автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Исследование и разработка технологического процесса высокотемпературного уплотнения лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов

УДК 669. 14.018.44

На правах рукописи

Голованов Вячеслав Иванович Исследование и разработка технологического процесса

г

высокотемпературного уплотнения лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов

Специальность 05 07.05 (тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

!

I

г. Москва

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете)

Научные руководители Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Воробей Вадим Васильевич Доктор технических наук, профессор Логунов Александр Вячеславович

Официальные оппоненты Лауреат государственной премии и

премии СМ СССР, доктор технических наук, профессор Качанов Евгений Борисович

Лауреат премий СМ СССР, доктор технических наук, профессор Петухов Анатолий Николаевич

Ведущее предприятие ОАО «НПО «Сатурн»

Защита состоится «_»_2005 г в_час_мин

на заседании диссертационного совета Д 212 125 08 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу 125993, Москва, Волоколамское ш , дом 4, А-80, ГСП-3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)

Автореферат разослан «_» _2005 г

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение работоспособности литых лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) является одним из важнейших направлений работ, связанных с увеличением ресурса и надежности современных ГТД Одной из главных проблем в этом плане является уплотнение отливок путем «залечивания» внутренних несплошностей усадочного происхождения или образовавшихся при эксплуатации.

Литейная пористость является практически неизбежным дефектом отливок и, ! в частности, литых лопаток ГТД Основными причинами образования пор в литых

лопатках при кристаллизации является различие объемов жидкой и твердой фазы и дефицит расплава у фронта кристаллизации В результате при затвердевании в лопатках ГТД формируется система пор разного масштаба, которая негативно влияет на механические свойства и эксплуатационные характеристики изделий.

Аналогичные отрицательные последствия возникают в процессе эксплуатации двигателей, когда в результате работы материала лопаток в условиях длительного сложного нагружения при высоких температурах в нем образуются структурные дефекты.

Эффективной технологией уплотнения материала за счет удаления пористости является горячее изостатическое прессование (ГИП) Эффект уплотнения при ГИП имеет термодинамическую природу приложение давления всестороннего сжатия, в соответствии с принципом Ле-Шателье, должно приводить к уменьшению объема - уплотнению - и, следовательно, к уменьшению пористости Термодинамическая природа уплотнения при ГИП делает эту технологию, по существу, универсальным способом «залечивания» пористости в различных материалах Вот почему технология ГИП находит все более широкое применение во многих областях производства и обработки материалов- компактировании заготовок и деталей из порошков (гранул), реакционном спекании керамики, уплотнении отливок, при диффузионной сварке, обработке специальных материалов ракетно-космической техники и др.

При разработке технологических режимов ГИП пористых материалов обычно руководствуются модельными представлениями процесса уплотнения, развитыми I Эшби, Харрисоном и другими. Обобщая данные разных авторов, предложенные

механизмы уплотнения можно разделить на 2 группы'

- деформационные, когда диффузионные процессы не играют существенной роли,

I - диффузионное заполнение пор, включая различные виды ползучести

На практике процессы ГИП отливок обычно проводят в условиях преобладания деформационных механизмов уплотнения, которые реализуются при относительно высоких температурах и давлениях Однако применительно к обработке литых лопаток ГТД правомерность такого подхода вызывает сомнения Дело в том, что деформационное заполнение микропор обычно сопровождается большими степенями локальной деформации, следствием которой является локальная неконтролируемая рекристаллизация. Очевидно, что «нерегламентируемая» рекристаллизация может оказывать негативное влияние на

"в

t

механические свойства и эксплуатационные характеристики литейных (недеформируемых) сплавов

Другим не менее важным обстоятельством является то, что реализация технологических процессов, в которых используются весьма высокие давления, приводит к резкому снижению ресурса работы дорогостоящих газостатов, что в свою очередь является серьезным сдерживающим фактором их эффективного применения в российской экономике

Кроме этого, при обработке литых лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов существует ряд других научных вопросов, ответы на которые до сих пор не получены Перечислим некоторые из наиболее важных

- следует ли ориентироваться на температуру полного растворения у'-фазы (линия solvus в иностранной литературе) при выборе температурного режима ГИП лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов7

- Допустимо ли проведение ГИП таких лопаток в двухфазной области у-у'7

- Каковы принципы регламентации минимальных и максимальных давлений при ГИП - не с точки зрения возможностей оборудования, а с позиций решения задачи удаления пор7

Наличие этих вопросов говорит о том, что научные принципы регламентации технологических режимов ГИП литых лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов требуют существенного развития

Другая важная проблема повышения качества и работоспособности лопаток ГТД связана с возможностью и эффективностью использования ГИП для восстановления структуры и свойств поврежденных при эксплуатации лопаток Термин «повреждаемость» обычно означает появление в лопатках микроскопических дефектов («повреждений»), при накоплении которых постепенно ухудшаются эксплуатационные характеристики

Для уменьшения степени «поврежденности» материала при наработке в настоящее время применяют ремонтно-восстановительную обработку Ее цель -повысить ресурс эксплуатируемых изделий Для увеличения ресурса лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов после наработки обычно используют восстановительную термовакуумную обработку (ВТВО) Один из главных недостатков ВТВО как восстановительной обработки заключается в том, что ВТВО не способствует уплотнению материала и уменьшению пористости Очевидно, что и в случае литых лопаток ГТД после наработки для уплотнения и «залечивания» пор независимо от их происхождения может быть эффективно использована технология ГИП

Целью настоящей работы является исследование влияния ГИП на структуру (включая ансамбль литейных микропор и другие внутренние несплошности материала различной природы), распределение в ней легирующих элементов, а также свойства литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У и разработка технологии ГИП литых лопаток из сплава ЖС6У (обоснование и оптимизация параметров)

Для достижения поставленной цели требуется решение двух основных

задач:

• У,"

u't

- Изучение влияния ГИП на качество литых лопаток ГТД из сплава ЖС6У в исходном состоянии (сразу после отливки - as cast) Изучение эффективности ГИП как восстановительной обработки лопаток ГТД после наработки

Научная новизна:

1. Развиты научные принципы регламентации параметров ГИП

(температура, давление, время) для уплотнения отливок из жаропрочных никелевых сплавов.

2 Разработаны, обоснованы и реализованы на практике новые подходы к восстановлению структуры и эксплуатационных характеристик лопаток ГТД после наработки.

3 Выполнено аналитическое исследование диффузионного механизма аннигиляции пор и других дефектов структуры и созданы модели структурных изменений в материале в процессе высокотемпературной газостатической обработки.

4 Установленные закономерности поведения ансамбля пор при ГИП использованы для решения двух важных прикладных задач

- уплотнения исходной (as-cast) литой структуры лопаток ГТД;

использования газостатирования в качестве составляющей ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД после длительной наработки

5 Показано, что после ГИП среднее значение предела выносливости лопаток из сплава ЖСбУ (as-cast) с технологический прибылью равно о -1 = 16,0 кгс\мм2, в то время как без ГИП соответствующее значение составляет ст .i = 12,5 кгс\мм2 .Таким образом, газостатическая обработка литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У по предложенному режиму на 20 % повышает усталостную прочность деталей.

Практическая ценность представленной работы заключается в том, что разработана технология ГИП для уплотнения материала литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У с равноосной зеренной структурой в исходном состоянии (as-cast). Показано, что при газостатировании лопаток первой ступени (предприятие ОАО «НПО «Сатурн») из сплава ЖС6У по предложенному режиму обеспечивается существенная стабилизация значений предела усталостной прочности при одновременном повышении ее уровня Разработанная технология положена в основу «Технических условий» ТУ 1-503-0100-2002 «Поставка отливок из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У-ВИ, ЖС6УМ-ВИ, прошедших высокотемпературную газостатическую обработку» предприятия ОАО «НПО «Сатурн» и внедрена в серийное производство.

