пiдвищення мiцностi металевих сплавiв дае можливють зробити висновок про тенде-нцп вiдхилення вiд традицiйних методiв тве-рдорозчинного змiцнення. Роль нанодис-персних додаткiв-модифiкаторiв, наприклад, карбонiтриду титану розмiром 50-100 нм, зводиться до створення в розплавi додаткових штучних центрiв кристатзацп [7, 8]. Для цьо-го такi додатки повинш бути сумiрнi з крити-чними зародками матрично1 фази i забезпе-чувати достатню !х кшьюсть, щоб отримати в литвi дрiбнодисперсну структуру. 1ншим чинником пiд час наномодифщування е дося-гнення кристалографiчноl вiдповiдностi час-ток з модифщованою фазою, що кристалiзу-еться.
Проблема тдвищення жаромiцностi шке-левих сплавiв е досить гострою i актуальною. Це викликано тим, що деталi ракетних i авiа-цiйних газотурбiнних двигушв пiд час екс-плуатацп схильш до ди агресивного середо-вища палива за пiдвищених температур. Мо-дифiкування конструкцiйних сплавiв - перс-пективний напрям, що активно розвиваеться. Розрiзняють поверхневе, об'емне, комбшо-ване модифщування. Велика кiлькiсть мета-лiв та !х сполук у рiзному розмiрному дiапа-зонi, в тому чи^ й нанодисперснi, можуть бути ефективними модифщаторами.
Нiкелевi сплави типу ЖС: ЖС3, ЖС6У, ЖС6К, ЖС26, ЖС32 використовують для виготовлення деталей двигушв, як випуска-ють сьогодш на провiдних пiдприемствах Укра1ни. Марку сплаву вибирають залежно вiд робочо1 температури вузла. Хiмiчний склад сплавiв наведено в табл. 2.
Таблиця 1 - Легувальш елементи в жаромщних шкелевих сплавах
Група Елементи Вплив
Елементи, що входять до складу матрищ сплаву Со, Сг, Мо, W, V, Т1, А1 Твердорозчинне змщ- нення. Шдвищення корозш-но! тривкосп
Елементи, що входять до складу у'-фази А1, Т1, Nb, Та Дисперсне змщнення
Карб1дотв1рт елементи Сг, Мо, W, V, Nb, Та, Т1, Н Послаблення проков-зування межами зерен
Поверхнево-активт елементи гг, В Зб1льшення в'язкосп руйнування та опору повзучосп
Таблиця 2 - Хiмiчний склад промислових ливарних жаромiцних нiкелевих сплавiв
Марка сплаву Вмют елементш, мас. %
А1 ТС Сг Мо W Со С Мп, Si №
ЖС3 1,7 2,5 1,3 2,1 14,0 17,5 3,0 4,2 4,0 6,7 0,10 0,18 < 0,4 Осн
ЖС6К 5,4 6,0 2,5 3,0 10,0 11,0 3,7 4,2 4,8 5,3 4,2 4,9 0,13 0,19 < 0,2 Осн
ЖС6У 5,2 5,8 2,2 2,8 8,6 9,3 1,2 1,6 9,8 10,5 9,4 10,4 0,13 0,19 < 0,2 Осн
ЖС3ДК 4,0 4,8 2,5 3,2 11,0 12,5 3,8 4,5 3,8 4,0 8,0 10,0 0,10 0,15 < 0,4 Осн
Як основу для модифшувального комплексу розглядають металопод!бш тугоплавю сполуки титану з вуглецем { азотом: карбщи, штриди { карбоштриди. Карбоштрид титану, карбщи { штриди титану мають куб1чну грат-ку, висок температурну тривюсть { температуру плавлення. Для вс1х вивчених склад1в нанопорошюв залежносп аналопчш: з1 зме-ншенням рад1уса частинок до 100 нм !хня питома поверхня р1зко збщьшуеться, дося-гаючи 12 м2/г для карбоштриду титану (табл. 3).
Таблиця 3 - Гранулометричний склад та питома поверхня дисперсних композицш
Сполука Питома поверхня м2/г Кшьшсть частинок в 1 г
ТЮ 2,44.12,19 3,Ы012
™ 2,21.11,0 2,9^1012
Т^СК) 2,42.12,02 3,Ы012
За структурною та х1м1чною вщповщню-тю як найефектившший модифшатор жаро-мщних шкелевих сплав1в запропонований комплексний модифшатор на основ! наноди-сперсного карбоштриду титану, отриманий плазмох1м1чним синтезом. Наночастки карбоштриду титану розм1ром 50.. .100 нм [9] е найдр!бшшими центрами кристал!зацп в ро-зплав! шкелевого сплаву, що сприяють об'емнш кристал!зацп виливка.
