автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка высокожаропрочного никелевого сплава с повышенной коррозионной стойкостью в условиях воздействия морской солевой среды для монокристаллических лопаток ГТУ

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА С ПОВЫШЕННОЙ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОРСКОЙ СОЛЕВОЙ СРЕДЫ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ГТУ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2015

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования — «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»

Научный руководитель:

Шатульский Александр Анатольевич, доктор технических наук, профессор, РГАТУ имени П.А.Соловьева, зав. кафедрой «Материаловедение, литье и сварка»

Официальные оппоненты:

Самойленко Василий Михайлович, доктор технических наук, профессор, Московский государственный технический университет гражданской авиации, декан механического факультета;

Гадалов Владимир Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроительных технологий и оборудования», Юго-западный государственный университет.

Ведущая организация: Государственный научный центр Российской федерации федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей".

Защита диссертации состоится 24.06.2015 в 13:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.210.03 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования - «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. 237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования - «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева», адрес www.rsatu.ru.

Автореферат разослан «23» апреля 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

РОССИЙСКАЯ )ГОСУДАРСТВЕННАЯ I БИБЛИОТЕКА j__?U15_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ведущими мировыми производителями энергетических установок и правительствами высокоразвитых западных стран в настоящее время выделяется огромное финансирование на работы по повышению эффективности и топливной экономичности газотурбинных установок (ГТУ). Эксплуатируются ГТУ мощностью свыше 480 МВт, что сравнимо с показателями крупной гидроэлектростанции. Температура рабочих газов на входе в турбину современных агрегатов перешла за отметку 1500°С, что на 150-200°С выше чем на установках, выпускаемых в 80-90-е годы прошлого столетия.

Возросшие требования к современным газотурбинным установкам указывают на экономическую оправданность использования авиа-космических технологий и материалов при проектировании и производстве современных ГТУ, в частности, применение монокристаллических жаропрочных сплавов, легированных рением в качестве материала для лопаток турбин. Такой подход подтверждается тем, что мировыми лидерами в производстве ГТУ - General Electric, Pratt & Whitney, Siemens, Rolls Royce, ведутся активные работы по созданию специальных высокохромистых монокристаллических сплавов, легированных рением с повышенными требованиями по жаропрочности.

Однако в России в настоящее время имеется отставание в области создания и применения высокоэффективных, мощных и экологически «чистых» ГТУ, что в значительной мере определяется отсутствием разработок специальных жаропрочных сплавов с повышенной коррозионной стойкостью, предназначенных для работы в условиях воздействия морской среды. Проблема отсутствия отечественных специальных жаропрочных сплавов наиболее актуальна для военно-морской техники, применение импортных материалов в которой недопустимо.

Попытка временного устранения отставания в создании нового поколения морских газотурбинных двигателей и конкурентоспособных газотурбинных энергетических установок за счет использования авиационных материалов не увенчалась успехом, прежде всего из-за активного коррозионного воздействия морской солевой среды, а также низкого качества топлива, загрязненного серой, ванадием и другими веществами, негативно влияющими на долговечность жаропрочных материалов. Таким образом, создание высоконагруженных ГТУ, отвечающих современным требованиям, возможно только при условии разработки и промышленного применения новых специальных высокожаропрочных отечественных сплавов, одновременно обладающих повышенной стойкостью к солевой коррозии, в частности для деталей горячего тракта «морских» турбин.

Целью диссертационной работы является создание никелевого жаропрочного сплава для монокристаллических лопаток газовых турбин морских

ГТУ, эксплуатируемых в условиях сульфидной и солевой коррозии при температурах до 1050°С на основе использования разработанного автором метода конструирования жаропрочных никелевых сплавов.

