Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал
Для повышения эксплуатационных характеристик рабочих лопаток газотурбинных двигателей І-й и ІІ-ой ступеней осуществлено усовершенствование конструкции литейной установки высокоградиентной кристаллизации, а также предложено дополнительное введение в основу жаропрочного коррозионностойкого сплава типа...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Дата: | 2017 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160349 |
| 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: | Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал / Ю.Г. Квасницкая, А.В. Наривский, И.И. Максюта, Е.В. Михнян // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 4 (129). — С. 37-43. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-160349 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Квасницкая, Ю.Г. Наривский, А.В. Максюта, И.И. Михнян, Е.В 2019-11-02T15:52:58Z 2019-11-02T15:52:58Z 2017 Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал / Ю.Г. Квасницкая, А.В. Наривский, И.И. Максюта, Е.В. Михнян // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 4 (129). — С. 37-43. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2017.04.05 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160349 669.245:536.421.4 Для повышения эксплуатационных характеристик рабочих лопаток газотурбинных двигателей І-й и ІІ-ой ступеней осуществлено усовершенствование конструкции литейной установки высокоградиентной кристаллизации, а также предложено дополнительное введение в основу жаропрочного коррозионностойкого сплава типа ХН57КВЮТМБРЛ-ВИ рения и тантала. Представлен комплекс исследований по разработке новой композиции сплава и особенности технологического процесса получения деталей газотурбинных двигателей с регулярной ориентированной структурой. Для підвищення експлуатаційних характеристик робочих лопаток газотурбінних двигунів І- і ІІ-ої ступенів здійснено удосконалення конструкції ливарної установки високоградієнтної кристалізації, а також запропоновано додаткове введення в основу жароміцного коррозійностійкого сплаву типу ХН57КВЮТМБРЛ-ВІ ренію та танталу. Представлено комплекс робіт по розробці нової композиції сплаву та особливості технологічного процесу одержання деталей газотурбінних двигунів с орієнтованою структурою. To improve the operational characteristics of blades of gas turbine engines of the I and II stages, the modernization of design of the casting installation for the high-gradient crystallization was carried out, as well as an additional introducing of rhenium and tantalum into the base of heat-resistant corrosion-resistant alloy of KhN57KVYuTMBRL-VI type was proposed. The article presents a complex of works on the development of a new alloy composition and features of the technological process for producing the GTE parts with a regular oriented structure. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Новые материалы Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал Використання вдосконаленої технології для одержання орієнтованої структури у високоточних виливках з жароміцного сплаву, які містять реній і тантал Application of advanced technology for obtaining an oriented structure in high-precision castings made of heat-resistant alloy containing rhenium and tantalum Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал |
| spellingShingle |
Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал Квасницкая, Ю.Г. Наривский, А.В. Максюта, И.И. Михнян, Е.В Новые материалы |
| title_short |
Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал |
| title_full |
Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал |
| title_fullStr |
Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал |
| title_full_unstemmed |
Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал |
| title_sort |
применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал |
| author |
Квасницкая, Ю.Г. Наривский, А.В. Максюта, И.И. Михнян, Е.В |
| author_facet |
Квасницкая, Ю.Г. Наривский, А.В. Максюта, И.И. Михнян, Е.В |
| topic |
Новые материалы |
| topic_facet |
Новые материалы |
| publishDate |
2017 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современная электрометаллургия |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Використання вдосконаленої технології для одержання орієнтованої структури у високоточних виливках з жароміцного сплаву, які містять реній і тантал Application of advanced technology for obtaining an oriented structure in high-precision castings made of heat-resistant alloy containing rhenium and tantalum |
| description |
Для повышения эксплуатационных характеристик рабочих лопаток газотурбинных двигателей І-й и ІІ-ой ступеней осуществлено усовершенствование конструкции литейной установки высокоградиентной кристаллизации, а также предложено дополнительное введение в основу жаропрочного коррозионностойкого сплава типа ХН57КВЮТМБРЛ-ВИ рения и тантала. Представлен комплекс исследований по разработке новой композиции сплава и особенности технологического процесса получения деталей газотурбинных двигателей с регулярной ориентированной структурой.
Для підвищення експлуатаційних характеристик робочих лопаток газотурбінних двигунів І- і ІІ-ої ступенів здійснено удосконалення конструкції ливарної установки високоградієнтної кристалізації, а також запропоновано додаткове введення в основу жароміцного коррозійностійкого сплаву типу ХН57КВЮТМБРЛ-ВІ ренію та танталу. Представлено комплекс робіт по розробці нової композиції сплаву та особливості технологічного процесу одержання деталей газотурбінних двигунів с орієнтованою структурою.
