автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Технология производства тонкостенных сложнопрофильных отливок из интерметаллидного титанового сплава для авиадвигателестроения

На правах рукописи

Бакерин Сергей Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКОСТЕННЫХ

СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ОТЛИВОК из ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ДЛЯ АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 и ¡.АР 2014

Уфа-2014

005546277

005546277

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Уфимское моторостроительное производственное объединение», г. Уфа.

Научный руководитель: доктор технических наук

Павлинич Сергей Петрович

Официальные оппоненты: Кечин Владимир Андреевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой литейных процессов и конструкционных материалов ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Ердаков Иван Николаевич

кандидат технических наук, доцент кафедры металлургия и литейное производство ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Рыбинский

государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

Защита состоится 29 апреля 2014 года в 16.00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 на базе ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова» по адресу: 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет имени Г.И. Носова» и на сайте htto://www.magta.пVinfoтmacziva-o-zasЬЫshheшloi-i-tя^edstavlennoi-k-

zashhite-dlssertaczii-пa-soЬkaшe-tlchcnoi-stepeni-kandidata-nauk-пa-soiskanie-tlcherloi-stepeш'-

doktora-nauk-2014/item/3295.html

Автореферат разослан «28» февраля 2014 г.

Л

Ученый секретарь , *

диссертационного совета ^р^-Ь^^ В.Н. Селиванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время интерметаллидные сплавы стали достаточно востребованными материалами. Постоянно растущий интерес к ним связан как с решением технологических, так и фундаментальных проблем. Благодаря своей уникальной природе некоторые из интерметаллидов, в частности алюминиды титана, уже стали основой аэрокосмических материалов нескольких поколений. Алюминиды титана представляют значительный интерес для авиационной и аэрокосмической техники вследствие высокой стабильности механических свойств, жаропрочности и жаростойкости. Содержапие алюминия в этих сплавах составляет 25,8-28,6 мае. %, титана 59,68-60,18 мае. %.

Серьезным недостатком этих сплавов, сдерживающим широкое применение их в промышленности, является их низкая пластичность. Для повышения пластичности интерметаллидных сплавов Ti-Al их легируют цирконием, хромом, ниобием, молибденом, ванадием. Измельчение зерна достигается легированием бором.

Исследованиями российских и зарубежных ученых Гринберг Б.А., Имаевым P.M., Имаевым В.М., Салшцевым Г.А., Колачевым Б.A., Kong F., Chen Y., Clemens H., Dimiduk D.M. и др. разрешен ряд важнейших теоретических задач, связанных с проблемами получения необходимых свойств изделий из интерметаллидов для авиакосмической отрасли, а также изучена их зависимость от структуры этих сплавов.

Будущее этих сплавов существенно зависит от того, насколько быстро и эффективно будет создана законченная технологическая цепочка: состав - плавка - литье - структура -свойства. В связи с этим разработка технологии плавки и литья тонкостенных сложнопрофилышх отливок на примере лопаток компрессора высокого давления (КВД) и турбины низкого давления (ТНД) современных газотурбинных авиационных двигателей, исследование их структуры и свойств являются важной и актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках государственной программы по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства № 218 от 9.04.2010, договор № 13.G 25.310047).

Цель работы

Разработка технологии плавки и литья тонкостепных сложнопрофилышх отливок из интерметаллидпого титано-алюминиевого сплава методом литья по выплавляемым моделям на примере лопаток авиационных двигателей.

Основное внимание было уделепо решению следующих задач:

- исследованию химического и фазового состава исходной шихтовой заготовки для выплавки интерметаялидного титано-алюминиевого сплава;

- определению технологических параметров плавки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава и центробежной заливки литейных форм с учетом свойств сплава и технологии изготовления керамических оболочек при изготовлении отливок литьем по выплавляемым моделям;

- химическому и металлографическому анализу отливок из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава, полученных в вакуумной индукционной плавильно-заливочной установке «Consarc» с «холодным)) медным тиглем, и определению эксплуатационных свойств отливок после их газостатирования и термической обработки;

- разработке технологического регламента плавки и изготовления литых лопаток из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава на основании результатов исследования и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна работы

1. Установлены требования к химическому и фазовому составу шихтовой заготовки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава, обеспечивающие получение отливок с необходимыми служебными свойствами в процессе их эксплуатации при температуре 750...800°С.

2. Установлены закономерности влияния параметров плавки и заливки интерметашшдното тигано-алюминиевого сплава на распределение у-, а.2- и [5-фаз в литом металле, их размеры, химический состав и перераспределение легирующих элементов в этих фазах.

3. Установлен характер разрушения литого сплава, которое происходит по границам структурных составляющих и особенно в областях с повышенным содержанием бора.

Практическая значимость работы

Определены технологические параметры плавки интерметаллидного титанового сплава в условиях вакуума с последующей подачей аргона для уменьшения потери элементов, входящих в состав сплава. Рекомендованы температура заливки сплава, давление аргона, частота вращения формы при заливке и время заливки сплава. Предложен состав огнеупорной суспензии дня изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям. Разработана конструкция литниково-питающей системы для получения тонкостенных сложнопрофильных отливок на примере лопатки из интерметаллидного сплава системы Ti-Al.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 13,h Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology, Harbin, China, 2012 г.; XI Съезде литейщиков России, г. Екатеринбург, 2013 г.; Modem materials and technologies 2013: International Russian-Chinese Symposium, г. Хабаровск, 2013 г.

Публикации

По теме диссертационпой работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК Мииобрнауки РФ, 2 патента РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, библиографического списка из 82 наименований и приложений, изложена па 189 страницах машинописного текста, содержит 109 рисунков, 20 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее основная цель и задачи, приведены основные научные положения, выносимые на защиту, а также показана практическая значимость результатов работы.

Глава 1. Состояние вопроса

В данной главе рассмотрено состояние вопроса по созданию и применению интерметаллидных титано-алюминиевых сплавов, представляющих значительный интерес для применения в авиационной и аэрокосмической технике.

История развития интерметаллидных сплавов характеризуется непрерывным стремлением реализовать, присущий им уникальный комплекс свойств и преодолеть присущие им недостатки. Серьезным недостатком этих сплавов, сдерживающим широкое применение их в промышленности, является их низкая пластичность. Повышение пластичности может быть обеспечено за счет макро- и микролегирования. Микролегирование влияет на структуру границ зерен, а макролегирвание - на структуру всего объема материала и фазовую стабильность. Известно, что свойства интерметаллидных сплавов действительно уникальны и их нельзя предсказать исходя только из свойств исходных материалов, так как их успешное применение зависит во многом и от способа производства изделий из них.

Изделия из интерметаллидных жаропрочных титановых сплавов на основе фаз y(TiAl) и аг(Т1зА1) характеризуются низкой плотностью (~ 4 г/см3) и могут эксплуатироваться при температуре 600...800 °С. В этом интервале температур они обладают высокой

жаропрочностью и жаростойкостью, а по удельной прочности и удельному модулю упругости превосходят все известные конструкционные материалы.

