Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов
Проанализированы и обработаны экспериментальные данные термодинамических параметров широкого ряда отечественных и зарубежных литейных жаропрочных никелевых сплавов пяти поколений. Получены математические регрессионные модели для прогнозирующих расчетов термодинамических параметров, которые могут исп...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Назва видання: | Современная электрометаллургия |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115549 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов / С.В. Гайдук, В.В. Кононов, В.В. Куренкова // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 4 (121). — С. 31-37. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-115549 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1155492025-02-09T14:04:59Z Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов Design of prediction mathematical models for calculation of thermodynamic parameters of cast heat-resistant nickel alloys Гайдук, С.В. Кононов, В.В. Куренкова, В.В. Общие вопросы металлургии Проанализированы и обработаны экспериментальные данные термодинамических параметров широкого ряда отечественных и зарубежных литейных жаропрочных никелевых сплавов пяти поколений. Получены математические регрессионные модели для прогнозирующих расчетов термодинамических параметров, которые могут использоваться при разработке новых перспективных сплавов или модернизации существующих промышленных сплавов. Experimental data of thermodynamic parameters of a number of domestic and foreign cast heat-resistant alloys of five generations were analyzed and processed. Designed were the mathematical regression models for prediction of calculations of thermodynamic parameters, which can be used in the development of new challenging alloys or updating of existing industrial alloys. 2015 Article Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов / С.В. Гайдук, В.В. Кононов, В.В. Куренкова // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 4 (121). — С. 31-37. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2015.04.05 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115549 669.245.018.044:620.193.53 ru Современная электрометаллургия application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Общие вопросы металлургии Общие вопросы металлургии |
| spellingShingle |
Общие вопросы металлургии Общие вопросы металлургии Гайдук, С.В. Кононов, В.В. Куренкова, В.В. Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов Современная электрометаллургия |
| description |
Проанализированы и обработаны экспериментальные данные термодинамических параметров широкого ряда отечественных и зарубежных литейных жаропрочных никелевых сплавов пяти поколений. Получены математические регрессионные модели для прогнозирующих расчетов термодинамических параметров, которые могут использоваться при разработке новых перспективных сплавов или модернизации существующих промышленных сплавов. |
| format |
Article |
| author |
Гайдук, С.В. Кононов, В.В. Куренкова, В.В. |
| author_facet |
Гайдук, С.В. Кононов, В.В. Куренкова, В.В. |
| author_sort |
Гайдук, С.В. |
| title |
Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов |
| title_short |
Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов |
| title_full |
Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов |
| title_fullStr |
Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов |
| title_full_unstemmed |
Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов |
| title_sort |
получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Общие вопросы металлургии |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/115549 |
| citation_txt |
Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов / С.В. Гайдук, В.В. Кононов, В.В. Куренкова // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 4 (121). — С. 31-37. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT gajduksv polučenieprognoziruûŝihmatematičeskihmodelejdlârasčetatermodinamičeskihparametrovlitejnyhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT kononovvv polučenieprognoziruûŝihmatematičeskihmodelejdlârasčetatermodinamičeskihparametrovlitejnyhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT kurenkovavv polučenieprognoziruûŝihmatematičeskihmodelejdlârasčetatermodinamičeskihparametrovlitejnyhžaropročnyhnikelevyhsplavov AT gajduksv designofpredictionmathematicalmodelsforcalculationofthermodynamicparametersofcastheatresistantnickelalloys AT kononovvv designofpredictionmathematicalmodelsforcalculationofthermodynamicparametersofcastheatresistantnickelalloys AT kurenkovavv designofpredictionmathematicalmodelsforcalculationofthermodynamicparametersofcastheatresistantnickelalloys |
| first_indexed |
2025-11-26T15:18:10Z |
| last_indexed |
2025-11-26T15:18:10Z |
| _version_ |
1849866632299544576 |
| fulltext |
314/2015
УДК 669.245.018.044:620.193.53
ПОЛУчЕНИЕ ПРОГНОЗИРУЮЩИх МАТЕМАТИчЕСКИх
МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСчЕТА ТЕРМОДИНАМИчЕСКИх
ПАРАМЕТРОВ ЛИТЕЙНых жАРОПРОчНых
НИКЕЛЕВых СПЛАВОВ
С.В. Гайдук1, В.В. Кононов1, В.В. Куренкова2
1Запорожский национальный технический университет (ЗНТУ)
69063, г. Запорожье, ул. Жуковского, 64. E-mail: rector@zntu.edu.ua
2ООО «Патон Турбайн Текнолоджиз»
03028, г. Киев, ул. Ракетная, 26. E-mail: VKurenkova@patontt.com
Проанализированы и обработаны экспериментальные данные термодинамических параметров широкого ряда
отечественных и зарубежных литейных жаропрочных никелевых сплавов пяти поколений. Получены мате-
матические регрессионные модели для прогнозирующих расчетов термодинамических параметров, которые
могут использоваться при разработке новых перспективных сплавов или модернизации существующих про-
мышленных сплавов. Библиогр. 25, табл. 2, ил. 5.