To improve the operational characteristics of blades of gas turbine engines of the I and II stages, the modernization of design of the casting installation for the high-gradient crystallization was carried out, as well as an additional introducing of rhenium and tantalum into the base of heat-resistant corrosion-resistant alloy of KhN57KVYuTMBRL-VI type was proposed. The article presents a complex of works on the development of a new alloy composition and features of the technological process for producing the GTE parts with a regular oriented structure.
|
| issn |
0233-7681 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/160349 |
| citation_txt |
Применение усовершенствованой технологии для получения ориентированной структуры в высокоточных отливках из жаропрочного сплава, содержащего рений и тантал / Ю.Г. Квасницкая, А.В. Наривский, И.И. Максюта, Е.В. Михнян // Современная электрометаллургия. — 2017. — № 4 (129). — С. 37-43. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT kvasnickaâûg primenenieusoveršenstvovanoitehnologiidlâpolučeniâorientirovannoistrukturyvvysokotočnyhotlivkahizžaropročnogosplavasoderžaŝegoreniiitantal AT narivskiiav primenenieusoveršenstvovanoitehnologiidlâpolučeniâorientirovannoistrukturyvvysokotočnyhotlivkahizžaropročnogosplavasoderžaŝegoreniiitantal AT maksûtaii primenenieusoveršenstvovanoitehnologiidlâpolučeniâorientirovannoistrukturyvvysokotočnyhotlivkahizžaropročnogosplavasoderžaŝegoreniiitantal AT mihnânev primenenieusoveršenstvovanoitehnologiidlâpolučeniâorientirovannoistrukturyvvysokotočnyhotlivkahizžaropročnogosplavasoderžaŝegoreniiitantal AT kvasnickaâûg vikoristannâvdoskonalenoítehnologíídlâoderžannâoríêntovanoístrukturiuvisokotočnihvilivkahzžaromícnogosplavuâkímístâtʹreníiítantal AT narivskiiav vikoristannâvdoskonalenoítehnologíídlâoderžannâoríêntovanoístrukturiuvisokotočnihvilivkahzžaromícnogosplavuâkímístâtʹreníiítantal AT maksûtaii vikoristannâvdoskonalenoítehnologíídlâoderžannâoríêntovanoístrukturiuvisokotočnihvilivkahzžaromícnogosplavuâkímístâtʹreníiítantal AT mihnânev vikoristannâvdoskonalenoítehnologíídlâoderžannâoríêntovanoístrukturiuvisokotočnihvilivkahzžaromícnogosplavuâkímístâtʹreníiítantal AT kvasnickaâûg applicationofadvancedtechnologyforobtaininganorientedstructureinhighprecisioncastingsmadeofheatresistantalloycontainingrheniumandtantalum AT narivskiiav applicationofadvancedtechnologyforobtaininganorientedstructureinhighprecisioncastingsmadeofheatresistantalloycontainingrheniumandtantalum AT maksûtaii applicationofadvancedtechnologyforobtaininganorientedstructureinhighprecisioncastingsmadeofheatresistantalloycontainingrheniumandtantalum AT mihnânev applicationofadvancedtechnologyforobtaininganorientedstructureinhighprecisioncastingsmadeofheatresistantalloycontainingrheniumandtantalum |
| first_indexed |
2025-11-24T02:45:35Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:45:35Z |
| _version_ |
1850840232605253632 |
| fulltext |
37ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 669.245:536.421.4 https://doi.org/10.15407/sem2017.04.05
ПРИМЕНЕНИЕ уСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ ТЕхНОЛОГИИ
ДЛЯ ПОЛучЕНИЯ ОРИЕНТИРОВАННОЙ СТРуКТуРЫ
В ВЫСОКОТОчНЫх ОТЛИВКАх ИЗ ЖАРОПРОчНОГО
СПЛАВА, СОДЕРЖАщЕГО РЕНИЙ И ТАНТАЛ
А. В. Наривский, И. И. Максюта, Ю. Г. Квасницкая, Е. В. Михнян
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины.
03680, г. Киев, бульв. Академика Вернадского 34/1. E-mail: metal@ptima.kiev.ua
Для повышения эксплуатационных характеристик рабочих лопаток газотурбинных двигателей І-й и ІІ-ой сту-
пеней осуществлено усовершенствование конструкции литейной установки высокоградиентной кристаллиза-
ции, а также предложено дополнительное введение в основу жаропрочного коррозионностойкого сплава типа
ХН57КВЮТМБРЛ-ВИ рения и тантала. Представлен комплекс исследований по разработке новой композиции
сплава и особенности технологического процесса получения деталей газотурбинных двигателей с регулярной
ориентированной структурой. Библиогр. 17, табл. 4, ил. 5.