Другая важная прикладная задача, решаемая в настоящей работе -исследование эффективности ГИП в технологической цепи ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов после длительной наработки Показано, что и в данном случае Пзостатирование,

проведенное по режиму ТУ 1-503-0100-2002, является эффективным способом уплотнения сплава ЖС6У после наработки (размер микропор в «отработанных» лопатках ГТД после ГИП уменьшается на порядок величины) и вносит существенный вклад в восстановление исходной микроструктуры и свойств жаропрочного сплава.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV International Scientific Forum "AIMS for Future of Engieneering Science", Igalo, Rep of Montenegro, 2003, V International Scientific Forum "AIMS for Future of Engieneering Science", Paris, France, 2004, 24 Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», Ялта, Крым, 2004; 3 Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», Кацивели-Понизовка, Крым, 2004, 4 Московской Международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов, (ТПКММ), Москва, 2005, Conference on Hot Isostatic Pressing (HIP'05), Paris, France, 2005

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и общих выводов, списка использованной литературы из 68 наименований, изложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 76 рисунков, 15 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении на основе краткого анализа проблемы газостатирования отливок дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, раскрывается ее научная новизна и практическая значимость, формулируются цель и задачи работы

Первая глава посвящена аналитическому обзору результатов исследований влияния ГИП на механические свойства и микроструктуру отливок из жаропрочных никелевых сплавов Показано, что изменение механических свойств отливок из жаропрочных никелевых сплавов согласуется с поведением других литейных сплавов, а именно

в результате ГИП значительно повышается как мало-, так и многоцикловая усталостная прочность Прирост напряжений составляет 11-14 раза, а число циклов до разрушения может увеличиваться почти на порядок величины

- Долговечность жаропрочных сплавов - время жизни до разрушения при высокотемпературных испытаниях на ползучесть - также существенно возрастает после ГИП (почти в 2 раза)

- В результате ГИП значительно увеличивается пластичность отливок при кратковременных испытаниях - до 2 раз в зависимости от сплава, режимов ГИП и других факторов

Вместе с тем средний уровень прочностных свойств при кратковременных испытаниях литых образцов после ГИП практически не изменяется - здесь могут наблюдаться смешения как в положительную, так и отрицательную сторону, в зависимости от применяемой технологии литья Положительное влияние ГИП в данном случае проявляется в другом - высокотемпературное газостатическое уплотнение приводит к значительному уменьшению разброса механических свойств литых материалов

Что касается влияния ГИП на микроструктуру отливок из жаропрочных сплавов, то в этой области имеется явный дефицит экспериментальных данных.

В 1 главе дан подробный анализ литой микроструктуры жаропрочных сплавов и характера ее «повреждаемости» при длительной эксплуатации. Сделан вывод, что именно технология ГИП может быть использована в качестве эффективного инструмента при восстановлении микроструктуры и свойств лопа+рк ГТД после длительной наработки.

На основе проведенного анализа обоснованы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке технологии горячего изосгатического прессования для уплотнения литых (as-cast) лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У Проведен анализ термодинамики и кинетики процесса «залечивания» микропор по механизму вакансионного растворения в условиях всестороннего сжатия. Диффузионным механизмам (включая ползучесть) аннигиляции пор при ГИП в настоящей работе придается особое значение, поскольку в таком случае удается минимизировать неконтролируемую локальную рекристаллизацию в материале лопаток. Получены формулы для кинетики процесса диффузионного «залечивания» пор для 2-х случаев:

поры располагаются в объеме материала В таком случае уменьшение радиуса поры г со временем t описывается выражением.

, 3 LDC1 -т = 1---ot , (О

г] Ля RT

где го - исходный радиус поры, D - коэффициент диффузии вакансий в

объеме материала, fl - атомный объем, L - расстояние до стока, а -

нормальный компонент тензора напряжений (величина давления

всестороннего сжатия при ГИП), R - газовая постоянная, Г - температура, °К.

- поры располагаются преимущественно на внутренних поверхностях раздела (границах зерен, субзерен и т.п.). В этом случае для описания кинетики процесса в формуле (1) следует заменить LD на произведение D'S, где D' - коэффициент граничной диффузии вакансий, 5 -диффузионная ширина границы раздела.

Оценено влияние на кинетику конкурирующего процесса - диффузионной коагуляции (огрублению) пор по механизму Лифшица-Слезова, влияние давления при ГИП на коэффициент диффузии вакансий.

Полученные данные использованы в качестве теоретической базы для выбора режима ГИП при уплотнении лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У. Установлен режим, который обеспечивает диффузионную «проработку» пера лопатки ГТД и уплотнение материала в результате вакансионного растворения пор и стока вакансий на внешнюю поверхность

В настоящем исследовании отработка технологии ГИП лопаток осуществлялась в газостате марки HIRP10/26-200-1600 фирмы ABRA AG (Швейцария) со следующими характеристиками-

1 Параметры рабочей камеры - диаметр 100, высота 260мм.

2 Максимальная рабочая температура - 1600°С

3 Максимальное рабочее давление газа - 200 МПа

Для отработки технологии газостатирования партия лопаток производства ОАО НПО «Сатурн» из сплава ЖС6У была подвергнута газостатической обработке по уточненным режимам вблизи прогнозируемых значений (Т = 1200 °С, Р = 150 МПа, t = 2 5 часа):

Варьирование проводилось по температуре, поскольку от температуры сильнее всего - экспоненциально - зависит подвижность вакансий в сплаве Для определения оптимального режима газостатической обработки лопаток были проведены их усталостные испытания, результаты которых приведены в таблице 1

Таблица 1

Результаты усталостных испытаний лопаток рабочего тракта

1 ступени 4-04-4217, прошедших ГИП

№ Т. °С № о. Nх Ю-6 Результат испытаний,

п\п лопатки кгс\мм2 циклов место разрушения

1 1190 7153-4с 13,7 20,0 Не разрушилась

15,2 20,0 Не разрушилась

16,7 20,0 Не разрушилась

18,2 20,0 Не разрушилась

19,7 20,0 Не разрушилась

21,2 t4,0 Разр спинка 73 мм

2 1200 7156-5с 13,7 20,0 Не разрушилась

15,2 20,0 Не разрушилась

16,7 20,0 Не разрушилась

18,2 20,0 Не разрушилась

19,7 7,5 Разр спинка 45 мм

3 1209 7159-2C 13,7 20,0 Не разрушилась

15,2 20,0 Не разрушилась

16,7 20,0 Не разрушилась

18,2 20,0 Не разрушилась

19,7 15,3 Разр в 1-м пазу замка,

переходящее на спинку

Положительное влияние ГИП проявилось при всех температурах, однако наиболее стабильные значения предела усталостной прочности показали лопатки, обработанные при температуре 1209 °С Металлографическое исследование изломов разрушенных лопаток не выявило металлургических дефектов на поверхности разрушения, которая имеет типичный для усталостных испытаний вид, причем разрушение начиналось у штырьков-рассекателей и шло далее к внутренней поверхности спинки лопатки

В качестве оптимальной температуры ГИП была выбрана температура начала интенсивного распада пересыщенного твердого раствора у Известно, что в таких условиях в ряде конструкционных материалов наблюдается аномальное повышение пластичности и диффузионной проницаемости, что благоприятно для уплотнения материала

Для оптимизации температуры ГИП были проведены тщательные исследования микроструктуры газостатированных при различных температурах лопаток. Установлено, что подвергнутые ГИП лопатки имеют микроструктуру, характерную для жаропрочного сплава ЖС6У ВИ. По мере повышения температуры ГИП от 1190 до 1210 °С у - у' - микроструктура в замке лопатки становится все более однородной Это говорит о том, что в условиях ГИП при повышении температуры в сплаве происходит все более полное растворение вторичной у' -фазы, которая при последующем охлаждении выделяется в виде однородных частиц В то же время, при температуре 1210 "С полного растворения вторичной у' - фазы еще не происходит- по литературным данным, температура полного растворения у' -фазы в сплаве ЖСУ составляет около 1225 °С

Таким образом, режим газостатирования Т = 1210 °С, Р = 150-170 МПа, 1 = 23 часа можно выбрать в качестве оптимального для обработки лопаток из сплава ЖС6УВИ.