Для достижения вышеуказанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) выполнить анализ влияния комплекса легирующих элементов на жаростойкие, жаропрочные, прочностные, термодинамические и структурные параметры литейных никелевых сплавов, предназначенных для работы в условиях воздействия солевой и сульфидной коррозии;

2) разработать метод расчета химического состава никелевого жаропрочного сплава, удовлетворяющего требованиям по обеспечению прочностных, химических, термодинамических, структурных и фазовых характеристик материала, который включает в себя: определение доли упрочняющей у'-фазы; комплексный расчет распределения легирующих элементов между упрочняющей у'-фазой и у-твердым раствором; оценку структурно-фазовой стабильности сплава во всем объеме с учетом дендритной ликвации; определение параметров кристаллических решеток упрочняющей у'-фазы и у-твердого раствора, а также величины их размерного несоответствия; расчет критических температур фазовых превращений; определение прочностных характеристик сплава; определение критериев соотношения концентраций легирующих элементов, обеспечивающих стойкость сплава к сульфидной и солевой коррозии;

3) провести экспериментальную оценку адекватности использования метода конструирования жаропрочных сплавов, предназначенных для эксплуатации в условиях солевой и сульфидной коррозии путем сравнения расчетных и реальных значений параметров на разработанных сплавах;

4) разработать технологию выплавки шихтовых заготовок сплавов и технологию монокристаллического литья лопаток ГТУ морского назначения;

5) разработать режим термической обработки для сплава, обеспечивающий получение наилучшего комплекса свойств, провести анализ микроструктуры, фазового состава и определить механические и эксплуатационные свойства сплава на образцах, включая оценку стойкости к солевой и сульфидной коррозии.

Научная новизна

1 Предложен и реализован комплексный подход к конструированию жаропрочных никелевых сплавов для работы в условиях солевой и сульфидной коррозии в составе морских ГТУ, включающий в себя одновременное выполнение требований по обеспечению прочностных, химических, термодинамических, структурных и фазовых характеристик материала.

2 Разработана математическая модель, позволившая на основе сформулированных требований по комплексу механических и эксплуатационных

свойств рассчитать химический состав никелевого жаропрочного сплава для лопаток морских ГТУ.

3 Предложен и обоснован критерий оценки стабильности у-твердого раствора, обеспечивающий исключение возможности образования в нем нежелательных фаз, как в междендритных объемах, так и в осях дендритов.

4 Установлен механизм влияния тугоплавких элементов Мо, Яе, Та на формирование оксидных плен и снижение толщины обезлегированной диффузионной зоны на поверхности деталей в процессе эксплуатации в условиях воздействия солевой среды.

Практическая значимость

1 Разработан метод конструирования химического состава никелевых жаропрочных сплавов, удовлетворяющих требованиям по обеспечению прочностных, химических, термодинамических, структурных и фазовых характеристик материала.

2 Предложен химический состав литейного монокристаллического жаропрочного никелевого сплава с повышенной стойкостью к солевой и сульфидной коррозии, имеющего прочностные характеристики на уровне сплавов авиационных ГТД до температур 1050°С. Состав сплава защищен патентом РФ № 2520934.

3 Разработана технология выплавки шихтовых заготовок никелевого жаропрочного сплава и технология монокристаллического литья, которые обеспечивают получение годных отливок типа "Лопатка".

4 Разработана технология термической обработки литейного сплава, обеспечивающая устранение ликвационной неоднородности в пределах дендритной ячейки монокристаллической отливки, а также получение заданной микроструктуры и фазового состава.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1 Метод конструирования жаропрочных никелевых сплавов для работы в условиях солевой и сульфидной коррозии в составе морских ГТУ, базирующийся на одновременном выполнении требований по обеспечению прочностных, химических, термодинамических, структурных и фазовых характеристик материала.

2 Результаты анализа влияния легирующих элементов на формирование микроструктуры, фазового состава и коррозионные свойства никелевых жаропрочных сплавов, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких температур, солевой и сульфидной коррозии на морских ГТУ.

3 Критерий оценки стабильности у-твердого раствора, обеспечивающий структурную и термодинамическую стабильность монокристаллических никелевых сплавов.

4 Результаты анализа структуры, фазового состава, прочностных и коррозионных свойств никелевого сплава с повышенной жаропрочностью, предназначенного для изготовления рабочих и сопловых лопаток турбин морских ГТУ.