К л ю ч е в ы е с л о в а : литейная установка высокоградиентной кристаллизации; никелевые жаропрочные
сплавы; рений; тантал; направленная кристаллизация; лопатки газотурбинных двигателей
Основной проблемой современного авиационно-
го, судового и энергетического двигателестрое-
ния остается повышение КПД за счет увеличе-
ния рабочей температуры газа. Так, температура
газа на входе в турбины выросла за последние
15 лет более чем на 250 оС. При этом обеспече-
ние температурной работоспособности и повыше-
ние ресурса работы рабочих и сопловых лопаток
турбины может осуществляться как за счет усо-
вершенствовования системы легирования жаро-
прочных сплавов, так и путем совершенствования
технологических процессов литья высокоточных
деталей. В качестве резерва повышения эксплуа-
тационных характеристик лопаток газотурбинных
двигателей (ГТД) как механических, так и корро-
зионных, успешно используется в последние годы
дополнительное введение в жаропрочные сплавы
тугоплавких металлов рения и тантала. Однако в
литературе недостаточно систематизированных
сведений о влиянии этих элементов на высокохро-
мистые сплавы для стационарных и транспорт-
ных судовых ГТД, эксплуатирующихся в услови-
ях агрессивного воздействия продуктов сгорания
тяжелого топлива [1–4].
Проведенные ранее в Физико-технологиче-
ском институте металлов и сплавов НАН Украины
(ФТИМС) совместно с отечественными предпри-
ятиями газотурбостроения исследовательские ра-
боты дали возможность определить оптимальное
содержание легирующих тугоплавких металлов
(Mo, W, Nb, Ta, Re,) и их комплексное воздействие
на жаропрочные сплавы на никелевой основе. В
результате этого удалось снизить содержание хро-
ма до 12,0…13,2 мас. % без потери уровня кор-
розионной стойкости, сохранить фазово-структур-
ную стабильность и прочностные характеристики
сплава в соответствии с требованиями сертифика-
ционных документов на рабочие лопатки длитель-
ного ресурса работы (25000...30000 ч), эксплу-
атирующиеся в продуктах сгорания дизельного
топлива и природного газа [5–7]. Химический со-
став базового и разработанного сплавов представ-
лены в табл. 1 [8, 9].
Целью данной работы является оптимизация
технологических параметров методом направлен-
ной кристаллизации (НК) в высокоскоростных
литейных агрегатах для получения высокоточных
литых лопаток из нового разработанного сплава,
дополнительно легированного рением и танталом.
Из литературных источников известно [4, 10,
11], что в высокоскоростных установках для НК
с жидкометаллическим охладителем (олово, алю-
миний), которые широко используют в практике,
в том числе для литья лопаток модели УВНК-8П,
имеется ряд конструктивных недостатков. В част-
ности, алюминиевый расплав может реагировать
со стальной ванной, вследствие чего на первой
стадии процесса плавки увеличивается вязкость
и температура плавления алюминиевого расплава,
что приводит к снижению интенсивности тепло-
отвода и впоследствии к коррозионному наруше-
нию цельности плавильной емкости.
© А. В. НАРИВСКИЙ, И. И. МАКСЮТА, Ю. Г. КВАСНИЦКАЯ, Е. В. МИХНЯН, 2017
38 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Эффективными для получения отливок с НК
являются устройства в виде размещенной в вакуу-
мируемой емкости вертикальной цилиндрической
камеры, которая разделена термоизолирующим
экраном с центральным отверстием, обращенным
к зонам нагрева и охлаждения. К общему недо-
статку таких конструкций можно отнести недо-
статочную степень охлаждения, что не позволяет
получить высоких уровней градиентов темпера-
тур в процессе кристаллизации.
В представленной работе первичный слиток
из разработанного сплава [9] получали путем ва-
куумно-индукционного переплава чистых шихто-
вых материалов в ФТИМС в промышленной печи
УППФ-2. Последующий переплав методом на-
правленной кристаллизации проводили в литей-
ном агрегате VIM-25-175C вертикального типа для
получения ориентированной дендритной структу-
ры в отливках для лопаток ІІ-ой ступени двигателя
UGT-5000. Емкость тигля для НК составляла 15 кг.
Параметры установки следующие: максимальная
скорость разливки — 15 кг/с; керамическая фор-
ма для литья с направленной структурой диаме-
тром 200 мм и высотой 400 мм. Способ контроля
за температурой расплавления металла осущест-
вляли погружной термопарой и оптическим двух-
цветным пирометром (прибор типа Mikron, мо-
дель М-780). Время достижения рабочего вакуума
(7∙10–2 Па) в камере до процесса литья после за-
грузки шихты — 2 минуты. Определение локаль-
ного химического состава полученных образцов
проводили при помощи аналитического комплек-
са, который состоит из сканирующего электрон-
ного микроскопа JSM-35CF фирмы «JEOL» (Япо-
ния) и рентгеновского спектрометра с дисперсией
по энергии рентгеновских квантов (модель INCA
Energy-350 фирмы «Oxford Instruments», Велико-
британия). Разрешение микроскопа — до 1,2 нм,
ускоряющее напряжение — от 0,5 до 30 кВ. Изо-
бражение микроструктуры образцов представле-
но во вторичных электронах. Фазовый анализ
сплавов и параметры кристаллических решеток
фаз определяли методом рентгеноструктурного
анализа на установке «ДРОН-3М» в CuKα-излуче-
нии (lCuKα1 = 0,154187 нм).
