автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Исследование и разработка жаропрочных никелевых сплавов с использованием методов теории распознавания образов

РГ8 ОМ

1 3 М 1805

урлльскии государствен и ып технический университет"

На правах рукописи

ГОТОВЦЕВЛ Елена Рудольфовна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ТЕОРИИ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ

Специальность 05.16.04 — Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

екатеринбург 1995

Диссертационная работа выполнена па кафедре «Машины и технология литейного производства» Уфимского государственного авиационного технического университета.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Танеев А. А.

Научный консультант: доктор физ.-мат. наук,

профессор Брусилове кий П. М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Гордон Я- М., канд. техн. наук, старшин научный сотрудник Барышев Е. Е.

Ведущее предприятие: Акционерное Общество Уфимское моторостроительное производственное объединение (г.Уфа).

Защита состоится 19 июня 1995 года на заседании специализированного совета Д.063.14.01 по защите диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук при Уральском государственном техническом университете.

Адрес: 620002, Екатеринбург, К—2, Втузгородок, Уральский государственный технический университет.

Справки по телефону: 44-84-76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета.

О13ЫВЫ на реферат, заверенные гербовой печатью, просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан 18 мая 1995 года.

~Ученьгй~секретарь--

специализированного совета, -л,

д-р техн. наук, профессор г^щМ^ Н. С. Шумаков.

- 3 -

ОБШ ХАРАКТЕРИСТИКА РППОТН

ЛКТЗЛЛЬНОСТЬ ТЕХН. Технический прогресс в области реактивного двигатместропния определяется прежде всего повышением рабочих температур газовик турбин. Однако параметры рабртн турбин ограничиваются характеристиками жаропрочных материалов, применяемых для лопаток .

Лопатки изготовляются в основном из литейных жаропрочных никелевых сплаьов, Слояность конфигурации лопаток, в частности, наличие внутренних полостей, делает литье не только экономичным, но и единственно возможны* методом их получения. Кроме того, литые сплавы, состав :;оторнх не ограничипается условиями хорошей обрабатываемости при пластической деформации, могут иметь более высокуп степень легирования, а, следовательно, поваженную жаропрочность, В результате достигается их преимущество в жаропрочности примерно на 45-602 по сравнении с деформируемыми сплавами.

В настоящее время отечественная промижленность располагает яи-роким ассортиментом жаропрочных никелевых сплавов различного назначения . Находясь по жаропрочности на уровне зарубежных сплавов , они оригинальны по состалу и более экономичны.

Наиболее распространенные в отечественной практике авиационного газотурбиностроения лопаточные спланн 2СВ-К и ЗС-ВУ имеют предел стгчасовпй длительной прочности при 1000°С не более 150-160 и 173 МПа, а при .1050°С - 80 и 110 КПа соответственно. Эти свойства уже не удовлетворяют современным условиям эксплуатации турбинних двигателей П связи с требованиями значительного увеличения ресурса и.по-внжения рабочей температуру.

Для лопаток новых нищих двигателей необходим« жаропрочные

О

материалн, способные работать при температурах 1000 С и пыже при одновременном воздействии агрппгипнлй срсдн и высокой нагрузки.

Гели р г г,11ргч!чшы\ ь; г мрппроччнх спляюв составляет

30-40 У. от массы турбины, то через 10-15 лот их масса должна составить 50-50%.По некоторым прогнозам в предстоящие 10 - 15 лег мощность двигателей возрастет в 2-3 раза, а рабочая температура основных двигателей повысится до ЮЯ00 С." .Анализируя развитие жаропрочных сплавов за последние несколько лет, В.Симмонс и Г.Вагнер отмечают, что сделанный ранее прогноз в отношении применения тугоплавких металлов и сплавов, а также дисперсионно упрочняемых кеталлОокисных сплавов не оправдался, и еллави на никелевой основе на 6лихай«ие десятилетия останутся основными материалам для газотурбинных двигателей.

Поиск к создание новых материалов составляет одна из ведущих проблей развития человеческой цивилизации.Сейчас,когда сфера применения материалов все более распространяется на области ранее неиз-вестного.начиная от глубин Земли й до космоса роль жаропрочных материалов особенно возрастает.

Однако прогресс в области синтеза новых сплавов в значительной степени сдерживается отсутствием • эффективных методов определенна области поиска.Бее еще приходится руководствоваться чутье* исследователя в выборе нужных композиций сплавов.Приходится затрачивать огромные средства на исходные дефицитные материалы,дорогостоящее оборудование и проведение бального количества плавок. Эти затраты чаче всего не окупаются результатами поиска,поглоцаа человеческие ресурсы.

Нужны новые эффективные методы предсказания области существования материалов с необходимым комплексом свойств,Такой прогноз рационально сузит сферу поиска.сделав затрат тех же средств во много раз ^эффективней.

В связи с зтии, в данной работе испйьзован~новий—подход— к-

проблеме прогнозирования свойств сплава,опиравшийся на возиовность использований ЭВМ и применения методов теории распознавания образов СГР0).