Для более масштабной проверки этого вывода по выбранному режиму газостатирования (Т = 1210 °С, Р = 170 МПа, 1 = 3 часа) были обработаны 50 лопаток и определена их усталостная прочность Лопатки после ГИП прошли полный цикл обработки, включая гомогенизацию, механическую обработку, нанесение защитного покрытия А15|У.

Результаты испытаний показали, что после ГИП среднее значение предела выносливости лопаток с технологический прибылью равно а .| = 16,0 кгс\мм2, а средний предел выносливости лопаток без технологической прибыли составляет

ст .| = 22,6 кгсХмм2

Для сравнения пределов усталостной прочности были испытаны лопатки данной плавки, не проходившие газостатической обработки Получено, что для лопаток с технологической прибылью о .1 = 12,5 кгс\мм2, без технологической прибыли ст .1 = 16,6 кгс\мм2

Полученные результаты показывают, что литые лопатки из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У ВИ с равноосной зеренной структурой, подвергнутые ГИП

по режиму Т = 1210 °С, Р = 170 МПа, t = 3 часа, обнаруживают увеличение усталостной прочности почти на 30% по сравнению с необработанным состоянием Наблюдаемый эффект ГИП применительно к литым изделиям из жаропрочного никелевого сплава согласуется с поведением отливок из других материалов, обработанных по оптимальной технологии.

Для определения влияния газостатирования на другие свойства литого сплава ЖС6У ВИ были изготовлены образцы для испытания механических свойств при комнатной температуре, длительной прочности и усталостной прочности

Длительная прочность сплава ЖС6У после ГИП определялась по 1

методике ЦИАМ по трем режимам:

l Т = 975 °С, о= 23 кг\мм2, норма времени разрушения по ТУ равна

40 часов, í

2. Т = 900 °С, о= 33,57 кг\мм2, норма времени разрушения по ТУ

равна 100 часов;

3 Т = 800 "С, ст= 53,75 кг\мм2, норма времени разрушения по ТУ

равна 100 часов

Результаты испытаний приведены в таблице 2

Таблица 2

Долговечность образцов из сплава ЖСбУ после ГИП

№ п\п № образца Длит испытаний час. № образца Длит, испытаний час. № образца Длит испытаний час

Т = 975°С, о= 23 кгХмм1 Т = 900 °С, о= 33,57 кг\мм2 Т = 800 °С, а= 53,75 кг\мм2

1 7350-5 69 7352-6 193 7346-5 175

2 7351-7 83'" 7341-7 168" 7345-2 3054'

3 7351-1 66" 7353-1 134 7345-1 197JU

4 7351-6 83w 7347-5 230 7353-3 250

5 7346-8 90 7347-6 164 7350-6 353JU

6 7350-1 84 7353-7 1893" 7353-6 267lv>

7 7350-2 94w 7347-4 150 7345-5 129

8 7350-3 96 7353-2 183J0 7345-4 343w

9 7351-3 85 7347-2 126 7349-1 173

Ю

10 7351-5 67 7347-3 120" 7352-5 198

11 7350-4 ЬТ 7353-3 234" 7345-3 300

12 7351-4 71 7352-3 202" 7353-5 225"

13 7346-1 91 7352-2 196 7346-7 360 не разр

14 7354-2 55 7352-4 153« 7348 360 не разр

15 7346-4 66 Норма по ТУ г 100 7349-2 360 не разр.

16 7346-6 72 Норма по ТУ 2 100

Норма по ТУ ¿40

Определенные по результатам испытаний фактические значения долговечности составили' при 975°С усредненное по испытаниям 16 образцов значение долговечности составило т = 78 часов при выполнении нормы ТУ для всех испытанных образцов; при 900 °С т = 175 часов (усреднение по 14 образцам), Ьри 800 °С т = 243 часа (усреднение по 12 образцам), причем 3 образца не разрушились в течение 360 часов испытаний.

Таким образом, долговечность подвергнутых ГИП образцов из сплава ЖС6У значительно превышает нормы, предусмотренные ТУ

На основе полученных данных были разработаны Технические условия ТУ I-503-0100-2002 «Поставка отливок из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У-ВИ, ЖС6УМ-ВИ, прошедших высокотемпературную газостатическую обработку» Разработанная технология ГИП литых лопаток из сплава ЖС6У с равноосной зеренной структурой в настоящее время является серийной и используется в ОАО «Композит» для обработки лопаток рабочего тракта 1 ступени ГТД, выпускаемых на предприятии ОАО «НПО «Сатурн».

Третья глава посвящена разработке технологии ГИП для восстановления структуры и свойств лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ после наработки. В процессе эксплуатации лопатки ГТД испытывают длительное I воздействие высоких температур, напряжений и агрессивной среды

' Комбинированное воздействие этих факторов вызывает фазовую нестабильность с

® нежелательными изменениями и повреждениями микроструктуры материала

| лопаток, снижающими его длительную прочность, сопротивление усталости и

1»' другие характеристики:

- укрупнение выделений упрочняющей у -фазы,

- накопление дислокаций в микроструктуре в результате ползучести, особенно в у - матрице;

- огрубление и перерождение карбидных частиц,

- образование хрупких интерметаллидных топологически плотно упакованных фаз (ТПУ-фазы) - о, ц, Лавеса,

- локальные изменения химического состава вследствие обеднения приграничных зон Сг, Мо, Со и XV,

появление микронадрывов у дефектов микроструктуры, увеличение масштаба литейной пористости

В настоящее время на ряде предприятий авиационного двигателесгроения для устранения нежелательных изменений структуры лопаток, возникающих после некоторого периода эксплуатации ГТД, используют высокотемпературную термовакуумную обработку (ВТВО) При такой обработке почти полностью восстанавливаются размеры и морфология у - фазы, а также происходит отжиг возникающих при наработке в результате ползучести дефектов В итоге частично восстанавливаются свойства материала лопаток, однако их эксплуатационные характеристики при этом обычно «не дотягивают» до исходных значений

Основным недостатком ВТВО является неспособность «залечивать» микронесплошности, возникающие в материале лопаток при длительной наработке Более того, изменение размера микропор при ВТВО может иметь крайне нежелательный характер Например, известно, что высокотемпературный отжиг материала с микропорами приводит к увеличению среднего размера пор

Все это делает актуальной проблему поиска такой восстановительной обработки, которая позволит полнее «залечить» эксплуатационные «повреждения» и в сочетании с ВТВО обеспечить более полное восстановление микроструктуры и свойств материала после наработки - до уровня, близкого к исходному

Для ремонтно-восстановительной обработки лопаток был выбран режим газостатирования, показавший свою эффективность для лопаток в исходном литом состоянии. После ГИП лопатки подвергались обязательной термической обработке по штатному режиму, обеспечивающему формирование оптимальной микроструктуры.

Исследования проводились на лопатках в различных состояниях и с разными защитными покрытиями (табл.3).

