автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Исследование диаграмм состояний систем на основе никеля с гафнием и цирконием и разработка припоев для жароврочных сплавов

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ Институт электросварки им. Е.О. Патона

УДК 621.791.36:669.245.

КВАСНИЦКИЙ Виктор Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ IIA ОСНОВЕ НИКЕЛЯ С ГАФНИЕМ И ЦИРКОНИЕМ И РАЗРАБОТКА ПРИПОЕВ ДЛЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ.

Специальность: 05.03.06 - технология и оборудование для сварки и родственных процессов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На нравах рукописи

Для служебного пользования

Экз. № 2.Z.

Киев 1997

/

/

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Украинском государственном морском техническом университете, Институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины и Техническом университете г. Клаусталя (Германия).

Научный руководитель: доктор технических наук,

Направляем Вам для ознакомления автореферат диссертации аспиранта Кваспицкого В.В. Просим Вас и сотрудников Вашего учреждения принять участие в заседании специализированного совета или прислать свои отзывы (1 экз., заверенный печатью) по адресу: 252650, Киев-5, ГСП, ул. Боженко, 11. Ученому секретарю спецсовета.

Защита состоится «Н« 03 • 1997г. на заседании специализированного совета (К 50.02.02) при Институте электросварки им. Е.О. Патона.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан « «__1997г.

Ученый секретарь специализированого совета

доктор технических наук, профессор Россошипский A.A. кандидат технических наук, ст. н. с. Журавлев B.C.

Ведущая организация:

НПП «Машнроект», г. Николаев

Бондарев A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актульность темы. Газотурбинные установки (ГТУ) успешно применяются во многих отраслях промышленности, в том числе на судах, газоперекачивающих станциях, самолетах и т.д. Основными конструкционными материалами турбин являются жаропрочные никелевые дисперсионно-твердеющие, дисперсноупрочненные и эвтектические сплавы, жаропрочность которых непрерывно повышается, а проблема их соединения усложняется.

Перспективным способом соединения перечисленных материалов является пайка в вакууме, однако существуют затруднения в обеспечении жаропрочности, жаростойкости и стойкости против высокотемпературной солевой коррозии (ВСК) припоев и соединений. Анализ литературы показывает, что наиболее высокую работоспособность соединений могут обеспечить припои с цирконием и гафнием, однако сведения о них ограничены, по составам с гафнием противоречивы, отсутствуют исследования закономерностей формирования фазового состава и свойств припоев и соединений. Решению этих вопросов посвящена настоящая работа.

Исследования проводились в соответствии с планами подготовки аспирантов ИЭС им. Е.О. Патона, ОКР «Уважение», НИР и ОКР УГМТУ, научной стажировки в университете г. Клаусталя (Германия).

Целью работы является исследование фазовых равновесий в системах па основе никеля с гафнием и цирконием, изучение взаимосвязи структуры и свойств сплавов с их составом, разработка припоев и технологии пайки.

Для достижения пели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать влияние легирующих элементов на температуру плавления и фазовый состав сплавов на основе системы Ni-Hf в области, богатой никелем, и определить принципы разработки припоев;

- установить закономерности изменения свойств сплавов и принципы создания припоев при совместном введении гафния и циркония;

- изучить взаимодействие припоев с газовой фазой и жаропрочными сплавами при пайке, структуру и свойства паяных соединений и па основе полученных результатов разработать технологию пайки;

- осуществить опытно-промышленную проверку разработок и разработать техническую документацию на припои и технологию пайки.

Научная новизна. 1. Впервые построены политермические и изотермические сечения диаграммы состояния системы Ni-Cr-Hf, отражающие характер фазовых равновесий и фазовый сост ав богатых никелем спла-

4_

bob при температурах 1250- 1000°С, концентрациях хрома до 24.5 % (ат.) и гафния до 22.2 % (ат.).

2. Получены уравнения поверхностей ликвидус и солидус системы Ni-Cr-Hf, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Установлено, что увеличение концентрации хрома и гафния сопровождается линейным повышением температуры солидуса сплавов.