Анализ имеющейся информации, касающейся структуры и свойств интерметаллидных титано-алюминиевых сплавов, возможных способов получения сложных по конфигурации отливок для высоконагруженных деталей и узлов авиакосмической техники позволил сформулировать цель работы и основные задачи исследования.

Глава 2. Методики исследования

Изложены методики проведения исследований, приведены оборудование и материалы, использованные для проведения лабораторных и промышленных экспериментов. Плавка и заливка интерметаллидного титано-ашоминиевого сплава производилась на индукционной вакуумной плавильно-заливочной установке «Сопвагс». Подробно описаны методики качественной и количественной металлографии, электронной микроскопии, испытания длительной прочности, рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализов, определения микротвердости, механических свойств. Приведена методика математической обработки результатов эксперимента.

Глава 3. Особенности формирования структуры и свойств интерметаллидного титано-алюминиевого сплава в литом состоянии

В данной главе представлен анализ химического и фазового состава, а также микроструктуры шихтовой заготовки из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава. Изучено влияние технологических параметров плавки и литья на структуру и свойства отливок из этого сплава.

В качестве шихтового материала для плавки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава использовали заготовки квадратного сечения размером 50x50x10 мм и круглого сечения диаметром 50. ..60 мм и высотой 190...300 мм. Химический состав сплава (табл. 1) определяли с помощью спектрального анализатора 8рес1то1аЬ-8.

Таблица 1

Химический состав интерметаллидного титанового сплава тина ТЫМ-В!, мае. %

Шихтовые заготовки П А1 № Мо В Н N О

50x50x10 мм 60,18 28,5 8,9 2,4 0,025 0,003 0,003 0,06

Диаметр 55-60 мм Высота 190-300 мм 60,07 28,6 9,0 2,3 0,030 0,003 0,003 0,06

59,68 28,6 9,3 2,4 0,024 0,003 0,005 0,06

59,77 28,5 9,3 2,4 0,025 0,002 0,004 0,06

Микроструктурный анализ исходной литой шихтовой заготовки проводили с помощью световой и электронной сканирующей микроскопии. Металлографический анализ показал, что исходный сплав имеет полностью ламельную структуру со средним линейным размером зерна в центре заготовки - 140... 160 мкм, в поверхностной зоне - 60...80 мхм (рис. 1). Ламельный параметр (характерное расстояние между пластинами у-фазы) изменяется в пределах от 0,7...1,25 мкм до 1,8...2,6 мкм при переходе от периферийной к центральной части слитка. Между зернами наблюдаются шнуры предположительно борида ниобия.

Рис. 1. Микроструктура шихтовой заготовки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава: а - центр заготовки; б - поверхностная зона

Фазовый состав шихтовой заготовки из интерметашшдного сплава определяли на дифрактометре ДРОН-4-07. Результаты анализа свидетельствуют о том, что основными структурными составляющими сплава являются соединения AITi и AbTi.

Идентификация структурных составляющих и определение их химического состава производились на электронном растровом микроскопе JEOL JSM-7001F, снабженном энергодисперсионным спектрометром Oxford INCA Х-Мах 80. На рис. 2 представлена микроструктура литой шихтовой заготовки при большом увеличении.

20шт

Рис. 2. Микроструктура шихтовой заготовки интерметашшдного сплава

Химический состав структурных составляющих приведен в табл. 2.

Таблица 2

Результаты количественного энергодисперсионного микрорентгеноспектрального анализа (ат. %)

Номер спектра Al Ti Nb Mo

Спектр 1 33.70 57.40 5.56 3.34

Спектр 2 33.49 57.52 5.58 3.41

Спектр 3 34.09 57.33 5.51 3.07

Среднее 33.76 57.42 5.55 3.27

Спектр 4 41.98 52.71 4.37 0.93

Спектр 5 42.67 51.95 4.39 0.99

Спектр 6 41.91 52.85 4.32 0.92

Среднее 42.19 52.50 4.36 0.95

Спектр 7 44.86 49.60 4.66 0.87

Спектр 8 44.24 50.45 4.47 0.84

Спектр 9 44.09 50.44 4.57 0.90

Среднее 44.40 50.17 4.56 0.87

Спектр 10 44.41 49.91 4.80 0.88

Спектр 11 40.65 54.09 4.30 0.96

Спектр 12 44.94 49.84 4.41 0.80

Среднее 43.33 51.28 4.51 0.88

Светлые участки (1, 2, 3) представляют собой упорядоченную [3-фазу, небольшие темные участки (7, 8, 9) - 7-фазу, в которой содержание молибдена и ниобия соответствуют

среднему составу сплава и, наконец, серые области пластинчатых параллельных колоний (4-6 и 10-12) относятся к (у + а?.)-фазе. Все это подтверждается картой распределения элементов по сечению шлифа. Хорошо видно, что р-фаза обогащена ниобием и молибденом, которые отчетливо ее выделяют. При этом содержание алюминия оказывается ниже, чем в остальных областях. Распределение титана по сечению зерна равномерное, в то же время бор распределен преимущественно по границам ячеек.

Твердость сплава определяли при нагрузках 1000 и 1500 кгс, диаметр шарика-индентора равнялся 10 мм. Результаты измерения твердости представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты измерения твердости по сечению шихтовой заготовки

Номер Расстояние от Твердость по Номер Расстояние от Твердость по

измерения центра, мм Бринеллю НВ измерения центра, мм Бринеллю НВ

Нагрузка 1000 кгс Нагрузка 1500 кгс

1 0(центр) 237,46 1 0(центр) 222,21

2 7,0 227,32 2 14 238,73

3 12,0 248,28 3 19 238,73

4 16,0 227,32 4 23 238,73

5 21,0 237,46 5 27 238,73

6 25,0 237,46 6 - -

7 28,0 237,46 7 - -

Измерения микротвердости отдельных структурных составляющих литой шихтовой заготовки показали, что светлые составляющие характеризуются средними значениями микротвердости 401 НУ, а темные - 375 НУ. Более высокую микротвердость имеют границы зерен - 450 НУ.

Проведенное исследование показало, что химический состав, структура и свойства литой шихтовой заготовки позволяет ее использовать в качестве шихты для выплавки интерметаллидного сплава для производства отливок лопаток КВД и ТНД методом литья но выплавляемым моделям, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах 750...800°С.

Индукционная плавка заготовки интерметаллидного сплава марки 'ПММ-В1 производилась в вакуумной плавильно-заливочной установке «Сомагс» в медном водоохлаждаемом тигле. Заливка форм производилась центробежным способом. Первая серия опытных плавок и заливки форм была произведена по технологическим параметрам, представленным в табл. 4.

Таблица 4

Параметры плавки и заливки форм

Номер Температура Время Масса Остаток Температура Частота

эксперимента нагрева нагрева шихты в расплава в расплава, °С вращения

формы, °С формы, ч тигле, кг тигле, кг формы, об/мин

1 700 4,5 12 4,5 1570 350

2 700 2,0 14 2,5 1600 450

3 687 2,5 12 4,0 1625-1631 600

4 688 3,5 11 4,0 1656 400

5 700 2,5 11 2,0 1669 400

Примечание. Вакуум в начале плавки во всех экспериментах составлял 82 мбар, натекание -0,027 мбар. Подача аргона происходила при температуре шихты в тигле 700-800°С.