Таблица 3

Объекты и методы исследования

№ лопаток Покрытие Состояние лопаток Дополнит, обработка Характер исследований

А1Е2375 №-Сг-А1 снаружи и внутри Литье+1ТВО, исходные (без наработки) - РЭМ.ЛРСА, РА, РИ

А1Е2216 ГИП+ЗТВО РЭМ.ЛРСА

ОП7438 ГИП+ЗТВО В ФГУП ММПП «Салют» на испытание

1М7024 Сг-А1 снаружи Литье+1ТВО+ нар 229ч - РЭМ.ЛРСА

1И7999 ГИП+ЗТВО РЭМ,ЛРСА

1К1696 и внутри ГИП+ЗТВО В ФГУП ММПП «Салют» на испытание

ОМ2700 А1-51-У-снаружи Сг-А1-внутри Литье+1ТВО+ нар 496ч+2ТВО+ нар 800ч ГИП В ФГУП ММПП «Салют» на испытание

ОЛ6777

ОН7428

ОЛ6073 А1-51-снаружи Сг-А1-внутри Литье+1ТВО+ нар.496ч+нар 150+ 2ТВО+нар.500ч - РЭМ, ЛРСА

ОЛ6458 ГИП+ЗТВО РЭМ,ЛРСА

ОГ9641 ГИП+ЗТВО В ФГУП ММПП «Салют» на испытание

ОМ819 АШ-снаружи Сг-А1-внутри Литье+1ТВО+ нар.496ч+2ТВО+ нар.800ч - РЭМ,ЛРСА, РА, РИ

ОМ2018 ГИП+ЗТВО РЭМ.ЛРСА

1И1280 ГИП В ФГУП ММПП «Салют» на испытание

1И6205

Сокращения:

1 1ТВО, 2ТВО, ЗТВО - соответственно термовакуумная обработка после литья, наработки и ГИП

2. Нар. 229ч, нар. 800ч и др - наработка 229, 800 часов

РЭМ - растровая электронная микроскопия, ЛРСА - локальный рентгеноспектральный анализ, РА - рештенофазовый анализ, РИ - радиоизотопные методы.

Стендовую наработку лопаток, их термовакуумную обработку, вырезку из лопаток образцов для механических испытаний осуществляли на предприятии ФГУП ММПП «Салют».

Термическую обработку лопаток после их отливки (1ТВО) проводили по штатному режиму.

Термическую обработку лопаток в ремонтном варианте (после наработок-2ТВО и после ГИП-ЗТВО) проводили по следующему режиму

нагрев с печью от комнатной температуры до температуры 950°С, выдержка 40 мин., подъем температуры до 1190 С в течение 20 мин, выдержка 2 часа, подъем температуры до 1230 °С в течение ЗОмин, выдержка ЗОмин, затем охлаждение до комнатной температуры со скоростью 40-50град/мин.

Результаты визуального обследования внешнего вида лопаток в различных состояниях показали, что покрытия на лопатках после наработки в основном серого цвета с зонами иной окраски на пере и замке После ГИП происходит некоторое

изменение цвета покрытия - цвет становится более темным с зонами светло-серого, бурого или черного цвета.

Исследование влияния ГИП на пористость лопаток из сплава

ЖСбУ-ВИ после наработки.

Шлифы для исследований приготавливались из лопаток двух состояний (наработка 800ч. и наработка 800ч +ГИП) и затем подвергались металлографическому анализу под оптическим микроскопом

На шлифе лопатки с наработкой 800 ч при увеличении 100 крат исследовалось 8 полей с максимальной пористостью, на шлифе лопатки в состоянии «наработка 800 ч +ГИП» в виду незначительного количества пор и их малого размера исследовалось 3 поля при увеличении 500 крат.

Выявлено, что пористость на шлифах в основном сосредоточена в поверхностных зонах лопаток. В результате металлографического анализа пористости установлено положительное влияние ГИП на снижение количества и размеров пор в лопатках с длительной наработкой максимальный размер пор уменьшился более чем на порядок величины, рис. 1,2

Влияние ГИП на характеристики ансамбля пор в лопатках ГТД, рис 1 и 2

2 12 22 31 41

Размер пор, О.мкм

Результаты анализа

Число исследованных полей 8

Объемная доля пор, % 0,2

Средний размер пор, мкм 21,2

Максимальный размер пор, мкм 87,6

Рис 1 Распределение пор по размерам в лопатке после стендовой наработки -800 ч

1,7 2,4 2,8 3,5 4,2 Размер пор, D, mi

Результаты анализа

Число исследованных полей 3

Объемная доля пор, % 0,0

Средний размер пор, мкм 2,7

Максимальный размер пор, мкм 4,0

Рис 2 Распределение пор по размерам в лопатке после стендовой наработки -800 ч +ГИП

Исследование фазового состава, микроструктуры и распределения легирующих элементов в лопатках ГТД из сплава ЖС6У-ВИ в различных состояниях.

Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометре ДРОН-4 с использованием Си Кд-из лучения Обработка полученных рентгеновских дифрактограмм осуществлялась с применением набора программ X-RAYS Программа PHAN предназначена для качественного фазового анализа образцов с известным элементным составом Программа работает с банком данных, содержащим более 100 тысяч карточек в формате картотеки JCPDS Главной задачей ренгенофазового анализа в данном случае являлась идентификация нежелательных фаз в различных состояниях сплава.

Микроструктуру сплава и распределение в ней легирующих элементов в разных состояниях изучали методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и локального рентгеноспектрального анализа (ЛРСА) Основная задача изучения распределения легирующих элементов в микроструктуре сплава - попытаться выявить неоднородность распределения некоторых элементов, которую можно связывать с началом процесса выделения нежелательных фаз

Установлено, что в лопатках ГТД из сплава ЖС6У уже в исходном состоянии наряду с типичными для жаропрочных никелевых сплавов у-, у - фазами и карбидами присутствуют фаза Лавеса и боридная фаза Ni2B

Получено, что в объеме лопатки влияние наработки наиболее заметно проявляется в изменении морфологии карбидных выделений типа (TiNb)sC, которые наблюдается и в исходном состоянии Строчные выделения карбидов после длительной наработки приобретают линейно-направленный характер с участками прямолинейно-геометрических пересечений, которые в исходном состоянии имели криволинейное расположение.

Микроструктура лопатки в поверхностных слоях в исходном состоянии практически такая же, как и в серединной зоне стенки пера

Наработка 800 часов приводит к появлению в поверхностной зоне лопатки под покрытием слоя игольчатых выделений, сходных по форме с частицами ГНУ -фаз, образующихся вблизи карбидов и на их поверхности Следует отметить, что такая картина выделений в поверхностных слоях лопатки с наработкой 800 ч присуща только зоне у корытца пера. Микроструктура в поверхностных зонах спинки и серединном сечении стенки пера лопаток практически одинакова.

Появление зоны, обогащенной хрупкими структурными составляющими, весьма нежелательно для работающих при циклических нагрузках лопаток, поскольку она может облегчать их усталостное разрушение

Что касается распределения легирующих элементов в микроструктуре сплава, то в процессе наработки оно изменяется мало Единственным элементом, обнаруживающим склонность к гетерогенности при наработке, является Сг

Последующее наложение ГИП+ЗТВО на лопатки с наработкой 800 ч приводит к восстановлению структуры, близкой к исходной строчные выделения карбидов утрачивают линейно-направленный характер, размер карбидов остается на прежнем уровне - 0,5-5 мкм В корытце пера лопатки исчезает зона игольчатых выделений - эти выделения сфероидизируются с образованием извилистых строчных цепочек Распределение хрома (и других элементов) в микроструктуре приобретает гомогенный характер, близкий к исходному состоянию

Испытания механических свойств.

В работе проведена оценка механических свойств материала лопаток с длительной наработкой до и после наложения восстановительной обработки (ГИП+ЗТВО)

Образцы для испытания механических свойств вырезались на ФГУП ММ1111 «Салют» электроискровым способом из пера лопаток в зоне, близкой к выходной кромке.

Исследуемые лопатки являются охлаждаемыми с переменной по геометрическим параметрам внутренней полостью. Криволинейная конфигурация и малая толщина (менее 1 мм) стенок спинки и корытца пера не позволили изготовить стандартные плоские образцы. Вырезанные вдоль оси пера образцы были двухслойными с внутренними стерженьками и повторяли криволинейную форму поверхностей зоны пера, из которой они вырезались В сечениях головок и рабочей части образцы имели клиновидную форму, те их общая толщина у противоположных краев была разной. Общая длина образцов составляла 42 мм, а ширина рабочей части равнялась 3 мм.