К л ю ч е в ы е с л о в а : литейные жаропрочные никелевые сплавы; система легирования; термодинамиче-
ские параметры; математическая регрессионная модель
Совершенствование составов существующих про-
мышленных литейных жаропрочных никелевых
сплавов (ЖНС) и разработка сплавов нового поко-
ления нацелены на поиск перспективных компо-
зиций, обеспечивающих оптимальное сочетание
необходимых свойств и достаточный уровень ра-
ботоспособности сплавов при эксплуатации. Од-
нако повышение свойств требует увеличения ле-
гированности современных жаропрочных систем
и может достигать 40…50 мас. %. Это приводит к
повышению термодинамической неустойчивости
и развитию процессов, обуславливающих измене-
ние структуры и свойств.
Основные характеристики сплавов каждого клас-
са можно разделить на термофизические, механиче-
ские, технологические и эксплуатационные [1–3].
Химический состав и, соответственно, структур-
ные и фазовые особенности и термодинамические
процессы, протекающие в системах сплавов, опре-
деляют данные свойства. Поэтому получение опти-
мальных композиций легирующих составляющих в
ЖНС является необходимой задачей.
Современные сплавы представляют собой
сложные образования по химическому, фазово-
му составу и структуре. Однако сформированная
структура не является определяющим фактором,
т.к. в процессе эксплуатации сплав, прежде всего,
должен противостоять внешним воздействиям.
Следовательно, главным выступает структурная
стабильность, которая существенным образом
определяет жаропрочность, надежность и долго-
вечность сплава, т.е. сохранение его свойств при
эксплуатации в любых условиях (изменение на-
пряжений, температуры, агрессивной среды) [4].
Стабильность фаз и структуры наиболее полно
можно оценить исследуя совместно термодинами-
ческие и кинетические свойства, т.е. параметры,
определяющие равновесие в системе и контроли-
рующие скорость процессов, ведущих к структур-
ным изменениям, в особенности процессов диф-
фузии, деградации и т.д.
Цель данной работы — создание на основе
анализа и обработки экспериментальных данных
широкого номенклатурного ряда отечественных и
зарубежных литейных ЖНС универсальных про-
гнозирующих математических регрессионных
моделей, наиболее точно описывающих зависи-
мость термодинамических параметров от хими-
ческого состава. Выбор обусловлен тем, что спла-
вы от первого до пятого поколений охватывают
широкую область систем легирования по основ-
ным элементам, мас. %: 2,5…22,5 Cr; 0…15 Со;
0…12 W; 0…6 Mo; 0…5 Ti; 2,5…6,5 Al; 0…3 Nb;
0…12 Ta; 0…2 Hf; 0…9 Re; 0…6 Ru; 0…1 V. Сле-
дует отметить, что среди них имеются сплавы в © С.В. ГАЙДУК, В.В. КОНОНОВ, В.В. КУРЕНКОВА, 2015
32 СЭМ
составе которых отсутствуют какие-либо легиру-
ющие элементы.
Исследовали 32 литейных ЖНС, которые вы-
бирали с позиций достоверного эксперименталь-
ного определения их химического состава и тер-
модинамических параметров от уровня, характера
и степени легирования [4–12] (табл. 1). Диапазон
содержания основных легирующих элементов, ох-
ватывающих системы легирования ЖНС 5-ти по-
колений, показан на рис. 1.