Объектами исследования являлись опытные составы коррозионностой-кого жаропрочного никелевого сплава для монокристаллического литья СЛЖС5, а также широко используемые в промышленности коррозионностой-кие жаропрочные никелевые сплавы с равноосной структурой ЧС-70 и ЧС-88У.

Методы исследования

Выплавка опытных сплавов выполнялась с использованием лабораторно-промышленной вакуумно-индукционной плавильной установки при Р=10"'Па. Испытания на длительную прочность выполнялись на цилиндрических образцах согласно ГОСТ 10145-81, испытания на кратковременную прочность проводились согласно ГОСТ 18299-72. Для исследований микроструктуры применялись методы растровой электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Сравнительные испытания на коррозионную стойкость в агрессивной солевой среде выполнялись при температуре 900°С.

Достоверность результатов работы обеспечивается корректным применением положений физического металловедения, использованием современных методов исследований и обработки экспериментальных данных и подтверждается хорошим совпадением расчетных данных с результатами производственного опробования.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы обсуждались на техническом совещании ОАО «НПО «Сатурн» протокол № 76 от 26.12.2011, на совместном техническом совещании представителей ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» и ОАО «НПО «Сатурн», протокол № 726/012 - 009 от 25.01.2012 г.; на заседании научно - технического совета ОАО «НПО «Сатурн», протокол № 39 от 10.12.2014 г.; на XXXIII Всероссийской конференции по проблемам науки и технологий 2013, г. Миасс; на 4й международной конференции "№£ЬМа1ТесЬ 2013", г. Киев; на саммите ТМ8-2014, г. Сан-Диего; на X международной научной конференции по гидроавиации "Гидроавиасалон-2014", г. Геленджик. В 2014 г. автор был награжден серебряной медалью лауреата международной выставки «Металл-Экспо».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ в научно - технических журналах, входящих в перечень утвержденных ВАК РФ изданий для публикации трудов соискателей ученых степеней и 3 работы в сборниках трудов научных конференций. На разработанный сплав получен патент РФ № 2520934 от 27.06.2014 г.

Личный вклад автора

Автор непосредственно участвовал в проведении экспериментов в процессе всего цикла исследований. Разработал математическую модель и метод для расчета химических составов сплавов для ГТУ, рекомендации по их проектированию, технологические режимы изготовления образцов из сплава, а также участвовал в проведении апробации созданного сплава на предприятии ОАО «НПО «Сатурн».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и списка использованных источников. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 59 рисунков, библиографический список содержит 116 литературных источников.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены основные проблемы разработки никелевых жаропрочных сплавов для монокристаллических лопаток газовых турбин морских ГТУ, эксплуатируемых в условиях активного воздействия солевой среды. Определен перечень задач, которые необходимо решить для создания никелевого сплава, одновременно обладающего высоким уровнем жаропрочности при рабочих температурах до 1050°С и повышенной стойкостью к солевой коррозии.

В первой главе выполнен анализ перспективных зарубежных программ развития промышленной энергетики и ГТД морского назначения. Рассмотрена общая характеристика никелевых жаропрочных сплавов их структура и фазовый состав, проанализированы особенности легирования и термической обработки литейных жаропрочных никелевых сплавов. Определены особенности эксплуатации рабочих лопаток морских ГТУ, а также механизм протекания солевой коррозии материалов ГТУ и ее влияние на прочность.

Выполненный анализ литературных источников и производственных данных позволил сделать следующие выводы:

- в мире прослеживается четкая тенденция по переходу энергетики на природный газ как основной вид топлива и газотурбинные установки как основной вид силовых агрегатов для привода электрогенераторов;

- применительно к использованию в морском судостроении главными преимуществами ГТУ перед широко применяемыми дизельными двигателями являются: компактность, высокая габаритная мощность, а также пониженный уровень шума и вибраций, однако сдерживающим фактором является высокий расход топлива и стоимость деталей и компонентов турбины;

- возросшие требования к современным газотурбинным установкам указывают на экономическую оправданность использования авиа-космических технологий и материалов для проектирования и постройки современных ГТУ.