Поскольку образцы являлись нестандартными и имели криволинейную конфигурацию, то потребовалось изготовление специальных приспособлений для захватов испытательной машины.

Результаты кратковременных испытаний механических свойств при комнатной температуре лопаток различных состояний приведены в таблице 4

Таблица 4

Результаты механических испытаний образцов из лопаток ГТД

Состояние лопаток № Временное Относительное

лопатки сопротивление удлинение

Ов, кгс/ммг 5,%

Нар 496ч+2ТВО+нар 800ч ОМ4854 82,5 3,8

ОМ901 74,8 3,9

ОМ5054 85,0 3,6

Нар 496ч+2ТВО+нар 800ч+ 1И1280 105,4 3,2

ГИП+ЗТВО ОЛ6777 104,0 3,4

ОН7428 102,8 3,3

В виду того, что при этих испытаниях механические свойства лопаток в исходном состоянии не определялись, то для сравнения использовались литературные данные для сплава ЖС6У:

- временное сопротивление, Ов, кгс/мм2. . . 90-104

- относительное удлинение, 6, %. . . 3,0-6,0

Хотя результаты испытаний в таблице 4 носят только оценочный характер, тем не менее они ясно показывают, что длительная наработка (800 ч) приводит к снижению прочности материала лопаток Это является следствием изменений структуры, происходящих в процессе длительной наработки

Последующее применение ГИП и ТВО к лопаткам с наработкой способствует не только восстановлению структуры их материала, но и увеличению его кратковременной прочности практически до исходных значений

Термоусталостные испытания лопаток также показали благоприятное воздействие ГИП на их работоспособность Данные испытания проводились п^и напряжении 150 МПа и циклическом изменении температуры по схеме 475<->950 С до появления первой трещины длиной ~0,5 мм на выходной кромке в центральном сечении пера лопатки. Результаты испытаний приведены в таблице 5

Данные таблицы 5 свидетельствуют о том, что применение ГИП В технологической цепочке восстановительного ремонта лопаток с длительной наработкой увеличило их термоциклическую усталость в среднем в 3 раза для лопаток без ремонта и в 2,5 раза для лопаток с ремонтом по старой технологии

Предел выносливости лопаток с наработкой 646 часов при комнатной температуре на базе 2х107 циклов и контрольном уровне напряжений 150 МПа увеличивается при использовании новой технологии на 40 МПа по сравнению с лопатками без ремонта и на 20 МПа по сравнению с лопатками с ремонтом по старой технологии

Таблица 5

Результаты термоусталостных испытаний лопаток в разных состояниях

Состояние лопаток Количество циклов до появления первой трещины

Максимальная величина Средняя величина

Наработка 646 ч без ремонта 3000 1831

Наработка 646 ч с ремонтом по старой технологии 4048 2082

Наработка 646 ч с ремонтом по новой технологии 7500 5500

В четвертой главе работы представлены заключение и обобщенные выводы, а также приведены копии документов (ТУ, Акты), удостоверяющих практическую реализацию результатов данной работы

ВЫВОДЫ:

1 Проведено комплексное исследование влияния горячего изостатического прессования (ТИП) на фазовый состав, микроструктуру, распределение легирующих элементов и механические свойства литых лопаток ГТД и образцов из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У Показано, что комплексное воздействие на жаропрочный сплав давления и температуры (при оптимальных параметрах) обеспечивает существенное совершенствование его структуры и способствует повышению работоспособности

2 Установлено и обосновано, что технология ГИП является эффективным способом уплотнения литой структуры жаропрочного сплава в различных состояниях и повышения качества литых лопаток ГТД, способствует улучшению комплекса механических свойств, особенно характеристик усталости.

3 Установленные закономерности влияния ГИП на микроструктуру и механические свойства литейного жаропрочного никелевого сплава ЖСбУ использованы для решения двух важных прикладных задач

- уплотнения исходной (as-cast) литой структуры лопаток ГТД с целью повышения качества материала;

- использования газостатирования в качестве составляющей ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД после длительной наработки.

4 Разработан технологический процесс газостатировання литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в исходном состоянии (as-cast) Показано, что при газостатировании лопаток первой ступени 40-04-4217 (предприятие ОАО «НПО «Сатурн») из сплава ЖС6У по предложенному режиму получаются наиболее стабильные значения предела усталостной прочности Металлографическое исследование изломов разрушенных При испытаниях на усталость лопаток не выявило металлургических дефектов на поверхности разрушения

Получено, что высокотемпературное газостатирование повышает предел выносливости лопаток (с технологической прибылью) от а .i = 12,5 кгс\мм2 до

0 .| = 16,0 кгсХмм1, то есть на 20%.

5 На основе предложенной технологии ГИП разработаны технические условия ТУ 1-503-0100-2002 «Поставка отливок из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У-ВИ, ЖС6УМ-ВИ, прошедших высокотемпературную газостатическую обработку» для предприятия ОАО «НПО «Сатурн» (Приложение 1) и внедрены в серийное производство

6 Показана высокая эффективность ГИП в технологической цепи ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У после длительной наработки. Предварительно установлено, что длительная наработка (800 ч) приводит к снижению прочности материала лопаток, что является следствием «повреждаемости» микроструктуры, происходящей в процессе эксплуатации Применение ГИП по ТУ 1-503-01002002 в качестве операции восстановительного ремонта лопаток с длительной наработкой увеличило их термоциклическую усталость в среднем в 3 раза для лопаток без ремонта и в 2,5 раза для лопаток с ремонтом по старой технологии.

7 Технология ГИП литых охлаждаемых лопаток ГТД внедрена в серийное производство ОАО «НПО «Сатурн» (г Рыбинск) для двигателей ДЗО КУ, ДЗО КП и др самолетов ТУ 154, Ил 76 и Ил 62. Проведены успешные стендовые испытания литых охлаждаемых лопаток, прошедших ГИП, на ММПО «Салют» для двигателя AJI31 Ф

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1 Голованов В И, Логунов А В Перспективные технологии ОАО «Композит» Авиапанорама, 2003, №2, стр. 26

2 Логунов А, Голованов В Проблемы и пути повышения эксплуатационных свойств деталей, получаемых из литейных жаропрочных никелевых сплавов В сб "AIMS for Future of Engieneering Science", Igalo, Rep of Montenegro, Gaudeamus, 2003, p 17

#166 60

3 Логунов А, Голованов В Новые материалы и nepcneicTHi^QQ^—4

для энергетики. В сб "AFES 2004, Proceedings. The -

Scientific Forum. AIMS for Future of Engieneering Science" | 3262

4. Логунов А В, Голованов В И, Разумовский И М., Маринь,. v. ^ , .

А А, Поклад В А, Фролов В С , Быков Ю Г Газостатическое прессование - эффективный способ устранения несплошностей в лопатках ГТД Перспективные материалы, 2004, №3, с 12-16

5 Голованов В И , Логачева А И, Логунов А В , Разумовский И М , Тимофеев А.Н Новые металлические материалы и технологии для объектов ракетно-космической техники. Материалы 24 ежегодной международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», 2004, Ялта-Киев, УИЦ «Наука Техника. Технология», с. 130.

6 Логунов А В , Голованов В И, Разумовский И М, Маринин С.Ф, Тихонов А А, Поклад В А, Фролов В С, Быков Ю Г Газостатическое прессование улучшает качество и работоспособность лопаток ГТД В сб трудов 3 международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», Кацивели-Понизовка, Крым, 2004, с. 137-139.