Анализ результатов. В данной работе представ-
лены исследования по определению зависимостей
термодинамических параметров от химического
состава для широкого ряда литейных ЖНС. До
настоящего времени для определения величины
и зависимости термодинамических параметров от
химического состава литейных ЖНС применяли
экспериментальные методы [4–15]. Для прогно-
зирующих расчетов температурных параметров
сплавов данного класса используются уравнения
многофакторной регрессии, полученные методом
множественного регрессионного анализа, и как
показала практика, требующие дальнейшего со-
вершенствования [1–3, 16, 17]. В последнее вре-
мя для аналитических расчетов применяется ме-
тод CALPHAD [18–21], эффективность которого
заключается в достаточно быстром дополнении
недостающих экспериментальных данных и по-
лучении достоверных прогнозирующих расчетов
таких параметров, как критическая температура и
температурный интервал фазовых превращений.
Данный метод основан на надежных физических
принципах, которые имеют ряд значительных пре-
имуществ по сравнению со статистическими ме-
тодами. В данной работе реализован комплексный
подход к обработке экспериментальных данных
с применением синтеза расчетно-аналитических
методов, что позволило получить более адекват-
ные и универсальные прогнозирующие математи-
ческие модели для широкого ряда литейных ЖНС.
Химический состав 32-х исследованных литей-
ных ЖНС представлен в табл. 1 [4–6, 8–15].
Как известно, интервал кристаллизации Dtкр =
= tL – ts, (tL, ts — температуры ликвидус и солидус
соответственно) определяет склонность спла-
ва к дендритной ликвации, а также склонность
к образованию микропористости, оказывающей
негативное влияние на механические свойства.
Чем меньше интервал кристаллизации Dtкр, тем
меньше ликвация, однороднее сплав по хими-
ческому составу и гомогеннее его структура, т.е.
уменьшается различие химического состава осей
закристаллизовавшихся дендритов и междендрит-
ных объемов. Значение ts в определенной степени
ограничивает максимально возможную рабочую
температуру сплавов. Таким образом, чем выше
значение ts, тем выше работоспособность сплава
при повышенной температуре.
Из рис. 2, а, б видно, что значения температур
tL и ts в литейных ЖНС в первую очередь зависят
от суммарного содержания γ-упрочнителей твер-
дого раствора — элементов с обратной (отрица-
Рис. 1. Содержание основных легирующих элементов в исс-
ледуемых литейных ЖНС
Рис. 2. Зависимость tL (а) и ts (б) литейных ЖНС от суммар-
ного количества лигирующих упрочнителей γ-твердого рас-
твора
334/2015
тельной) ликвацией таких как Mo, W, Та, Re, Ru
(тантал — исключение). Чем больше суммарное
содержание упрочнителей γ-твердого раствора,
тем выше значения tL и ts сплава.
На основе проведенных исследований для tL и
ts получены адекватные математические регресси-
онные модели для пяти поколений ЖНС, которые
имеют вид аппроксимирующих прямых, описы-
ваемых уравнениями: tL = 5,552Σγ + 1309,3 с ко-
эффициентом детерминированности R2 = 0,9806
(рис. 2, а); ts = 8,7819Σγ + = 1189,6 с коэффициен-
том детерминированности R2 = 0,9816 (рис. 2, б).