Задачей представленной работы являлась мо-
дернизация конструкции литейной установки вы-
сокоградиентной кристаллизации, использующейся
на предприятии ГП НПКГ «Зоря»–«Машпроект».
Усовершенствование состояло во введении узла
дополнительного охлаждения потоком инертно-
го газа (аргона) кристаллизующейся отливки для
получения оптимальной ориентированной струк-
туры [12]. Устройство для подачи инертного ох-
лаждающего газа выполнено в виде кольцевого га-
зового коллектора, который оборудован газовыми
эжекторами. Последние могут изменять направ-
ления подачи охлаждающего газа и размещены в
ряд на расстоянии 45...75 мм от нижней поверх-
ности термоизоляционного экрана. Для обеспе-
чения разных вариантов расположения эжекто-
ров во внутренней стенке кольцевого коллектора
сделаны отверстия, которые в случае ненадобно-
сти могут быть закрыты заглушками. При этом
процессе критический диаметр сопел составляет
0,7...1,5 мм, угол открытия раструба — 10...15о,
давление газа в критическом пересечении соп-
ла — (3...10)·105 Па. Применение такого способа
охлаждения интенсифицирует процесс кристал-
лизации расплава, изменяя градиент температуры
на фронте кристаллизации в сравнении с конвек-
тивным охлаждением в вакууме за счет наличия
медного поддона или опускания формы в жидко-
металлический охладитель, и существенным об-
разом меняет кинетику структурообразования.
В процессе НК скорость перемещения формы
по вертикали от зоны нагрева в зону охлаждения
регулировали в диапазоне 2…18 мм/мин, что, как
показали экспериментальные данные, может су-
щественно влиять на макро- и микроструктуру
отливки. Действительно, дисперсность фазовых
составляющих чувствительна как к химическому
Т а б л и ц а 1 . химический состав базового и разработанного сплавов*, мас. %
Сплав С cr co Mo w al ti nb
СМ88Y 0,06 15,9 11,0 1,90 5,30 3,05 4,60 0,20
Разработанный 0,05 12,75 7,15 1,15 6,30 3,25 2,05 0,30
Окончание табл. 1
Сплав Hf ta Re B Zr si Mn fe
СМ88Y 0,3 – – 0,08 ≤0,1 ≤0,07 ≤0,05 ≤0,5
Разработанный – 3,00 3,00 0,01 – ≤0,07 ≤0,05 ≤0,5
*Приведены средние значения.
39ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
составу сплава, поскольку она определяется диф-
фузией в твердом состоянии, так и термокинети-
ческим параметрам процесса НК [13–17].
Так, температурно-скоростные условия про-
цесса кристаллизации, которые определяются
скоростью перемещения керамической формы
(Vф., мм/мин) и градиентом температуры на фрон-
те роста кристаллов (G, К/мм), существенным
образом влияют на внутризеренную структуру,
дисперсность и фазовый состав сплава. Для вы-
явления температурных интервалов проведения
процесса НК, позволяющих оптимизировать
структурно-фазовые характеристики, использова-
ли данные термического анализа методом диффе-
ренциальной сканирующей калориметрии (ДСК).
Температуры основных фазовых превращений
(ТS, ТL) определяли на высокоточном синхрон-
ном термическом анализаторе STA 449F1 фирмы
«NETZSCH» (Германия) по специально разра-
ботанной методике (рис. 1). Точность измерения
температур составляла ± 1,5 оС.