В том числе применение монокристаллических жаропрочных сплавов, легированных рением;

- ключевой особенностью работы жаропрочных сплавов для стационарных и морских ГТУ является длительный (десятки тысяч часов) ресурс в сочетании с невысокими по сравнению с авиационными сплавами температурами эксплуатации (до 900°С) в условиях активного воздействия продуктов сгорания топлива и «солевого тумана»;

- закономерности сульфидно-оксидной коррозии жаропрочных сплавов в корне отличаются от закономерностей высокотемпературного окисления. Это касается механизма процесса, характера температурной зависимости, особенностей влияния тех или иных легирующих элементов в сплаве;

- в России в настоящий момент отсутствуют сплавы, удовлетворяющие требованиям к материалам рабочих лопаток турбин морских ГТУ.

Поэтому необходимо создание сплава нового поколения, одновременно обладающего уровнем рабочих температур, соответствующим авиационным материалам, и высокой стойкостью к солевой коррозии. Основные требования к такому материалу можно сформулировать следующим образом:

- сплав должен обладать комплексом легирования, направленным на получение монокристаллической структуры;

- рабочая температура сплава должна составлять 1050°С;

- уровень жаропрочности сплава должен превышать лучшие мировые показатели, т.е. сг^оо° ^ 184 МП3;

- для обеспечения уровня жаропрочности допустимо и экономически оправдано введение рения в количестве до 5 вес.%, не превышающем концентрацию этого элемента в широко используемом отечественном ренийсодержа-щем сплаве ЖС-32;

- для обеспечения удовлетворительной стойкости к высокотемпературной солевой коррозии концентрация хрома в сплаве должна быть не менее 12%;

- уровень стойкости к высокотемпературной солевой и сульфидной коррозии должен соответствовать существующим серийным "морским" сплавам, таким как ЧС-70 и ЧС-88У;

- сплав должен быть стабильным и свободным от ТПУ-фаз.

Во второй главе диссертационной работы выполнен выбор и обоснование критериев, определяющих работоспособность жаропрочных никелевых сплавов. Выделено пять групп параметров сплава - термодинамические, структурные, прочностные, концентрационные и факторы, влияющие на стойкость сплавов к солевой коррозии.

На основе анализа тройной диаграммы состояния № - - Яе был предложен критерий - оценка предельного содержания в у-твердом растворе

(AI+Ti+W+Mo+Re+Ta+Nb+Ru), которое не должно превышать 30 мас.%.(1), анализ диаграммы представляется наиболее удобным, поскольку в у-твердом растворе современных сплавов присутствуют взаимно растворяющиеся друг в друге (Ni - Со - Сг) - один угол тройной диаграммы. Два других угла представляют рений и вольфрам - наиболее важные легирующие элементы современных высокожаропрочных никелевых сплавов. Остальные элементы, (Al, Mo, Ti, Nb, Hf, Ta и др.) присутствуют в у-твердом растворе в малых количествах и их суммарная концентрация сужает область гомогенности твердого раствора на основе Ni на такую же малую величину.

Ef=i C¡ < 30, (1)

где Ciy - концентрация легирующих элементов в у-твердом растворе масс. %.

Если условие (1) не выполняется, то из у-твердого раствора будут выделяться фазы на основе Ni4W (Р-фаза), NiW (5-фаза), W2Re3 (a-фаза), a-Re и другие, включая комбинации из этих фаз.

На основе экспериментальных и литературных данных по более чем 200 жаропрочных никелевых сплавов методами регрессионного анализа получены математические зависимости вида (2), позволяющие исходя из химического состава определять расчетным путем основные параметры сплава, в том числе коэффициенты распределения девяти легирующих элементов между у-матрицей и упрочняющей у'-фазой, объемную долю упрочняющей у'-фазы, критические температуры фазовых превращений, длительную прочность, плотность материала.