3. Выявлено, что в сложнолегированных эвтектических сплавах с гафнием, при содержании других легирующих элементов в пределах растворимости, основное влияние на структуру и свойства сплавов оказывает хром. Он стабилизирует фазу Ni7Hf2co значительно меньшей микротвер-достыо, чем NijIIf, (как и фазу Ni7Zr2 в системе с Zr) и в зависимости от его концентрации существует 2типа моновариантных эвгектик: y-Ni+NisIlf HY-Ni+Ni7Hfr

4. Построен нолитермический разрез системы Ni7Zr2-Ni7lIf2, ранее не исследованный.

5. Показано, что в эвтектических сплавах с гафнием введение циркония снижает их температуру плавления, причем тем больше, чем выше концентрация хрома. Предложены уравнения и определен ход эвтектического желоба в системе Ni(Ni ) - Hf - Zr для определения эвтектических концентраций гафния и циркония.

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Результаты исследования влияния легирующих элементов на структуру и свойства сплавов, политермнческие и изотермические сечения диаграмм состояния, уравнения поверхностей ликвидус и солидус системы Ni-Cr-IIf.

2. Принципы разработки припоев при совместном введении гафния и циркония, основанные на взаимном замещении элементов в эвтектических сплавах и их влиянии на свойства сплавов.

3. Диаграмма плавкости системы Ni7Zr2-Ni7IIf2.

4. Результаты исследований формирования и изменения состава, структуры и свойств паяных соединений.

5. Адгезионно-активные припои с гафнием и цирконием и технологии пайки жаропрочных сплавов.

Достоверность результатов работы подтверждена экспериментами с привлечением современных методов и средств научных исследований, производственной проверкой разработок.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

На основе полученных научных результатов разработаны новые никелевые припои и технологии пайки и исправления дефектов литья дета-

лей из жаропрочных никелевых сплавов с помощью высокотемпературной пайки, обеспечивающие работоспособность соединений на уровне работоспособности основного металла. Разработаны временные технические условия УКФЛ 360107.001 -ВТУ-95, УКФА 360107.002-ВТУ-95 и технологическая инструкция УКФА 387341.001 -ТИ па припои и технологию. Разработки существенно повышают эффективность, надежность и ресурс работы ответственных узлов судовых ГГД нового поколения.

Апробапия работы. Отдельные результаты и разделы работы докладывались на научно-практической конференции «Состояние и перспективы восстановления и упрочнения деталей машин» (г. Москва, 20-22 апреля 1994г.), Международной конференции «Высокотемпературная пайка» (Смолешша, Братислава, Словакия 8-11 мая, 1994г.), Российской научно-технической конференции «Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка - 95» (г. Пермь, 23-25 мая, 1995 г.), VI Международной научно-технической конференции «Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности и долговечности изделий» (г. Запорожье, 27-29 сентября 1995 г.), 1-й международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения и экологии в судостроеиии»(г. Николаев, 24-27 сентября 1996 г.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава УГМТУ.

Диссертационная работа в целом обсуждалась па научно-техническом семинаре УГМТУ и семинаре ИЭС им. Т.О. Патоиа (1996 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа содержит 231 страницу, в том числе 120 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 14 таблиц, библио^афию из 187 наименований и приложение на 21 страницах.

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечены научная новизна полученных результатов и их практическая значимость. Сформулированы положения и результаты, выносимые на защиту.

Глава 1. Анализ применяемых промышленных технологий и припоев при изготовлении деталей газотурбинных двигателей. Проанализированы строение, состав, свойства жаропрочных сплавов и особенности их пайки. Рассмотрено современное состояние технологии пайки, поставлены цель и задачи исследований.

Глава 2. Материалы, аппаратура и методики исследовании. Описаны

исследуемые материалы, методики, оборудование и приборы, использованные в работе.

Глава 3. Исследование диаграмм состояния гафний- и цирконий содержащих систем на основе никеля и определение составов припоев. Представлены результаты исследований диаграммы состояния №-Сг-Н£", построены поли- и изотермические сечения диаграммы состояния. Исследованы сложнолегированные системы с гафнием и закономерности совместного введения гафния и циркония в качестве депрессантов.

Глава 4. Исследование взаимодействия припоев с газовой фазой, жаропрочными никелевыми сплавами, строения и свойств паяных соединений. Представлены результаты исследований смачивания сплавов типа ЧС88, Нихраль 741Д и растекания припоев при различных условиях, стойкости против ВСК, структуры, состава и свойств паяных соединений при пайке композиционными припоями, капиллярной пайке и пайке с давлением.