Установлено смещение уровня значений для
критических точек (ТS, ТL) в сторону повыше-
ния, а именно, с температуры 1272, 1332 до 1326,
1385 оС соответственно, при введении рения и
тантала (до 3,0 мас. % каждого). Это является под-
тверждением факта положительного влияния этих
элементов на температурный порог растворения
упрочняющей γ´-фазы состава Ni3(Al, Ti) и опре-
деляет повышение температурного уровня ра-
ботоспособности нового сплава. В работах [5, 6]
показано, что совместное легирование танталом и
рением обеспечивает резкое снижение диффузи-
онной подвижности элементов в сплаве, особенно
при высокой температуре, значительное упрочне-
ние твердого раствора и стабилизацию γ´-фазы,
в частности, замедление процессов коагуляции
крупных частиц γ´-фазы и растворение ее мелких
частиц. Однако введение в сплавы исследуемого
типа высокого содержания тугоплавких металлов
Рис. 1. Определение температур фазовых превращений мето-
дом ДСК исследуемых сплавов: а — сплав СМ88Y; б — раз-
работанный сплав СМ88Y + (Ta, Re)
Т а б л и ц а 2 . Влияние температуры и длительности старения на фазовый состав и параметры фаз разработанного
сплава
Температура
старения, °С
Время
старения, ч
Фазовый состав*/** Количество
γ´-/σ-фаз, мас. %
Параметр кристаллической
решетки, нм
Разность параме-
тров решетки
γ-γ´, нмγ-фазы γ´-фазы
850 1000 γ´, МС, М23С6 48,8 0,35867 0,3598 – 0,0011
γ´, МС, М23С6 49,8 0,35722 0,3584 – 0,0012
3000 γ´, МС, М23С6, σ-фаза 41,1/2,4 0,3581 0,3593 – 0,0011
γ´, МС, М23С6 40,7 0,3572 0,3583 – 0,0012
5000 γ´, МС, М23С6, σ-фаза 41,3/4,4 0,3583 0,3594 – 0,0012
γ´, МС, М23С6, σ-фаза 41,3/4,2 0,3572 0,3584 – 0,0011
900 1000 γ´, МС, М23С6 49,3 0,3581 0,3593 – 0,0012
γ´, МС, М23С6 52,9 0,3582 0,3594 – 0,0012
3000
γ´, МС, М23С6 47,5 0,3581 0,3593 – 0,0012
γ´, МС, М23С6 41,3 0,3583 0,3595 – 0,0012
5000
γ´, МС, М23С6, σ-фаза 46,2/4,7 0,3583 0,3594 – 0,0012
γ´, МС, М23С6 47,1 0,3582 0,3594 – 0,0011
Примечание. Данные приведены при ΣТМ = 26,4 мас. %: * — образцы в литом состоянии; ** — образцы после ТО (T = 1050 оС,
τ = 16 ч).
40 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
сопряжено с опасностью образования в них ох-
рупчивающих интерметаллидных топологически
плотноупакованных (ТПУ) фаз и, прежде всего,
σ-фазы (Cr, Mo)x(Ni, Co)y, где х и у могут изменять-
ся в пределах от 1 до 7 [2]. Кристаллическая струк-
тура σ-фазы относится к тетрагональной системе
со сложной элементарной ячейкой, содержащей
30 атомов. Поскольку кристаллические решетки
σ-фазы и карбида М23С6 когерентны, то σ-фаза ча-
сто зарождается на выделениях карбида М23С6. Та-
кого типа фазы, выделяясь в виде пластин, резко
снижают сопротивление сплавов разрушению при
высокой температуре и оказывают при этом отри-
цательное влияние на пластичность и долговеч-
ность жаропрочных сплавов [2, 5, 6]. Полученные
авторами данные термовременной зависимости
появления ТПУ фаз во время длительного старе-
Т а б л и ц а 3 . Влияние скорости передвижения формы
на параметры структурных составляющих разработан-
ного сплава с рением и танталом
Скорость
передвижения
формы,
мм/мин
Средние параметры
структурных составляющих, мкм
условный диа-
метр эвтекти-
ческих
областей
γ/γ´-фазы
Размер частиц
упрочняющей
γ´-фазы
карбидов
МС-типа
2...4 25...27 0,5...0,7 2,0...2,4
5...7 18...25 0,4...0,6 1,5...2,0
10...12 12...16 0,2...0,3 1,5
15...18 10...12 0,1...0,2 1,0...1,5
Примечание. Относительная точность определения указанных
величин составила 5...10 %.
Рис. 2. Микроструктура образцов разработанного сплава после НК: электронная микроскопия (а), экстракционные реплики
с напылением (б–г): а, б — после ТО (старение 16 ч при Т = 1050 ºС), ×100 и ×800 соответственно; в — выделения γ´-фазы в
литом состоянии, ×7000; г — выделения γ´-фазы после испытаний на длительную прочность, ×7000
Рис. 3. Микроструктура исследуемых участков разработанно-
го сплава, ×4500
Рис. 4. Дендритная структура в состоянии после НК (попе-
речное сечение) образца разработанного сплава, ×100
41ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ния, говорят о безопасном уровне легирования
тугоплавкими металлами разработанной компози-
ции сплава, если их суммарное содержание ΣCr +
Mo + W + Nb + Re + Та (далее ΣТМ) не превышает
26,4 мас. % [5]. Также проводили сопоставление
расчетных значений параметров решеток γ и γ΄-
фаз с результатами прецизионного определения
параметров решетки рентгеноструктурным мето-
дом. Расхождения не превышали нескольких еди-
ниц в четвертом знаке после запятой. Результаты
экспериментальных данных показаны в табл. 2.