ЦЕЛЬ НАСТОЯЩЕЙ РЯПОТК - разработка математической модели влияния легируюцих элементов на жаропрочность никелевых сплавов и синтез високояаропрочногс никелевого сплава на ,3811, используя получении») модель.

В работе ревались следующие задачи:

1. Разработка структуры Сазы данных и алгоритма информационно-поисковой системы по жаропрочным никелевым сплавам с удаленным доступом в сетях Яе1сош, Работа выполнялась в рамках программы Рос НКИ ИС "Рагзитие образованна России".

2. Выбор оптимального легирувцего ряда и легирующего комплекса для жаропрочных никелевых сплавов на основании применения законов физического металловедения.

3. Разработка алгоритма и математическое моделирование влияния легирущих элементов на жаропрочность никелевых сплавов. Адаптирование математической модели жаропрочного никелевого сплава к условиям, соответствующим заданному технологическому процессу,

4. Разработка методики синтеза многокомпонентных ларопрочвых никелевых сплавов с использованием ЗВИ.'

5. Экспериментальные исследования и сравнение механических и литейных свойств синтезированного сплава со свойствами базового сплава 1СВ-К.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА предлоаенной работы заключается в том, что

- впервые собран банк данных на естественном языке по хкмичес- . ким составам и свойствам «аропрочных никелевых сплавов,в который воили сведения более чем по ООО отечественным и зарубежным сплавам, глубиной поиска 40 лет по конец 1934 г. включительно.

- для речения задачи синтезирования многокомпонентного жаропрочного сплава был выбран дискриминантный анализ ТРО, обьединявяий эвристические методы,что связано с характером'обрабатываемой информации,где статистические свойства массива данных по '■«аропрпчннм сплава* неизвветни.

- бпервые разработала технология формирования' и дистрибуции проблемно-ориентированных баз данных по »аропрочным сплава«. Разработана структура и алгоритмы баз и дашшх (БД) и информациошт-поис-ковой системы (ИПС) по «аропрочным никелевым. Создана БЛ и осщест-клена программная-реализация 1!ПС.

- впервые-разработана база .данных по физически« характеристикам атомов элементов и пакет прикладных программ СП'ПП), использующий законы физического .'металловедения, позволяющий анализировать . первичные и прокек^точние фазы твердого раствора," Делать прогноз и анализировать качество эмпирических параметров (на основе которых проводится анализ сплавов), входящих в расчет различных физико-химических свойств сплавов.

- с данной работе сформирован новый' подход н моделирование слабоформ.тлизованной задачи синтеза' выпокозаролрочного сплава. Развить методы автоматизации процессов классификации и принятия, решений,где с определенным успехом преодолевается основная трудность обработки такого рода дашшх:их частая неопределенность и значительная размерность массива исходных данных. Разработана новая методика синтеза жаропрочных никелавых сплавов с использованием методов ТРО.

- построены полиномиальные модели влияния химического состава на жаропрочность. Проверена адекватность моделей непараме.тричес-кими методами и выбрана наилучшая модель.

- произведен синтез нового многокомпонентного высокожаропрочного сплава НГАТН-1 на основе методоЕ ТРО, состоящий из системы

I

расчетных методов; впервые исследованы механические и литейные свойства "синтезированного-сплава,-произвелено_сравнение их_со_свойствами* базового сплава 1С6-К.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ, Проведенные исследования позволили .создать новую методику синтеза жаропрочного никелевого сплава с использованием, .методов ТРО и ЗБК, построить математически.* модель влия-

ния химического состава на жаропрочность никелевых сплавов, и проверить ее адекватность действительности; разработать методику выбора легирующего ряда, используя законы физического.металловедения; разработать технологию формирования и дистрибуции проблемно-ориентированных баз доннах ло яаропрочным никелевым сплавам.

Предлохенпая технология и методики могут быть непосредственно использованы при создании баз данных и синтезе внсокохзропрочных материалов с другими металлами-основами.

Комплексная методика синтеза ааропрочных никелевых сплавов доведена до инженерного уровня. Она позволяет эффективно разрабатывать жаропрочные никелевые сплавы на ЗВК, применяя методы ТРО; базируется на выборе легирующего ряда и комплекса, физико-химических методах анализа элементов, учете их электронного строения, достижениях физики твердого тела и на базе данных о современных жаропрочных сплавах.

Построение математической модели жаропрочных сплавов дало возможность разработать комплексную методику синтеза сплавов, сваэиваювд» их химический состав и свойства.