A(Ci) = fZf=1A¡C¡. (2)

Оценка склонности сплава к образованию топологически плотноупакован-ных фаз выполнялась по методу New Phacomp, основанному на расчете концентрации валентных электронов в у-матрице сплава. При этом принято считать, что рассчитываемый для у-твердого раствора сплава критический параметр M(d)y должен быть меньше значения 0,93. Показано, что для сложнолегиро-ванных сплавов этот показатель должен быть значительно ниже, поскольку в монокристаллических сплавах ТПУ-фазы образуются в основном в осях денд-ритов, и это достаточно хорошо видно на рисунке 1. Причиной тому является характерная для монокристаллических сплавов дендритная ликвация, в результате которой оси дендритов становятся более легированными вольфрамом, кобальтом, рением и рутением, а междендритное пространство - алюминием, танталом и молибденом. С целью поиска решения по способу корректировки критического значения М(Н)уи учета реальных изменений составов осей дендритов и междендритных областей был проведен анализ литературных данных по характеру дендритной ликвации легирующих элементов различных монокристал-

- !' -

---,- / г

_*

лических никелевых жаропрочных сплавов после литья на установках УВНК-8П, используемых предприятиями отрасли для изготовления лопаток ГТД.

На основании исходных данных химического состава и коэффициентов ликвации промышленных никелевых монокристаллических сплавов были рассчитаны значения М(3)у составов в осях дендритов и в междендритных пространствах после термической обработки.

Таким образом, были построены регрессионные зависимости параметров М(3)уод для состава сплава в осях денд-

Рисунок 1 - Скопление пластинчатых Ритов и М(3)умдо для междендритных ТПУ-фаз в осях дендритов монокри- областей от среднего состава сплава, сталлического жаропрочного никеле- Очевидно, что М(3)укрит необходимо вого сплава рассчитывать не по среднему составу

сплава, а по составу наиболее опасной области (в междендритных пространствах или осях дендритов) по формулам (3+7).

М(3)укрит = 0,93 - ДМЗ(3)Уликв , (3)

где М(3)Укрит - критическая величина, при превышении которой образуются ТПУ-фазы.

М(а)уликв0д = -0,00297 + 0,002033С№ - 0,0018СА1 +

+ 0,00035СТа + 0,00782Сце , М(3)уликвМдо = -0,06755 - 0,00205С№ + 0,01063СА1 -- 0,00059СТа - 0,001758СКе ,

(4)

(5)

где С - концентрация легирующего элемента в сплаве (масс. %).

Тогда, критические значения параметра Мс1(3)У для составов в осях дендритов и в междендритном пространстве соответственно равны:

М(5)Укрит ликв од = 0,933 - 0,002Суу + 0,0018СА1 -- 0,00035СТа - 0,0078СКе ,

М(3)УкРитликвМД0 = 0,997 + 0,002С№ - 0,011СА1 + + 0,0006СТа + 0,0016СКе .

Сам параметр М(3)у сплава определялся по формуле Карона (8):

(6)

M(d)y = 0,717Cn1 + 1,9 Сд] + 1,142 CCr + 1,55 CMo + 1,655 Cw +

+ 2,224 CTa + 0P777CCO + 2,117CNb + 2,27 CTi + 3,02 CHf + (8)

+1,267 CRe + 1,006 CRu где Cj - атомные доли химических элементов в у-твердом растворе сплава.

На основе разработанных зависимостей, а также уже известных и описанных в литературе была создана математическая модель «состав-свойства», разработан алгоритм (см. рисунок 2) и программа КМО ЖС (компьютерный метод оптимизации жаропрочных сплавов), позволяющая определить влияние каждого легирующего элемента (или комплексное влияние групп элементов) на изменение важнейших характеристик и параметров проектируемых сплавов.

Рисунок 2 - Схема компьютерного метода оптимизации жаропрочных сплавов

В третьей главе описаны методики исследований. Для выплавки опытных сплавов была использована вакуумно-индукционная плавильная установка «УИПВ-0,05». Изготовление и полировка микрошлифов были выполнены на оборудовании металлографической лаборатории марки Те^аРо1-21. Исследо-

вания микроструктуры производились на растровом электронном микроскопе Inspect S50 с разрешающей способностью 10 нм. Испытания на кратковременную прочность проведены на сервогидравлической машине LFV-100 с применением осевого экстензометра (типа High Temperature Extensometer Series HTV - база 25мм) и с использованием управляющего, регистрирующего и обрабатывающего пакета программ «DIONStat». Испытания образцов на длительную прочность проведены на испытательной машине АИМА 5-1 с регистрацией деформации ползучести с момента нагружения до момента разрушения образца или до момента достижения деформации ползучести от 1 до 2 %.