Керамические формы для получения лопаток изготавливались как по стандартной технологии ОАО «УМПО», так и с использованием оксида иттрия и гидролизованного этилсиликата для первых двух слоев формы (остальные семь слоев - из оксида алюминия на водном кремнезольном связующем). Полагали, что оксид иттрия предотвратит образование альфированного слоя на поверхности отливки. Температуру заливки сплава назначали исходя из опыта ОАО «УМПО» при производстве отливок из титановых сплавов, в частности BT20JI, и температуры солидуса, определенной на дилатометре Linsesis L78 RITA, которая составила 1501 °С. Температура заливки сплава в экспериментах была назначена 1570...1600 "С. Температуру расплава измеряли ПК-пирометром. В двух первых опытах лопатки ТНД полностью не залились. В связи с этим в последующих опытах для повышения жидкотекучести температуру заливки расплава увеличили до 1630... 1670 °С. Следующие два опыта показали, что часть залитых лопаток имеет горячие трещины и усадочные раковины в месте соединения пера и бандажной полки (рис. 3), образование которых обусловлено возникновением значительных термических и усадочных напряжений в отливке, в том числе отсутствием галтели между пером лопатки и бандажной полкой.

Рис. 3. Горячие трещины и усадочные раковины в месте соединения пера лопатки и бандажной полки

Известно, что из-за быстрого полиморфного превращения (3—»а несвязанного кремнезема связующего при температуре 573 °С, протекающего с изменением объема на 5 % и линейным расширением 1,6 %, происходит разупрочнение первого рабочего слоя. Поэтому температура нагрева форм не должна превышать 560 °С. Однако в виду недостаточной жидкотекучести интерметаллидного титано-алюминиевого сплава для получения тонкостенных сложнопрофильных фасонных отливок (лопаток) целесообразно повысить температуру нагрева форм до 700 °С.

Для металлографического исследования на оптическом инвертированном металлографическом микроскопе «Альтами МЕТ - 1М» литая лопатка ТНД разрезалась на 6

Рис. 4. Схема разрезки лопатки ТНД для металлографического анализа

п

В различных сечениях лопатки выявлены дефекты усадочной, газоусадочной и газовой пористости размером от 10 мкм до 1 мм (рис. 5).

гис. .э. X азоусачные поры в сечении пера лопатки

Кроме того, обнаружены разветвленные трещины длиной около 300 мкм, причиной возникновения которых могут быть значительные литейные напряжения. Исследование строения излома лопатки показало, что имеет место хрупкое разрушение, излом блестящий и характеризуется межзеренным и транскристаллитпым разрушением по типу скола.

Рентгенофазовый анализ показал, что в структуре лопатки наблюдаются следующие фазы: (а2+- у), у, р(В2), 0(П2А1М>) и нитевидные включения борида титана "ПВ2 длиной 50...70 мкм (рис. 6).

Рис. 6. Микроструктура лопатки ТНД из сплава марки ТОМ-В1 в обратно рассеянных электронах

В средней части пера лопатки размер пластин (а2+у)-фазы составляет (10...30)х(30...60) мкм, в тонкой части пера лопатки он уменьшается и равен (10...20)х(20...40) мкм. В нижней части пера лопатки толщина и длина пластин

увеличивается и составляет (20...50)х(70...100) мкм. Это различие в размере пластин обусловлено разницей в скорости кристаллизации сплава в разных сечениях отливки.

Исследование структурных составляющих на электронном растровом микроскопе и определение их химического состава показало, что в тонкой части лопатки р-фаза с ОЦК решеткой имеет состав (мае. %): 23,68 А1, 60,87 "Л, 10,91 № и 4,55 Мо, что говорит о повышенном содержании № и Мо. Химический состав у-фазы в тонкой части лопатки следующий (мае. %): 27,72 А1, 61,07 Т), 9,01 № и 2,20 Мо, который соответствует среднему составу сплава и, наконец, пластинчатые параллельные колонии относятся к (а2+т)-фазе, химический состав которой следующий (мае. %): 28,65 А1, 61,21 Т1, 8,42 1ЧЬ, 1,73 Мо, где также содержание молибдена и ниобия соответствует среднему составу сплава. Все это подтверждается картами распределения элементов по сечению шлифа (рис. 7).

Рис. 7. Карты распределения элементов по сечению шлифа литой лопатки ТНД из сплава марки ПЧМ-В1

Установлено, что р-фаза обогащена молибденом и ниобием, которые отчетливо ее выделяют. При этом концентрация алюминия в этих участках оказалась ниже, чем в остальных. Распределение титана по сечению шлифа оказалось более равномерным, а бор распределен по границам ячеек. Следует отметить, что закономерности распределения структурных составляющих в литом сплаве соответствуют таковым в шихтовой заготовке.

В некоторых участках на поверхности микрошлифов видны микродефекты по границам зерен, которые четко отделяют одно зерно от другого, также наблюдаются микропоры как на интерметаллидных пластинах, так и в областях с неярко выраженными пластинами.

Результаты измерения микротвердости на приборе ПМТ-3 по сечению образцов литой лопатки при нагрузке 100 г свидетельствуют, что микротвердость на всех фраг ментах литой лопатки ТНД характеризуется средними значениями в пределах 3000...4000 МПа. Такие различия в значениях микротвердости можно объяснить различной твердостью структурных составляющих сплава, а также наличием дефектов литейного происхождения. [

Выполненные эксперименты показали, что для разработки технологического регламента плавки и литья интерметаллидного сплава необходимо проведение дополнительных экспериментов, учитывающих полученные результаты. Кроме того, целесообразно определить методику расчета элементов литниково-питающей системы (ЛПС) и рассчитать их размеры для получения лопаток КВД и ТНД в плавильно-заливочной установке методом литья по выплавляемым моделям центробежной заливкой. При этом следует учитывать, что процесс заполнения рабочей полости литейной формы сплавом и режим заполнения во времени изменяется. При литье по выплавляемым моделям в основе ■ методов определения размеров элементов ЛПС лежит известный принцип создания направленности затвердевания металла от тонкого сечения к массивному, и далее через питатели к прибыльной части литейного блока. Следует помнить, что ЛПС при ЛВМ

является несущей конструкцией, удерживающей на себе модели и оболочку, и представляет собой систему каналов, через которые металл подводится к отливке и, наконец, она выполняет роль прибыли. Кроме того, следует стремиться к созданию по возможности компактных ЛИС и учитывать действие центробежных сил. В работе представлена методика расчета элементов ЛПС для получения лопатки ТНД массой 0,7 кг, учитывающих все особенности ЛВМ в центробежном поле. Расчеты показали, что суммарная площадь питателей 1Р„Щ=8,6 см , поскольку подвод расплава к отливке производится через два питателя, то площадь одного составит 4,3 см2. Целесообразно использовать питатели прямоугольного сечения размером 35x12 мм. Для обеспечения эффективного заполнения полости литейной формы рекомендуется располагать отливки под углом 10... 15° относительно вертикальной оси, поэтому длина верхнего питателя 15 мм, нижнего - 65 мм. На центральном стояке размещаются четыре отливки, диаметр стояка 55 мм, высота с воронкой 400 мм, высота воронки - 50 мм, верхний диаметр ее 80 мм.