Оценки показывает, что использование математической модели и разработанной методики синтеза сплавов позволяют по сравнении с суцест-вуюдими методами:

в 4-5 раз сократить сроки разработки жаропрочных сплавов; снизить в 40-50 раз трудозатраты на разработку сплавов; сэкономить в 10-20 раз дефицитные и дорогостоящие материала. Разработаны высокожаропрочные никелевые сплавы, имевцие более высокие по сравнении с сучествуюциыи литейные свойства и долговечность при 1000вС. Произведена апробация нового сплава в производственных условиях.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ, Основные положения и результаты диссертационной работы демонстрировались и докладывались на Международной выставке, проведенной коммерческим центром "Лигас" 19-20

- в -

сентября i393 г. к НГАТ9; Международной.выставке "Научно-технические- достижения, и интеллектуальная собственность внсаей иколи" 20-24 декабря 1394 г., г.Москва; Республиканской научно-технической конференции "Физико-хикия металлических и оксидных расплавов" (Екатеринбург, 1993 3, Научно-технической конференции "Оптимизация техно. логических процессов и управление качеством, при производстве фасонных отливок", (Ярославль,!923). Всероссийской молодежной научно-технической конференции "Технология и оборудование современного иалиностроения", (Уфа, 1994), на научных семинарах УГАТУ, The Second Russian-Sino sysposíun on astronautlcal science and tecbnigiie, fibstraets. June 30,3uly 4, 1S92.

В настоящее время копии созданной баз« данных и пакета прикладных программ вироко используются на следцвдих предприятиях: АО УНПО (акционерное общество афинское моторостроительное производственное объединение V НПО "Мотор", «В НПП "Сплав". БРЦ НИТ (УГЛТУ1, Рос НИКС и Рос НПО (г.Косква) . '

В условиях fiO УИПО были проведены плавки сплава УГАТЗ-1, исследованы механические и литейные свойства сплава, отлити турбинные лопатки авиадвигателя.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано- 12 печатных работах. Получено 4 свидетельства о регистрации изобретений. Список основных работ приведен в конце автореферата. Структура и обьем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литература (175 наименований), приложений. Обций объем ■ диссертации составляет 195 страниц, из них 17Б страниц основного тек-"'ста, 30 таблиц; 15 рисунков.

С0ДЕРШ1ИЕ РАБОТЫ --

Введение содержит характеристику актуальности выбранной тени диссертационной работа, посвященной разработке методики синтеза кари-

прочных никелевых сплавов с использование* методов ТРО и ЭМ. С формулированы цель работы и основные поло«ения, выносимые на защиту, а так-зе отрадена научная новизна выполненных исследований и их практическая ЦЕННОСТЬ.

ГЛАВА i. ОБЗОР ЛНТЕРЙТЯРЙ

Во первом разделе рассмотрено состояние вопроса в области разработки аарплрочпнх многокомпонентных сплавов.Рассмотрены основные группы материалов, применяемые для этой цели в промиюленности.Особое внимание было уделено яаропрочнын сплавам на основе никеля, как одним из свь.,<х перспективных в этой области.

Во второи разделе произведен анализ условий работы харопроч-иих сплавов на никелевой, основе и сформулированы основные требований к ним. Рассмотрено влияние физических и структурных факторов на жаропрочность никелевых сплавов, определены тенденции их развития.

В третьем разделе собран банк данных на естественном языке по химическим составам и свойствам жаропрочных никелевых сплавов,в который вошли сведения более чем по ROO сплавам,

В четвертом разделе проведен анализ современных методов ТРО (теории распознавания образов), который показал, что для ромения задачи синтеза жаропрочных многокомпонентных сплавов с помощью 3RIÍ нудно обратиться к методам и приемам распознавания образов.

В последнем, пятом разделе на основе анализа'литературных данных для реяения задачи синтеза многокомпонентных жаропрочных сплавов был выбран дискриминантный анализ ТРО, объединяющий эвристические метода, что связано с характером обрабатываемой информации,где статистические свойства массива .данных по жаропрочным сплавам неизвестны, сформулированы конкретные задачи диссертационной работы.

глпвп ?. «торил ишпловяння

В первом разделе данной главы описана общая методика проведения работы. Приведена схема разработанной комплексной ыетодики синтеза гаропрочных никелевых сплавов методами ТРО на ЭВМ.

Во втором разделе приведена методика обработки результатов ак-спериментов. Приведен метод исключения грубых оиибок по критерию Стьюдента и метод определения доверительного интервала.

Б третьем разделе приведена методика плавки и заливки образцов. Формы для отливки образцов изготавливали методом выплавляемых моделей.

Расчет шихты производился на основании предварительных исследований угара легирующих элементов. Ка«дая плавка подвергалась химическому и спектральному.анализу по всем элементам, кроне бора и РЗМ. На бор, церий, неодим и цирконий проводили только качественный анализ.

Б четвертом разделе излокен'а'ыетодика испытания образцов.Образин на длительную прочность ислытывались в литом состоянии, без термической и механической обработки.

Испытания на кратковременнуп прочность проводились на машинах типа 1Ш-4Р, на ударную вязкость - маятниковом копре, твердость замеряли на ударных образцах на прессе Бринеля.

Для выявления микроструктуры сплавов был использован метод химического травления. Состав тровителей, а так*е условия травления приведены в данной главе.

ШВА 3,РАЗРАБОТКА БЛЗВ ДАШШХ И Ш1Ф0РШШШИ10-П0ЦСК0В0Я СИСТЕМЫ ПО 1АР0ПР0ЧШ-НИКЕЛЕВЫИ СПЛАВА«

Разработка технологии - формирований—и дистрибуции___проблем-_

но-ориентированннх баз данных по харопрочным сплавам является ваш-ной и актуальной, так как в настоящее время большинство ПЭВМ в нашей стране используется автономно.

