автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВ Евгений Игоревич

Исследование и разработка процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном для литья крупногабаритных лопаток

газовых турбин

Специальность 05.16.04 «Литейное производство»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 ОКТ 2015

Москва - 2015 005563360

005563360

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации — Акционерном Обществе «Научно-производственном объединении «Центральном Научно-Исследовательском Институте Технологии Машиностроения» (АО «НПО «ЦНИИТМАШ»)

Научный руководитель:

доктор технических наук Кац Эдуард Лейбович Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, Смыков Андрей Федорович профессор кафедры САПР и ТЛП ФГБОУ ВПО РГТУ «МАТИ»

Кандидат технических Авдюхин Сергей Павлович наук, главный металлург ОАО «ВИЛС»

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (ФГАОУ ВПО «НИТУ «МИСиС»)

Защита диссертации состоится « 12 » ноября 2015 г. в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 217.042.01 при АО «НПО «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)» по адресу: 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д.4.E-mail: cniitmashfo)cniitmash.ru

Диссертация и автореферат размещены на официальном сайте АО «НПО «ЦНИИТМАШ» Ьйр:/Л\л\лу.цниитмаш.рф. Текст автореферата и объявление о защите размещены на официальном сайте Министерства образования и науки Российской Федерации по адресу: http://vak2.ed.gov.ш/.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью учреждения) просьба направлять по адресу: 115088. г. Москва, ул. Шарикоподшипниковская, д. 4, диссертационный совет Д 217.042.01. Копии отзывов можно направлять по e-mail: EVMakarvcheva@cniitmash.coin.

Автореферат разослан «09» октября 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета tf)

кандидат технических наук ' ""'/у Макарычева Е. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования:

В перспективных наземных газотурбинных установках (ГТУ) с повышенным КПД металл лопаток должен обладать высокими характеристиками жаропрочности, пластичности и сопротивления термоусталостным нагрузкам при удовлетворительной коррозионной стойкости для обеспечения эксплуатационных температур металла на уровне 870 - 910°С.

В соответствии с опытом ведущих мировых фирм по производству мощных ГТУ, для решения этих задач целесообразно разработать технологический процесс литья крупногабаритных рабочих лопаток с направленной или монокристаллической структурами.

Применяемый за рубежом метод Бриджмена-Стокбаргера характерен малой скоростью охлаждения при направленной кристаллизации, что часто приводит к дефектам структуры лопаток и является причиной низкой производительности процесса.

Используемый в России метод жидкометаллического охлаждения в расплаве алюминия позволяет существенно повысить скорость охлаждения при кристаллизации, что обеспечивает устранение ликвационных дефектов, характерных для метода Бриджмена-Стокбаргера. Этот процесс успешно внедрен для литья малогабаритных (длиной до 200 мм) авиационных лопаток. Но при литье крупногабаритных рабочих лопаток перспективных наземных ГТУ возникает ряд технологических проблем (образование недопустимых дефектов из-за проникновения расплава алюминия на поверхность отливки через трещины формы, возникшие в процессе охлаждения отливки, и др.), которые делают его неэффективным.

В современных мощных энергетических турбинах США и Европы длина рабочих лопаток различных ступеней находится в диапазоне от 250 мм до 1000 мм. В последних моделях мощных энергетических турбин предусмотрены лопатки с направленной структурой длиной свыше 1000 мм.

Для таких лопаток весьма актуальной является проблема разработки специализированного технологического процесса направленной кристаллизации, который, обладая достоинствами ускоренного охлаждения, исключил бы те затруднения, которые возникают при использовании жидкометаллического охладителя при направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток турбин.

Этим условиям может удовлетворять процесс направленной кристаллизации с газовым охлаждением отливок Gas Cooling Casting - GCC, однако патенты на этот процесс не содержат конкретных данных об целесообразных условиях реализации этого процесса, включая тепловые и аэродинамические параметры, состав инертного газа и особенности конструкции установки с газовым охлаждением форм.

Кроме того, для обеспечения необходимых служебных характеристик высокотемпературных газовых турбин необходимо использование

жаропрочного коррозионностойкого никелевого сплава. Применение авиационных жаропрочных никелевых сплавов в промышленных газотурбинных установках нецелесообразно, поскольку при температуре метала ~ 900° С ключевой характеристикой становится коррозионная стойкость, показатели которой в авиационных жаропрочных сплавах невелики, а современные покрытия в силу диффузионных процессов при длительной эксплуатации оказываются неэффективными. На данный момент коррозионностойкий жаропрочный никелевый сплав с направленной структурой, способный работать на длительный ресурс (-10-25 т. час.) при температурах 870-910° С в Российской Федерации не разработан, что ограничивает эксплуатационные характеристики крупногабаритных лопаток газовых турбин.

Таким образом, в данной работе необходимо разработать технологический направленной кристаллизации и коррозионностойкий жаропрочный сплав для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин.

Целью настоящей работы является исследование тепловых, аэродинамических и материаловедческих зависимостей и на основании этого разработка процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном и нового сплава для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование тепловых и аэродинамических зависимостей газового охлаждения при направленной кристаллизации.

2. Выбор целесообразных характеристик газового охлаждения.

3. Определение параметров процесса направленной кристаллизации с газовым охлаждением форм (ПГО).

4. Модернизации установки для направленной кристаллизации.

5. Разработка и освоение процесса ПГО на модернизированной установке.

6. Отливка и исследование опытной партии крупногабаритных рабочих лопаток с направленной структурой, полученных в процессе ПГО.

7. Определение особенностей легирования высокожаропрочного коррозионностойкого сплава для направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток перспективных высокотемпературных мощных газовых турбин.

Научная новнзна:

1. Разработана оригинальная методика моделирования газового охлаждения форм при направленной кристаллизации с использованием теории подобия.