На установке «Сопвагс» проведены опытные плавки и заливка лопаток ТНД с учетом ранее выполненного исследования. Формы изготовлены на низкокремнеземистом гидролизованном эталсиликатном связующем (12 % ЭЮг) с нитратом алюминия на электрокорундовом (а-А1203) наполнителе с добавками порошка АСД-4 (8 %). Установлено, что введение в суспензию А1(Ж)з)з позволит связать 8Ю2 связующего в более химически стойкое соединение муллит (ЗА1203-28Ю2). Ввод порошка алюминия АСД-4 и А1(ЫОз)з в суспензию позволяет также снизить содержание химически активного ЭЮ2 в керамике. Технологические параметры процесса были следующие: Тип=1680...1700 °С, температура нагрева форм - 700 "С, частота вращения формы 400 об/мин, вакуум - 55 мбар, натекание 0,03 мбар, давление аргона 2,0 мбар, время заливки 2,5 с.

Глава 4. Опытно-промышленное испытание технологии получения лопаток из интерметаллидного ти танового сплава

В данной главе представлены результаты опытно-промышленных испытаний технологии получения лопаток из интерметаллидного сплава марки ТЫМ-В1.

На установке «Согаагс» проведено опытно-промьппденные испытания технологии плавки сплава ГШМ-В1 и заливки форм для получения лопаток КВД и ТНД. Литниково-питающая система для лопаток ТНД изготовлена с учетом рекомендаций, указанных ранее, а для изготовления лопаток КВД конструкция ЛПС представлена на рис. 8.

Рис. 8. Литейная форма для получения лопаток КВД (а), установленная в контейнер для центробежной заливки (б)

Температура нагрева контейнера с формами контролировалась хромель-алюмелевой термопарой, установленной в форме. Параметры плавки и заливки форм представлены в табл. 5.

Таблица 5

Параметры плавки и заливки форм

Отливка Температура нагрева формы, °С Масса шихты в тигле, кг Температура расплава при заливке, °С Частота вращения формы, об/мин Вакуум, мбар Время заливки,с Натекание, мбар

Лопатка КВД 700 8,0 1636 400 50,4 2,5 0,03

Лопагка КВД 700 8,0 1645 400 55,45 2,5 0,03

Лопагка ТНД 700 8,0 1680 ■ 400 55,0 2,5 0,03

Лопагка КВД 670 8,0 1650 400 55,0 2,5 0,03

Лопагка КВД 670 8,0 1700 400 55,0 2,5 0,03

Образцы для изучения структуры и свойств 700 8,0 1636 100 55,0 Заливка велась в ручном режиме 0,03

Примечание. Давление аргона составляло 2 мбар.

Химический состав лопаток КВД и ТНД из интерметаллидного титанового сплава представлен в табл. 6.

Таблица 6

Химический состав интерметаллидного титанового сплава

№ опыта Объе!ст исследования Температура заливки Содержание элементов, мае. %

Т1 А1 N1) Мо В

1 Лопатка КВД 1650 59,99 28,59 9,05 2,34 0,03

2 Лопатка КВД 1680 62,10 27,1 8,55 2,23 0,03

3 Лопатка ТНД 1680 61,29 25,68 9,75 3,27 0,03

4 Лопатка КВД 1700 60,93 25,30 10,23 3,54 0,03

5 Лопатка КВД 1650 60,07 28,60 9,3 2,3 0,03

6 Лопатка КВД (литник) 1650 59,77 28,5 9,3 2,4 0,025

Примечание. Химический состав шихтовых заготовок представлен в табл. 1.

Анализ химического состава сплава показал, что в 3 и 4 вариантах снижается содержание А1 и несколько повышается содержание № и Мо. Вероятно, сказалось влияние температуры расплава при заливке.

Для изучения структуры и фазового состава сплава марки ТММ-В1 лопатка КВД разрезалась на образцы (рис. 9), которые полировали и подвергали химическому травлению 2 % водным раствором смеси азотной и плавиковой кислот.

Рис. 9. Схема разрезки лопатки КВД

Металлографический анализ показал, что сплав имеет ламельную структуру, состоящую из пластин у-фззы. разделенных слоями а^-фазы, которая представлена на рис. 10.___

Рис. 10. Микроструктура интерметаллидного титанового сплава в литом состоянии

Установлено, что структура лопатки неоднородна в пере и замке. В пере наблюдается значительная разориентировка пластин у-фазы, обусловленная более высокой скоростью кристаллизации сплава, средний размер колоний пластин равен 20...70 мкм. В структуре наблюдается группа «островов» неправильной формы с размерами значительно превышающими междендритные прослойки. При большом увеличении хорошо видно пластинчатое строение «острова». Кроме того, наблюдается неравновесная гетерофазная структура, состоящая из отдельных областей у- и аг-фаз. Высокая скорость кристаллизации не позволяет получить полное упорядочение и достичь той морфологии гетерофазной структуры, которая должна наблюдаться в случае равновесной кристаллизации по дишрамме ТьА1.

Выполнен рентгеноструктурньш фазовый анализ литой лопатки КВД, результаты которого представлены на рис. 11.

Рис. 11. Дифрактограмма образца лопатки из интерметаллидного титанового сплава, снятая в кобальтовом отфильтрованном Ка излучении

Установлено наличие в сплаве марки ПММ-В1 у- и аг-фаз, а также большое число интерференционных линий упорядоченной (5-фазы с ОЦК решеткой.

Металлографическим анализом установлено, что в пере и замке лопатки наблюдаются мелкие поры и микротрещины, расположенные по границам зерен. При этом, количество пор округлой формы незначительно, а поры неправильной формы и микротрещины, по всей вероятности, образуются в результате усадочных и термических напряжений при охлаждении отливки. Можно предположить, что если в расплаве имеется растворенный

водород (причиной может быть загрязненный аргон), то в процессе охлаждения отливки может происходить распад пересыщенного раствора водорода в жидком металле и образование в нем пузырьков водорода, которые в случае высокой скорости охлаждения жидкого металла и развивающегося процесса его затвердевания остаются в металле, что приводит в конечном итоге к образованию в отливках газовых дефектов. Поэтому необходимо использовать аргон высокой чистоты. О наличии мелких газовых раковин и микротрещин свидетельствуют и значения микротвердости образцов, вырезанных из лопатки (рис. 12-14).

7000

ctf

□ 6500 ~ 6000

Is" 5500

ьО 5000

g 4500

g.4000

3500

О. 3000 к

Л 2500 2000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Расстояние от спинки лопатки, мкм

Рис. 12. Микротвердость по нижнему сечению образца №1 лопатки КВД

7000 Д 6500

2 боор

> 5500 ^ 5000 g 4500 §,4000 Р 3500 §, 3000 J 2500 ^ 2000

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Расстояние от спинки лопатки, мкм

Рис. 13. Микротвердость по нижнему сечению образца №2 лопатки КВД

7000 С 6500 § 6000

5с 5500

л 5000 g 4500 §4000 Р5 3500 §,3000 К 2500 ^ 2000

0 500 1000 1500 ■ 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Расстояние от спинки лопатки, мкм

Рис. 14. Микротвердость по низшему сечению образца №3

. . . -

\ . Л

V .. . - -

------- ------- ------- ------ :_...« ...