В первом разделе этой гласи описано создание базы данных по жаропрочным никелевым сплавам, которое состояло из рассмотрения характеристик современных СУБД (систем управления базами данных), анализа их с точки зрения требований, которым должна удовлетворять СУБД для создания базы данных по жаропрочный никелевым сплавам; разработки структуры и наполнения базы данных по жаропрочным никелевым сплавам.

Основой созданной проблемно-ориентированной базы' данных по жаропрочным сплавам являлся банк данных но естественном языке, содержаний сведения, опубликованные в различных отечественных и зарубежных источниках глубиной поиска 40 лет по конец 1334 года включительно.

База данных по жаропрочным сплавам реализована в выбранной для поставленной задачи СНПД "FOXPRO". Создана как основная (оСцая) база данных, так и IS БД но классам жаропрочных никелевых сплавов.

Эти классы били выделены из общей БД методом последовательной кластеризации по типу основных упрочнявших фаз. Б;! содержит 31 поле записей с различными характеристиками жаропрочных никелевых сплавов. Файл, содержаний основную БД занимает 330 Kbt.

По втором разделе приведены общие сведения о современных СУБД (системах управления базами дшишх). Произведен выбор СУБД, удовлетворяющей требованиям стояцей перед разработчиками задачи.

Выбрана СУБД FoxPro, т.к. она ; позволяет создать реляционная, • одноконтурную БД; поддерживает работу в сети Kelcoa; имеет В наличие в висаей степени изяцный API - программный интерфейс, уникальный среди продуктов ДОС.реализугдий основные операции над таблицами; поддерживает работу в локальных сетях; имеет невольной размер; не очень сильно снижает производительность с увеличение» числа пользователей; работает в минимальной конфигурации PC XT, выигрывает в скорости, расширенной .памяти, расширенных видео режимах.

• fi третьем разделе данной пи»'« аикшю создлнко' ин^армционно-

поисковой системь ¡5ШС) но жаропрочным никелевым спланам. Приведена облая схема ИПС, функциональная структура ИПС, схема реализации режимов работы ИПС. Приведено описание основных режимов работы главного меню и суз5вствуи5;их подмени системы. Дана характеристика разработанной ИПС, приведена ее программная реализация, дани различные модули поиска запросов к базе данных к корректировки данных в базе, учебная версия НПО.

В четвертой главе произведен выбор компьютерных сетей удаленного доступа, описаны сувдс'твувцие подходы к разработке систем удаленного доступа к ОД, приведено описание подсистем« реализации удаленного доступа к.ПД в сетях Pelcoa. Приведены примеры запросов, технология обработки запросов к базе данных и пример файла, отправляемого в ответ на запрос.

Реализация денной технологии позволяет в автоматическом режиме получать и обрабатдаать запроси к тематическим базам данных размещении* на почтовом сервере.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА КОШЕКСНОЯ МЕТОДИКИ СИНТЕЗА ЗЙРОПРОЧШ ' С.ПЛ1ШИ5 НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ТРО (ТЕОРИИ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ).

В данной главе проведено моделирование влияния химического состава на жаропрочность никелевого сплава, основанное на применении методов теории распознавания образов и использовании ЗВК и разработана комплексна» методика синтеза жаропрочного никелевого сплава.

Задача прогнозйрования_свойств_^синтеэа литейного сплава особенно сложная, к в настоящее время сфориулйровани ливь пути, на которых ожидается получение необходимой инфориации. Фактически, это -поиск определявших характеристик химических систем и, в частности сплава, которые обуславливает сущность и специфику механизма упроч-

нения сплава через изучение хикического и фазового состава сплава. Трудности при ревении этой задачи весьма значительны и при выделении характеристик и при их измерении, поэтому при математическом моделировании харопрочних сплавов в качестве первого этапа работы ремалась проблема выбора наиболее эффективных и перспективных легиру'-пцих элементов для никелевых сплавов.

Для анализа взаимодействия никеля с элементами периодической системы Д,И.Менделеева была собрана информация о различных микроскопических характеристиках атомов, составлявших сплав, а затем реализована база данных "АТОМ-ПАТЕ" и система управления базой данных "АТОМ" в среде "РОХРКО". Основой базы данных "АТОМ - ВАТЕ" является банк данных, содержащий сведения об атомах 90 элементов.

С помощью разработанного пакета прикладных программ "П1А£Г!АК$" анализировались первичные и промежуточные фазы твердого раствора, определялся предел растворимости всех элементов периодической системы Менделеева с 1 по 90 номер в выбранном металле-основе - никеле, делался прогноз и анализировалось качество эмпирических параметров по правилам Юм-Розери, Ларкена-Гарри. Григоровича.

С помощью указанных программ в качестве основных легирующих компонентов »аропрочного сплава на никелевой основе были выбрана: Со.Сг, А1, Т1. Мо. ЛЬ, Ш". С, Та. Се. В. 2г. У. которые и были использованы в качестве аргументов полиномиальной модели. На основании эмпирических данных характер влияния аргументов на свойства в области их варьирования считаем неизменным.