Глава 5. Технологии производства металлических порошков методом центробежного распыления, пайки пакетов лопаток и исправления дефектов литья.

Основное содержание рабагы.

Разработка никелевых припоев, содержащих в качестве депрессантов гафний и цирконий, затруднена отсутствием соответствующих диаграмм состония. Особый интерес представляют эвтектические сплавы и положение линий эвтектического равновесия в многокомпонентных системах. Если для систем с 7л такие данные получены в недавних работах проф. Хорунова В.Ф., то даже для бинарной системы №-Шв литературе приведены противоречивые сведения. Поэтому нами предварительно определена эвтектическая концентрация гафния в двойной системе, составившая 26% (мае.).

При исследовании сплавов системы №-Сг-Ж подтверждено существование квазидвойного разреза №58-Сг42—№75-Сг5-Ш"20 (% ат.) с максимальной температурой солидуса и седловинной точкой на эвтектическом составе, и с учетом этого проведена триангуляция 3-й системы в области богатых никелем сплавов. Существующий квазидвойной разрез, проходящий от №7Ш"2 до точки №58Сг4-2, делает невозможным появление бинода-ли Ь=а-Сг + у-№ в области, 1раничащей с трехфазной областью а-Сг + у-N1 + №5НГ Поскольку в равновесии с КЦШ", находится твердый раствор на основе никеля с концентрацией хрома 42%(ат.) при 1288°С, что ниже предельной растворимости хрома в системе, то понижение температуры

плавления эвтектики у-№ + №5111" при легировании хромом за счет образования тройной эвтектики оказывается невозможным.

Исследованиями установлено, что Сг стабилизирует фазу №7Ж2 и в зависимости от его содержания существует 2 типа моновариантных эвтек-тик: у-№ + №5Ж и у-№ + №7Ш'Г Микротвердость №7Ж2 значительно ниже, чем №5Ж Микротвердость интерметаллидов и эвтектик в сплавах №-Сг-Ж в зависимости от концентрации хрома приведена на рис.1, содержащем для сравнения результаты работ проф. Хорунова В.Ф. по системе №-Сг-2г(*), в которых автором также установлено существование двух аналогичных типов моновариантных эвтектик. Характер влияния хрома в системах одинаков, но микротвердость №72г2 ниже, чем №7Ш"2. Соотвественно изменяется микротвердость интерметаллидов №5(2г,Н0 и №?(7г,Щ2 при изменении соотношения между 7л и IIГ от 2:1 до 1:2.

На основании результатов исследований нами построен ряд изотермических ссчений при температурах 1250-1 ООО °С и политермических разрезов при концентрациях хрома до 24,5% (ат.), и гафния до 22,2% (ат.), которые отражают характер фазовых равновесий и фазовый состав сплавов в системе №-Сг-Ж. Изотермическое сечение при одной из температур приведено на рис.2, а политермический разрез па рис.3.

Повышение концентрации хрома в сплавах с фазовым соста-

гооо

юиа

областью составов Ni9g 2-IIf0g-

Ni76,2-Hf0,8"Cr23"Ni82,4-^16,6-^1

О 5 <0 '5 ¿0 %Сг

BOM y-Ni + NijIIf, ограниченных Гпсунок1. Изменение микротвердости интерметаллидов и эвтектики в сплавах системы Сг^, Ni-Cr-Hf в зависимости от концентрации хрома.

приводит к увеличению содержания гафния в эвтектике (от 9,4 до 11,6% ат.). В сплавах с фазовым составом y-Ni+Ni7Hf2,. ограниченных областью Ni?6 3-Hf06-Cr23 j-Ni^^Cr^-HfQ g—NiS2 4-Hf,6 g-СГр повышение концентраций хрома приводит к понижению концентрации гафния в эвтектике (линия Е на рис.2).

Исследованиями сложиолегированных систем установлено, что кобальт при концентрациях до 13% (ат.), замещая никель, практически неизме-

от. %

"Щ*

Рис.2. Изотермическое сечение диаграммы состояния сплавов Ш-Сг-нг при температуре 1250 °С.

ъ &

с? »

с 1гг1>-к

■и

ньо

\ у+ /л, 1 \

и* Ы-ь"* /л*

Рисунок 3. Пошггсрмпческнн разрез по изоконцептрате 5 %(ат.) хрома диаграммы состояния сплавов №-Сг-НГ.