—

к/ р-

------- --------V -----

Измерения микротвердости образцов лопатки КВД показали, что она носит «пилообразный» характер, который свидетельствует микродефектов литейного происхождения (газоусадочной пористости и межкристаллитных трещин). Результаты измерения микротвердости обработаны методами математической статистики, которые показали, что наибольшие значения микротвердости наблюдаются в средней части лопатки до высоте. Это обусловлено различной геометрией сечений лопатки по высоте, и как следствие, неравномерным охлаждением.

Поскольку лопатки работают в условиях высоких температур, то представляет интерес характер их разрушения. В связи с этим на растровом электронном микроскопе исследован характер разрушения сплава по изломам фрагментов замка литой лопатки ТНД. Установлен смешанный характер разрушения интерметаллидного сплава. Скол часто идет непосредственно по структурным составляющим, а микротрещины разрушают интерметаллидные пластины, как в поперечном, так и в продольном направлениях. Элементный анализ показал, что в этих участках наблюдается повышенная концентрация бора.

Выполненные исследования использованы для разработки технологического регламента изготовления лопаток ТНД и КВД методом литья по выплавляемым моделям. Установленные технологические параметры процесса были следующие: ТШ1=1680...1700°С; температура нагрева форм 700°С; частота вращения формы 400 об/мин; вакуум 55 мбар; натекание 0,03 мбар; давление аргона 2,0 мбар; время заливки 2,5 с.

В условиях ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение» прошла апробацию технология плавки и центробежной заливки форм для изготовления отливок методом ЛВМ. Выполнен комплекс исследований образцов отлитых лопаток после ВГО (Т=1250°С, Р=170 МПа (4 ч.) и термообработки (Т=870°С (10 ч.), охлаждение на воздухе). Результаты испытаний на усталостную прочность приведены в табл. 7, из которой видно, что лопатки выдержали эти испытания.

Таблица 7

Результаты испытаний лопаток на усталостную прочность

№ лопатки Напряжение о, МПа Частота ^ Гц Число наработанных циклов, N Результаты испытаний

Начало Конец

1 310 841 841 20x10" Не разрушилась

2 310 839 839 20x10" Не разрушилась

3 350 849 849 20x10" Не разрушилась

4 350 821 821 20x10" Не разрушилась

За критерий разрушения лопатки принимается изменение частоты ее колебаний в конце испытаний на 1...10 % по сравнению с начальной в зависимости от условий испытания. Далее испытания были продолжены со ступенчато возрастающей нагрузкой с шагом 40 МПа с целью доведения 3 лопаток до разрушения. Лопатки были доведены до разрушения при 0=390...430 МПа. Для определения места максимальных разрушений две лопатки были препарированы тензодатчиками. Испытания показали, что наибольшие относительные напряжения приходятся на спинку лопатки. Испытания на длительную прочность проводили по ГОСТ 10145-81 при температуре 650 °С под нагрузкой 23 кгс/мм2. В течение 168 часов образец не разрушился. После этого производилось ступенчатое поднятие нагрузки через сутки до 63 кгс/мм2. суммарное время выдержки составило 500 часов, после чего образец разрушился. При этом относительное удлинение составило 4,0 %, относительное сужение - 5,2 %. Испытания на определение ударной вязкости проводились на маятниковом копре мод. 2130 КМ-0,3 по ГОСТ 9454-78 на 2 образцах. КСи составила 1 Дж/см2 и 2 Дж/см2. Испытания образцов на растяжение по ОСТ 1.90011 -70 проводились на испытательной машине Р-5 при комнатной температуре. Установлено, что предел прочности

при растяжении а, = 765 МПа, предел текучести ст = 726,5 МПа, относительное удлинение 5 = 1,6 % и относительное сужение V = 0,5 %.

Таким образом, проведенная работа позволила разработать технологию литья турбинных и компрессорных лопаток из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава, включающую плавку в вакуумно-заливочной установке с центробежной заливкой литейных форм, составы суспензий и процессы формообразования по выплавляемым моделям керамических оболочек, компоновку отливок в модельном блоке с определением рациональной литниковой системы, режимы газостатирования и термообработки отливок.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Представлена и проанализирована структура и свойств интерметаллидных титано-алюминиевых сплавов, а также две технологические схемы изготовления деталей из интерметаллидных сплавов на основе у-фазы. Показано, что предпочтение для определённой номенклатуры деталей, в частности лопаток КВД и ТНД газотурбинных двигателей, следует отдать фасонному литью.

2. Химический состав шихтовой заготовки отвечает составу интерметаллидного титано-алюминиевого сплава. Содержание алюминия составляет 28,5...28,6 мае. %, титана 59,68...60,18 мае. %. Сплав дополнительно легирован ниобием, молибденом и бором. Металлографический анализ показал, что шихтовая заготовка имеет крупнозернистую полностью ламельную структуру со средним размером зерна в центре заготовки 140...160 мкм, в поверхностной зоне - 60...80 мкм. Ламельный параметр изменяется в пределах от 0,7... 1,25 мкм до 1,8...2,6 мкм при переходе от периферийной к центральной части слитка. Между зернами наблюдаются шнуры предположительно борида ниобия. Основными структурными составляющими являются соединения АШ и А12Тк Измерения микротвердости отдельных структурных составляющих показали, что их твердость различна и составляет в среднем 375...401 НУ (при нагрузке 300 г).

3. Ренттенофазовый анализ показал, что в структуре лопатки КВД наблюдаются следующие фазы: (а2+г), у, Р (В2), О (Т12А1ГчЪ) и нитевидные включения борида титана ТШ2 длиной 50...70 мкм. В средней части пера лопатки размер пластин (а2+7)-фазы составляет в среднем (10...30)х(30...60) мкм, в тонкой - (10...20)х(20...40) мкм. В нижней части замка лопатки толщина и длина пластин увеличивается и составляет (20...50)х(70...100) мкм. Это различие в размере пластин объясняется разницей в скорости кристаллизации.

4. Определен химический состав структурных составляющих сплава. В р-фазе наблюдается повышенное содержание ниобия и молибдена (10,91 и 4,53 мае. % соответственно). В (а2+у)- и у-фазах содержание ниобия и молибдена соответствует среднему составу сплава (9,08 и 2,20 мае. % соответственно). Такая закономерность распределения элементов наблюдается и в тонкой, и в массивной частях отливки, а также в шихтовой заготовке.

5. Химическим анализом лопаток установлено, что содержание алюминия при плавке снизилось с 28,5...28,6 мае. % (в шихтовой заготовке) до 25,68 мае. % в лопатке ТНД и до 25,3 мае. % в лопатке КВД, а содержание молибдена возросло до 3,27...3,54 мае. %, ниобия до 9,75... 10,23 мае. %. При этом повышение температуры расплава способствует снижению содержания алюминия в сплаве.