Микроструктура жаропрочных сплавов пред-
ставляет собой систему матричного высоколеги-
рованного γ-твердого раствора, в которой регуляр-
но распределена основная упрочняющая γ´-фаза
(дисперсного вида), а также имеют место первич-
ная укрупненная γ´-фаза, γ-γ´-эвтектики и различ-
Т а б л и ц а 1 . химический состав литейных жНС, мас. %
Марка сплава С Cr Co Al Ti Mo W Nb Ta Hf V Re Ru Zr B
TMS-71 – 6,0 6,0 5,7 – 6,4 – – 8,4 – – 2,5 – – –
ЗМИ-3У 0,12 13,3 5,0 3,4 4,8 0,9 7,3 – – – – – – – 0,015
CMSX-10 – 2,0 3,0 5,7 0,2 0,4 5,0 0,1 8,0 0,03 – 6,0 – – –
ЖС32 0,15 5,0 9,0 6,0 – 1,0 8,3 1,5 4,0 – – 4,0 – – 0,015
ЖС6К 0,18 10,6 4,5 5,7 2,8 4,0 5,1 – – – – – – 0,04 0,015
ЖС6У 0,16 8,8 9,8 5,6 2,4 1,8 10,3 1,0 – – – – – 0,04 0,025
ЖС26 0,15 4,9 9,0 5,9 1,0 1,1 11,7 1,6 – – 1,0 – – – 0,015
ЗМИ-3У-М1* 0,05 11,5 5,0 3,6 4,5 0,8 7,0 – 4,0 – – – – – 0,008
ЧС70 0,09 15,8 10,7 2,8 4,6 2,0 5,5 0,2 – – – – – 0,05 0,02
ВЖМ-1 – 2,5 11,0 5,8 – 2,0 1,3 – 8,8 – – 9,0 – – –
ВЖМ-4 0,008 2,5 6,0 6,0 – 4,0 4,0 – 4,5 – – 6,5 4,0 – 0,004
ЖС3ЛС 0,09 16,0 5,0 2,7 2,7 4,0 4,0 – – – – – – 0,015 0,015
ЖС3ЛС-М* 0,10 14,5 4,5 3,0 3,0 2,0 6,5 – 2,5 0,3 – – – 0,015 0,015
ЖС32Э 0,07 5,0 5,5 6,0 – 0,6 6,7 0,8 8,0 – – 2,0 – 0,025 0,010
ВЖЛ12Э 0,18 9,4 9,0 5,4 4,5 3,1 1,4 0,75 – – 0,75 – – 0,020 0,011
CMSX-4 – 6,5 9,0 5,6 1,0 0,6 6,0 – 6,5 0,10 – 3,0 – – –
IN-939 0,15 22,5 19,0 1,9 3,7 – 2,0 1,0 1,4 – – – – 0,100 0,010
GTD-111 0,10 14,0 9,5 3,0 5,0 1,5 4,0 – 3,0 0,15 – – – 0,030 0,010
IN-738 0,10 16,0 8,5 3,4 3,4 1,75 2,6 0,9 1,75 – – – – 0,050 0,010
U-500 0,07 18,0 19,0 3,0 3,0 4,2 – – – – – – – 0,05 0,007
U-700 0,06 15,5 17,0 4,7 3,5 5,0 – – – – – – – 0,02 0,030
Rene N5 0,05 7,0 7,5 6,2 – 1,5 5,0 – 6,6 0,15 – 3,0 – – 0,004
Rene N6 0,05 4,2 12,5 5,75 – 1,4 6,0 – 7,2 0,15 – 5,4 – – 0,004
CM186LC 0,07 6,0 9,0 5,7 0,7 0,5 8,0 – 3,0 1,4 – 3,0 – 0,005 0,015
CM247LC 0,07 8,1 9,2 5,6 0,7 0,5 9,5 – 3,2 1,4 – – – 0,015 0,015
Rene 80 0,17 14,0 9,5 3,0 5,0 4,0 4,0 – – – – – – 0,030 0,015
PWA 1422 0,14 9,0 10,0 5,0 2,0 – 12,0 1,0 – 1,5 – – – 0,050 0,015
PWA 1480 – 10,0 5,0 5,0 1,5 – 4,0 – 12,0 – – – – – –
ЖСКС-1 0,10 14,0 9,0 4,0 4,0 2,0 4,0 1,0 0,5 – – – – – 0,015
ЖСКС-2 – 13,5 9,5 4,1 3,8 2,0 4,1 – 2,0 – – 1,0 – – –
CMSX-11B 0,002 12,5 7,0 3,6 4,2 0,5 5,6 0,01 5,0 0,004 – – – 0,001 0,002
CMSX-11C 0,002 14,9 3,0 3,4 4,2 0,4 4,5 0,01 5,0 0,004 – – – 0,001 0,002
*Сплавы ЗМИ-3У-М1 и ЖС3ЛС-М разработаны в ЗНТУ и внедрены в промышленное производство на ЗМКБ «Ивченко-Прогресс»
и АО «Мотор Сич».