2. Впервые исследованы и установлены зависимости коэффициента конвективной теплоотдачи литейной формы от комплекса характеристик газового охлаждения при направленной кристаллизации для обеспечения качественного структурообразования крупногабаритных лопаток газовых турбин.

3. Обоснована достаточно высокая эффективность охлаждения при использовании аргона в качестве охладителя форм для направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток турбин.

4. Выявлены объективные технологические преимущества разработанного процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном (ПГО) по сравнению с существующими методами направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. На основе аналитических, экспериментальных и производственных работ определены целесообразные параметры охлаждения форм аргоном в процессе направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток газовых турбин:

—Использование в качестве охладителя — инертного газа аргона, —Скорость газовой струи на выходе из сопла - 2,8 М (числа Маха), —Полное давление струи газа Р0 = (4,0 - 5,0)-105 Па, при кристаллизации

массивного замка (толщиной более 40 мм) - (7,0 - 7, 5)-105 Па, —Давление в барокамере Рк = (0,10 - 0,30) ■ 105 Па, —Горизонтальный угол наклона оси сопел у = (45 ± 15)°, —Вертикальный угол наклона оси сопел Р = (20 ± 10)°, —Расположение центров пятен охлаждения на расстоянии в пределах 52 —

70 мм от экрана, —Расстояние от оси сопла до модели Х„ = (55 ± 30) мм, —Плотное радиальное расположение лопаток в блоке с центральным

размещением стояка, —При литье крупногабаритных лопаток целесообразно использовать следующие варианты:

—с хордой менее 50 мм-схему расположения одного сопла, —с хордой 50 - 70 мм-схему расположения двух сопел, —с хордой более 70 мм-схему расположения трех сопел. Оригинальность разработанного процесса подтверждается патентом РФ (№ 2536853 от 20.10.2014 г.).

2. Проведена на ОАО «НПО «Сатурн» модернизация промышленного оборудования для направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном.

3. Разработана и освоена технология направленной кристаллизации ПГО на модернизированной установке, которая позволяет повысить производительность по сравнению с процессом Бриджмена-Стокбаргера в 1,8 -2,0 раза, и изготовлена опытная партия рабочих лопаток I ступени турбины ГТД-110.

4. Разработан химический состав нового высокожаропрочного

коррозионностойкого сплава с направленной структурой НКМ-1,

обеспечивающий существенное повышение свойств металла лопаток (патент № 2519075 от 10.06.2014 г.).

5. Направленная кристаллизация крупногабаритных лопаток из нового сплава НКМ-1 позволяет при использовании его в рабочих лопатках I ступени добиться в перспективной высокотемпературной турбине повышения температуры газа на входе до 1350°С (вместо 1220°С в турбине ГТД-110) и увеличить КПД турбины до 38,5 % (вместо35- 36% в ГТД-110).

6. Создан научно-технический задел производства крупногабаритных лопаток, изготавливаемых методом направленной кристаллизации, для отечественных мощных высокотемпературных ГТУ повышенной эффективности.

На защиту выносятся:

1. Методика моделирования газового охлаждения форм при направленной кристаллизации.

2. Выявленная зависимость распределения коэффициента теплоотдачи на поверхности формы от параметров газового охлаждения.

3. Концепция выбора целесообразных параметров газового охлаждения для направленной кристаллизации турбинных лопаток.

4. Параметры процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном.

5. Методическое обеспечение реализации технологического процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном и нового высокожаропрочного коррозионностойкого сплава с направленной структурой.

6. Химический состав нового высокожаропрочного коррозионностойкого сплава для литья крупногабаритных лопаток с направленной структурой перспективных высокотемпературных газовых турбин.

Связь работы с научными программами и темами:

Работа проведена в рамках НИОКР «Разработка базовых технологий, материалов и оборудования для парогазовых энергоустановок на базе газотурбинных установок большой мощности» - Государственный контракт № 12411.0810200.05.606.

Апробання работы:

Основные результаты проведенных исследований были доложены и обсуждены на следующих научных конференциях: «Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники», ВИАМ, Москва 2013г.; Научно-техническая сессия РАН по проблемам газовых турбин на тему: «Научно технические проблемы проектирования и эксплуатации наземных объектов с газотурбинными и парогазовыми установками», Казань 2013г.; VII Международная научно-

практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии», МИСиС, Москва 2013 г.

Публикации: Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 11 печатных работах, из них 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК, и получено 4 патента.

Личный вклад автора заключается в выполнении анализа тепловых особенностей различных процессов направленной кристаллизации, численных расчетов, интерпретации и обобщении полученных результатов, техническом руководстве модернизацией оборудования, отработке нового процесса ПГО, участии в проведении экспериментов по исследованию тепловых и аэродинамических параметров струйного газового охлаждения, уточнении состава сплава НКМ-1 с учетом технологического процесса направленной кристаллизации.

Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечиваются корректностью постановки задач исследования, комплексным подходом к их решению с использованием фундаментальных тепловых, аэродинамических и материаловедческих закономерностей, а также современных методов и методик, анализом литературных данных и критическим сопоставлением полученных в работе результатов.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материалы работы изложены на 132 страницах, содержат 20 таблиц и иллюстрированы 53 рисунками. Список литературы содержит 118 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, обсуждена практическая значимость и научная новизна диссертации.

В первой главе на основании имеющихся литературных данных проанализированы существующие процессы направленной кристаллизации, показаны их преимущества и недостатки.

Так, применяемый за рубежом метод направленной кристаллизации Бриджмена-Стокбаргера в связи с малой величиной коэффициента теплоотдачи ал лучеиспусканием от наружной поверхности формы (в диапазоне 30-100 Вт/м2К при различных углах облученности) и, следовательно, низкой скоростью охлаждения при кристаллизации, не обеспечивает формирования оптимальной структуры крупногабаритных отливок (структурные дефекты в виде ликвационных полос и пятен («фреклов»), крупные карбиды МС и

эвтектические частицы (у-Ру'-фаз), а также грубая дендритная структура, которые существенно снижают служебные характеристики лопаток турбин) и недостаточно производителен.