7 Голованов В И, Логунов А В , Маринин С.Ф , Поклад В А, Разумовский И М, Тихонов А А. Влияние ГИП на структуру и механические свойства лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в исходном состоянии и после длительной наработки Proceedings of the 2005 International Conference on Hot Isostatic Pressing Paris, May 22-25, 2005, p 196- 198.

8. Голованов В И, Ларионов В.Н., Логунов А В , Маринин С Ф, Поклад В А, Разумовский И.М., Тихонов А А, Б.С. Бокштейн Уплотнение монокристаллов из жаропрочных никелевых сплавов с помощью ГИП диффузионные модели растворения пор, микроструктура и механические свойства Proceedings of the 2005 International Conference on Hot Isostatic Pressing Paris, May 22-25, 2005, p 199 - 203

Обшая характеристика работы:. ^

Глава 11 Анализ влияния ГИП на микроструктуру и механические свойства отливок из жаропрочных никелевых сплавов (обзор литературных данных);.

1.1 Горячее изостатическое уплотнение - эффективный метод улучшения качества отливок;.

1.2 Микроструктура литейных жаропрочных никелевых сплавов и прогнозирование ее поведения при ГИП. 2.

1.3 Особенности процесса рекристаллизации в жаропрочных никелевых сплавах:. 2.

1.4 Анализ повреждаемости жаропрочных никелевых сплавов при эксплуатации:. 3 Ь

2.1 Анализ термодинамики и кинетики процесса «залечивания» микропор по механизму вакансионного растворения в условиях всестороннего сжатия. HI

212 Разработка технологических режимов ГИП литых поликристаллических лопаток из сплава ЖС6У.5* 9!

Заключение.>0

Глава 3. Разработка технологии ГИП для восстановления структуры и свойств лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ п о сле на ра ботки.

Введение. Краткий анализ повреждаемости микроструктуры при эксплуатации изделий из жаропрочных никелевых сплавов.?Г

3.1 Исследование повреждаемости микроструктуры при наработке лопаток ф ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ: постановка задачи, методика и объекты исследования.1г Ъ

3.2 Результаты исследования влияния наработки и ГИП на микроструктуру и распределение в ней легирующих элементов.

- Визуальное обследование лопаток.Я-8

- Исследование микроструктуры и фазового состава -методические особенности и результаты.SO

3.3 Радиоизотопное исследование повреждаемости материала лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в

• ! процессе длительной наработки.fQ3

3.4 Исследование влияния ГИП на микропоры в лопатках из сплава ЖС6У-ВИ после наработки.М8

3.5 Металлографические исследования поверхностных зон лопаток в различных состояниях.119

3.6 Испытания механических свойств.ill,

Заключение. Оценка эффективности рекомендуемого режима

ГИП в качестве ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6 ВИ.iZ5~

Глава 4. Заключение. Приложения (технологические инструкции, заявки на изобретения). f 2.9

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Повышение работоспособности л!гтых лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) является одним из важнейших направлений работ, связанных с увеличением ресурса и надежности современных ГТД. Одной из главных проблем в этом плане является уплотнение отливок путем «залечивания» несплошностей усадочного и газового происхс:кдения.

Литейная пористость является практически неизбежным дефектом отливок и, в частности, литых лопаток ГТД. Основными причинами образования пор в литых лопатках при; кристаллизации является различие объемов жидкой и твердой фазы и дефицит расплава у фронта кристаллизации. В результате при затвердевании в лопатках ГТД формируется система пор разного масштаба, которая негативно влияет на механические свойства и эксплуатационные характеристики изделий.

Эффективной технологией уплотнения материхта за счет удаления пористости является горячее изостатическое прессование (ГИП). Эффект .уплотнение при ГИП имеет термодинамическую природу: приложение: давления всестороннего сжатия, в соответствии с принципом Ле-Шателье, должно приводить к уменьшению объема -уплотнению - и, следовательно, к уменьшению пористости. Термодинамическая природа уплотнения при ГИП делает эту технологию, по существу, универсальным способом «залечивания» пористости в различных материалах. Вот почему технология ГИП нашла широкое применение во многих областях производства и обработки материалов: компактировании заготовок и деталей из порошков (гранул), реакционном спекании керамики, уплотнении отливок, при диффузионной сварке, обработке специальных материалов ракетно-космической техники и др.

При разработке технологических режимов ГИП пористых материалов обычно руководствуются модельными представлениями процесса уплотнения, развитыми Эшби, Харрисоном, и другими. Обобщая данные разных авторов, предложенные механизмы уплотнения можно разделить на 2 группы: деформационные, когда диффузионные процессы не играют существенной роли; диффузионное заполнение пор, включая различные виды ползучести.

На практике процессы ГИП отливок обычно проводят в условиях преобладания деформационных механизмов уплотнения, которые реализуются при относительно высоких температурах и давлениях. Однако применительно к обработке литых лопаток ГТД правомерность такого подхода вызывает сомнения. Дело в том, что деформационное заполнение микропор обычно сопровождается большими степенями локальной деформации, следствием которой является локальная неконтролируемая рекристаллизация. Очевидно, что «нерегламентируемая» рекристаллизация может сказывать негативное влияние на механические свойства и эксплуатационные характеристики литейных (нелеформируемых) сплавов.

Кроме этого, при обработке литых лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплазов существует ряд других научных зо просо в, ответы на которые до сих пор не полечены. Перечислим некоторые из наиболее важных:

- следует ли ориентироваться, на температуру полного растворения у'- фазы (линия solvus в иностранной литературе) при выборе температурного режима ГИП лопаток ГТД из жаропрочных никелезых сплавов?

- Допустимо ли проведение ГИП таких лопаток в двухфазной области у-у'?

- Каковы принципы регламентации минимальных и максимальных давлений при П1П - не с точки зрения возможностей оборудования, а с позиций решения задачи удаления пор?

Наличие этих вопросов говорит о том, что научные принципы регламентации технологических режимов ГИП литых лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов требуют существенного развития.

Другая важная проблема повышения качества и работоспособности лопаток ГТД сзязана с возможностью и эффективностью использования ГИП для восстановления структуры и свойств поврежденных при эксплуатации лопаток. Термин «повреждаемость» обычно означает появление в лопатках микроскопических дефектов («повреждений»), при накоплении которых постепенно ухудшаются эксплуатационные характеристики.

Для уменьшения степени «поврежденности» материала при наработке в настоящее время применяют ремонтно-восстановительную обработку. Ее цель - повысить ресурс эксплуатируемых изделий. Для увеличения ресурса лопаток ГТД id жаропрочных никелевых сплавов после наработки обычно используют восстановительную термовакуумную обработку (ВТВО). Один из главных недостатков В ТВ О как восстановительной обработки заключается в том, что ВТВО не способствует уплотнению материала и уменьшению пористости. Очевидно, что и в случае литых лопаток ГТД после наработки для уплотнения и «залечивания» пор не зависимо от их происхождения может бьггь эффективно использована технология ГИП.

Целью настоящей работы является разработка основ технологического процесса газостатирсвания литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У, а также внедрение разработанного технологического процесса в серийное производство, что должно сбеслеч1гть кардинальное повышение уровня служебных сзойстз этих деталей.

Для достижения поставленной цели потребуется решение двух основных задач:

Изучение влияния ГИП на качество литых лопаток ГТД из сплаза ЖС6У в исходном состоянии (сразу после отливки - as cast).

Изучение эффективности ГИП как ремонтно-восстановительнои обработки лопаток ГТД после наработки: Научная новизна: Развиты научные принципы регламентации параметров ГИП (температура, давление, время) хтя уплотнения отливок из жаропрочных никелевых сплазов, позволяющие минимизировать действие пластической деформационной моды закрытия литейной и эксплуатационной пористости. Установленные закономерности поведения ансамбля Л1гтейных пор при ГИП использованы хтя решения двух важных W прикладных задач:

- уплотнения исходной (as-cast) литой структуры лопаток ГТД;

- использования газостати рования в качестве составляющей ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД после длительной наработки.