Т а б л и ц а 2 . химический состав структурных составляющих жаропрочного сплава IN 738 (рис. 4)
Spectrum C Al Ti Cr Co Ni Nb Mo Ta W
Spectrum 1 3,62 2,29 3,92 17,02 8,38 58,82 1,08 2,70 1,11 1,06
Spectrum 2 3,86 4,40 9,03 3,13 5,28 70,69 1,25 0,38 1,58 0,40
Spectrum 3 19,09 - 22,42 0,68 0,27 1,86 30,46 2,15 20,84 2,22
Spectrum 4 3,38 1,67 2,31 22,52 10,06 54,46 0,59 3,41 0,69 0,91
Spectrum 5 16,01 - 18,91 10,41 0,52 3,04 22,89 4,06 21,96 2,18
Spectrum 6 17,15 - 23,64 0,81 0,44 2,81 28,69 1,20 24,47 0,78
Spectrum 7 17,78 - 22,13 2,06 0,96 4,7 26,11 0,74 24,82 0,70
34 СЭМ
ные типы карбидных фаз (МеС, Ме6С, Ме23С6), а
также бориды. Пример типичной микроструктуры
и химического состава основных фаз представле-
ны на рис. 3, 4, табл. 2.
Уровень высокотемпературной работоспособ-
ности ЖНС определяется в первую очередь их
структурной и фазовой стабильностью, которая
в основном зависит от таких термодинамических
параметров, как температура начала (tнр
γ´) и пол-
ного растворения (tпр
γ´) основной упрочняющей
γ´-фазы, а также температура локального оплав-
ления эвтектики γ-γ´ (tэвт). Для каждого сплава
данные значения индивидуальны и определяют
уровень термодинамической структурной и фазо-
вой стабильности и, соответственно, высокотем-
пературную жаропрочность и долговечность при
рабочих температурах.
В настоящее время рабочие температуры газо-
турбинных двигателей достигли уровня значений
близких к температурному интервалу растворения
основной упрочняющей γ´-фазы.
Из рис. 5 видно, что значения температур tнр
γ´ и
tпр
γ´ основной упрочняющей γ´- фазы, а также тем-
пература плавления эвтектики γ-γ´(tэвт) в литейных
ЖНС в первую очередь зависят от суммар-
ного содержания в сплавах γ´-образующих
элементов, обладающих прямой (положи-
тельной) ликвацией, а именно Al, Ti, Nb, Ta,
Hf [7]. Чем больше суммарное содержание
γ´-образующих элементов, тем выше значе-
ния tнр
γ´, tпр
γ´ и tэвт сплава. Следует отметить,
что tнр
γ’ упрочняющей γ′-фазы у исследован-
ных литейных ЖНС находится в достаточно
узком температурном интервале (рис. 5, а).
Наиболее важной термодинамической
характеристикой сплава, отвечающей за
уровень высокотемпературной жаропрочно-
сти, является температура tпр
γ’ упрочняющей
γ′-фазы [4, 22]. Анализ приведенной матема-
тической модели (рис. 5, б) подтвердил вли-
яние γ´-образующих элементов на темпера-
Рис. 3. Микроструктура никелевого жаропрочного сплава (×500, 1000): а, в — SEI; б, г — BEI
Рис. 4. Микроструктура жаропрочного сплава IN 738 и зоны проведе-
ния энергодисперсионного анализа
354/2015
туру полного растворения γ΄-фазы. С увеличением
их количества температура прямо пропорциональ-
но возрастает. Менее активное, но положительное
влияние на повышение tпр
γ´ оказывают и γ-упроч-
нители твердого раствора (Mo, W, Re, Ru).