Успешно используемый в России при литье малогабаритных лопаток авиационных турбин метод охлаждения форм в расплаве алюминия, имеет ряд технологических особенностей, затрудняющих его использование при промышленном производстве крупногабаритных лопаток турбин (образование недопустимых дефектов из-за проникновения расплава алюминия на поверхность отливки через трещины формы, возникшие в процессе охлаждения отливки; чрезмерно большие размеры ванны, сложности температурного регулирования ванны, поддержания стабильного уровня зеркала охладителя и др.).

В связи с трудностями реализации жидкометаллического охлаждения при направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток, был предложен «альтернативный кристаллизатор», основанный на охлаждении форм естественной конвекцией инертного газа под давлением 30 — 150 мм. рт. ст. ((0,04-0,2)' 105Па), однако, как показывает теплофизический анализ, по интенсивности охлаждения этот процесс незначительно превосходит метод Бриджмена-Стокбаргера.

Недостатки процессов направленной кристаллизации в значительной степени устранены при применении процесса направленной кристаллизации с газовым охлаждением отливок (Gas Cooling Casting — GCC). Этот процесс, при использовании в качестве охладителя Ar + 20 мас.% Не, с 2005 года внедрен известной фирмой «Howmet» в производство крупногабаритных лопаток, с монокристаллической (МК) и направленной структурами (НК) для авиационных и энергетических турбин. Так для «General Electric Company» фирма «Howmet» изготавливает лопатки III и IV ступеней турбины MS7001H с НК структурой длиной 910 мм. В последних моделях мощных энергетических турбин предусмотрены лопатки с направленной структурой длиной свыше 1000 мм.

Патенты на процесс GGC не дают возможности определить ряд целесообразных параметров процесса: скорость газового потока, а следовательно конструкцию и размер сечений газового сопла; давление газа в сопле и в барокамере; горизонтальные и вертикальные углы натекания на форму; расстояния от сопла до формы; количество и размещение сопел относительно блока лопаток; конструкцию блока лопаток.

В данной работе на основе экспериментальных и аналитических исследований разработан процесс направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном ПГО для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин.

Во второй главе проведено аналитическое исследование тепловых параметров направленной кристаллизации при газовом охлаждении форм.

Основой разработки процесса направленной кристаллизации с газовым охлаждением форм аргоном являются уравнения теплового баланса при

охлаждении отливок, которые позволяют определить зависимость скорости охлаждения при затвердевании отливки от толщины стенки формы для различных процессов направленной кристаллизации. Расчетом теплового баланса определено, что при весьма высокой величине коэффициента конвективной теплоотдачи ак ~ 11600 Вт/м2К при охлаждении в расплаве алюминия температурный напор относительно невелик, так как температура алюминиевой ванны ~ 973 К (700° С). При газовом охлаждении форм температура газа составляет ~ 293 К (20° С), что предопределяет значительно большую величину теплового напора. Кроме того, флеш-методом было установлено, что температуропроводность пористой керамической формы при обдуве аргоном или гелием при давлении 150 мбар (0,15'Ю^Па) увеличивается на 30% и 40% соответственно, по сравнению с величиной этой характеристики в вакууме, вследствие проникновения инертного газа в поры. Надо также иметь в виду, что при направленной кристаллизации в процессе газового охлаждения наряду с конвективным охлаждением поверхности форм сохраняется эффект охлаждения излучением.

С учетом вышеизложенных условий на рисунке 1 представлены зависимости безразмерной величины скорости охлаждения отливки при температуре 1473 К (1200°С) (безразмерная скорость охлаждения при удельном тепловом потоке q от отливки через стенку формы толщиной 5=15 мм в процессе Бриджмена-Стокбаргера была принята равной 1), в процессах направленной кристаллизации: метод Бриджмена-Стокбаргера, альтернативный кристаллизатор (АК), охлаждение в расплаве алюминия (LMC) и процесс направленной кристаллизации с газовым охлаждением форм аргоном (ПГО).

Рисунок 1 - Критериальные зависимости безразмерной скорости охлаждения V при затвердевании отливки в различных процессах. Было определено, что при толщине стенки формы 5 > 10 мм, характерной для литья крупногабаритных лопаток, скорости охлаждения при температуре отливки 1473 К (1200°С) в процессах ЬМС с ак=11600 Вт/м2К и ПГО с ах=220 Вт/м К практически одинаковы (рисунок 1).

Таким образом задача разработки нового процесса направленной кристаллизации ПГО, который обладает достоинствами жидкометаллического охлаждения, сводится к определению параметров процесса, обеспечивающих среднюю величину коэффициента конвективной теплоотдачи ак > 200 Вт/м2К для достижения вышеуказанной величины а ^=220 Вт/м2К, с учетом дополнительного охлаждения излучением с ал ~ 20 Вт/м2 (оцененного таким образом в связи с более низкой температурой наружной поверхности формы, чем в методе Бриджмена-Стокбаргера).

В третьей главе была разработана методика экспериментальных работ.

Точные количественные зависимости величины ак от многочисленных параметров затруднительно получить в реальных условиях высокотемпературной направленной кристаллизации. Поэтому основной объем экспериментальных исследований был выполнен методом моделирования при струйном обдуве воздухом, моделирующим инертный газ, низкотемпературных моделей формы в вакуумной камере.

Геометрический масштаб моделирования размеров керамической формы, сопел охлаждения и их расположения вокруг формы составлял 1:1. Газодинамическое моделирование предусматривало совпадение с натурным случаем следующих параметров: полного давления газа в струе Р0, температуры торможения Тп и давления в окружающем пространстве Рк. Расход газа С рассчитывался по формулам (1) и (2). Также был сохранен турбулентный режим течения в струях. Процессы смешения, обусловленные турбулентной вязкостью, не зависят от рода газа. Следовательно, перенос результатов, полученных в модельном случае (рабочее тело - воздух) на натуральные условия (инертные газы - аргон (Аг) или смесь аргона с гелием (Аг+Не)) должен учитывать только изменение теплофизических характеристик газов.