Во втором разделе этой главы описана критерии оценки качества моделей. При моделировании влияния химического состава на жаропрочность использовали обьемиув модель, т.е. 14-ти мерное пространство признаков (тринадцать легирующих элементов и свойство). Ойьентои в дайной задаче служил сплав. Отличительным признаком - химический состав сплава,, т.е. процентное содержите каздого легирующего элемента, входящего в сила в. Набор хикичегкк.х элементов принимался за век-

тор признаков. Тогда кажднй сплав представили в пространстве признаков отдельной точкой. В качестве Функции приняли длительную прочность.

С целью выделения компактной группы сплавов с высокими свойствами в пространстве признаков, были применены различные методы ■ кластерного анализа. Для жаропрочных никелевых сплавов меньший про, цент ошибок при классификации дал метод сфер. Этим методом был выделен сравнительно однородный класс сплавов с высокой жаропроч-постьв. /¡алее работали только с ним.

Для решения задачи построения полиномиальной зависимости жаропрочности никелевого сплава от его химического состава были использованы различные методы TP С (теории распознавания образов):

1) Шаговый регрессионный метод ( пакет Statgrafics);

2) МГМ (метод группового учета аргументов);

3) Метод аппроксимации функции многочленом.

Были получены полиномиальные модели 1-й . 2-й и 3-ей степени.

Проверка качества перечисленных выве моделей осуществлялась непараметрическими методами ( по критерии Бокса и Веца): оценивалась экспертами литейщиками по субьективному критерию.

Наиболее адекватной для жаропрочных никелевых сплавов ок'азалась модель, полученная методом аппроксимации функции многочленом 2-й степени.

По критерию Бокса и Всца отклонение истинного значения от его среднего значения в три раза больше рассеяния предсказанного значения.

Задача синтеза нового состава жаропрочного сплава после выбора

полиномиальной. модели~йдекватной~действитель)юсти .-сводилась к зада-_

че отисканкя экстремума целевой функции. В качестве экстремума отыскивался жах fix). Для нахождения жах использовался метод подъема в Физически оправданной направлении. В качестве точки начального приближения выбрали точки Хо с координатами :

С-Х1-0.15: Сг-Х2 = 10; N1^X3 - счи.аитсу л программ« по остатку; Со=Х4=9: Ио=Х5=4:-|^ХВ=7: Т£ =Х7=2; АЬХЗ^З.З; НЬ=Х9=1; Та=Х10=2; В = XII=0.001: 2г=Х12-0.001; Се=Х13=0.001; Концентрации компонентов сплава задами в долях от 100 X.

Задали наг (П.Выбирали ваг для кахдого химического элемента индивидуально с учетом порога его чувствительности: ш=0.001: Л1.2=0.5; АЬЗ--1; /11.4-0.5; ¡11,5=0.1; ¡101.6 = 1.0; П1?--0Л; ЛЬЗ=0.5; ЙЬЭ=0.1; Л1Л0=1.0; 1=0.00015: /11.12=0.001; ¡1113=0.00015;

Задали выбранные ограничения по концентрации легирующих элементов: 10 „< Н ч< 10; 5.0$ А1Ч<6.8; О.Оч< Т1 ,<3.3; 1.5< Та ¿5.0; 0.0( Се ^<0.003; 0.0<: В ¿0.003; 0.0,с 1г ч<0.003;

Вычисления по программе привели к следившим результатам: был получен ряд новых «ропрочных никелевых сплавов с высокой длительной прочностью. Из иих с учетом свойств, стоимости и дефицитности легирующих элементов отобрали для исследования два сплава ЯГАТУ-1 и УГАТУ-2. Исследованы механические, технологиче.ские и литейные свойства сплава ЧГЙТ'-М. Став УГйТН-2 находится в стадии промышленных испытаний.

Рассчитана электронная концентрация синтезированного сплава, она = 2.54 е/ат. что соответствует литературным Данным о электронной концентрации сплавов обладавших максимальной «аропрочностьв.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ СИНТЕЗИРОВАННОГО' СПЛАВА УГАТУ-1 Я ПРСШШШОГО СПЛАВА ЗС8-К

Испытания кратковременной прочности опытного сплава проводились при температурах 20, 800, 300,975,1000, Ш0"с. Определялись предел прочности , условный предел текучести . относительное удлинение. и сжатие. Для сравнения параллельно исследовались механические свойства сплава 1С5-К,

При попивенных темерлтурах (>, 808° С) макбояьнее значение

прочности показал сплав УГАТУ-1, имевчий наиболее высокий темпера-

е

туру плавлении (tc; 1343 С). Наименее прочным оказался сплав ÏC6-K

с

( lc= Î32G С), Пластические свойства сплавов близки по значении и с повы»шшем температуры испытания до 1 ООО°С изменяются незначительно. Повы«ение температуры ( > 1000 С) влечет за собой увеличение пластичности, особенно резкое для сплава IC6-K.

Длигслымя прочность сплавов УГПТУ-1, ÏC6-K исследовалась при температурах 800, 900. S75. 1000, Ю50°С.