Предельной границей, определяющей экс-
плуатационные возможности сплава, наряду с
tпр
γ´, является температура локального плавления
структурных составляющих, а именно температу-
ра плавления эвтектики γ-γ´(tэвт) (рис. 5, в). В рабо-
тах [4–6] показано, что при легировании гафнием
tэвт может быть ниже tпр
γ´ γ´-фазы, т.е. гафний не
только положительно влияет на структуру и свой-
ства сплавов, но и, как сильно ликвирующий эле-
мент, оказывает отрицательное воздействие на их
термическую стабильность [7, 8]. В этом случае
величина температурного интервала для прове-
дения эффективной термообработки Dtто будет
иметь отрицательное значение, а проведение го-
могенизации сплава может привести к оплавле-
нию локальных микрообъемов и, соответственно,
разупрочнению сплавов вследствие увеличения
их структурной неоднородности и дефектности,
что может приводить к снижению прочностных и
усталостных характеристик.
Таким образом, температура плавления эвтек-
тики γ-γ´(tэвт) также является важной характери-
стикой ЖНС, поскольку ограничивает верхний
предел температурного интервала Dtто для прове-
дения термической обработки (гомогенизации).
Нижней предельной границей, определяющей
ширину технологического температурного интер-
вала для проведения термической обработки, яв-
ляется tпр
γ´ основной упрочняющей γ´-фазы: Dtто =
= tэвт – tпр
γ´.
В связи с этим при разработке перспективных
или модернизации существующих промышлен-
ных сплавов следует учитывать данное условие
и обеспечивать необходимую достаточную шири-
ну температурного интервала Dtто для проведения
эффективной гомогенизации tгом = tпр
γ´ + Dtто/2.
Следует отметить, что если величина tпр
γ´ γ´-фазы
находится достаточно близко к величине tэвт, то в
этом случае часто применяют медленный ступен-
чатый нагрев с временными выдержками при вы-
ходе на температурный режим гомогенизации tгом.
Эвтектические превращения — это сложные
термодинамические процессы, которые могут про-
текать одновременно, накладываясь друг на друга
в определенном температурном диапазоне. Поэто-
му часто для литейных жаропрочных никелевых
сплавов эти температурные пороги определяются
экспериментально методом дифференциального
термического анализа (ДТА) посредством изуче-
ния ДТА-кривых, получаемых при нагреве (плав-
лении) и охлаждении (кристаллизации) [22–25].
Следует отметить, что элементы, упрочняю-
щие γ-твердый раствор, обладают более низкой
диффузионной подвижностью, тем самым зна-
чительно тормозя диффузионные процессы при
высоких температурах, связанные как с раство-
рением основной упрочняющей γ´-фазы, так и со
скоростью коагуляции ее дисперсных выделений,
что определенно влияет как на скорость деграда-
ции структуры, так и на жаропрочность.
В результате проведенных исследований для
температур tнр
γ´ и tпр
γ´ основной упрочняющей
ЖНС γ´-фазы, а также температуры плавления
эвтектики γ-γ´(tэвт) получены адекватные аппрок-
симирующие математические регрессионные мо-
Рис. 5. Зависимость tнр
γ´ (а), tпр
γ´ (б) и tэвт (в) от суммарного
содержания γ´-стабилизирующих элементов
36 СЭМ
дели, адаптированные для пяти поколений литей-
ных ЖНС, которые имеют вид: tнр
γ’ = 3,0087Σγ´ +
+ 818,49 с коэффициентом детерминированности
R2 = 0,9691 ; tпр
γ´ = 25,073Σγ´ + 955,01 с R2 = 0,9715;
tэвт = 16,059Σγ´ + 1101,8 с R2 = 0,9563.
Было установлено, что полученные матема-
тические модели позволяют с высокой степенью
достоверности проводить прогнозирующие расче-
ты термодинамических параметров как для новых
перспективных составов, так и для модернизации
существующих сплавов, а также прогнозировать
другие важные температурные параметры спла-
вов: ширину интервала кристаллизации Dtкр = = tL
– ts, которая определяет склонность сплавов к ден-
дритной ликвации; рабочую температуру tраб спла-
вов определенного класса, которая определяется в
первую очередь структурной и фазовой стабиль-
ностью и зависит от значений tнр
γ´ и в большей
степени tпр
γ´ основной упрочняющей γ´-фазы; тем-
пературный интервал проведения гомогенизации,
который зависит от температуры плавления эвтек-
тики γ-γ´(tэвт), что и определяет ширину техноло-
гического интервала Dtто = tэвт – tпр
γ´, а также опти-
мальную температуру гомогенизации для сплавов
tгом = tпр
γ´ + Dtто/2.
