Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.)

У доповіді наведено результати фундаментальних і прикладних досліджень, проведених у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, щодо одержання складнопрофільних деталей газотурбінних двигунів нового покоління. Розроблено наукові й технологічні засади процесів отримання нових жар...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2024
Main Author:	Квасницька, Ю.Г.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Series:	Вісник НАН України
Subjects:	З кафедри Президії НАН України
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202034
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.) / Ю.Г. Квасницька // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 9. — С. 23-31. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202034
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2020342025-03-05T01:16:59Z Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.) Improvement of materials and technologies to increase the operational characteristics of cast blades for gas turbine engines (According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, July 3, 2024) Квасницька, Ю.Г. З кафедри Президії НАН України У доповіді наведено результати фундаментальних і прикладних досліджень, проведених у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, щодо одержання складнопрофільних деталей газотурбінних двигунів нового покоління. Розроблено наукові й технологічні засади процесів отримання нових жароміцних корозійностійких сплавів з поліпшеними характеристиками. Встановлено закономірності впливу легувальних елементів на фазово-структурну стабільність сплавів. Створено нові склади вогнетривких матеріалів для тиглів, керамічних форм, стрижнів та фільтрів. The report presents the results of fundamental and applied research conducted at the Phisico-Тechnological Institute of Metals and Alloys of the National Academy of Sciences of Ukraine to produce complex parts for new generation gas turbine engines. The scientific and technological foundations of the processes of producing new heat-resistant corrosionresistant alloys with improved characteristics were developed. The regularities of the influence of alloying elements on the phase-structural stability of alloys were established. New compositions of refractory materials for crucibles, ceramic molds, rods, and filters were created. 2024 Article Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.) / Ю.Г. Квасницька // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 9. — С. 23-31. — укр. 1027-3239 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202034 DOI: doi.org/10.15407/visn2024.09.023 uk Вісник НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України
spellingShingle	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України Квасницька, Ю.Г. Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.) Вісник НАН України
description	У доповіді наведено результати фундаментальних і прикладних досліджень, проведених у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, щодо одержання складнопрофільних деталей газотурбінних двигунів нового покоління. Розроблено наукові й технологічні засади процесів отримання нових жароміцних корозійностійких сплавів з поліпшеними характеристиками. Встановлено закономірності впливу легувальних елементів на фазово-структурну стабільність сплавів. Створено нові склади вогнетривких матеріалів для тиглів, керамічних форм, стрижнів та фільтрів.
format	Article
author	Квасницька, Ю.Г.
author_facet	Квасницька, Ю.Г.
author_sort	Квасницька, Ю.Г.
title	Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.)
title_short	Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.)
title_full	Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.)
title_fullStr	Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.)
title_full_unstemmed	Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.)
title_sort	вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні президії нан україни 3 липня 2024 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2024
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202034