6. Показано, что в пере и замке лопатки наблюдаются мелкие поры размером до 1 мм и трещины. Количество пор округлой формы незначительно, остальные поры неправильной формы, что свидетельствует об усадочном характере их происхождения и, как показали эксперименты, залечиваются при газостатировании отливок. Результаты измерения микротвердости обработаны методами математической статистики и свидетельствуют, что наибольшие значения твердости наблюдаются в средней части лопатки по высоте и

составляют 5000...5700 МПа. Это очевидно связано с различной геометрией сечений лопатки по высоте и, как следствие, с неравномерным охлаждением.

7. Установлен смешанный характер разрушения интерметаллидного сплава. Скол идет непосредственно по структурным составляющим, а вторичные микротрещины разрушают интерметаллидные пластины, как в поперечном, так и в продольном направлениях. Элементный анализ показал, что в этих участках часто наблюдается повышенная концентрация бора.

8. Проведены опытные плавки и заливка лопаток ТНД с учетом ранее выполненного исследования. Установленные техпологические параметры процесса были следующие: Тяя=1б80...1700оС; температура нагрева форм 700°С; частота вращения формы 400 об/мин; вакуум 55 мбар; натекание 0,03 мбар; давление аргона 2,0 мбар; время заливки 2,5 с. Выполненный металлографический анализ отлитых лопаток показал, что в структуре интерметаллидного титапо-алюмшшевого сплава наблюдается типичная для интерметаллидного сплава ламельная структура, состоящая из слоев у-фазы, разделенных слоями аг-фазы, а также упорядоченной р-фазы. Кроме того, наблюдается неравновесная гетерофазная структура, состоящая из отдельных областей у- и аг-фаз.

9. Испытания литых лопаток после ВГО и термообработки на усталостную прочность показали, что их разрушение наступало при а=390...430 МПа. Построение эпюр распределения напряжений проводилось препарированием образца лопатки тензодатчиками. Показано, что максимальный уровень напряжений достигается на спинке лопатки. Значения КСи составили 1...2 Дж/см2 , предел прочности на растяжение а, = 765 МПа, предел текучести от = 726,5 МПа, относительное удлинение 8 = 1,6 % и относительное сужение у = 0,5 %. Микротвердость сплава, измеренная вблизи питателя, находится в диапазоне 3080...6444 МПа, а вблизи пера лопатаи - 3499...4934 МПа. Это различие можно объяснить наличием рассеянной газоусадочной пористости в литой лопатке. Полученные литые лопатки КВД и ТНД из сплава ТКМ-В1 соответствуют требованиям, заложенным конструкторами в новый перспективный газотурбинный авиационный двигатель ПД-14.

Основные работы, опубликованные по теме диссертации

Статьи в российских рецензируемых научных журналах, определенных ВАК:

1. Герасимов В.В., Висик Е.М., Бакерин С.В. Изготовление протяженных литых заготовок из сплава ВКНА-1В направленной кристаллизацией // Литейное производство. - 2011. -№10. -С. 36-39.

2. Павлинич С.П., Бакерин С.В., Брусницын С.В., Сулицин А.В., Карпинский А.В. Исследование структуры и свойств шихтовой заготовки для выплавки интерметаллидного сплава // Литейщик России. - 2012. - №2. - С. 17-19.

3. Павлинич С.П., Бакерин С.В., Хайруллина A.M., Брусницын С.В., Сулицин А.В., Карпинский А.В., Груздева И.А. Структура и свойства отливки ответственного назначения из интерметаллидного титанового сплава // Литейщик России. - 2012. — №5. - С. 34-35.

4. Павлинич С.П., Мысик Р.К., Зайцев М.В., Бакерин С.В., Хайруллина A.M., Брусницын С.В., Сулицин А.В. Влияние технологических параметров плавки и литья на качество сложпопрофилыюй отливки из интерметаллидного титанового сплава // Литейщик России.-2013,-№5,- С. 15-18.

5. Павлинич С.П., Мысик Р.К., Зайцев М.В., Бакерин С.В., Хайруллина A.M., Брусницын С.В., Сулицин А.В. Выбор конструкции и расчет элементов литниково-питающей системы для получения литой лопатки турбины низкого давления // Литейщик России. - 2013. - №6. - С. 38-40.

Публикапии в прочих изданиях:

1. Pavlinich S.P., Kulakov В.А., Brusnitsyn S.V., Bakerin S.V., Khairullina A.M., Sulitsin A.V., Karpinskiy A.V., Gruzdeva I.A. Structure and propeties of intermetallic titanium alloy high-duty casting / 13ft Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology. Proceedings.: Harbin, China: Harbin Institute of Technology, 2012. - P. 2

2. Pavlinich S.P., Mysik R.K., Bakerin S.V., Khairullina A.M., Zaitsev M.V., Karpinskiy A.V., Gruzdeva I.A. Structure and properties investigation of rod charge for intermetallic alloy melting / 13th Joint China-Russia Symposium on Advanced Materials and Processing Technology. Proceedings. - Harbin, China: Harbin Institute of Technology, 2012. - P. 49

3. Павлинич С.П., Бакерин C.B., Зайцев M.B., Мысик Р.К., Сулицин А.В. Изготовление тонкостенных отливок из алюминида титана методом литья по выплавляемым моделям / Труды XI Съезда литейщиков России. - Нижний Тагил: Изд-во УВЗ, 2013. - С. 319-322.

4. Павлинич С.П., Смирнов В.В., Бакерин С.В., Хайруллина A.M. Литниковые системы для центробежного литья лопаток ГТД из интерметаллидных сплавов / Труды XI Съезда литейщиков России. - Нижний Тагил: Изд-во УВЗ, 2013. - С. 333-338.

5. Pavlinich S.P., Bakerin S.V., Zaitsev M.V., Mysik R.K., Sulitsin A.V. Investigation of thin-walled titanium aluminide lost-wax casting structure and properties / Advanced materials and processing technology 2013: International 14th Russian-Chinese Symposium. Proceedings. -Khabarovsk: Pacific National University, 2013. - P. 235-238.

6. Пат. №2485199 Российская Федерация МПК С22С 21/10. Литейный алюминиевый сплав. Белов В.Д., Белов Н.А., Коятыгин А.В., Петровский П.В., Павлинич С.П., Аликин П.В., Никифоров П.Н., Бакерин С.В.; заявка№2011149034/02; заявл. 02.12.2011; опубл. 20.06.2013, Бюл. №17.

7. Пат. №2503520 Российская Федерация МПК В22С1/16. Суспензия огнеупорная для оболочковых форм по выплавляемым моделям. Дубровин В.К., Кулаков Б.А., Карпинский А.В., Чесноков А.А., Павлинич С.П., Бакерин С.В.; заявка №2012122304/02; заявл. 29.05.2012; опубл 10.01.2014, Бюл. №1.