няет структуру сплавов. Аналогично ведет себя железо в исследованных сплавах.

В сплавах, содержащих от 7,4 до 10,6% (ат.) гафния, имеется эвтектика. При содержании гафния до 9,2% присутствует также первичная у-фаза, а при концентрации гафния более 9,5 %- интер-металлидная фаза.

Введение в сложноле-гированные сплавы алюминия и титана до 5,0%(ат.) каждого несколько снижает эвтектическую концентрацию гафния. Образующийся интерметаллид по микротвердости и содержанию гафния соответствует соединению типа №7ПГ2, что обусловлено как концентрацией хрома в сшиве, так и содержанием алюминия, который также стабилизирует №7НГ2.

Для расчета температур солидуса и ликвидуса системы №-Сг-Ш" нами использован статистический метод расчета, а также

У

полиномиальные модели частично совмещенных планов на симплексе. Это позволило описать поверхность ликвидус следующим уравнением:

1^=1453-1,06*Сг-12,85*Ш"-0,92*Н1^+0,0621 *Сг*НГ-0,0625*Сг*НР(Сг--Щ+ +0,1116*СГ2*НГ-0,0820*СГ*Ш2-0,0032*Сг*НГ!(СГ-Н02, где символы элементов обозначают их концентрации (%, ат.). Предельные значения концентраций составляют 25 % Сг и 10 % ИГ. При концентрации одного из легирующих элементов равной нулю, получим уравнение линии ликвидус двойной системы. Для более узких интервалов концентраций 7,0 < Ж < 10,0 % и 5,0 < Сг < 25 % поверхность температуры ликвидуса описывается уравнением:

Ть=1346-0,3687*(Сг-17,32)-5,33*(НГ-6,375)2, а поверхность температуры солидуса - уравнением:

Т5=1170,6+3,282*Сг+3*Ш.

В системе Ni-Hr-Cr при содержании хрома до 5-7% (ат.) температура ликвидуса припоя позволяет вести пайку при темперах до 1220 °С и использовать его для дисперсионно-упрочняемых сплавов. Для сплавов типа Нихраль 741Д, допускающих более высокую температуру нагрева даже при термической обработке, можно использовать припои, содержащие 15-20% Сг.

Исследованиями установлено, что снижение температуры ликвидус сплавов и температуры пайки достигается при совместном введении в припои гафния и циркония. Линия эвтектики в концентрационном треугольнике между сторонами 7.x и НГ представляет почти прямую. При этом в никелевом углу может быть как чистый никель, так и его жаропрочные сплавы. В зависимости от легирования изменяются эвтектические концентрации НГ и Ъх. При их совместном введении они замещают друг друга в иитерметаллидах, образующих непрерывный ряд твердых растворов. Впервые построена диаграмма плавкости системы №7гг2-№7НГ2.

Предложены уравнения и определен ход эвтектического желоба для определения концентраций НГ и 7.x. При частичной замене гафния цирконием, концентрация циркония определяется по уравнению: •

2Гэ = 2ГЭ2" нСс1ёа>

где 7гэ, Шэ и 7хэ2 Шэ2 - соответственно эвтектические концентрации циркония и гафния при их совместном и раздельном введении, а

сЩа=7тд2/тэТ

Коэффициент снижения температуры плавления эвтектики составляет 1,25 °С на 1 % Ъх в сплавах без хрома и 8,4 "С - при 25 % хрома. Припои, выплавленные на базе высоколегированных никелевых сплавов, имеют температуру ликвидус Тъ до 1200°С. Наряду со снижением Тъ в сплавах снижается эвтектическая концентрация гафния. Полученные результаты и установленые закономерности изменения температур плавления и фазового состава сплавов позволяют разрабатывать припои с цирконием и гафнием при минимальном объеме экспериментальных исследований.