Для визначення впливу наномодифшу-вання дослщжували структуру сплаву у вихь дному { модифшованому станах. Структура зразюв немодифшованого сплаву ЖС3 вкрай неоднородна по перер1зу. На поверхш зразка виявляються велик дендрити з грубими лшь ями ковзання (рис. 1, а); утворюються велик витягнуп зерна, ор!ентоваш перпендикулярно до поверхневого шару.
У модифшованих зразках зерна мали по-л1едричну форму { практично однаковий ро-зм1р по перер1зу шл1фа. На рис. 1, а зображе-на макроструктура шкелевого сплаву ЖС3 у вихщному сташ. У мшроструктур! виявили зерна у-фази неправильно! форми з безл1ччю великих включень, що негативно впливае на характеристики мщносп сплаву.
Рис. 1. Макроструктура немодифшованого (а) та модифшованого (б) шкелевого сплаву
Виявлено велик включення на стику меж зерен, що можуть бути концентраторами на-пружень { осередками розвитку трщин тд час експлуатацп. Вони мали р1зну форму: багатогранники { пластини довжиною 6-14 мкм; включення квадратно! форми - з1 стороною 4-6 мкм.
Пщ час вивчення мшроструктури модифь кованого сплаву встановили, що вс наявш у сплав! включення (карбщи, штерметалщи, карбоштриди) р!вном!рно розпод!лен! по всьому об'ему зразка ! не утворюють скуп-чень ! груп. Карб!ди та карбонприди форму-валися в основному у середин! зерен. Ус! включення мали практично однаковий роз-м!р 1-5 мкм. Таким чином, в результат! мо-дифшування досягнуто подр!бнення струк-турних складник!в сплаву в 3-4 рази та зага-льна стабшзащя структури.
Модиф!кування призводить до ютотно! зм!ни структури сплаву ЖС3 пор!вняно з не-модиф!кованим станом. Структура модифшо-ваного однор!дна, др!бнозерниста. У центр! шл!фа зустр!чаються двшников! утворення, як! св!дчать про високу чистоту твердого роз-чину.
Грубозерниста ! малопластична матриця шкелевого сплаву перебувае тд д!ею великого локального навантаження, що сприяе передчасному розтрюкуванню межами зерен. Тому основне завдання модифшування -одержати однор!дну др!бнозернисту структуру сплаву. Досягнуто подр!бнення зерна н!келевого сплаву ЖС3 в 3-5 раз!в п!сля мо-дифшування нанокомпозиц!ями. Перевага др!бн!ших зерен у литих шкелевих сплавах пов'язана з! здатн!стю матер!алу розпод!ляти
напруги серед бшьшо! кiлькостi меж, що призводить до знижено! деформацп на межi зерен.
Результати дослiджень зламiв ударних зразкiв сплаву ЖС3 у початковому сташ i пiсля модифшування наведено на рис. 2.
Рис. 2. Фрактографiя зламiв немодифшовано-го (а) i модифiкованого (б) шкелевого сплаву
На рис. 3, а чггко видно крихкий злам, на рис. 3, б - в'язкий ямковий. Внаслщок руй-нування модифiкованого зразка за мехашз-мом в'язкого руйнування рiзко, на 40-44 %, збшьшився показник ударно! в'язкостi зраз-юв (КСи = 490 кДж/м2) порiвняно з вихiдними (КСи = 340 кДж/м2). Суттевi змiни у структу-рi внаслiдок модифiкування свiдчать про ю-тотну змiну характеристик мщносп, пласти-чностi та експлуатацiйних властивостей сплаву. Фiзико-механiчнi та експлуатацiйнi характеристики немодифшованого сплаву ЖС3 вивчали на зразках, отриманих за серш-ною технологiею, а модифiкованого - на зразках, одержаних iз застосуванням модифшу-вального комплексу розробленого складу в кiлькостi 0,1-0,2 % мас. вщ маси розплаву. Зразки тддавали термiчнiй обробцi за стан-дартним режимом: на^вання до 1210 ± 10 °С, витримка 4:00, охолодження у повггр^ В результатi модифшування мiкротвердiсть матрицi сплаву пiдвищилася на 17-24 % (рис. 3).