Полученные данные показали, что при всех температурах испытания и сроках службы максимальнуи жаропрочность имеет сплав УГАТУ-1. Составленный из унрочнявжсй фазы, с комплексом (Hi,Co>,(ftl,Ti,Nb,TA): GiCC-- 59! «ría; г 459 Kiïa; biûB = 195 Kíla;

377 Hila; = 248 «Па; в^Л 146 МПа;

230 «Па; = Î-Î0 МПа;

Наименее жаропрочным оказался стандартный сплав IC6-K Kl (ftl+Tl): С* = 526 «lia; ЗЙ8 НПа; G1íc -- 155 lilla:

6¡"*= 304 МПа; = - 180 «Па; 75 МПа;

et'/-- l?3 «Па: . = 93 КПа;

Наибольшая величина длительной нластичнстм отмечается для сплава ЫГАТа-! : С = 4.9- 5.7; ^ =6.5-6.3.

Сплав JC6-K показал в среднем Ь' = 3.8-4,7; Ч' = 4,8-6,4. 1д;юстойкость сплавов исследовалась при температурах 300, 1000

о

и Í05Q С в атмосфера воздуха в течение ICO часов. Результаты испытаний показали, что сплавы по степени понижения жаростойкости в интервале исследованных температур иогут быть расположена в следуяций

--ряд;-УГЛТУ-1 ,-ICü^K.___________

1идкотскцчссть огштного сплава УГАТУ-1 и 1СБ К определяяасьпо-

длине заполнения металле* У-образного канала халой комплексной пробы Нехендзи-Кцнцора, залитой в вакууме. Условно-истинная жидкотеку-честь глштнйго сплава-, определенная по комплексной пробе, имеет более выеркие значения,. чек сплавя ¡tCfi-K.

Свободная линейная .усадка опытного сплава примерно такая же, как и сплава ICG-K.

Результаты измерений суммарной кирнии трещин на всех участках тор-мокения малой комплексной пробы показали, что более трездаюустойчикнм

о

сплавом является ЗГЛТ9-1. При перегревах порядка 50-00 С спланы имеют мелкозернистое строение, характеризувщееся наличием столбчатых и равноосных кристаллитов. При этих температурах наиболее крупнозернистым строением отличается сплав 15ГЯТУ-1. однако у него отсутствует резкий переход от зоны столбчатых кристаллитов к безразлично ориентированным, что весьма благоприятно для использования при высоких температурах.

Лля выявления микроструктуры сплавев было использовано химическое травление в реактиве, состоящем из трех кислот (32 мл HCl, 5мл R, SOj . 3 ыл ).

В микроструктуре сплава ТСб-К крупных избыточных фаз не наблида-стся. В результате Горячих испытаний отмечается увеличение количества светлой фазы внутри зерен. Сплав УГЛТУ-1 имеет дендритное строение с типичным для такой структуры неоднородным распределением легирующих элементов. В термически обработанном сплаве присутствуют те»е фазы, . что и в сыром. Горячие длительные испытания при температурах вы«е 900 С не вносят существенных изменений в структуру сплава - не происходит качественный структурных изменений, но отмечается некоторое увеличение количества светлой фазы по границам зерен. Проведенный металлографический анализ с ориентацией фаз позволил проследить за кинетикой фазовых превращений и установить, что в результате длительных испытаний в сплавах JC8-K и УГЛТУ—t не происходит полного растворения Фаз и образования новых.

Проведена исследования влияния состояния сплавов на их свойства. Выявлено, что разупрочнение сплава при длительных испытаниях (1=375*0, (э -200 й11а> происхидит за счет коагуляции упрочнягщи* фаз.

Сплав Ш'ЛТЯ-! без термообработки имеет - 10GÖ НПа, после

л/

закалки - ¿¿=1130 НПа, «икр о твердость основы сплава у - фазы соответственно Ji = 413 и И = 472.- При длительных испытаниях (t=975>

W «о *

микротвердость f -Фазы и время до разрушения при - 200 ИПа лракти-.-ески одинаковы в сирых и закаленных образцах: ¡¡100 у - фаз« находится в пределах 354-369. Разрушение носит межзеренный характер.

Преимуществом сплава УГЛГ!М по сравнению со стандартным IC6-K является более высокая жаропрочность и стабильность структуры при температурах выше 075 С.

Сопоставление механических свойств сплавов УГЛТУ-1 и ¡ECS-K при комнатной и рабочей температурах показывает, что они обладают высокими прочностными характеристиками, которые практически не изменяются в интервале температур 20-900"С и при 300 "С спиваются всего на !S-20/í no сравнению с соответствующими значениями предела текучести И временного сопротивления при комнатной температуре.

При более высоких температурах испытания (950-1050"С) разупрочнение сплава иГйТУ-1 происходит более медленно, в результате его прочностные показатели выие. чем у сплава IC0-K.

При температуре 9?5 С сплав ICG-K имеет G^ce =573 Vila и 6¡eec 93 КГСа. сплав ЦГЙТЦ-1 = 230 Ш>, С* =140 «Па.