Для исследования технологических и механических свойств припоев и паяных соединений нами выбраны припои (% мае.): №-(6,0-8,0)Сг-(23,3--25,2)НГ, обозначенный НР24А, припой без хрома НР24, припой НР24У на основе сплава ЭП539ЛМ с 20,0-24,6% Щ припой НР18У на основе сплава ЭП539ЛМ, содержащий 9,0-16,0% НГ и 4,0-8,0 % 7х, припой на основе сплава ЭП539ЛМс (12,3-13,0)% гг(НР13У) н N¡-(6,0-8,0)Сг-(12,3--13,1)7г (НР13А). Исследовали также припои на основе сплава ЭП539ЛМ, но с концентрацией хрома 6,0-8,0%. В этом случае хром заменяли а в маркировке записывали дополнительно букву М, например НР24МУ.

В работе изучено взаимодействие элементов припоев с кислородом при пайке в вакууме. Предварительно выполнены расчеты фактического сродства элементов (алюминия, титана, циркония, гафния, хрома и никеля) к кислороду, а также процессов диссоциации и возгонки оксидов. Расчеты показали необходимость использования высокого вакуума при пайке. Экспериментально установлено, что вакуум 10"4 Па и натекание менее

10° MJlla/c при вакууме 10"2 Па обеспечивают необходимые условия пайки.

Припои взаимодействуют с газовой фазой также в процессе эксплуатации. Известно, что в судовых и промышленных турбинах (температура сплавов около 900 °С) преобладает высокотемпературная солевая коррозия (ВСК). Простое окисление менее существенно. Поэтому в работе исследовали скорость ВСК припоев. Установлено, что припои с гафнием и цирконием имеют стойкость против ВСК на уровне свойств жаропрочных сплавов и значительно превосходят по этому показателю применявшиеся ранее припои с кремнием и бором.

Формирование паяных соединений сопровождается комплексом физико-химических процессов: смачивание, растекание, заполнение зазоров, диффузия, растворение, кристаллизация. При исследовании определяли краевой угол смачивания, удельную площадь растекания и глубину растворения основного металла. В качестве подложки использовали сплавы типа ЧС-88Л и Нихраль 741Д.

Исследуемые припои хорошо смачивают жаропрочные литейные сплавы. Хуже смачивается дисперсноупрочненный сплав Нихраль 741Д, хотя характеристики процессов и в этом случае достаточны для пайки. Введение в систему Ni-Hf хрома ухудшает растекание сплавов. Припои незначительно растворяют основной металл. Введение циркония улучшает характеристики смачивания и растекания. Установлено проникновение эвтектики по границам зерен.

На растекание припоев в вакууме 10'2 Па влияет состояние подложки. После отжига в течение 1 ч при температуре 1170 °С в вакууме 10~2 Па удельная площадь растекания припоя НР24У была в 2,2, а припоя IIP1ЗУ-в 1,6 раза больше по сравнению с подложкой без отжига. При пайке в вакууме 10~4 Па состояние подложки мало влияло на удельную площадь растекания. С повышением температуры влияние состояния подложки уменьшается.

Выявленная при исследовании диффузии способность эвтектик кмеж-зсренному проникновению делает припои перспективными для пайки с давлением и композиционной пайки. Использование порошка сплава НР18У при аргонодуговой сварке сплавов 4C70JI и 4C88JI четко показало проникновение эвтектики по границам зерен и залечивание околошовных микротрещин.

Высокая проникающая способность эвтектик позволяет использовать припои для пайки и исправления дефектов отливок при плотной упаковке наполнителя из основного металла. Состав композиции рассчитывали по методу Фурнаса. При изготовлении наполнителя в виде микросфер, соотношение размеров которых определяется расчетом, объемная доля припоя не превышает 30,0%.

При исследованиях использовали наполнитель из сплава ЧС70ВИ. Для определения механических свойств испытывали образцы шириной 6,0 мм с запаянными дефектами диаметром 3,0 мм, иммитирующими дефект литья. При исправлении дефектов с помощью припоев НР18У и НР18МУ

временное сопротивление образцов при 900 °С после термической обработки соответствовало пределу прочности основного металла (более 600 МПа). Долговечность при напряжении 250 М11а и температуре 900 °С не ниже 130 ч. Изучение поверхности излома металла показало, что разрушение носит вязкий характер.

Для получения порошков жаропрочных сплавов выбран метод центробежного распыления в смеси инертных газов гелия и аргона (95-98 % об. Не и 5-2 % об. Лг).