Расход в воздуха и аргона может быть вычислен из уравнений:

= (1); 0„л,„„ = 0,505(2)

где Р0 - давление газа в критическом сечении; Р0 - суммарное критическое сечение сопел; Т0 - температура торможения газа в критическом сечении.

Для определения зависимости ак от параметров процесса, исходя из ожидаемого существенного неравномерного распределения ак по поверхности модели и уровня измерения величин был выбран метод «тонкой стенки». Суть метода «тонкой стенки» заключается в том, что на заранее прогретой тонкой пластине практически мгновенно устанавливается стационарное обтекание охлаждающего газа. Фиксируя при этом на разных точках пластины, с помощью термопар и тепловизора АСА-780, температуру охлаждения АТ„ за первые Дт=0,5 сек, определяется коэффициент конвективной теплоотдачи ак.

Уравнение теплового баланса для элемента стенки в точке РГ на поверхности имеет следующий вид:

{5,1 ар

^Т-Н

юо^ уоо;

} + {«К Д -Г^)} = [уев- - 9^)}, (3)

где е - степень черноты поверхности стенки; ср - коэффициент облученности; Тк1 - температура поверхности в момент времени Т| начала обдува при обтекании модели; Тк2- температура в момент времени т|+дг; Т,-температура охлаждающего газа (293°К); у - плотность материала стенки; с -теплоемкость материала стенки; X - коэффициент теплопроводности материала стенки; 5 - толщина стенки; г - время; 8И и Б, - координаты на поверхности модели.

При анализе уравнения (3) выявилось, что при газовом охлаждении тонкостенной модели форм эту зависимость можно упростить и тогда формула для расчета ак приобретает вид:

(4)

Для проведения экспериментальных работ вакуумная камера была переоборудована в вакуумный стенд с подводом через сопла модельного газа с регулируемым расходом, оснащенный тепловизором АСА - 780, а также осциллографом с подсоединенными к нему хромель-копелевыми термопарами.

Определение коэффициента теплоотдачи проводилось методом «тонкой стенки» с использованием полей температур, полученных в экспериментах на вакуумном стенде при струйном охлаждении специально изготовленной «тепловой» модели. Модель с температурой поверхности 703 К (430 °С) имитировала нагретую керамическую форму. В качестве модельного газа использовался воздух при комнатной температуре.

В проведенной серии экспериментов варьирование основных газодинамических параметров проводилось в следующих диапазонах: число Маха в выходном сечении сопла: 1; 2,8; 3,3; 3,92; диаметр критического сечения сопла (1^ : 0,7 мм, 1,0 мм, 1,5 мм, 2,0 мм; полное давление газа в струе: Ро=(2 -10)'Ю5Па; давление в окружающем модель пространстве: Рк=(0,01-0,40)-105/7а; температура торможения газа: Т0 = 293 К; угол горизонтального наклона у оси сопла к модели изменялся от 0° до 60°;угол вертикального наклона/? оси сопла - от 0° до 30°; расстояние от среза сопла до модели Х„ было в диапазоне 35-160 мм; расстояние по криволинейной координате Б в направлении хорды модели было 0-160 мм.

По результатам проведенных предварительных исследований установлена минимальная взаимная корреляция факторов эксперимента между собой, и в дальнейшем каждый фактор рассматривался как независимый.

На первом этапе экспериментов были выявлены целесообразные области ряда факторов и в большинстве последующих опытов были реализованы следующие постоянные параметры: расстояние от среза сопла до модели Х„ = 55 мм, давление воздуха на входе в сопло Р0 = 5'105 Па, статическое давление в литейной камере Рк = 0,15105 Па, угол Р равен 0.

Также в работе предусмотрено исследование влияния работы двух и трех сопел, одновременно обдувавших поверхность спинки и корыта лопатки.

Изложенная методика позволяет провести весь спектр исследований необходимых для разработки процесса направленной кристаллизации с газовым охлаждением форм аргоном ИГО для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин.

В четвертой главе показаны результаты экспериментальных исследований зависимости распределения коэффициента конвективной теплоотдачи ак по поверхности формы от параметров газового охлаждения, определенные по данным термометрирования (приведенным в диссертации) и рассчитанные по уравнению (4).

Определено, что максимальные значения ак достигались при числе Маха М=2,8, при прочих равных условиях.

Установлено, что при увеличении критического размера сопла с1кр происходит возрастание величины ак при различных значениях расстояния Х„ от сопла до формы, но при постоянном расходе максимумы величин ак были получены при с] кр = 1,0 мм (рисунок 2).

____Расстояние X,, от сопла до модели, мм_

Рисунок 2 - Зависимость максимального значения ак от Хда при постоянном

расходе газа.

Для сопла с критическим размером с1,ф = 1,0 мм число Маха М = 2,8 достигается при угле раскрытия 12° и диаметре выходного сечения с1 = 1,6 мм.

Из результатов экспериментов было установлено, что максимальные значения ак соответствуют при прочих равных условиях горизонтальному углу у между потоком и лопаткой в пределах 30-60 В этом диапазоне изменение угла у не приводит к существенному влиянию на величину ак на большей части поверхности модели, что позволяет стабилизировать положение сопла при обдуве форм с закруткой профиля лопатки.

Определено целесообразное значение полного давления струи Р0. Так в промышленных условиях давления Р0 = (4 — 5)-105 Па должно быть достаточно для качественного структурообразования лопаток с криволинейной координатой Б по хорде до 70 мм, но в тех случаях, когда лопатка имеет массивный замок с полками целесообразно повышать полное давление струи до 7,5 105 Па (рисунок 3).