citation_txt	Вдосконалення матеріалів і технологій для підвищення експлуатаційних характеристик литих лопаток газотурбінних двигунів (за матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 р.) / Ю.Г. Квасницька // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 9. — С. 23-31. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT kvasnicʹkaûg vdoskonalennâmateríalívítehnologíidlâpídviŝennâekspluatacíinihharakteristiklitihlopatokgazoturbínnihdvigunívzamateríalamidopovídínazasídanníprezidíínanukraíni3lipnâ2024r AT kvasnicʹkaûg improvementofmaterialsandtechnologiestoincreasetheoperationalcharacteristicsofcastbladesforgasturbineenginesaccordingtothematerialsofscientificreportatthemeetingofthepresidiumofthenasofukrainejuly32024
first_indexed	2025-11-30T23:25:02Z
last_indexed	2025-11-30T23:25:02Z
_version_	1850259649873313792
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 23 ВДОСКОНАЛЕННЯ МАТЕРІАЛІВ І ТЕХНОЛОГІЙ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИТИХ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБІННИХ ДВИГУНІВ За матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 3 липня 2024 року У доповіді наведено результати фундаментальних і прикладних дослі- джень, проведених у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, щодо одержання складнопрофільних деталей газотурбінних двигунів нового покоління. Розроблено наукові й технологічні засади проце- сів отримання нових жароміцних корозійностійких сплавів з поліпшеними характеристиками. Встановлено закономірності впливу легувальних еле- ментів на фазово-структурну стабільність сплавів. Створено нові скла- ди вогнетривких матеріалів для тиглів, керамічних форм, стрижнів та фільтрів. Ключові слова: жароміцний сплав, газотурбінний двигун, лопатка турбі- ни, корозія, вакуумно-індукційна плавка, спрямована кристалізація ви- ливків, швидкість охолодження, керамічні тиглі. Україна є однією з небагатьох країн світу, що мають повний цикл створення газотурбінних двигунів. Широковідомими є такі великі центри газотурбобудування, як ПАТ «Мотор Січ», ДП «Запорізьке машинобудівне конструкторське бюро «Про- гр ес» імені академіка О.Г. Івченка», АТ «Науково-виробничий комплекс газотурбобудування «Зоря»—«Машпроєкт» . Провідні світові компанії — виробники газотурбінних двигу- нів (ГТД), такі як Siemens, General Electric, Rolls-Royce, Pratt & Whitney, так само, як і українські підприємства газотурбобу- дівної галузі, постійно працюють над створенням нових видів двигунів та модернізацією тих, що вже випускаються серійно, намагаючись підвищити їх потужність та економічність. Як свідчення конкурентоспроможності українських газотур- бінних двигунів на рис. 1 наведено результати порівняльного аналізу стаціонарних і суднових ГТД виробництва провідних іноземним фірм і ДП НВКГ «Зоря»—«Машпроєкт». Як бачи- КВАСНИЦЬКА Юлія Георгіївна — член-кореспондент НАН України, завідувач відділу спеціальних сталей і спла вів Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН Укра їни З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИНАН УКРАЇНИ doi: https://doi.org/10.15407/visn2024.09.023 24 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ мо, вітчизняні двигуни за ККД і потужністю не поступаються закордонним аналогам. У табл. 1 наведено порівняння параметрів сучасного промислового енергетичного га- зотурбінного двигуна UGT-25000 розробки ДП НВКГ «Зоря»—«Машпроєкт» з аналогіч- ними за класом ГТД закордонних компаній. Отже, всі виробники ГТД прагнуть збільши- ти ресурс і підвищити надійність своїх двигу- нів, а цього можна досягти збільшенням робо- чих температур на вході в турбіну, Проведене оцінювання міцності й довго- тривалості роботи деталей серійних двигунів засвідчило необхідність поліпшення експлуа- таційних характеристик робочих лопаток 1-го і 2-го ступенів турбіни. Зокрема, потрібно не лише підвищувати робочу температуру лопа- ток, а й забезпечити фазово-структурну ста- більність деталей при тривалому ресурсі робо- ти (до 100 000 годин). Інше завдання полягає в збереженні високої корозійної стійкості матеріалів в умовах впли- ву на деталі двигунів продуктів згоряння важ- кого палива та солей морської води. Порів няльні характеристики міцності різ- них жароміцних сплавів, які використовують для виготовлення робочих