Влияние припоев на прочностные свойства жаропрочных сплавов рассматривали с позиции влияния депрессанта на свойства сплавов. Установлено, что цирконий и гафний мало разупрочняют основной металл. Положительное влияние циркония и гафния обусловлено распадом иитерме-таллидов никеля с этими элементами за счет образования карбидов

(Ш", 2г)С-,и у'-фазы.

При зазорах 0,10-0,15 мм распределение элементов в паяных соединениях аналогично распределению при плотной упаковке наполнителя. Соединения с припоями на основе жаропрочных сплавов более однородны, а их механические свойства несколько выше по сравнению с припоями на основе никеля. Полная термическая обработка выравнивает механические свойства, но более стабильные показатели дает пайка припоями на основе жаропрочных сплавов. Припои на основе никеля предпочтительнее при пайке композиционными припоями с плотной упаковкой наполнителя

Припои на основе никеля, содержащие 6,0-8,0 % (мае.) хрома, показали высокие технологические свойства при пайке с давлением. Для припоя НР24А по долговечности соединений установлены оптимальные параметры: температура 1210-1230 °С, давление 8-12 МПа, время пайки 6-8 мин. Выбранный режим пайки обеспечивает высокую степень однородности соединений.

Исследования строения, состава, свойств припоев, паяных соединений и технологии пайки показали, что применение припоев с гафнием и цирконием в качестве депрессантов является перспективным для широкого спектра жаропрочных материалов. Состав и свойства некоторых припоев приведены ниже в таблице.

Состав и свойства некоторых припоев с Н/и 2г.

ГГрипоц Химический состав Уиск, мг/см"'Час ао90°, МПа 1 900 час 220 . •чгк-

НР24А №-6Сг-24№ 1.3 1220 610 80

НР24МУ Ni-6Cr-4.5Co-3.0W-3.5Mo-2.0Al-3.8Ti--1.0ЫЬ-22НГ 0.9 1220 680 37 при 250 МПа

НР18У Ni-15Cr-4.5Co-3.0W-0.8 1210 650 160--3.5Мо-2 0А1-3.8Ть1.0НЬ.18(НГ+гг) 0.8 1210 650 160

Исправление дефектов литья припоями с цирконием и гафнием не оказывает влияния на характер разрушения лопаток при испытаниях на термоусталость в условиях высокотемпературной солевой коррозии. Ме-

ханических и коррозионных разрушении металла по композициям или в зоне их взаимодействия с основным металлом и защитными покрытиями tic обнаружено.

В результате проведенных исследований разработана технология пайки и исправления литейных дефектов. Припои и наполнитель используют в порошковом виде. Припои НР24У, НР24МУ, НР18У и J IPI 8МУ используют без наполнителей, если диаметр разделанного дефектного места не прывышает 3 мм. Исправление дефектов больших диаметров ведут с применением наполнителя из сплава ЧС70ВИ. На разработанные припои и технологию исправления поверхностных дефектов литья выпущены временные технические условия УКФА360107.001-ВТУ-95, УКФА360107.002-ВТУ-95 и технологическая инструкция УКФА387341.001-ТИ-95.

Общие выводы по работе.

1. Исследованы фазовые равновесия в системах на основе никеля с Iif и Zr, установлены закономерности изменения структуры и свойств сплавов, позволившие разработать припои и технологию пайки диспесионно-упрочняемых и диспсрсноупрочненных жаропрочных сплавов, что является решением важной научно-технической задачи.

2. Впервые построены ряд изотермических и политермических сечений, проекция поверхности ликвидус никелевого угла диаграммы состояния Ni-Cr-Hf для концентраций гафния до 22,2% (ат.) и хрома до 24,5%, составлены математические модели для поверхностей ликвидус и солидус сплавов.

3. riocTpoeEia ранее не исследованная диаграмма плавкости системы Ni7Zr2-Ni7IIf2 и изучены закономерности совместного введения в припои гафния и циркония. Предложены уравнения и определен ход эвтектического желоба в никелевом углу системы Ni (Ni )-Hf-Zr, позволяющие находить концентрации гафния и циркония, и разрабатывать припои при минимальном количестве экспериментальных исследований.

4. Определены сложнолегированные эвтектические сплавы НР18У, НР18МУ с температурой плавления до 1200 °С. Разработанные припои с Hf и Zr имеют стойкость против ВСК на уровне стойкости основного металла.