Процесс НК образцов-свидетелей и деталей
ГТД проводили при термовременных параметрах,
представленных в табл. 3. Локальные значения па-
раметров процесса НК в течение плавок рассчи-
тывали по распределению температуры в объеме
кристаллизуемой отливки, измеренной экспери-
ментально в четырех точках вдоль оси отливки с
помощью вольфрам-рениевых термопар (тип ВР
5/20, диаметр электродов 0,30 мм). Построенные
по результатам экспериментальных замеров тер-
мокинетические кривые позволяют определить
распределение температуры в объеме металла
в любой момент времени. Скорость погруже-
ния формы в зону охлаждения непосредствен-
но влияет на скорость кристаллизации расплава.
Проведенные эксперименты дали возможность
определить связь кинетических параметров НК с
количеством, морфологическими особенностями,
в том числе дисперсностью основных структур-
ных составляющих. Массовую долю и размер фа-
зовых составляющих замеряли на растровом ми-
кроскопе JSM-840 (табл. 3, рис. 2).
На рис. 3 представлен фрагмент микрострукту-
ры образца разработанного сплава оптимального
состава, полученного по выработанному техноло-
гическому регламенту, а в табл. 4 — элементный
состав основных фаз. Так, соответственно пред-
ставленным данным (рис. 3), атомы тантала вхо-
дят в карбидную фазу типа МС, что способствует
повышению ее температуры плавления, а атомы
рения легируют аустенитную матрицу, тем самым
замедляя диффузионную подвижность элементов
в сплаве в процессе эксплуатации.
Образцы, выплавленные в агрегате VIM-25-
175C с дополнительным охлаждением инертным
газом методом НК, имеют регулярную дендрит-
ную структуру (рис. 4).
Результаты проведенных испытаний (механи-
ческие свойства и длительная прочность) показа-
ли, что уровень эксплуатационных характеристик
разработанного сплава превышает на 15...20 %
аналогичные показатели для образцов стандарт-
ного сплава СМ88Y (рис. 5).
Выводы
1. Усовершенствование конструкции литейного
агрегата VIM-25-175C за счет введения узла до-
полнительного охлаждения потоком инертного
газа, способствовало интенсификации процесса
охлаждения кристаллизатора при НК и гаранти-
Рис. 5. Сравнительные эксплуатационные характеристики разработанного (1) и стандартного сплава СМ88Y (2) в зависимо-
сти от температуры: а — предел прочности (σв); б — предел текучести (σт); в — длительная прочность (σдп) при Т = 900 оС и
τ = 100 ч
Т а б л и ц а 4 . химический состав исследуемых участков разработанного сплава, мас. %
Зона скани-
рования
c al si ti cr co ni nb Mo ta w Re
1 12,80 0,17 0 20,43 4,91 1,65 8,62 4,34 3,40 29,52 14,15 0
2 3,03 2,16 0 2,47 13,74 9,48 58,31 0 1,69 1,23 5,29 2,59
42 ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ровало получение регулярной ориентированной
структуры отливок.
2. Установлено, что введение рения и тантала
(до 3 мас. % каждого) в состав базового жаро-
прочного коррозионностойкого сплава СМ88Y
приводит к стабилизации его структурно-фазово-
го состояния за счет упрочнения γ-твердого рас-
твора, повышения температуры полного раство-
рения γ΄-фазы и благодаря упрочнению межосных
участков матрицы после НК большим объемным
количеством стабильных дисперсных выделений
МеС, М23С6-карбидов. Появление карбидов с вы-
соким содержанием хрома и тантала может сни-
зить вероятность выделения в твердом растворе
при длительном высокотемпературном воздей-
ствии на сплав охрупчивающих фаз типа σ и µ за
счет снижения растворимости этих тугоплавких
элементов в твердом растворе.
3. Испытания образцов из разработанного спла-
ва с оптимизированным легирующим комплексом,
включающим рений и тантал (до 3,0 мас. %) после
проведения процесса НК на модернизированной
установке VIM-25-175C и термообработки (старе-
ние 16 ч, при Т = 1050 ºС) показали, что механиче-
ские характеристики и длительная прочность пре-
вышает уровень свойств сплава СМ88Y в среднем
на 15...20 %. Достигнутый уровень эксплуатаци-
онных характеристик соответствуют требованиям
регламентированным технической документацией
на данное изделие.
Список литературы
1. Богуслаев В. А., Муравченко Ф. М., Жеманюк П. Д. и др.
(2003) Технологическое обеспечение эксплуатационых
характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Ч. II. За-
порожье, ОАО «Мотор Сич», 137–147.
2. Каблов Е. Н. (2001) Литые лопатки газотурбинных двига-
телей (сплавы, технология, покрытия). Москва, МИСИС.
3. Шалин Р. Е., Светлов И. Л., Качанов Е. Б. и др. (1997) Мо-
нокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. Москва,
Машиностроение.
4. Каблов Е. Н. (2000) Производство турбинных лопаток
ГТД методом направленной кристаллизации. Газотур-
бинные технологи, 3, 10–14.
5. Верховлюк А. М., Максюта І. І., Квасницька Ю. Г. та ін.