Анализ показал, что уменьшение давление в барокамере с Ркот 0,4-105 Па до ~(0,15-0,10)-105 Па приводит к незначительному уменьшению ак на поверхности модели. Дальнейшее же уменьшение давления в барокамере от 0,10-105 Па до 0,01 -10^ Па приводит к резкому снижению величин ак Этот эффект, очевидно, связан с изменением характера движения струи газа с турбулентного на ламинарный режим при величине Рк < 0,ПО5 Па. В результате установлено целесообразное значение давления в барокамере Рк =

Для формирования направленной и монокристаллической структур лопаток большое значение имеет распределение коэффициента конвективной теплоотдачи ак на поверхности формы по ее высоте в зоне охлаждения. При забросе газа выше координаты Z = 0 расположения сопел (рисунок 4) может происходить интенсивное охлаждение жидко-твердой зоны кристаллизующейся отливки с возникновением недопустимого высокого значения поперечной векторной составляющей температурного градиента, что может привести к образованию структурных дефектов. Поэтому, вертикальный угол наклона Р сопел надо выбирать в пределах 20° - 30° в зависимости от вертикального расстояния между осью сопла и термоизолирующим экраном между зонами нагрева и охлаждения, а также плотности экранирования и толщины стенки формы.

Рисунок 4 - Зависимость максимальных значений ак от координаты Ъ для сопла <1™ = 1,0 мм.

На рисунке 5 показаны распределения коэффициента конвективной теплоотдачи ак , полученные при измерении температур тепловизором АСА-780, при М = 2,8, статическом давлении в камере Рк = 0,15-105 Па и давлении струи Р0 = 5■ 105 Па при расстоянии до лопатки X = 55 мм, горизонтальным углом между потоком и лопаткой у = 30° и углом (3 = 0°. Таким образом, при указанных выше параметрах, выбранных по результатам экспериментальных исследований, обеспечивается достаточно эффективное конвективное охлаждение высотой 40-60 мм профиля лопатки с хордой до 80 мм.

¿/дав/

Рисунок 5 - Характерное распределение ак на поверхности модели.

При расчете соотношения величин коэффициента теплоотдачи а„ в натурных условиях (обдув аргоном и аргоном + 20% гелия) к величине в модельных условиях ам (обдув воздухом) были получены следующие соотношения: ам (для воздуха) = 1,0, ан (для аргона) = 0,540 и ан (для смеси Аг + 20% Не) = 2,0.

Как было показано в представленных выше результатах, средняя величина ав при целесообразных параметрах превосходит 400 Вт/м2К, следовательно, в натурных условиях при обдуве аргоном величина ак получается более 200 Вт/м"К, что обеспечивает, в соответствии с данными раздела 2 (рисунок 1), скорость охлаждения равной или несколько выше, чем в условиях жидкометаллического охлаждения в расплаве алюминия, при толщинах стенок формы 8 > 10 мм.

При направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток, как показывает хронометрирование, суммарное время направленной кристаллизации при охлаждении формы смесью Аг + 20 мас.% Не уменьшается примерно на 25-30% в сравнении с Аг. Этот эффект в установке полунепрерывного действия сокращает продолжительность цикла литья на 1215%. С учетом того, что стоимость смеси Аг + 20 мае. % Не ~ в 10 раз

превосходит стоимость аргона, применение смеси гелия с аргоном (по технологии фирмы «Но\¥теЬ>) оказывается нецелесообразным.

На основании проведенных исследований были определены целесообразные параметры процесса направленной кристаллизации с газовым охлаждением форм аргоном ПГО для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин: использование в качестве охладителя - инертного газа аргона; скорость газовой струи на выходе из сопла - 2,8 М (числа Маха); полное давление струи газа Р0 = (4,0 - 5,0)-105 Па, при кристаллизации массивного замка (толщиной более 40 мм) - (7,0 - 7, 5) -105 Па; давление в барокамере Рк = 0,10 - 0,30 ТО5 Па; горизонтальный угол наклона оси сопел у = (45 ± 15)°; вертикальный угол наклона оси сопел Р = (20 ± 10)°; расположение центров пятен охлаждения на расстоянии в пределах 52 - 70 мм от экрана; расстояние от оси сопла до модели Х„ = (55 ± 30) мм; плотное радиальное расположение лопаток в блоке с центральным размещением стояка; при литье крупногабаритных лопаток целесообразно использовать следующие варианты: с хордой менее 50 мм-схему расположения одного сопла, с хордой 50 - 70 мм-схему расположения двух сопел, с хордой более 70 мм-схему расположения трех сопел.

Принципиальная схема процесса ПГО показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Процесс направленной кристаллизации ПГО. 1.Отливка, 2. Мягкий теплозащитный экран, 3. Твердый теплозащитный экран, 4. Печь подогрева форм, 5. Кристаллизатор, 6. Коллектор аргона, 7. Струи аргона, 8. Зона охлаждения.

Пятая глава посвящена реализации технологического процесса ПГО направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин.

Реализация процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном ПГО для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин была выполнена на базе ОАО «НПО «Сатурн».

Для этой цели была использована установка для направленной кристаллизации по методу Бриджмена-Стокбаргера РМГ-С-ЗОБ фирмы иЬУАС. По методу Бриджмена-Стокбаргера, в связи с низкой скоростью охлаждения при кристаллизации возникали структурные дефекты, описанные ранее. ПГО позволяет повысить количество лопаток в блоке в 1,5 раза и скорость протяжки в 1,7 раза, что обеспечивает подавление структурных дефектов и увеличение производительности с учетом полунепрерывного цикла в 1,8 - 2,0 раза.

Для реализации ПГО выполнена модернизация зоны охлаждения установки РМ1-С-305, в которой предусмотрено более интенсивное охлаждение форм. При модернизации установки был выполнен монтаж коллектора с соплами в зону охлаждения; введена в установку система подачи и регулирования аргона, а также проведено изменение в вакуумной системе установки.