5. Разработана технология вакуумной пайки композиционными припоями с плотной упаковкой наполнителя. При изготовлении наполнителя в виде микросфер двух фракций, соотношение размеров которых определяется рассчетом, объемная доля припоя не превышает 30%.

6. Определены режимы вакуумной пайки припоями, содержащими в качестве депрессанта гафний. Установлено, что частичная замена гафния цирконием при ограничении концентрации хрома до 8% позволяет снизить температуру пайки до 1200 °С, не ухудшая свойств соединений. Термообработка соединений производится по стандартному для данного сплава режиму.

7. Применение разработанных припоев и режимов пайки дисперсной-

но-твердеющих, дисперсноуирочненных и эвгектических сплавов с направленной кристаллизацией позволяет получать соединения, механические свойства которых находятся па уровне свойств жаропрочных сплавов.

8. Испытания паяных лопаток ГГД показали, что, в отличие от припоев с кремнием и бором, разработанные припои с гафнием и цирконием не растворяют защитных покрытии ни при термообработке ни при эксплуатации, что обеспечивает высокую работоспособность и надежность изделий

9. Разработана технологияисправления дефектов литья посредством пайки. Проведена опытно-промышленная проверка разработок па III 111 «Машпроект» и ПО «Заря» приминнтельно к лопаткам турбин. Годовой экономический эффект составляет 720 млн. крб в ценах 1995 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Квасницкий В.В. Расчет общего и парциальных давлений над оксидами в зависимости от окислительного потенциала среды при сварке и пайке в вакууме // Технология судостроения и сварочного производства: Сб. научн. тр. Николаев: НКИ, 1991.- с.45-53.

2. Квасницкий В.В. Создание порошковых композиций для заделки дефектов турбинных лопаток, выполненных из жаропрочных сплавов // Технология судостроения и сварочного производства: Сб.научн.тр. - Николаев: УГМТУ, 1996. - С. 25-28.

3. Квасиицкии В.В., Хорунов В.Ф. Исследование диаграмм состояния систем на никелевой основе с делыо создания новых припоев для пайки жаропрочных материалов // Технология судостроения и сварочного производства: Сб.научн.тр. - Николаев: УГМТУ, 1996. - С. 16-25.

4. Квасницкий В.В., Костин A.M. Термодинамические предпосылки разработки адгезионно-активных припоев // Технология судостроения и сварочного производства: Сб.научн.тр. - Николаев: НКИ, 1992.- С.44 - 51.

5. Костин A.M., Квасницкий В.В. Исследование технологических свойств припоев с цирконием и гафнием // Технология судостроения и сварочного производства: Сб.научн.тр. - Николаев: ПКИ, 1993. - с.24 - 29.

6. Костин A.M., Кулик С.Г., Квасницкий В.В. Особенности пайки жаропрочных никелевых сплавов припоями с цирконием и гафнием // Технология судостроения и сварочного производства: Сб.научн.тр. - Николаев: НКИ,"1992. - с. 24- 34.

7.Расчет на ЭВМ процессов тепло- и массопереиоса при сварке и пайке /Фомина А.А., Квасницкий В.В., Дремлюга П.А., Диордпева II.М. // Прогрессивная технология судостроения и сварочного производства: Сб.научн.тр. - Николаев: НКИ, 1988. - С. 48 - 55.

8. Квасницкий В.В. Взаимодействие припоев с жаропрочными сплавами при ремонте литья // Новые конструкционные стали и сплавы и методы их обработки для повышения надежности изделий: Матер. VI Меж-дунар. конф. часть 3. - Запорожье: ЗГТУ, - 1995. - С. 84 - 85.

9. Технология пайки дефектов литья жаропрочных сплавов / Кваснпи-

кий В.Ф., Костин Л.М., Квасницкий В.В., Хорупов В.Ф., Николаенко В.П., Кулик С. Г. // Там же. - С. 14-15.

10. Квасницкий В.В. Взаимодействие припоев с жаропрочными сплавами при ремонте литых деталей // Современные проблемы сварочной науки и техники «Сварка - 95»: Матер, русской научно-тсхн.конф., часть 1. - Пермь: ПГТУ, 1995. - С. 249-250.

11. Технология пайки дефектов литья жаропрочных сплавов / Квасницкий В.Ф., Костин A.M., Квасницкий В.В., Хорунов В.Ф., Николаснко В.П., Кулик С.Г. // Там же. - С. 245 - 247.