Рис. 3. Мшротвердють матрищ сплаву ЖС3ДК до i пiсля модифiкування
Однорiдний розподiл легувальних елеме-нтiв в об'емi сплаву ЖС3 призводить до збь льшення мiкротвердостi, посилення легуван-ня сплаву i додаткового змiцнення матрицi дисперсними частками. Значне тдвищення мiкротвердостi матрищ сплаву свщчить i про додаткове насичення у-твердого розчину титаном з нанодисперсного модифшатора. Зi зростанням вмюту титану у сплавi збшьшу-валась кiлькiсть змщнювально! у'-фази внаслщок переходу титану в твердий розчин i додатково! його учасп в утвореннi вторинно! у'-фази тд час розпаду твердого розчину за охолодження.
Кращi механiчнi властивостi мали зразки, отримаш з модифiкуванням. Межа мщносп сплаву ЖС3ДК оВ збiльшилася в середньому до 1152 МПа, або на 8-10 %; межа плинносп о02 - до 825 МПа, або на 10-13 %; вщносне видовження 5 - до 20,6 %, або на 19-21 %; ударна в'язюсть КСи рiзко збшьшилася до 490 кДж/м2, або на 40-44 %. Результати ме-хашчних випробувань тдтверджують ефек-тивнiсть i доцiльнiсть модифiкування жаро-мiцних нiкелевих сплавiв.
Висока жаротривюсть - одна з важливих вимог, що висувають до сплавiв для лопаток авiацiйних двигунiв. Межi витривалосп лопаток з корозiйними пошкодженнями можуть знижуватися в кшька разiв, i це зниження посилюеться зi збiльшенням часу випробувань. На не! суттево впливае i глибина коро-зiйного пошкодження.
Жаротривкiсть визначали у промислових умовах при 1000±5 °С упродовж задано! три-валосп вiд 2,5 до 15 год. Випробовували гра-вiметричним методом, за змшою маси зраз-кiв i металографiчним методом замiру гли-бини корози.
Мiкроаналiзом поперечних шлiфiв вста-новили, що у всiх зразках наявне внутршне виразкове окиснення. 1нтенсившше високо-температурне окиснення спостерiгали в не-модифiкованих зразках глибиною ~ 40 мкм. Пiсля 15 год випроб на поверхнi модифiко-ваних зразюв виявили локальнi корозiйнi пошкодження з утворенням оксидiв, що заля-гають на глибину не бшьше 30 мкм. Таким чином, корозшно тривкiшими виявилися мо-дифiкованi зразки. Пюля випробувань на жа-ротривюсть при 1000 °С глибину корози в модифшованому сплавi вдалося зменшити в середньому на 10 мкм, тобто на 25 % порiв-няно з немодифшованим станом.
Висновки
1. Проаналiзовано вплив легувальних елементiв жаромiцних нiкелевих сплавiв на структуру, змщнення та корозiйнy тривюсть.
2. Для обробки нiкелевих розплавiв за-пропоновано комплексний модифiкатор на основi карбонiтридy титану з розмiром час-тинок 50-100 нм, отриманий способом плаз-мохiмiчного синтезу. Визначено грануломет-ричний склад порошкiв на основi титану та 1'х питому поверхню: вщ 2,4 до 12,2 м2/г.
3. Дослiдженням макро- i мшроструктури нiкелевих сплавiв у ЖСЗ встановлено змен-шення зерна модифшованого сплаву в 3-5 разiв та подрiбнення структурних складових.
4. Мехашчш випробування зразкiв показали тдвищення ушх параметрiв у модифь кованому сташ сплавiв: оВ на 10 %; о0,2 - на 13%; S - на 20 % та KCU на 40 % в поршнян-ш з вихщними зразками. Випробування зраз-кiв на жаротривюсть показали зменшення глибини корози за температури 1000 °С в модифшованому станi в середньому на 25 %, що тдвищуе ефектившсть обробки сплавiв нанодисперсними матерiалами.
Л^ература
1. Kалинина, H.E. Микролегирование скандием как способ повышения прочности алюминиевых сплавов [Текст] / H.E ^линина, O.A. fâ-вац // Вестник днепровского ун-та. - 2004. -№ 12. - С. 26-29.
2. Елагин, В.И. Легирование деформируемых алюминиевых сплавов переходными металлами [Текст] / В.И. Елагин. - М.: Металлургия, 1975. - 248 с.