Перемещение формы с расплавом осуществляется на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе из зоны нагрева в зону охлаждения, в которой отбор тепла осуществлялся струями аргона из сопел и излучением.

В нижней части модели лопатки предусмотрен кристаллоотборник для обеспечения заданной кристаллографической ориентации <001> при литье на медный водоохлаждаемый кристаллизатор.

По техническому заданию государственного контракта в связи с отсутствием отечественного проекта мощной эффективной газовой турбины для реализации процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном ПГО была выбрана рабочая лопатка I ступени (№ Ш0400042) турбины ГТД - 110, а для отработки режимов технологии ПГО, обеспечивающих направленное структурообразование, было предусмотрено использование сплава ЧС88У, применяемого в турбине ГТД-110, с последующей разработкой нового жаропрочного коррозионностойкого сплава для перспективной турбины с более высокими температурами эксплуатации рабочих лопаток.

Выбор для отливки методом ПГО РЛ I ст. ГТД-110, также определялся размерами установки РМ1-С-30; принципиально же с использованием процесса ПГО длина отливок с НК и МК структурами практически не ограничена и определяется только размерами печи и камеры охлаждения.

При использовании процесса ПГО изготовлена опытная партия рабочих лопаток I ступени (в количестве 15 шт.) турбины ГТД-110 из сплава ЧС88У длиной 280 мм (общая высота блока с кристаллоотборником и прибылью — 400 мм) и запланировано производство лопаток для перспективных газовых турбин.

При термометрировании различных точек на наружной и внутренней поверхностях формы при литье лопатки с последующем пересчетом диапазона значений коэффициента теплоотдачи а на наружной поверхности формы при температуре 1473 К (1200°С) были получены следующие значения: метод Бриджмена-Стокбаргера 21-59 Вт/м2К, ПГО 166-352 Вт/м2К. Таким образом, в

процессе ПГО среднее значение величины % > 220 Вт/м2К, что достаточно для обеспечения скорости охлаждения сплава при кристаллизации, как в расплаве алюминия в соответствии с проведенными исследованиями главы 2.

При высоких температурах печи 1580-1650°С и низкой скорости протяжки формы (1-1,5 мм/мин) величина продольной векторной составляющей температурного градиента Я] при струйном охлаждении аргоном составляет величину более 10 град/мм. В промышленных же условиях использования охлаждения форм аргоном при литье лопаток с направленной структурой величина Я, находится в диапазоне 3-5 град/мм, связанном с различной скоростью кристаллизации 4-7 мм/мин в зависимости от координаты и толщины сечения отливки.

Макроструктура опытных лопаток показана на рисунке 7, при исследовании была определена кристаллографически ориентированная структура <001 > с отклонением в пределах 10 градусов, как в пере, так и в замке.

а) б) в)

Рисунок 7 Макроструктура рабочей лопатки 1 ступени с направленной структурой, где а) корыто лопатки, б) спинка лопатки, в) замок лопатки.

Проведенные исследования микроструктуры лопаток показали (рисунок 8), что расстояние (1! между осями дендритов первого порядка в различных сечениях пера лопатки составляло - 250-300 мкм (процесс ПГО), что находится в диапазонах с^ при охлаждении в расплаве алюминия и значительно меньше с!■ в процессе Бриджмена-Стокбаргера (420-480 мкм). Так как связь между параметрами ф и скоростью охлаждения является известной закономерностью классической теории кристаллизации, можно сделать вывод о соответствии полученных результатов исследования дендритной структуры с расчетной скоростью охлаждения сплава при различных процессах направленной кристаллизации (рисунок 1).

Направленная кристаллизация сплава ЧС88У, обеспечивая заданный уровень свойств сплава для рабочей лопатки I ступени турбины ГТД-110 и

резко повышая характеристики пластичности 5 и у по сравнению с нормами для равноосного литья этого сплава (таблица №1), вместе с тем не позволяет существенно повысить жаропрочность.

Рисунок 8 - Дендритная структура лопатки (х 50) а) ПГО б) Метод Бриджмена-

Стокбаргера.

Это объясняется особенностями состава сплава ЧС88У с низким содержанием вольфрама и отсутствием других тугоплавких компонентов с коэффициентом эффективного распределения кЭф > 1.

Таблица № 1 Нормы и результаты испытания сплава ЧС88У НК.

Параметр Нормы И ЖАКИ 105.015-89 Результаты испытаний

Предел прочности б„, кгс/мм2 >65 68,0 - 82,4

Относительное удлинение 5, % >8 13,0-22,0

Относительное сужение у, % > 16 35,5 - 43,0

Длительная прочность при 28 кгс/мм2 Время до разрушения образца, в часах > 100 150-170

Поэтому сплав ЧС88У, обладая высокой коррозионной стойкостью, не может обеспечить необходимый уровень жаропрочности не только в равноосной структуре, но даже в направленной и монокристаллической структурах при температуре газа на входе в турбину 1350°С и температуре металла рабочих лопаток I ступени 870-910°С, что соответствует параметрам перспективной газотурбинной установки.

За рубежом разработан ряд коррозионностойких жаропрочных сплавов на никелевой основе для литья деталей газовых установок, наиболее востребованным для высокотемпературных ГТУ с температурой газа на входе в турбину 1350°С является сплав СМ8Х-4 с направленной и монокристаллической структурами.

Однако существует ряд особенностей при разработке и эксплуатации коррозионностойкого жаропрочного сплава в России.

За рубежом ГТУ снабжены устройствами для очистки природного газа от вредных примесей, таких как сера, хлор и др. В конструкции зарубежных ГТУ предусмотрен визуальный контроль за состоянием лопаток при длительной

эксплуатации без разборки установки. Кроме того разработаны и внедрены эффективные плотные покрытия с использованием технологии оплавления поверхности, отсутствующей на данный момент в России.