12. Квасницкий В.В. Научные основы разработки припоев системы Ni-Cr-Hf(Zr) // Проблемы энергосбережения и экологии в судостроении: Тез.докл. 1-й Междунар.научно-техн.конф. - Николаев: УГМТУ, 1996. -С. 161-162.

13. Костин А.М., Квасницкий В.В., Воробьев А.Н. Применение пайки в целях ресурсосбережения // Там же. -С. 166 - 167.

14. Kvasnitski V.F., Kostin А.М., Kvasnitski V.V. Mechanism of interaction of Nickel and its Alloys with Depressant Elements in Brazing // High Temperature Capillarity: An international Conference/ - Smolenice Castle, Bratislava, Slovakia, May 8-11 1994. - P. 64 - 67.

Личный вклад автора: Основные научные результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно. Самостоятельно опубликованы работы [1, 2,8,10,12]. В коллективных работах автор непосредственно участвовал в экспериментальных исследованиях и обработке результатов. В [3] им исследовано строение тройных систем Ni-ÍIf-Cr, построены сечения диаграмм состояния и определены закономерности изменения фазового состава и свойств припоев, в [4] выполнены термодинамические расчеты активности припоев с гафнием и цирконием, в [5] исследовано взаимодействие гафния и циркония и содержащих их припоев с газовой фазой, а также изучены поверхностные свойства припоев, в [6] определены режимы термической обработки паяных соединений, в [7] разработана методика расчета коэффициентов диффузии из бесконечного тонкого слоя, в [9, 11, 12, 13, 14] исследованы строение, состав, и свойства паяных соединений и разработаны технология и режимы пайки.

Kvasnitski V.V. Research of the Nickel base system diagrams with Hafnium and Zirconium and development of the brazing filler metals for high temperature brazing of Nickel base heat-resistant alloys. The thesis for Candidate of Technical Sciences degree of 05.03.06 speciality-technology and equipment for welding and related processes. The E. Paton's Electrowelding Institute of NAS of Ukraine, Kiev, 1997.

The are defended the results of the theoretical and experimental research, aimed for the creation of the new heat-resistant brazing filler metals with hafnium and zirconium used as the depressant.

The isothermal and polytermal profiles of the termodynamic diagram were built for the system Ni-Cr-Hf; the polynomial models for the liquidus and soli-dus temperatures were determined; the regularity of the joint leading in hafnium and zirconium to the multi-componental filler metals was determined too. The technological characteristics of brazing filler metals, composition, structure and the properties of brazing joints have been studied. The heat-resistant brazing filler metals and brazing technology have been worked out.

Key words: brazing filler metals, brazing: capillary, by the composite brazing filler metals, underpressure; heat-resistant alloys, joint properties.

Кваснипький В.В. ДослщженняfliarpaM стану систем на ocuoBi шкелю з гафшем i ииркошем та розробка припош для жаромщних сплав1в.

Дисертащя на здобугтя наукового ступеня кандидата техшчних паук за спещальшстю 05.03.06 - технолопя та обладнання для зварювання та спорщпених процеав. Ihcthtvt електрозварювання iM. С.О. Патона НАН Украши. Кшв. 1997.

Захищаюгься результата теорегичних та експериментальних дослщ-жень, нащлених на створення нових жаромщних припош з гафшем та пиркотем, яга використовуються як депресанти.

Побудовано i3orepMi4Hi та пол1терм!чт розтини Д2аграм стану систе-ми Ni-Hf-Cr, визначено полшом1альш модсл1 температур л1квщус та соль дус, законом1рност1 cvMicnoro введения гафшю та пирконш в багатоком-понентн1 npuno'i. Дослщжено тсхнолопчн1 властивост1 припош, склад, структуру та властивост1 паяних з'еднань. Розроблено xapoMinHi припо! та технолоп! паяння.

Ключов1 слова: npimo'i, високотемпературне паяння: капшярне, ком-no3imiiHHiMii припоями, з тиском; жаромщш сплави, взаемодая нрипо'ш, BJiacTHBocTi з'еднань.

Подписано к печати 06.02.97 г. Заказ № 27. Тираж 100 экз. Объем 1 п.л. Николаев.УГМТУ. Типография, ул.Скороходова, 5