Бакерин Сергей Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКОСТЕННЫХ

СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ОТЛИВОК ИЗ Ш1ТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ДЛЯ АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд идата технических наук

Подписано к печати 25.02.2014 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman Cyr. Усл. Печ. Л. 1,0 Усл. Кр. - отт. 1,0 Уч.-изд. Л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ №102

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» Центр оперативной полиграфии 45000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

ОАО «Уфимское моторостроительное производственное объединение»

На правах рукописи

04201457645

Бакерин Сергей Васильевич

С<Г

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОНКОСТЕННЫХ

СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ отливок из ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ДЛЯ АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИЯ

Специальность 05.16.04 - Литейное производство

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук С.П. Павлинич

Уфа-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА................................................................................................7

1.1. Сведения об интерметаллидах......................................................................................................7

1.2. Интерметаллид ТлА1..............................................................................................................................11

1.3. Влияние строения границ зёрен на пластичность интерметаллидов.... 17

1.4. Структура и свойства интерметаллидов у-Т1А1 и а2-Т1зА1, выплавленных в индукционной установке....................................................................................23

1.5. Плавка и литьё интерметаллидов титана............................................................................39

1. 6. Эффективность применения газостатирования для устранения

внутренних дефектов в титановых отливках..............................................................................46

*

1.7. Выводы и задачи исследования..................................................................................................48

ГЛАВА 2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................... 51

2.1. Плавильно-заливочная установка СопБагс........................................................................51

2.2. Методы качественной и количественной металлографии....................................52

2.3. Методика исследования на горячую твердость............................................................55

2.4. Испытание на длительную прочность....................................................................................58

2.5. Методика определения жаростойкости и коррозионной стойкости..........60

2.6. Методика математической обработки результатов эксперимента............62

2.7. Методы оценки физико-химического и структурно-фазового состава поверхностного слоя и эксплуатационных свойств исследуемых материалов..................................................................................................................................................................64

2.7.1. Методика рентгенострунтурного анализа......................................................................65

2.7.2. Методика вторичной ионной масс-спектроскопии (ВИМС)........................65

2.8. Методы определения микротвердости, механических свойств, жаропрочности, усталостной прочности......................................................................................68

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО ТИТ AHO-АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ................................................. 70

3.1. Исследование химического, фазового состава и микроструктуры исходной шихтовой заготовки для выплавки интерметаллидного титанового сплава........................................................................ 70

3.2. Исследование влияния технологических параметров плавки и литья

на структуру и свойства интерметаллидных титановых сплавов.............. 86

3.3. Разработка методики и расчет литниково-питающей системы для изготовления лопаток ТНД из интерметаллидного титанового сплава

литьем по выплавляемым моделям центробежным способом.................. 104

3.4. Анализ структуры и свойств литых лопаток ТНД из

интерметаллидного титанового сплава.............................................. 116

3.5. Выводы по главе 3................................................................... 137

ГЛАВА 4. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПЫТАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПОЛУЧЕНИЯ ЛОПАТОК ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО

ТИТАНОВОГО СПЛАВА..........................................................................................................................139

4.1. Анализ качества отливок, полученных при различных технологических параметрах....................................................................................................................139

4.2. Анализ характера разрушения интерметаллидного титанового сплава.. 153

4.3. Результаты испытаний образцов лопаток из интерметаллидного титан-алюминиевого сплава........................................................................................................................164

4.4. Выводы по главе 4....................................................................................................................................168

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ................................................................. 170

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................ 173

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................... 181

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

В настоящее время интерметаллиды стали достаточно востребованными материалами. Постоянно растущий интерес к ним связан как с решением технологических, так и фундаментальных проблем. Благодаря своей уникальной природе некоторые из интерметаллидов, в частности алюминиды титана, уже стали основой аэрокосмических материалов нескольких поколений. Алюминиды титана представляют значительный интерес для авиационной и аэрокосмической техники вследствие высокой стабильности механических свойств, жаропрочности и жаростойкости. Содержание алюминия в этих сплавах составляет 25,8-28,6 мае. %, титана 59,68-60,18 мае. %.

Серьезным недостатком этих сплавов, сдерживающим широкое применение их в промышленности, является их низкая пластичность. Для повышения пластичности интерметаллидных сплавов Ti-Al их легируют цирконием, ниобием, молибденом, ванадием. Измельчение зерна достигается легированием бором, приводящее к образованию боридов.

Исследованиями российских и зарубежных ученых Гринберг Б.А., Имаевым P.M., Имаевым В.М., Салищевым Г.А., Колачевым Б.А., Kong F., Chen Y., Clemens H., Dimiduk D.M. и др. разрешен ряд важнейших теоретических задач, связанных с проблемами получения необходимых свойств изделий из интерметаллидов для авиакосмической отрасли, а также изучена их зависимость от структуры этих сплавов.

Будущее этих сплавов существенно зависит от того, насколько быстро и эффективно будет разработана полная технология: состав - плавка - литье -структура - свойства. В связи с этим разработка технологии плавки и литья тонкостенных сложнопрофильных отливок на примере лопаток компрессора

высокого давления (КВД) и турбины низкого давления (ТНД) авиационных двигателей, исследование их структуры и свойств являются важной и актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках государственной программы по созданию высокотехнологичного производства (Постановление Правительства № 218 от 9.04.2010, договор № 13.0 25.310047).

Цель работы

Разработка технологии плавки и литья тонкостенных сложнопрофильных отливок из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава методом литья по выплавляемым моделям на примере лопаток авиационных двигателей.

Основное внимание было уделено решению следующих задач:

- исследованию химического и фазового состава исходной шихтовой заготовки для выплавки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава;

- определению технологических параметров плавки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава и центробежной заливки литейных форм с учетом свойств сплава и технологии изготовления керамических оболочек при изготовлении отливок литьем по выплавляемым моделям;

химическому и металлографическому анализу отливок из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава, полученных в вакуумной индукционной плавильно-заливочной установке «Сопэагс» с «холодным» медным тиглем, и определению эксплуатационных свойств отливок после их газостатирования и термической обработки;

- разработке технологического регламента плавки и изготовления литых лопаток из интерметаллидного титано-алюминиевого сплава на основании результатов исследования и опытно-промышленных испытаний.

Научная новизна работы

1. Установлены требования к химическому и фазовому составу шихтовой заготовки интерметаллидного титано-алюминиевого сплава, обеспечивающие получение отливок с необходимыми служебными свойствами в процессе их эксплуатации при температуре 750...800°С.

2. Установлены закономерности влияния параметров плавки и заливки интерметаллидното титано-алюминиевого сплава на распределение у-, аг- и Р-фаз в литом металле, их размеры, химический состав и перераспределение легирующих элементов в этих фазах.

3. Установлен характер разрушения литого сплава, которое происходит по границам структурных составляющих и особенно в областях с повышенным содержанием бора.

Практическая значимость работы

Определены технологические параметры плавки интерметаллидного титанового сплава в условиях вакуума с последующей подачей аргона для уменьшения потери элементов, входящих в состав сплава. Рекомендованы температура заливки сплава, давление аргона, частота вращения формы при заливке и время заливки сплава. Предложен состав огнеупорной суспензии для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям. Разработана конструкция литниково-питающей системы для получения тонкостенных сложнопрофильных отливок на примере лопатки из интерметаллидного сплава системы Т1-А1.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. Сведения об интерметаллидах

Интерметаллиды в последнее время стали достаточно востребованными материалами. Постоянно растущий интерес к ним связан как с решением технологических, так и фундаментальных проблем. Благодаря своей уникальной природе некоторые из интерметаллидов уже стали основой аэрокосмических материалов нескольких поколений, а другие - потенциальными кандидатами для аэрокосмических материалов следующих поколений. История развития интерметаллидов характеризуется непрерывным стремлением реализовать присущий им замечательный комплекс свойств и преодолеть присущие им недостатки. Деформационное поведение интерметаллидов обнаруживает ряд странностей, таких как температурная аномалия предела текучести и коэффициента упрочнения, исчезновения дислокаций некоторых типов в определённых температурных интервалах, макроскачок напряжения при многоступенчатом нагружении и др.