Поэтому для обеспечения научно-технического задела для решения проблемы создания перспективных отечественных высокотемпературных газотурбинных установок необходимо с учетом процесса ПГО разработать новый коррозионностойкий жаропрочный сплав с направленной структурой, способный работать с отечественными покрытиями при указанных температурах в течение заданного ресурса.

Шестая глава посвящена разработке нового коррозионностойкого жаропрочного сплава.

С помощью компьютерной программы «Расчетная система суперславов» (№ 2007612023 ФСИСПТ от 17.05.2007 г.) был разработан новый коррозионностойкий жаропрочный сплав НКМ-1 (Патент № 2519075 10.06.2014г.).

При разработке сплава НКМ-1 учитывались конструкторские требования по характеристикам жаропрочности и коррозионной стойкости.

Для достижения необходимого уровня жаропрочности на основе канонических зависимостей в расчет закладывалось количество легирующих элементов формирующих требуемый объем упрочняющей у'-фазы (Al,Ti), а также корректировалось содержание вольфрама и других тугоплавких компонентов с коэффициентом эффективного распределения кЭф > 1. Обеспечение коррозионной стойкости рассчитывалось на основе уравнения коррозионных потерь в европейской среде с учетом всех легирующих элементов.

Сложностью при создании коррозионностойкого жаропрочного сплава является, то обстоятельство, что определенные легирующие элементы оказывают противоположное влияние на служебные характеристики сплава (например, Cr- повышая коррозионную стойкость, вместе с тем существенно снижает жаропрочность), а перелегирование приводит к усложнению фазового состава сплава, и в результате, тем самым повышает вероятность выделения охрупчивающих фаз (сигма - б, мю-ц, Ni3Ti - r|, а - фазы на основе хрома, вольфрама), как правило, резко снижающих уровень свойств материала.

С учетом того, что в процессе ПГО реализованы высокие скорости охлаждения при направленной кристаллизации возможно образование несколько большего количества неравновесной эвтектики. Поэтому в составе нового сплава НКМ-1 для направленной кристаллизации ограничивалось содержание у' - образующих эвтектических элементов (Ti, Nb, Hf).

В результате испытаний образцов на базе до 500 часов установлено, что длительная прочность сплава НКМ-1 с НК структурой при стандартных испытаниях при 900°С за 100 часов 6™ составляет 365 МПа (для сравнения 6?g[J применяемого в настоящее время ЧС88У - 280 МПа).

Сравнительные расчетные данные свойств НКМ-1 с направленной структурой (НК) и широко распространенных сплавов CMSX-4 и ЦНК-8МП с

монокристаллической структурами, а также ЧС88У с равноосной структурой (PC) по длительной прочности при различных температурах и по коррозионной стойкости при двух видах стандартных испытаний (Metall loss -коррозионные потери и corros Rate - скорость коррозии) представлено в таблице 2.

Таблица № 2 Жаропрочные сплавы для рабочих лопаток ГТУ.

Характеристики сплава ЧС-88У PC CMSX-4 MK ЦНК-8МП MK НКМ-1 нк

1. Длительная прочность, МПа 1) б850 103/104/2,5'104, Ч 262/191/161 497/365/298 276/200/182 402/310/272

2) б900 103/104/2,5'104, Ч 176/135/- 346/280/215 191/148/- 313/215/188

2. Сравнительная коррозионная стойкость 2.1 lg Metall loss (IN792= - 0,26) -1,488 +0,982 -0,949 -0,698

2.2 lg corros Rate (IN792= 0,1) +0,086 +0,186 +0,265 -0,262

Эти данные позволяют использовать сплав НКМ-1 с направленной структурой в перспективных энергоэффективных мощных турбинах с температурой газа на входе в турбину 1350°С при среднемассовой температуре ~ 880°С по металлу с эффективным охлаждением лопаточного аппарата и каждой лопатки (для сравнения в турбине ГТД -110 температура газа 1220-1230°С и температура металла для сплава ЧС88У составляет 810°С) на ресурс до 25 тыс. ч., с проверкой лопаток каждые 10 т. ч.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате аналитических и экспериментальных исследований разработан процесс направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном ИГО для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин.

2. Показаны технологические особенности и выполнен теплофизический анализ охлаждения форм при различных процессах направленной кристаллизации, включая газовое охлаждение.

3. На основе теории подобия разработана система моделирования охлаждения форм при газовом обдуве.

4. Экспериментами установлен ряд принципиальных зависимостей значения коэффициента теплоотдачи ак от следующих параметров:

— исходной скорости газа и конструкции сопла;

— горизонтальных углов натекания газа на форму, диаметра критического сечения сопла и расстояния от сопла до формы;

— полного давления струи газа и давления газа в барокамере;

— вертикальных углов натекания газа на форму;

— особенностей охлаждения блока лопаток.

5. Доказана достаточно высокая эффективность охлаждения при использовании аргона в качестве охладителя форм для направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток турбин.

6. На основе установленных зависимостей выбраны целесообразные параметры газового охлаждения форм при направленной кристаллизации:

— Скорость газовой струи на выходе из сопла — 2,8 М (числа Маха),

— Полное давление струи газа Р0 = (4,0 - 5,0)-105 Па, при кристаллизации массивного замка (толщиной более 40 мм) - (7,0 -7, 5) -105 Па,

— Давление в барокамере Рк = (0,10 - 0,30) • 105 Па,

— Горизонтальный угол наклона оси сопел у = (45 ± 15)°,

— Вертикальный угол наклона оси сопел Р = (20 ± 10)°,

— Расположение центров пятен охлаждения на расстоянии в пределах (52 - 70) мм от экрана,

— Расстояние от оси сопла до модели Х„ = (55 ± 30) мм,

— Плотное радиальное расположение лопаток в блоке с центральным размещением стояка,

— При литье крупногабаритных лопаток целесообразно использовать следующие варианты:

— с хордой менее 50 мм-схему расположения одного сопла,

— с хордой 50 - 70 мм-схему расположения двух сопел,

— с хордой более 70 мм-схему расположения трех сопел.