Для исследования стойкости сплава к солевой коррозии выполнялись сравнительные тигельные испытания на цилиндрических образцах при температуре 900°С в расплаве солей: 10%NaCl + 90%Na2S04. В качестве эталона сравнения, для оценки коррозионной стойкости опытных сплавов использовались промышленные сплавы ЧС70 и ЧС88У.

В четвертой главе с использованием разработанной методики расчета были предложены 13 перспективных композиций сплава, из которых был выбран один, обладающий наивысшими характеристиками высокотемпературной работоспособности в солевой среде и получивший название СЛЖС-5. С целью определения критических температур фазовых превращений данного сплава был выполнен дифференциальный термический анализ (см. рисунок 3), что позволило предложить режим термической обработки монокристаллических заготовок, который состоит из гомогенизирующего отжига, предназначенного для устранения лик-вационной неоднородности, в течение 8 часов при температуре 1220°С, (данная температура с одной стороны превышает температуру полного растворения у'-фазы, а с другой не достигает оплавления эвтектики), и двухступенчатого старения, позволяющего получить мелкодисперсную структуру упрочняющей у'-фазы. Первая ступень предназначалась для выделения основной доли у'-фазы и выполнялась в течение 2* часов при рабочей температуре сплава (1050°С), вто-

0Д 0,05

о

-0,05 -ОД -0,15 -0,2

2 \

-—1 Б\. » \ /

1 V г в

\...... А --

800 900 1000 1100 1200 130С Т/С*

Рисунок 3 - Кривые ДГА образца сплава СЛЖС-5, где 1 - нагрев и 2 - охлаждение, А - температура начала растворения у'-фазы (845°С), Б - температура полного растворения у'-фазы (1215°С), В - температура начала плавления эвтектики у + у' (1270°С), Г - температура образования эвтектики (1248°С), Д-температура начала распада пересыщенного у-твердого раствора (1147°С).

рая осуществлялась в течение 24 часов при температуре 850°С и предназначена для полного выделения /-фазы при температуре, близкой к началу ее растворения. Перед каждой ступенью старения выполнялось скоростное охлаждение (80-100°С/мин).

Оценка стойкости к высокотемпературной солевой коррозии была выполнена на специально спроектированной установке, в течение 260 часов при температуре 900°С в расплаве солей ЫаС1 и Ыа2804, при этом был установлен характер изменения массы образцов (см. рисунок 4), а также выполнен макро- и микроструктурный анализ образцов после испытаний (см. рисунок 5).

Анализ макро- и микроструктуры и результаты испытаний сплава СЛЖС-5 указывают на его высокую стойкость к солевой коррозии. Благодаря монокристаллической структуре образцы сплава СЛЖС-5, в отличие от сплавов ЧС с равноосной структурой, не склонны к межкристаллит-ной коррозии, на их поверхности формируется равномерная и плотная окисная плена, а комплекс тугоплавких элементов эффективно снижает ско-

0,01 0,005

о

-0,005 -0,01 -0,015 -0,02

\ 1 СЛЖС-5

% I

\\ С70

—

1 \ С88У

50 100 150 200 250 ЭОС

т, час.

Рисунок 4 - Изменение массы образцов опытного сплава СЛЖС5 и серийных сплавов ЧС70 и ЧС88У

рость диффузионных процессов, что препятствует «выгоранию» легирующих элементов с их поверхности. Диффузионная зона свободна от вредных фаз, в том числе ТПУ.