Показано, что после ГИП среднее значение предела выносливости лопаток из сплаза ЖС6У (as-cast) с технологический прибылью равно а .i = 16,0 кгс\мм:, в то время как без ГИП соответствующее значение составляет a .i = 12,5 кгс\мм* .Таким образом, газостатическая обработка литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У по предложенному режиму на 20 % повышает усталостную прочность деталей. На защиту выносятся:

1. Методика выбора оптимального режима газостатической обработки литых лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, обеспечивающего доминирующую роль механизма диффузионного растворения пор при всестороннем сжатии (ГИП). Критерий априорной оценки оптимальных значений температуры и времени ГИП, основанный на сопоставлении диффузионного пути вакансий в гетерогенной микроструктуре сплаза и среднего расстояния от поры до вакансионного стока. Результаты экспериментального опробования методики на литых лопатках ГТД из жаропрочного ф никелевого сплава ЖС6У.

2. Данные о влиянии ГИП по разработанному режиму на микроструктуру, распределение легирующих элементов и механические свойства литых образце в и лэггатек ГТД из жаропрочного нпкелезего сплава ЖС6У.

Практическая ценность представленной работы заключается з том, что разработана технология ПШ для уплотнения материала литых лопатск ПГД из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У с равноосной зеренной структурой в исходном состоянии (as-cast). Показано, что при газостатировании лопаток первой ступени (предприятие ОАО «НПО «Сатурн») из сплава ЖС6У по предложенному режиму получаются наиболее стабильные значения предела усталостной прочности. Разработанная технология положена в основу «Технических условий» ТУ 1-503-0100-2002 «Поставка отливок из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У-ВП. ЖС6УМ-ВН, прошедших высокотемпературную газостатическую обработку") предприятия ОАО «НПО «Сатурн» и внедрена в серийное производство.

Другая важная прикладная задача, решаемая в настоящей работе - исследование эффективности ГИП в технологической цепи ремонтно-восстановительной обработки лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов после длительной наработки. Показано, что и в данном случае газостатирование, проведенное по режиму ТУ 1-503-0100-2002, является эффективным способом уплотнения сплава ЖС6У после наработки (размер микропор в «отработанных» лопатках ГТД после ГИП уменьшается на порядок величины) и вносит существенный вклад в восстановление исходной микроструктуры. и свойств жаропрочного сплава.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на IV International Scientific Forum "AIMS for Future of Engieneering Science", Igalo, Rep. of Montenegro, 2003; V International Scientific Forum "AIMS for Future of Engieneering Science"*, Paris, France, 2004; 24 Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности», Ялта, Крым, 2004; 3 Международной конференции «Материалы и покрытия в экстремальных условиях», Кацивели-Понизовка, Крым, 2004; 4 Московской Международной конференции «Теория и практика технологии производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов, (ТПКММ), Москва. 2С05; Conference on Hot Isostatic Pressing (HIP'05), Paris, France, 2005.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 печатных работах.

Глава 4; Заключение и обобщенные выводы. Практическая реализация результатов исследований.

В работе: исследовано влияние: горячего изосгатического прессования (ГИП) на микроструктуру и механические свойства литых лопаток:ГТД и образцов! из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У в: исходном состоянии и;после длительной наработки:

Показано, что технология ГИП является эффективным способом? уплотнения литой структуры, жаропрочного сплава: Развиты» научные; принципы; регламентации! параметров- ГИП: (температура, давление, время) длят уплотнения? отливок; из жаропрочных! никелевых; сплавов; включая? материаловедческие- основы; обработки; монокристальных лопаток ГТД.

Установленные закономерности поведения «вакуумных» литейных пор при ГИП использованы для решения двух важных прикладных задач:

- уплотнения исходной (as-cast) литой структуры лопаток ГТД;

- использования газостатирования в качестве составляющей ремонтно-воссггановительной обработки лопаток ГТД после длительной наработки:

Разработана; технология; ГИП для уплотнения структуры литых; лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС 6У с равноосной зеренной структурой; в исходном состоянии (as-cast). Показано, что при газостатировании лопаток первой ступени 40-04-4217 (предприятие

ОАО «НПО «Сатурн») из сплава ЖС6У по режиму Т - 1210 (^) °С,.

Р =- 160±10 МПа t = 2,5 - 3 часа получаются наиболее стабильные значения предела усталостной прочности. Металлографическое исследование: изломов разрушенных прн испытаниях лопаток; не выявило металлургических дефектов на поверхности разрушения.

Установлено, что после ГИП! среднее: значение; предела выносливости лопаток; с технологический прибылью равно а - 16,0 кгс\мм:, а средний ? предел: выносливости г лопаток без технологической прибыли составляет с .i = 22,6 ктс\мм!.

Для; сравнения ; пределов: усталостной прочности; были испытаны лопатки данной плавки, не проходившие газостатической обработки. Получено, что для лопаток с технологической прибылью с = 12,5 кгс\мм?, без технологической прибыли с .i — 16,6 кгс\ммТ.

Таким! образом, газостатическая обработка литых лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава-ЖС 6У по предложенному режиму на; 20-30 % повышает усталостную прочность деталей:

Разработанная технология; положена: в основу «Технических; условии» ТУ 1-503-0100-2002 «Поставкам отливок из жаропрочных никелевых сплавов ЖС6У-ВИ, ЖС6УМ-ВЩ прошедших; высокотемпературную газостатическую: обработку» предприятия ОАО: «НПО «Сатурн» (Приложение !) и внедрена в серийное производство:

Вторая I важная прикладная задача, решаемая в настоящей работе -исследование; эффективности! ГИП в технологической: цепи? ремонтно-восстановительной? обработки: лопаток: ГТД i из; жаропрочных; никелевых: сплавов 1 после длительной наработки: В работе; показано, что и в данном случае; газостатирование, проведенное по режиму ТУ 1-503-0100-2002* является эффективным способом уплотнения? материала; (размер микропор в «отработанных» лопатках ГТД после ГИП уменьшается; на; порядок величины): и вносит; существенный; вклад в восстановление; исходной микроструктуры и свойств жаропрочного сплава:

1 ЬО

1. Тезисы доклад. «International Conference on HIP». Москва, В ИЛ С," 2002, 55 с.

2. Теория-и практика горячего изостатического прессования. В сб. «Ракетно-космическая техника», Москва, ЦНИТИ «Поиск», 1990, 137 с.

3. С.С.Хаюров, Технология легких сплавов, 3 (1985), с.с. 43-54:

4. А.П. Матвеенков, Ю.И. Пономарев, Итоги науки и техники. ВИНИТИ, Сер Порошковая металлургия,-б (1992) с.с. 3-31;5: L.G. Fritzemeier, Патент США № 5 573 609; Межд. кл. C21DTY78, 12.11.1996;

5. J.M: Eridon et al: Патент ClIIA ^fe 4 743 312, Межд. кл. C21D 1\7S, 10.05.1988 г.

6. М Б, Бронфин, Л.П. Сорокина, О Б. Тимофеева, Н.Ф. Шлыкова, Вестник ноу-хау, вып. 1, -V» 2 (1993) 83.8: Р. Валиев, Л. Корнелюк, И. Разумовский и В. Сергеев, ДАН СССР 320,5 322 (1991).

7. Ю.А. Бондаренко и др., в сб. «Литые лопатки газотурбинных двигателей»;под ред. Е. Каблова, Москва, МИСиС, 2001, стр. 420:

8. И.М. Лифшиц, В.В. Слезов, ЖЭТФ 35 (1958) 479.

9. П. Madden H.D. Патент США .У» 1 081 618, 1913.

10. Фирма Alcoa, патент США 3 496 624, кл. 29 196.2, 1970.