. Интересно также отметить, что у более легированного сплава ÍC6-K наблюдается более интенсивное разупрочнение не только с повышением температуры, но и с увеличением времени пыдержки. Для сплава

^SCO ilr „„„ г**

IC6-K отношение 61J0 Л'-1«, - 0,578: ЬЛСО / tw =0,329; vl0a„ /6,^ =

0,730; /С* =0,593; bÍOOC / =0.538; для сплава УГАТ!Ы

соответственно - 0,612; 0.362; 0,772; 0.629; 0.580.

--Ввиду-того,_что_воличина температурного интервала затвердева

ния сплава серьезно влияет на характер кристаллизации (преобладание

последовательной или обьекной) на условия питания и плотность отлй

¿DK, на обьем, форму и расположение усадочных раковин и рлхлостй,

можно предположить, что сплав ШШ]~1. имевший 6 1-28 С, обладаем •

■ i>

ощюделсшшм преимуществам пород сплавом ЯСС-К, имевшим Д t-4? С.

- 1Э

Сплав НГйТи-1 имеет также наименьший обьем усадочных пор Упор"/, по сравнению с базовым. При этом у сплава УГЛТУ-1 обьем пористости (I/ пор 2) меньие обьема концентрированной раковины (Ирак.Л. Это свидетельствует в пользу положения о том, что сплав УГЛТ1Ы отличается более последовательны* характером затвердевания по сравнение со сплавом ЗС6-К,

Полученные данные хоромо согласуются с результатами определения коэффициента направленности затвердевания: УГЛТУ-1 - ^ = 0,40 1СВ-Н - <¿=0.35.

Лучяие значения характеристик литейных свойств сплава УГЙТУ-1 по сравнению со сплавом ЕСб-К обусловлены химическим составом этого сплава.

Полученные данные показывают, что сплав УГЛТУ-1 обладает наиболее высокими механическими ( :>. 800 С), жаропрочными и литейными свойствами по сравнении со сплавом 1С5-К и может быть рекомендован к производственному опробования. На сплав подана заявка в Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам.

В условиях серийного производства произведено опробование нового жаропрочного сплава УГАТУ—1, путем отлинки двух наименований лопаток турбины, имевших жесткие технические условия, особенно в отновении жаропрочности, усадочной пористости и окисных вклпчений.

Отливка производилась по серийному технологическому процессу (по методу выплавляемых моделей) на серийном оборудовании и с применением серийных методов контроля качества отливок и качества материала лопаток.

Исследойаниями установлено:

1. Отлитые яолатки по качеству соответствуют техническим условиям.

2. Материал лопаток из нового спяава па механическим и «аро-прочннм свойствам превосходит отечественный сплав ЗСб-Н того ае назначения чак на отдельно о?лгт, образцах, так и, что особенно ваяно.

-гона образцах, вырезанных из тела лопатки.

3, Сплав ИГй"Ш-1 обладает высоким комплексом литейных свойств и по наиболее вашим из них превосходит ЗС8-Н.

На основании вышеизложенного сплав УГЙТУ-З рекомендован для производства особо ответственных лопаток турбины авиационных двигателей,

О С НОВ!! НЕ РЕЗУЛЬТАТЫ К ВЫВОДИ

1. Разработана комплексная методика синтеза жаропрочных никелевых сплавов с использованием методов ТРО и ЗВН.

Сформулирован новый подход к моделировании слабоформализован-ной задачи синтеза высококаропрочного сплава. Развиты методы автоматизации процессов классификации и принятия режений.где с определенным успехом преодолевается основная трудность обработки такого.рода данных: их частая неопределенность и значительная размерность массива исходных данных.

2. Построены полиномиальные модели влияния химического состава на жаропрочность никелевых сплавов, Проверена адекватность полученных моделей непараметрическими методами. Выбрана наилучиая модель.

3. С помоцьв указанной методики разработан новый многокомпонентный высокожаролрочный сплав ЙГАТУ-1. В производственных условиях были проведены плавки сплава УГЛТ!М, Исследованы механические и литейные свойства синтезированного сплава. Определены: температура сслидуса, температура ликвидуса,практическая и условно-истинная жидкотекучесть, суммарная нирина трещин, относительная величина линейной усадки, обь-ем„усадочных_раковин.и газоусадочная пористость.

Данные, полученные в результате аналйза^проведснныхисследова----

ний, показали, что сплав УГАТ1М обладает наиболее высокими жаропрочными и литейными свойствами по сравнению с базовым сплавом КС6.--К. и может бить, рекомендован к промышленному внедрению.

■}. Впервые разработана технялм г,я формирования и дистрибуции. .

проблемно-ориентированных баз данных по варопрочним сплавам.

Создана Г5Д по жаропрочным никелевым сплавам, которая мозет использоваться как компьютерный справочник. Основой ПЛ является собранный банк данных на естественном языке по химическим составам и свойствам отечественных и зарубежных жаропрочных никелевых сплавов, в который вомли сведения более чей по 600 сплавам.