Рисунок 5 - Макроструктура (х150) образцов сплавов СЛЖС-5 (а) и ЧС-88У (б) после испытаний в расплаве солей в течение 260 часов

ПА

С

5

о"

Испытания на длительную прочность опытного сплава СЛЖС-5 проводились при температурах 900°С и 1000°С. Результаты испытаний сплава и сравнение его жаропрочности с промышленными отечественными и зарубежными аналогами обобщены с использованием параметра Ларсона-Миллера (LMP) и представлены на рисуноке 6, что позволило выполнить комплексную оценку длительной работоспособности материала с учетом температуры и времени испытаний, на основании которой был определен уровень жаропрочности сплава СЛЖС-5 при температурах 900, 950 и 1000°С для временных интервалов равных 100, 500 и 1000 часам. Результаты анализа кривой параметра Ларсона-Миллера обобщены и представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения длительной прочности ат\МПа) сплава СЛЖС-5 для

450 400 350 300 250 200 150 100

] 1

СП же >

Ne i

1 >v l-SIALlMIfi4 1

♦ ST4L1S ♦j 1|\Г 92*S * ! i

ЧС-88У SCA' CMSX uCi

И CKC2 SC16

25 25,5 26 26,5 27 27,5 28 28,5 29

LMP=(T+273)x(20+lg(T)xl0-3

Рисунок 6 - Сравнение уровня жаропрочности сплава СЛЖС5 с аналогами

T,°C x, час

100 500 1000

900 348 285 259

950 265 208 188

1000 ' 195 144 122

1050 138 90 Н.д.

Анализ результатов испытаний на длительную прочность показал, что разработанный сплав СЛЖС-5 при одинаковых значениях параметра Ларсона-Миллера превосходит все имеющиеся аналоги, в том числе и СМ8Х-11В, являющийся рекордсменом среди «морских» сплавов по уровню жаропрочности.

Кроме испытаний на длительную прочность сплава СЛЖС-5, были проведены контрольные испытания на кратковременную прочность. Сравнительные результаты испытаний представлены в таблице 2.

Анализ результатов (см. таблица 2) указывает на его превосходство по пределу прочности при высоком относительном удлинении, что является показателем высокой эксплуатационной надежности разработанного сплава.

Таблица 2 - Сравнение характеристик кратковременной прочности сплава СЛЖС-5 с аналогами при 20°С____

Сплав Е, ГПа ав, МПа аод, МПа 8,%

ЖСКС-2 13,7 1240 1100 15 11

ЧС-88У 21 940 784 4 3

ЧС-70 21 880 735 5 3

ПЧ738 Н.д. 1100 955 5,5 5

1Ш92-А Н. д. 1029 881 10,7 5,8

СЛЖС-5 15,2 1245 1000 14,7 7,2

Выводы по работе

1 Выполнен анализ влияния легирующих элементов, на основе которого реализован комплексный подход к конструированию жаропрочных никелевых сплавов для работы в условиях солевой и сульфидной коррозии, позволивший сформулировать математическую модель, алгоритм и предложить метод расчета химических составов никелевых жаропрочных сплавов для морских ГТУ, удовлетворяющих требованиям по обеспечению прочностных, химических, термодинамических, структурных и фазовых характеристик.

2 Определен механизм влияния тугоплавких элементов W, Мо, Та, Яе на формирование оксидных плен и снижение толщины обезлегированной диффузионной зоны на поверхности деталей в процессе эксплуатации в условиях воздействия солевой среды, что позволило определить допустимые концентрации этих элементов в составе легирующих элементов для обеспечения максимального уровня жаропрочности данной группы сплавов.

3 Предложен химический состав литейного монокристаллического жаропрочного никелевого сплава с повышенной стойкостью к солевой и сульфидной коррозии, имеющего прочностные характеристики на уровне сплавов авиационных ГТД до температур 1050°С.

4 Разработаны технология выплавки шихтовых заготовок созданного никелевого жаропрочного сплава, обеспечивающая получение заданного химического состава, и технология монокристаллитного литья, которая обеспечивает получение требуемой макроструктуры отливок типа "Лопатка".