11. Bailey P.G., Schweikert W.H. In: Superalloys. Metallurgy and Manufacture, 1976, p. 451-468.

12. Отчет по теме «Исследование и разработка рациональных режимов высокотемпературной газостатической обработки отливок из титановых сплавов ВТ5Л и ВТ20Л» от 611.89 ""

13. Chen Q.Z., Jones N., Knowles D.M. Acta Materialia 50 (2002) 1095-1112Ш

14. Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для. аэрокосмических и промышленных энергоустановок, т.т. I и II. Ред. Симе, Столофф, Хагель. Пер. с англ. М., Металлургия, 1995 г.

15. Производство высокотемпературных литых лопаток авиационных ГТД. Под ред. С.И. Яцыка. М., Машиностроение, 1995, 256 с.

16. Литые лопатки газотурбинных двигателей. Под ред. Е,Н. Каблова. М., «МИСИС», 2001, 632 с.

17. С.З. Бокштейн, С.С. Гинзбург, С.Т. Кишкин, И.М. Разумовский и Г.Б. Строганов. Авторадиография поверхностей раздела и структурная стабильность сплавов. М:, Металлургия, 1987, 272 с.

18. О.В. Маркович, Н.Г. Орехов и И.М. Разумовский, Физика металлов и металловедение 78 (1994) 91.

19. А.В. Логунов. Структурная стабильность и принципы легирования высокожаропрочных литейных никелевых сплавов. Дис. на соиск. уч. ст. док. тех. н., ВИАМ, М.: 1981, 485 с. с илл.

20. Н. Harada, V. Yamazaaki, Y. Koizumi et al. Proc. Inter. Conf. On High Temperature Alloys for Gas Turbine. France, Liege, 1981, p. 721.

21. F.G. Humphreys, M. Hatheriy, "Recrystallization and Related Annealing Phenomena". Pergamon, Elsevier Science Inc., Tarrvtovvn, NY, 1996

22. R.D. Doherty, Metal Science, 16 (1982) 1-13

23. V. Randle, B. Ralph, Acta Metallurgica, 34 (1986) 891-898.

24. A. Porter, B. Ralph, Jpurnal ofMateriaJs Science, 16 (1981) 707-713.

25. B. Lindsly, X. Pierron, Sub-Solvus Recrystallization Mechanisms in UDCvtET®Alloy 720LI. Superalloys 2000. Ed. by T.M. Pollock, R.D. Kissinger. R.R. Bowman et all. TMS (The Minerals, Metals &Materials Society), 2000, pp. 59-68.

26. S.D Bond, J.W. Martin, "Surface Recrystallization in a Single Crystal Nickel-Based Superalloy", J. Mater. Sci., 19 (1984), 3867-3872.

27. T. Khan, P. Caron, Y.G. Nakagawa, "Mechanical Behavior and Processing of DS and Single Crystal Superalloys", J. Metals, July 1986, 16-19.

28. U. Paul, P R. Sahm, D. Goldschidt, "Inhomogeneities in Single-Crystal Components", Mater. Sci. Eng., A173 (1993), 49-54.

29. R.W. Salkeld, T.T. Field, E.A. Ault, "Preparation of Single Crystal Superalloys for Post-Casting Heat Treatment", L'S-Patent 5,413, 648 (1995).

30. R. Burgel, P.D. Portella, Ji Preuhs Recrystallization in single crystals of nickel; base superalloys. Superalloys 2000. Ed. by T.M. Pollock, R.D. Kissinger, R.R. Bowman et all. TMS (The Minerals, Metals &MateriaIs Society), 2000, pp. 229238;

31. S. Kitajima, M. Ohta, H. Tonda, "Production of Highly Perfect Copper Crystals with Thermal Cyclic Annealing", J: Crystal Growth, 24\25 (1974), 521-526

32. W.J. Gostic, "Cyclic Recovery Heat Treatment'VUS-Patent 5,551,999 (1934).

33. О.А. Кайбышев и Р.З. Валиев. Границы зерен и свойства металлов' Москва, изд. Металлургия (1986).

34. Razumovskii, L. Komelyuk, R. Valiev and V. Sergeev, Mater. Sci. Eng. A 167 (1993) 123.

35. E. Болберова и И. Разумовский; Заводская лаборатория. 55 (1989) 36.

36. R.Z. Valiev, V.Yu. Gertsman and О. А. Kaibyshev, Phys. Stat; Sol. (a) 97 (1986)11.

37. C.3. Бокштейн, H.B. Мигунова и И.М. Разумовский, Физика металлов и металловед. 9 (1990) 1911

38. L.G. Komelyuk, A;Yu. Lozovoi and I.M. Razumovskii; Phib Mag- A 77, № 2 (1997) 46545; L.G: Komelyuk, A.Yu. Lozovoi and I.M. Razumovskii; Defect and Diffusion Forum 143-147 (1997) 1481.

39. N.P. Zulina, E:V. Bolberova and I.M. Razumovskii, Acta metall. mater. 44 (1996) 3625.

40. A S. Ostrovsky, B.S; Bokstein. App!. Surf. Sci 175-176 (2001) 312.

41. M.A. Кривоглаз, A M. Масюкевич, К.П. Ряоошапка. ФММ23 (1967) 200.

42. И;М. Лифшиц, В В. Слезов. ЖЭТФ 35 (1958) 479.

43. ИМ. Лифшиц, В.В; Слезов. ФТТ 1 (1959) 1401:

44. F.S: Наш. J: Phys. Chem. Solids. 6 (1958) 335.

45. B.S. Bokstein et al. Mater. Letters 39 (1999) 77.

46. Б.С. Бокштейн. Диффузия в металлах. M., Металлургия, 1978. 248 с.

47. F.R:N. Kabarro. Rep. Conf. Of the Strength of Solids, Phys. Soc., London, 1948. p. 75

48. И.М. Разумовский. Диффузия по внутренним поверхностям раздела и структурная стабильность жаропрочных сплавов. Дис. док. физ.-мат. наук, М.: ВИАМ, 1988, с. 153.

49. В.И. Голованов, А.В. Логунов. Перспективные технологии ОАО «Композит», Авиапанорама, № 2 (2003) с. 26.

50. H.B. Петрушин. Основы легирования жаропрочных никелевых сплавов с ориентированной структурой для турбинных лопаток перспективных авиационных двигателей. Автореф. док. дисс., Москва, ВИАМ. 1997 г.1 ЪН

51. Заключение № 51-0117-02. Авторадиографическое исследование повреждаемости материала лопаток ГТД из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У в процессе длительной наработки. ОАО «Композит». 2002.

52. Заключение 67-0117-02. Исследование влияния длительной наработки и восстановительной обработки на микроструктуру, распределение элементов и фазовый состав лопаток из никелевого сплава ЖС6У. ОАО «Композит». 2002.

53. Итоговый отчет № 16-01174)3 по договору JSa 27П/0117-02/9743-88. Исследование процесса восстановления структуры и свойств лопаток ГТД из сплава ЖС6У после длительной наработки. ОАО «Композита, 2003

54. М.Б. Бронфин, Г.С. Булатов, И.А. Другова, Физика металлов и металловедение, 40 (1975) 363.

55. А:В. Логунов, В.И. Голованов, И М. Разумовский, С.Ф. Маринин, А.А. Тихонов, В.А. Поклад, В С. Фролов, Ю.Г. Быков. Газостатическое прессование эффективный способ устранения несплошностей в лопатках , ГТД. Перспективные материалы, «\» 3 (2004) с. 12-16.

56. J: . I С5ivpS»НС-ГО.' Лi-'i? 6кrc p П: О.*.':■ cKuM!to'*•*.r;>я.1. УТВЕРЖДАЮ: . .

57. Главиыи>«<женср-; OAO^fliO «Сатурн»5;1. Крылов:B:H:--- v*'г< i.1. Г l!-1г