(2016) Фазово-структурна стабільність жароміцного ко-
розійностійкого сплаву для лиття робочих лопаток ГТУ.
Металознавство та обробка металів, 3, 3–9.
6. Максюта И. И., Клясс О. В., Квасницкая Ю. Г. и др. (2014)
Технологические особенности высокохромистого никеле-
вого сплава, комплексно-легированного рением и танта-
лом. Современная электрометаллургия, 1, 41–48.
7. Мяльница Г. Ф., Максюта И. И., Квасницкая Ю. Г. и др.
(2012) Получение ориентированной структуры в отлив-
ках из жаропрочного никелевого сплава, легированнного
рением. Процессы лиття, 6, 54–61.
8. (2015) Технические условия ГП НПКГ «Зоря»–«Машпро-
ект», Спецификация Z88PRTTF1 на поставку шихтовых
заготовок из сплава СМ-88PRT.
9. Квасницька Ю. Г., Клясс О. В., Крещенко В. А., Мяльниця
Г. П. Максюта І. І., Шинський О. Й. (2016) Жароміцний
корозійностійкий сплав на нікелевій основі для лопаток
газотурбінних двигунів, Україна, Пат. 110529.
10. Висик Е. М., Каблов Е. Н., Герасимов В. В., Дубров-
кий В. А. (1995) Регламентированная тонкостолбчатая
структура — неиспользованный резерв высокоскорост-
ной направленной кристаллизации. Литейное производ-
ство, 12, 7–9.
11. Денисов А., Савин В., Зеленцов А., Авдюхин С. (2000)
Монокристаллические турбинные лопатки. Газотурбин-
ные технологи, 3, 24–26.
12. Кац Э. Л., Лубенец В. П., Скоробогатых В. Н., Кузнецов К.
Ю., Яковлев Е. И., Виноградов А. И., Берестевич А. И.,
Копин П. А., Жабрев С. Б. (2014) Способ получения от-
ливки лопатки газовой турбины с направленной и моно-
кристаллической структурой, Россия, Пат. 2536853.
13. Патон Б. Е., Строганов Г. Б., Кишкин С. Т. и др. (1987)
Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита
их от окисления. Киев, Наукова думка.
14. Пигрова Г. Д., Коркка С. И., Литвиненко В. А. (1978)
Фазовый состав литого сплава ЭП539 МЛ. Литые жа-
ропрочные коррозионностойкие сплавы. Киев, Институт
проблем литья АН УССР.
15. Каблов Е. Н. (2005) Физико-химические и технологиче-
ские особенности создания жаропочных сплавов, содер-
жащих рений. Вестник Московского университета. Се-
рия 2. Химия, 46, 3, 155–157.
16. Толорайя В. Н., Орехов Н. Г., Чуварова Е. Н. (2012) Безу-
глеродистые Re-содержащие сплавы для турбинных лопа-
ток. Литейное производство, 6, 16.
17. Светлов И. Л., Кулешова Е. А., Монастырский В. П. и др.
(1990) Влияние направленной кристаллизации на фазо-
вый состав и дисперсность структуры никелевых спла-
вов. Металлы, 1, 86–93.
References
1. Boguslaev, V.A., Muravchenko, F.M., Zhemanyuk, P.D. et al.
(2003) Technological support of operational characteristics of
GTE parts. In: Turbine blades. Part 2. Zaporozhye, «Motor
Sich», 137–147 [in Russian].
2. Kablov, E.N. (2001) Cast blades of gas turbine engines (al-
loys, technology, coatings). Moscow, MISIS [in Russian].
3. Shalin, R.E., Svetlov, I.L., Kachanov, E.B. et al. (1997)
Monocrystals of nickel high-temperature alloys. Moscow,
Mashinostroenie [in Russian].
4. Kablov, E.N. (2000) Production of turbine blades of GTE
by the method of directional crystallization. Gazoturbinnye
Tekhnologii, 3, 10–14 [in Russian].
5. Verkhovlyuk, A.M., Maksyuta, І.І., Kvasnytska, Yu.G. et
al. (2016) Phase-structural stability of high-temperature
corrosion-resistant alloy for casting of gas turbine blades.
Metaloznavstvo ta Obrobka Metaliv, 3, 3–9 [in Ukrainian].
6. Maksyuta, I.I., Klyass, O.V., Kvasnitskaya, Yu.G. et al. (2014)
Technological features of high-chromium nickel complex al-
loy with rhenium and tantalum. Sovrem. Elektrometall., 1,
41–48 [in Russian].
7. Myalnitsa, G.F., Maksyuta, I.I., Kvasnitskaya, Yu.G. et al.
(2012) Getting oriented structure in castings of high-tem-
perature nickel alloy, doped with rhenium. Protsessy Litya, 6,
54–61 [in Russian].