Интерметаллиды занимают промежуточное место между металлами и керамиками как по типу химической связи, так и по свойствам. Это широкий класс соединений исходных металлических элементов. В целом интерметаллиды имеют лучшую обрабатываемость, чем керамики. Наряду с определённой пластичностью они сохраняют свою структуру и прочность при высоких температурах, обладают хорошими антикоррозионными и антифрикционными свойствами, в чём обычно превосходят обычные металлы. Принципиальное отличие интерметаллидов от металлов, их образующих, состоит прежде всего в их высокой прочности.

Краткий очерк исследования интерметаллидов, являющихся основой высокотемпературных конструкционных материалов, дан в обзоре Ямагучи и Умакоши [1].

Начиная с первых десятилетий XX века найдены многие бинарные композиции металлов, которые являются интерметаллидами. Многие особенности деформационного поведения интерметаллидов были обнаружены в 50-е годы. Среди них следует выделить представление о сверхдислокациях как носителях пластической деформации и аномальное возрастание предела текучести с температурой. Попытки использовать №зА1 для высокотемпературных структурных приложений были неудачны из-за зернограничного охрупчивания интерметаллида. Были предложены различные способы пластификации поликристалла №зА1. Дальнейшие успехи связаны с получением монокристаллических лопаток из суперсплавов. Все эти разработки стимулировали конструирование сплавов не только на основе №зА1, но и лёгких интерметаллидов, таких как, Т1А1, Т1зА1, А1зТл и др. Интерметаллиды представляют уникальный класс материалов, которые сохраняют упорядоченную структуру вплоть до температуры плавления, т.е. температуры плавления и упорядочения совпадают. Дальний порядок обеспечивает более сильную межатомную связь.

Интерметаллиды обладают прекрасными свойствами [2]:

- высокая прочность, которая не деградирует с возрастанием температуры;

- аномальная зависимость предела текучести, наблюдаемая в некоторых интерметаллидах;

- низкая и очень низкая плотность интерметаллидов на основе А1, П, 81, что приводит к высокому отношению прочность / плотность;

высокие упругие модули, причём с ростом температуры они уменьшаются медленнее, чем в разупорядоченных сплавах;

- высокая стойкость к окислению, которую имеют интерметаллиды с высоким содержанием А1;

- низкие коэффициенты диффузии и в результате более низкая степень крипа (ползучести), рекристаллизации и коррозии.

Существенные факторы, которые влияют на механические свойства интерметаллидов, следующие [3]:

кристаллическая симметрия; при понижении симметрии уменьшается число систем скольжения;

- увеличение вектора Бюргерса при упорядочении приводит к повышению упругой энергии дислокации, затрудняет рождение дислокаций, понижает их подвижность (усиливая тем самым тенденцию к хрупкости);

- число возможных систем скольжения определяет совместность деформации в поликристалле; уменьшение их числа может привести к хрупкости и др.

Применению этих материалов мешают недостаточные значения пластичности и вязкости. Многие интерметаллиды настолько хрупкие, что из них трудно изготавливать конструкционные изделия. Даже если это сделано, низкая вязкость мешает их применению. Полагают [4], что причина хрупкости интерметаллидов состоит, во-первых, в низкой кристаллографической симметрии и в недостаточном числе систем скольжения, во-вторых, в низкой прочности скола, и, наконец, в слабости границ зёрен.

Существуют различные способы улучшения пластичности [4]:

- возрастание числа систем скольжения;

- модификация кристаллографической структуры;

- упрочнение границ зёрен;

- уменьшение размера зёрен;

- переход к монокристаллам.

Кроме того, улучшение пластичности может быть обеспечено за счёт микро- и макролегирования. Микролегирование влияет на структуру границ зёрен, макролегирование (> 1%) влияет на структуру всего объёма материала и фазовую стабильность. За счёт макролегирования удаётся заменить, например, структуру кристалла с низкой симметрией (упорядоченная гексагональная) на структуру с высокой симметрией (упорядоченная кубическая) и в результате

перейти к тройному сплаву с достаточной пластичностью. Попытки увеличить вязкость ещё более трудны. Этого удаётся добиться, в частности, за счёт создания ламельной структуры.

Вестбрук [5] подчёркивает, что свойства интерметаллидов действительно уникальны и их нельзя предсказать из свойств и параметров исходных материалов. Следует отметить, что успешное применение зависит не только от знания их природы и свойств, но и от контроля за способом их получения.

Фазы для высокотемпературных приложений должны прежде всего иметь достаточную прочность при температуре эксплуатации, т. е. высокую жаропрочность или, другими словами, высокое сопротивление крипу. Оно связано с коэффициентом диффузии, модулем сдвига, а оба параметра - с температурой плавления. Плотность сплава является дополнительным параметром, причём очень важным. Для движущихся частей машин существенно отношение прочности к плотности. Для фаз, содержащих лёгкие металлы, такие как Тл, А1, 81, прочность которых ниже, указанное соотношение может быть высоким благодаря низкой плотности.

Интерметаллиды должны быть коррозионностойкими, в частности стойкими к окислению. Последнее достигается присутствием элементов, которые могут обеспечить защитную плёнку. Таковыми являются Сг, А1, 81. Причём алюминиды более предпочтительны для высокотемпературных условий работы.

Для аэрокосмических систем необходимы новые материалы, которые должны быть более «прочными, горячими, жёсткими, лёгкими» [6], чем традиционные материалы. В конструировании и эксплуатации газотурбинных двигателей существует две проблемы. Во-первых, повышение рабочих температур некоторых частей двигателя при увеличении удельной мощности и экономии горючего. Во-вторых, применение более лёгких материалов для снижения массы двигателя, снижение рабочих напряжений от тяжёлых вращающихся деталей, увеличение срока службы дисков, валов и опор подшипников. Интерметаллиды особо пригодны для этих целей благодаря

сохранению высокой статической прочности, а также высокого сопротивления ползучести и усталости. В случае же алюминидов добавляется ещё и высокое сопротивление окислению. Для разработки составов интерметаллидных сплавов надо решать проблему ползучести без нарушения ценной упорядоченной структуры, которая обеспечивает высокие жаропрочность и жёсткость. Потенциальная ценность алюминидов заключается в их жёсткости, т.е. высоком модуле упругости, а это сводит к минимуму упругие деформации под нагрузкой при рабочих температурах.

1.2. Интерметалл ид ТЧА1

Замечательный баланс свойств, обнаруженный у алюминидов Т1А1, способствовал разработке сплавов, предназначенных для использования в качестве лёгких высокотемпературных материалов или компонентов. Хотя эти сплавы и называют у - сплавами, на самом деле речь идёт о двухфазных сплавах: у - Т1А1 и СС2 - Т1зА1. Содержание алюминия в