5 Определены температуры фазовых переходов, что позволило разработать технологию термической обработки, обеспечивающую устранение ликва-ционной неоднородности в пределах дендритной ячейки монокристаллической отливки, а также получение заданной микроструктуры и фазового состава.

6 С использованием разработанного метода конструирования создан сплав СЛЖС-5, который по коррозионной стойкости и жаропрочности превосходит существующие отечественные и зарубежные аналоги (включая, СМ8Х-11В: ^100°=184 МПа) и на сегодняшний день имеет наилучшие характе-

15- 593fr

ристики комплекса «жаропрочность - стойкость, к солевой коррозии», что подтверждает адекватность предложенного метода.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Данилов, Д.В. Влияние многослойного структурно-стабильного жаростойкого покрытия на свойства монокристаллических жаропрочных сплавов [Текст] / Д.В. Данилов,

H.A. Зайцев, И.И. Хряшев, A.A. Шатульский // Вестник Рыбинского государственного авиационного технического университета имени П.А. Соловьева, -2013, -№3(26), - С. 8-17.

2 Данилов, Д.В. Методика выбора присадочных материалов для сварки жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / Д.В. Данилов, H.A. Зайцев, A.A. Шатульский // Заготовительные производства в машиностроении. - 2013. - №9. - С. 10-14.

3 Данилов, Д.В. Методологические основы автоматизированного проектирования жаропрочных сплавов на никелевой основе Часть -1 [Текст] / Д.В. Данилов, А.В Логунов, Ю.Н. Шмотин // Технология металлов. - 2014. - №5. - С. 3-9.

4 Данилов, Д.В. Методологические основы автоматизированного проектирования жаропрочных сплавов на никелевой основе Часть - II [Текст] / Д.В. Данилов, А.В Логунов, Ю.Н. Шмотин // Технология металлов. - 2014. -№6. - С. 3-10.

5 Данилов, Д.В. Методологические основы автоматизированного проектирования жаропрочных сплавов на никелевой основе Часть - III [Текст] / Д.В. Данилов, А.В Логунов, Ю.Н. Шмотин //Технология металлов. - 2014. -№7. - С. 3-11.

Публикации в других изданиях

6 Данилов, Д.В. Разработка жаропрочного никелевого суперсплава стойкого к высокотемпературной солевой коррозии [Текст] / Д.В. Данилов, Ю.Н. Шмотин, А.В Логунов, , И.А. Лещенко // Сб. трудов X Международной конференции по гидроавиации «Гидро-авиаслон-2014». - 2014, - С. 207-213.

7 Данилов, Д.В. Компьютерное моделирование жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллических лопаток ГТУ, работающих в условиях воздействия морской солевой коррозии: критические параметры [Текст] / Д.В. Данилов, A.B. Логунов, Ю.Н. Шмотин, Э.О. Цатурян, Ю.Н. Захаров // Сб. кратких сообщений XXXIII Всероссийской конференцию по проблемам науки и технологий. - 2013. - С. 56-60.

8 Danilov, D. Development of economically doped heat-resistant nickel single-crystal superalloys for blades of perspective gas turbine engines [Text]/ D. Danilov, A. Logunov,

I. Leshcenko, Y. Shmotin // PR1CM 8. TMS. - 2013. - P. 327-336.

9 Пат. 2S20934 Российская Федерация, МПК7 C22C19/05. Жаропрочный никелевый сплав, обладающий высоким сопротивлением к сульфидной коррозии в сочетании с высокой жаропрочностью [Текст] / Данилов Д.В., Шмотин Ю.Н., Старков Р.Ю., Лещенко И.А., Цатурян Э.О., Логунов A.B., Захаров Ю.Н.; заявитель и патентообладатель ОАО «НПО «Сатурн», ФГБОУ ВПО «МГОУ им. B.C. Черномырдина». - № 2013111611/02, заявл. 15.03.2013, опубл. 27.06.2014, Бюл.№18.-8 с.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 23.04.20 Формат 60x84 1/16. Уч.-издл. 1. Тираж

Рыбинский государственный авиационный технический универ< имени П. А. Соловьева)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53 Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. С 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

2012478064

2012478064