В настоящее время копии созданной базы данных и пакета прикладных программ используются на следущих предприятиях: ПО УУПО (акционерное общество уфимское моторостроительное производственное объединение), НПО "Котор", «В НПП "Сплав", ПРЦ ПИТ (УШУ), Рос НИИС и Рос АПО (г.Иосква) .

5. Разработана база данных по физическим характеристикам атомов элементов и пакет прикладных программ (ППП), использущий законы Физического металловедения.

С помоцыз указанного вч«е ППП в качестве яегирувцих компонентов жаропрочного сплава на никелевой основе выбраны: Со. Сг, А1, Т1, Но. ИЬ: ПГ. С. Та. Се, В, гг. У.

В качестве легирующих комплексов выбраны: Со, 1г, ЙЬ. Р1, Рй, Сг, Н, Мо, Ни, Оз. Ке, Тс; Й1, Та, НЬ, Т1, 7.г, Се.. У, В, С, Н1\ N(1.

В. Выполненный обзор по современным методам ТРО показал,что для решения задачи синтеза жаропрочного многокомпонентного сплава с помочью ЭВИ нужно обратиться к методам и приемам распознавания образов. Для ревения задачи синтеза многокомпонентного жаропрочного сплава был выбран дискриминантный анализ ТРО.

7. Выполнен литературный обзор,в котором рассмотрено состояние вопроса в области разработки и синтеза жаропрочных многокомпонентных сплавов.Рассмотрены основные группы материалов,применяемые для этой цели в промышленности.Особое внимание было уделено жаропрочным сплавам на основе никеля, мак одним из самых перспективных в этой области.

Основние положения диссертации отражены в следующих работах:

1. fl.Л.Танеев, Е.Р.Готовцева Прогнозирование физико-химических свойств синтезируемого.жаропрочного сплава на основе никеля. Пенза; Кеж-пузовский сборник научных трудов "Экономия металла при конструировании и производстве отливок"- 1932.■

2. ft,Я.Танеев, Е.Р.Готовцева Прогнозирование свойств сплавов методом группового.учета аргументов. Казань: Республиканская научно-vex- -ническая конференция "Использование эффективных ресурсосберегающих и экологически чистых техпроцессов в целях повыжения качества и надежности изделий" - 1392.

3. A.A.Caneev.E.R.Gotovtceva Qptieisation of nonliner functional, allowing to establish the dependence between the alloying coeplex arid the properties of nikel alloys. The Second Russian-Sino ву»роз1иж on astronautical science and technigue. Abstracts. Oune 30,3uly 4, 1992.

4. А.А.Танеев, E.P.Готовцева Синтез новых составов жаропрочных сплавов на основе никеля с использованием ЗВК. Суздаль: Научно-технический центр "Информатика" - 1933,

5. А.А.Танеев, Е.Р.Готовцева Компьютерная система "Растворимость элементов в металле-основе", Екатеринбург: Республиканская научно-техническая конференция "Фиэико-химия металлических и оксидных расплавов" - 1993.

6. А.й.Танеев, Е.Р.Готовцева Катематическое моделирование многокомпонентного жаропрочного сплава с использованием ЭВК. Пермь: Научно-техническая конференция молодых ученмх. - ноябрь,1993.

7. А.А.Танеев, Е,Р.Готовцева Прогнозирование комплексного свойства -

жаропрочности литейноГо^никелевого сплава с использованиемjiaTeMaTH-^_

ческой модели на ЭВЛ. Ярославль: Научно-техническая конференция "Оптимизация технологических процессов и управление качеством.при производстве фасонных отливок" - 1993.

8. Л.А.Танеев, Е.Р.Готовцева Оптимизация химического состава жаропрочного сплйва по электронной плотности, Оренбург: Научно-техническая конференция молодых ученых. - 1994г.

3. й.й,Танеев, Е.Р.Готовцева Применение правил Юм-Розерй для сплавов на основе никеля. Комсомольск-на-Амуре: Международный научно-технический симпозиум "Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятий Дальнего Востока" - 1994. 10. Готовцева Е.Р. Компьютеризации расчетов синтеза жаропрочных сплавов. Уфа: Всероссийская молодежная научно-техническая конференция "Технология и оборудование современного маяиностроения" - 1994 г.

Получены в РосЛПО два свидетельства об официальной регистрации компьютерных программ: . •

1. "Проблемно-ориентированная база данных по жаропрочным сплавам,"

свидетельство N 940015, 1994 г.

2. "Информационно-поисковая Система по современным жаропрочным ни-

келевым сплавам", свидетельство N 940177, 1994 г.

3. "База донных жирокого применения по физическим характеристикам

атомов металлов", свидетельство Н , 1995 г.

4. Пакет прикладных программ "Диаграммы Вм-Розери" свидетельство Н . , 1995 г.

/ *

Разработки по базе данных и НПС río жаропрочным никелевым сплавам демонстрировались на Международной выставке, проведенной коммерческим центром "Лигас" 19-20 сентября 1933 г. в ЯГАТИ;

на Международной выставке "Научно-технические достижения и интеллектуальная собственность высяей жколм" 20-24 декабря 1994 г.. г.Уосква.