Для каждого сплава данные температурные
параметры являются индивидуальными, которые
в конечном итоге и определяют структурно-фазо-
вую стабильность сплавов, а также характер высо-
котемпературного разупрочнения, и соответствен-
но, жаропрочность при рабочих температурах,
которые в настоящее время достигли значений,
соответствующих температурному интервалу рас-
творения основной упрочняющей γ´-фазы.
Учитывая высокие коэффициенты детерми-
нированности и низкий уровень ошибки между
расчетными и экспериментально установленны-
ми значениями температурных параметров мож-
но сделать вывод о том, что полученные матема-
тические регрессионные зависимости являются
адекватными и могут достаточно точно прогно-
зировать термодинамические параметры сплава в
зависимости от его химического состава.
Выводы
1. В литейных ЖНС значения температур лик-
видус tL и солидус ts в первую очередь определя-
ются суммарным содержанием γ-упрочнителей
твердого раствора Σγ с высокой температурой
плавления. Чем больше величина Σγ, тем выше
значения температур tL и ts.
2. Для прогнозирования термодинамических
параметров, а именно температур tL и ts получе-
ны универсальные математические регрессионные
модели для широкого ряда литейных ЖНС, которые
имеют вид аппроксимирующих прямых, описы-
ваемых уравнениями tL = 5,552Σγ + 1309,3 с коэф-
фициентом детерминированности R2 = 0,9806 и ts =
= 8,7819Σγ + 1189,6 с R2 = 0,9816 соответственно.
3. В литейных ЖНС значения температур начала
(tнр
γ´) и полного растворения (tпр
γ´) основной упроч-
няющей γ´-фазы, а также температуры плавления
эвтектики γ-γ´(tэвт), в первую очередь зависят от сум-
марного содержания в составе сплава γ´-образую-
щих элементов Σγ´. Чем больше величина Σγ´, тем
выше значения температур tнр
γ´, tпр
γ´ и tэвт.
4. Для прогнозирования температурных пара-
метров tнр
γ´, tпр
γ´ и tэвт получены универсальные
математические регрессионные модели, апро-
бированные для широкого ряда литейных ЖНС,
которые имеют вид аппроксимирующих прямых:
tнр
γ´ = 3,0087Σγ´ + 818,49 с коэффициентом детер-
минированности R2 = 0,9691 ; tпр
γ´ = 25,073Σγ´ +
+ 955,01 с R2 = 0,9715; tэвт = 16,059Σγ´ + 1101,8 с
R2 = 0,9563.
1. Логунов А.В., Шмотин Ю.Н., Данилов Д.В. Методологи-
ческие основы автоматизированного проектирования жа-
ропрочных сплавов на никелевой основе. Ч. I // Техноло-
гия металлов. — 2014. — № 5. — С. 3–9.
2. Логунов А.В., Шмотин Ю.Н., Данилов Д.В. Методоло-
гические основы автоматизированного проектирования
жаропрочных сплавов на никелевой основе. Ч. II // Там
же. — 2014. — № 6. — С. 3–10.
3. Логунов А.В., Шмотин Ю.Н., Данилов Д.В. Методоло-
гические основы автоматизированного проектирования
жаропрочных сплавов на никелевой основе. Ч. III // Там
же. — 2014. — № 7. — С. 3–11.
4. Кишкин С.Т., Строганов Г.Б., Логунов А.В. Литейные жа-
ропрочные сплавы на никелевой основе. — М.: Машино-
строение, 1987. — 116 с.
5. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита
их от окисления / Б.Е. Патон, Г.Б. Строганов, С.Т. Кишкин
и др. — Киев: Наук. думка, 1987. — 256 с.
6. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов /
Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б. Качанов и др. — М.: Ма-
шиностроение, 1997. — 336 с.
7. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых
сплавов. — М.: Машиностроение, 1998. — 464 с.
8. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей
(сплавы, технология, покрытия). — М.: МИСИС, 2001. —
632 с.