7. Проведена на ОАО «НПО «Сатурн» модернизация промышленного оборудования для направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном.

8. Освоен и запатентован процесс направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном ПГО для литья крупногабаритных лопаток газовых турбин, в том числе I ступени турбины ГТД -110, который позволяет за счет плотного радиального расположения лопаток в сочетании с более высокой скоростью охлаждения повысить производительность по сравнению с процессом Бриджмена-Стокбаргера в 1,8 -2,0 раза.

9. При реализации на ОАО «НПО «Сатурн» технологического процесса направленной кристаллизации с охлаждением форм аргоном изготовлена опытная партия в количестве 15 щт. рабочих лопаток I ступени турбины ГТД — 110 с направленной структурой и запланировано производство лопаток для перспективных газовых турбин.

10. Доказана научная и производственная целесообразность использования охлаждения форм аргоном ПГО для направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток газовых турбин, вместо существующих методов направленной кристаллизации.

11.Разработан, запатентован и паспортизирован новый жаропрочный коррозионностойкий сплав НКМ-1 с направленной структурой, длительная прочность которого составляет ~ 188 МПа при 900°С за 25000

часов а коррозионная стойкость находится на уровне отечественных жаропрочных сплавов, имеющих длительную эксплуатационную наработку.

12. Свойства сплава НКМ-1 позволяют при использовании его в рабочих лопатках I ступени добиться в перспективной высокотемпературной турбине повышения температуры газа на входе до 1350°С (вместо 1220°С в турбине ГТД-110) и увеличить КПД турбины до 38,5 % (вместо 35- 36% в ГТД-110).

13.Таким образом, создан научно-технический задел производства крупногабаритных лопаток, изготавливаемых методом направленной кристаллизации, для отечественных мощных высокотемпературных энергоэффективных ГТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кац Э.Л., Скоробогатых В.Н., Лубенец В.П., Яковлев Е.И. Процессы направленной кристаллизации для крупногабаритных лопаток газовых турбин // Технология металлов. - выпуск № 3. - 2015. - с. 22-28.

2. Яковлев Е.И., Кац Э.Л., Лубенец В.П., «О новом процессе направленной кристаллизации со струйным газовым охлаждением форм» // Металлургия машиностроения. - выпуск №3. - 2014. - с. 35-38.

3. Скоробогатых В. Н., Кац Э. Л., Лубенец В. П., Яковлев Е. И., Берестевич А. И., Жабрев С. Б. Новая технология направленной кристаллизации с струйным охлаждением форм аргоном для литья крупногабаритных лопаток мощных газовых турбин // Тяжелое машиностроение. - выпуск №6. - 2014. - с. 13-16.

4. Скоробогатых В.Н., Кац Э.Л., Лубенец В.П., Яковлев Е.И., «Метод газового охлаждения форм в вакууме для направленной кристаллизации крупногабаритных лопаток турбин» / труды VII Международной научно-практическая конференция «Прогрессивные литейные технологии», МИСиС. -Москва, 2013.-с. 345-348.

5. Скоробогатых В.Н., Кац Э.Л., Лубенец В.П., Яковлев Е.И., «Направленная кристаллизация с газовым охлаждением форм крупногабаритных лопаток наземных турбин» / тезисы докладов, научно-технической конференции «Материалы и технологии нового поколения для перспективных изделий авиационной и космической техники», ВИАМ. -Москва, 2013. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

6. Скоробогатых В.Н., Кац Э.Л., Лубенец В.П., Яковлев Е.И., «Перспективные материалы и технологические процессы в газотурбинных и парогазовых установках» / тезисы докладов Научно-технической сессии РАН по проблемам газовых турбин на тему: «Научно технические проблемы

проектирования и эксплуатации наземных объектов с газотурбинными и парогазовыми установками», Казань, 2013. - с. 16-19.

Изобретения

7. Способ получения отливки лопатки газовой турбины с направленной и монокристаллической структурой: патент № 2536853, соавторы: Кац Э.Л., Лубенец В.П., Скоробогатых В.Н., Кузнецов К.Ю., Виноградов А.И., Яковлев Е.И. и др.; опубл. 20.10.2014г.

8. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья деталей горячего тракта газотурбинных установок: патент № 2519075, соавторы: Лубенец В.П., Кац Э.Л., Скоробогатых В.Н., Кузнецов К.Ю., Дуб В.А. , Яковлев Е.И. и др.; опубл. 20.10.2014г.

9. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок: патент № 2524515, соавторы: Лубенец В.П., Кац Э.Л., Дуб A.B., Скоробогатых В.Н., Кульмизев А.Е., Яковлев Е.И., Квасницкая Ю.Г.; опубл. 20.10.2014г. 27.07.2014г.

10. Жаропрочный сплав на основе никеля для литья рабочих лопаток газотурбинных установок: патент № 2525883, соавторы: Лубенец В.П., Кац Э.Л., Дуб A.B., Скоробогатых В.Н., Кульмизев А.Е., Яковлев Е.И. опубл. 20.08.2014г.

11. Литая рабочая лопатка с монокристаллической структурой, жаропрочный сплав на основе никеля для изготовления замковой части рабочей лопатки и способ термообработки литой лопатки: заявка на изобретение № 2014135083, соавторы: Лубенец В.П., Дуб A.B., Гасуль М.Р., Кац Э.Л., Скоробогатых В.Н., Кульмизев А.Е., Яковлев Е.И., Скирта С.М.; опубл. 28.08.2014г.

Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 35.

Отпечатано в типографии «Форгрейфер» с готового оригинал-макета +7 (985) 773-92-37 115088, Москва, ул Шарикоподшипниковская, 4