3. Мальцев, М. В. Металлография промышленных
цветных металлов и сплавов [Текст] / M. В. Мальцев.- М. : Металлургия, 1970. - 368 с.
4. Большаков, В.1. Ианоматер1али i нанотехнологп
[Текст] / В.1. Большаков, В.З. ^цова, Т.В. това. - Дншро: ПДАБА, 2016. - 220 с.
5. ^линина, Ы.Е. Получение высокопрочных алюминиевых сплавов модифицированием ультрадисперсными композициями [Текст] / Ы.Е. ^линина, О.А. ^вац // Авиационно-космическая техника и технология. - 2005. -№8(24). - С. 18-20.
6. Kалинина, Я.Е. Получение нанодисперсных модификаторов для обработки жаростойких сплавов [Текст] / Я.Е. Kалинина, О.А. Kавац, В.Т. Kалинин, В.П. Белоярцева // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. -№ 8 (44). - С. 41-43.
7. Young-Dong, K. The effect of grain refining and oxide inclusion on the fluidity of Al-4,5Cu-0,6Mn and A356 alloys / K.Young-Dong, L. Zin-Hyoung. - Mater. Sci. and Eng. - 2003. - № 1-2. - Р. 372-376.
8. Каблов, Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) [Текст] / Е.Н. Каблов. - М.: МИСИС, 2001. -632 с.
9. Мальцев, П.П. Наноматериалы. Нанотехноло-
гии. Наносистемная техника: мировые достижения за 2005 год [Текст] / П.П. Мальцев. -М.: Техносфера, 2006. - 152 с.
10. Патент Украши на корисну модель № 82163, МПК С22С 19/03. Комплексний наномодифь катор шкелевих сплавiв / Н.£. Калшша.
References
1. Kalynyna, N.E., Kavats, O.A. (2004). Mykrolehy-
rovanye skandyem kak sposob povyshenyya prochnosty alyumynyevykh splavov [Microalloy-ing with scandium as a way to increase the strength of aluminum alloys]. Vestnyk dne-provskoho un-ta, 12, 26-29 [in Russian].
2. Elahyn, V.Y. (1975). Lehyrovanye deformyrue-mykh alyumynyevykh splavov perekhodnymy metallamy [Alloying of deformable aluminum alloys with transition metals]. Mosckow: Metal-lurhyya, 248 [in Russian].
3. Mal'tsev, M. V. (1970) Metallohrafyya promysh-lennykh tsvetnykh metallov y splavov [Metallography of industrial non-ferrous metals and alloys]. Mosckow: Metallurhyya, 368 [in Russian].
4. Bol'shakov, V.I., Kutsova, V.Z., Kotova, T.V. (2016). Nanomaterialy i nanotekhnolohiyi [Na-nomaterials and nanotechnologies]. Dnipro: PDABA, 220 [in Russian].
5. Kalynyna, N.E., Kavats, O.A. (2005). Poluchenye vysokoprochnykh alyumynyevykh splavov mo-dyfytsyrovanyem ul'tradyspersnymy kompozytsyyamy [Obtained high-strength aluminum alloys by modifying with ultradispersed compositions]. Avyatsyonno-kosmycheskaya tekhnyka y tekhnolohyya, 8(24), 18-20 [in Russian].
6. Kalynyna, N.E., Kavats, O.A., Kalynyn, V.T., Beloyartseva, V.P. (2007). Poluchenye nano-dyspersnykh modyfykatorov dlya obrabotky zharostoykykh splavov [Obtaining nanodispersed modifiers for processing heat-resistant alloys]. Avyatsyonno-kosmycheskaya tekhnyka y tekhnolohyya, 8 (44), 41-43 [in Russian].
7. Young-Dong, K., Zin-Hyoung L. (2003). The effect of grain refining and ox-ide inclusion on the fluidity of Al-4,5Cu-0,6Mn and A356 alloys. -Mater. Sci. and Eng. 1-2, 372-376 [in English].
8. Kablov, E.N. (2001). Lytye lopatky hazoturbynnykh dvyhateley (splavy, tekhnolohy-ya, pokrytyya) [Cast blades of gas turbine engines ( alloys, technologies, coatings]. Mosckow: MY-SYS, 632 [in Russian].
9. Mal'tsev, P.P. (2006). Nanomateryaly. Nano-tekhnolohyy. Nanosystemnaya tekhnyka: my-rovye dostyzhenyya za 2005 hod [Nanomaterials. Nanotechnologies. Nanosystem engineering: world achievements for 2005]. Mosckow: Tekhnosfera, 152 [in Russian].