9. Каблов Е.Н. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект
С.Т. Кишкина: науч.-техн. сб.: к 100-летию со дня рожде-
ния С.Т. Кишкина. — М.: Наука, 2006. — 272 с.
10. Каблов Е.Н. 75 лет. Авиационные материалы. Избран-
ные труды «ВИАМ» 1932–2007 / Юбилейный науч.-техн.
сб. — М.: ВИАМ, 2007. — 439 с.
11. Жаропрочные сплавы для газовых турбин / Д. Котсора-
дис, П. Феликс, Х. Фишмайстер и др. — М.: Металлургия,
1981. — 480 с.
12. Симс Ч.Т., Столофф Н.С., Хагель У.К. Суперсплавы II.
Жаропрочные материалы для аэрокосмических и про-
374/2015
мышленных энергоустановок. В 2-х кн. — М. : Металлур-
гия, 1995. — 384 с.
13. Морозова Г.И. Закономерность формирования химиче-
ского состава γ′/γ-матрицы многокомпонентных нике-
левых сплавов // ДАН СССР. — 1991. — 320, № 6. —
С. 1413–1416.
14. Морозова Г.И., Тимофеева О.Б., Петрушин Н.В. Особен-
ности структуры и фазового состава высокорениевого
никелевого жаропрочного сплава // Металловедение и
термическая обработка металлов. — 2009. — № 2. —
С. 10–16.
15. Erickson G.L. The Development of the CMSX-11B and
CMSX-11C Alloys for Industrial Gas Turbine Application //
Superalloys. — 1996. — P. 45–62.
16. Жуков А.А., Смирнова О.А. Оценка температуры полного
растворения γ′-фазы жаропрочных никелевых сплавов
на основе анализа двойных диаграмм состояния // Загото-
вительные производства в машиностроении. — 2004. —
№ 11. — С. 44–47.
17. Жуков А.А., Смирнова О.А. Оценка эксплуатационной
пригодности жаропрочных сплавов для ГТД и ГТУ //
Авиационно-космическая техника и технология. —
2005. — № 10. — С. 60–66.
18. Saunders N., Fahrmann M., Small C.J. The Application of
Calphad Calculations to Ni-Based Superalloys // Superalloys
2000. — TMS. — 2000. — P. 803–811.
19. Saunders N. Phase Diagram Calculations for Ni-based Super-
alloys // Superalloys. — TMS. — 1996. — P. 101–110.
20. Small C.J., Saunders N. The application of Calphad tech-
niques in the development of a New gas-turbine disk alloy //
Mat. Research Soc. Bull. — April. — 1999. — P. 22.
21. Saunders N. Phase-Diagram Calculations for Ni-based Super-
alloys // Superalloys 1996 — TMS. — 1996. — P. 101–110.
22. Беликов С.Б., Гайдук С.В., Кононов В.В. О влиянии тан-
тала на характеристические точки жаропрочных никеле-
вых сплавов // Вестник двигателестроения. — 2004. —
№ 3. — С. 99–102.
23. Гайдук С.В. Особенности влияния тантала на структуру и
свойства никелевых сплавов // Нові матеріали і техноло-
гії в металургії та машинобудуванні. — 2004. — № 1. —
С. 16–19.
24. Вертоградский В.А., Рыкова Т.П. Исследование фазовых
превращений в сплавах типа ЖС методом ДТА // Жаро-
прочные и жаростойкие стали и сплавы на никелевой ос-
нове. — М.: Наука, 1984. — С. 223–227.
25. Fippen J.S., Sparks P.B. Using differential thermal analysis
to determine phase change temperatures // Metal Progr. —
1979. — № 4. — Р. 56–59.
Experimental data of thermodynamic parameters of a number of domestic and foreign cast heat-resistant alloys of
five generations were analyzed and processed. Designed were the mathematical regression models for prediction
of calculations of thermodynamic parameters, which can be used in the development of new challenging alloys or
updating of existing industrial alloys. Ref. 25, Tables 2, Figures 5.
K e y w o r d s : cast heat-resistant alloys; alloying system; thermodynamic parameters; mathematical regression
model
Поступила 21.10.2015
|