8. (2015) Technical requirements of GP SPC «Zorya-Mash-
proekt». Specification Z88PRTTF1 on delivery of charge bil-
lets from CM-88PRT alloy [in Russian].
9. Kvasnytska, Yu.G., Klyass, O.V., Kreshchenko, V.A. et al.
(2016) High-temperature corrosion-resistant nickel-based
43ISSN 2415-8445 СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ, № 4 (129), 2017
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
alloy for gas turbine engine blades. Pat. 110529 Ukraine [in
Ukrainian].
10. Visik, E.M., Kablov, E.N., Gerasimov, V.V., Dubrovky, V.A.
(1995) Regulated thin-columned structure — unused reserve
of high-speed directional crystallization. Litejnoe Proizvodst-
vo, 12, 7–9 [in Russian].
11. Denisov, A., Savin, V., Zelentsov, A., Avdyukhin, S. (2000)
Monocrystal turbine blades. Gasoturbinnye Tekhnologii, 3,
24–26 [in Russian].
12. Kats, E.L., Lubenets, V.P., Skorobogatykh, V.N. et al. (2014) A
method of producing a casting of gas turbine blade with directed
and monocrystal structure. Pat. 2536853 RU [in Russian].
13. Paton, B.E., Stroganov, G.B., Kishkin, S.T. et al. (1987) The
heat resistance of cast nickel alloys and their protection
against oxidation. Kiev, Naukova Dumka [in Russian].
14. Pigrova, G.D., Korkka, S.I., Litvinenko, V.A. (1978) The
phase composition of the cast high-temperature corrosion-re-
sistant alloys. Kiev, PTIMA [in Russian].
15. Kablov, E.N. (2005) Physico-chemical and technological fea-
tures of the creation of high-temperature alloys containing
rhenium. Vestnik Moskovskogo Universiteta, 46, 155–157 [in
Russian].
16. Toloraiya, V.N., Orekhov, N.G, Chuvarova, E.N. (2012) Car-
bon-free Re-containing alloys for turbine blades. Litejnoe
Proizvodstvo, 6, 16 [in Russian].
17. Svetlov, I.L., Kuleshova, E.A., Monastyrsky, V.P. et al.
(1990). Influence of directional crystallization on the phase
composition and dispersity of the structure of nickel alloys.
Metally, 1, 86–93 [in Russian].
ВИКОРИСТАННЯ ВДОСКОНАЛЕНОї ТЕхНОЛОГІї ДЛЯ ОДЕРЖАННЯ ОРІЄНТОВАНОї СТРуКТуРИ
у ВИСОКОТОчНИх ВИЛИВКАх З ЖАРОМІЦНОГО СПЛАВу, ЯКІ МІСТЯТь РЕНІЙ І ТАНТАЛ
Ю. Г. Квасницька, А. В. Нарівський, І. І. Максюта, О. В. Михнян
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України.
03680, м. Київ, бульв. Академіка Вернадського 34/1. E-mail: metal@ptima.kiev.ua
Для підвищення експлуатаційних характеристик робочих лопаток газотурбінних двигунів І- і ІІ-ої ступенів
здійснено удосконалення конструкції ливарної установки високоградієнтної кристалізації, а також запропоно-
вано додаткове введення в основу жароміцного коррозійностійкого сплаву типу ХН57КВЮТМБРЛ-ВІ ренію
та танталу. Представлено комплекс робіт по розробці нової композиції сплаву та особливості технологічного
процесу одержання деталей газотурбінних двигунів с орієнтованою структурою. Бібліогр. 17, табл. 4, іл. 5.
К л ю ч о в і с л о в а : ливарна установка високоградієнтної кристалізації; нікелеві жароміцні сплави; реній;
тантал; спрямована кристалізація; лопатка газотурбінних двигунів
application of adVanced tecHnology for obtaining an oriented structure
in HigH-precision castings Made of Heat-resistant alloy containing rHeniuM and tantaluM
yu.g. Kvasnytska, a.V. narivskyi, i.i. Maksyuta, e.V. Mikhnyan
Physico-Technological Institute of Metals and Alloys of NASU.
34/1 Vernadskogo Blvd., 03680, Kiev, Ukraine. E-mail: metal@ptima.kiev.ua
To improve the operational characteristics of blades of gas turbine engines of the I and II stages, the modernization of
design of the casting installation for the high-gradient crystallization was carried out, as well as an additional introducing
of rhenium and tantalum into the base of heat-resistant corrosion-resistant alloy of KhN57KVYuTMBRL-VI type was
proposed. The article presents a complex of works on the development of a new alloy composition and features of the
technological process for producing the GTE parts with a regular oriented structure. 17 Ref., 4 Tables, 5 Figures.
K e y w o r d s : casting installation for high-gradient crystallization; superalloys; Rhenium; Tantalum; directional
solidification; GTE blades
Поступила 03.07.2017
|