10. Kalynyna, N.E. Kompleksnyy nanomodyfikator nikelevykh splaviv [Complex nanomodifier of nickel alloys]. Patent Ukrayiny na korysnu model', № 82163, MPK S22S 19/03 [in Ukrainian
Грекова Марина BiKTopiBHa - астрант, Дшпровський нацiональний ушверситет Олеся Гончара, т. +380968431441 e-mail: marina.grekova.kbu @gmail.com.
INCREASE OF STRUCTURAL STABILITY AND PROPERTIES OF HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS FOR THE GAS-TURBINE ENGINES BLADES BY NANOMATERIAL TREATMENT
Grekova M.V., Oles Honchar Dnipro National University
Abstract. Improving the quality of mechanical properties of heat-resistant nickel alloys for gas turbine engine blades. Material and literature. The object of study is multicomponent casting heat-resistant nickel alloys for GTE blades. The technique has been developed for conducting an experiment on modifying melts with nanodispersed compositions based on titanium carbonitride with a fraction of up to 100 nm. Nanopowder obtained by the method of plasma-chemical synthesis in an industrial high-frequency installation. The nanopowder was compressed to form tablets. The modifier tablets were introduced to the bottom of the crucible of the furnace after the main melt melted. Melt casting was carried out in several blocks of blades and samples to study the structure and mechanical properties of the alloys. Results. A theoretical substantiation of the method of influence on the nickel melt - treatment with nanodisperse modifiers. A non-standard method for treating the melt with a refractory nanodispersed modifier is proposed. The choice of the composition of the titanium carbonitride modifier fraction less than 100 nm has been substantiated. A high purity modifier obtained at the plasma chemical synthesis. Calculated the specific surface of the modifier, the number of particles in 1 g of the melt. Investigated the macro - and microstructure of alloys ZhS3, ZhS3DK, ZhS6 in the initial state and after modification. The original samples had a coarse grain structure with an average grain size of 6-14 microns. In the modified samples, the grain size decreased to 1-5 mkm, that is, 5 times. The microhardness of the ZhS3DK alloy after modification has increased by 17-24 %. Mechanical testing of alloys showed a viscous fracture of modified specimens. Tests for corrosion resistance showed a sharp decrease in the
corrosion depth of the modified specimens (on average by 25 %). Scientific novelty. A non-standard method for treating nickel melts with a titanium car-bonitride modifier in the nanodispersed range of a fraction up to 100 nm is proposed. The choice of particle size and composition of the modifier is substantiated. Practical value. As a result of modifying the Ti (C, N) nanopowder, grinding of grains of heat-resistant nickel alloys was achieved by a factor of 5, an increase in the microhardness of the structural components and an increase in corrosion resistance by 25 % compared with the initial state. The achieved results allowed to increase the durability of GTE.
Key words: heat-resistant nickel alloys, nano-modifiers, structure, properties, gas turbine blades.
ПОВЫШЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ И СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЛОПАТОК ГТД ОБРАБОТКОЙ НАНОМАТЕРИАЛАМИ
Грекова М. В., Днепровский национальный университет имени Олеся Гончара
Аннотация. Сделан аналитический обзор существующих представлений по проблеме повышения жаропрочности, жаростойкости и долговечности жаропрочных никелевых сплавов группы ЖС лопаток газотурбинных двигателей. Проведен анализ влияния легирующих элементов сплавов на структурные преобразования, виды упрочнения и коррозионную стойкость. Для обработки никелевых расплавов предложен комплексный порошковый модификатор на основе карбонитрида титана Ti (CN) с размером частиц 50-100 нм. Определены параметры нано-модификатора. Исследованi макро- и микроструктура никелевых сплавов ЖС3, ЖС3ДК. В модифицированных образцах достигнуто измельчение зерна в 3-5 раз и стабилизация структуры по сравнению с исходным состоянием. Достигнуто также повышение механических свойств сплавов: аВ - на 10 %; а02 - на 13 %; 5 -на 20 % и KCU на 40 %. Испытания на высокотемпературную коррозию показали уменьшение глубины коррозии модифицированных образцов на 25 %, что подтверджает эффект модифицирования сплавов нанодисперсных модификаторов.
Ключевые слова: жаропрочные никелевые сплавы, наномодификатор, структура, свойства, лопатки газотурбинных двигателей.