лопаток турбін, представлено на рис. 2 параметричними кри- вими Ларсена—Міллера (P): P = (t + 273)·(с + lg)·103, де t — температура (°С); с — стала, яка для хро- монікелевих сплавів дорівнює 20;  — час до руйнування. Відповідно до технічних завдань конструк- торських розробок, для підвищення потуж- ності ГТД необхідно забезпечити стаціонарну роботу двигуна за температури газу на вході в турбіну 1150—1200 °С. Одним із технологіч- них прийомів досягнення цієї мети є створен- Рис. 1. Порівнян- ня різних типів стаціонарних і суднових ГТД ви- робництва: ● — ДП НВКГ «Зоря»— «Машпроєкт»;  — закордонних ви- робників Таблиця 1. Порівняння параметрів газотурбінного двигуна UGT-25000 із закордонними аналогами Тип установки (фірма-розробник) Потужність (за ISO), МВт ККД, % Витрати газу, кг/с Ресурс до капітального ремонту, год Повний ресурс, год UGT-25000 (НВКГ «Зоря»—«Машпроєкт») 26,2 35,7 90 25000 100000 FT 8 (Pratt & Whitney) 25,5 38,1 85 50000 240000 PB211-6556 (Rolls-Royce) 25,4 35,0 92 25000 100000 PG 5371 PA (General Electric) 26,3 28,5 122 40000 160000 RB211-6761(Rolls-Royce) 31,8 39,1 94 50000 240000 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 25 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ ня лопаток зі спрямованою і монокристаліч- ною структурою металу. З гістограми, наведеної на рис. 3, видно, що в разі спрямованої кристалізації матеріалу де- талі мають робочу температуру на 60—80 °С вищу порівняно з деталями з полікристаліч- ною структурою сплаву. Висока температура й тривалий контакт розплав — форма зумовлюють підвищені ви- моги до матеріалу самої форми. Для поліпшення експлуатаційних характе- ристик литих лопаток турбін ми виокремили як перспективні такі напрями досліджень: 1) розроблення нових жароміцних сплавів із поліпшеними властивостями; 2) створення модифікованої кераміки для виготовлення термо- і хімічностійких тиглів, форм, стрижнів, фільтрів; 3) рафінування розплаву для очищення його від неметалевих включень та шкідливих домішок; 4) вдосконалення технологічних процесів одержання литих лопаток газотурбінних дви- гунів. Для створення нового жароміцного спла- ву як базовий було обрано корозійностійкий сплав СМ88Y (табл. 2), з якого виготовляють робочі л опатки 1-го і 2-го ступенів турбіни ви- сокого тиску промислових ГТД. Він має три- валу міцність 280 МПа за температури 900 °С протягом 100 годин. З метою поліпшення експлуатаційних влас- тивостей створюваного жароміцного сплаву як перспективні для додаткового легування було Рис. 2. Порівняння тривалої міцності різних жаро- міцних сплавів, які використовують для виготовлення робочих лопаток турбін. Марки сплавів: 1 — IN792; 2 — IN738; 3 — CM88Y Рис. 3. Залежність робочої температури литих лопа- ток ГТД від макроструктури сплаву: 1 — полікрис- талічна структура; 2 — спрямована кристалізація; 3 — монокристалічна структура; 4 — монокристалічна структура безвуглецевих сплавів Таблиця 2. Вміст основних хімічних елементів у жароміцних сплавах на нікелевій основі, які використовують для виробництва деталей промислових ГТД (% мас.) Марка сплаву Cr Co Mo Re W Al Ti Ta Nb Hf IN 738LC 16,0 8,5 1,7 — 2,6 3,4 3,4 3,4 0,9 — CMSX-11C 14,9 3,0 0,4 — 4,5 3,4 4,2 5,0 0,1 0,04 SC PWA 483 12,8 9,0 1,9 — 3,8 3,6 4,1 5,0 — — Renе 80H 14,1 9,2 4,0 — 4,0 3,1 4,7 — — 0,74 DC GTD 111 14,0 9,5 1,5 — 3,8 3,0 4,9 2,8 — 0,15 CMSX-4 6,5 9,6 0,6 3,0 6,4 5,6 1,0 6,5 — 0,10 СМ88Y 15,9 11,0 1,9 — 5,3 3,05 4,6 — 0,2 0,30 26 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ обрано такі елементи, як реній і тантал. Для по- рівняння в табл. 2 наведено хімічні склади за- кордонних аналогів сплаву СМ88Y, наприклад сплаву СМSX-4, який містить 3 % ренію та 6,5 % танталу і має тривалу міцність 480 МПа за температури 900 °С протягом 100 годин. Одночасне легування ренієм і танталом за- безпечує зниження дифузійної рухливості елементів у сплаві, особливо за високих тем- ператур, значне зміцнення твердого розчину і стабілізацію зміцнювальної γ’-фази. Поряд із класичним металофізичним під- ходом до вибору оптимального складу сплаву для отримання первинного комплексу фізико- хімічних та фазово-структурних характерис- тик ми застосовували такі розрахункові мето- ди і засоби: 1) лінійний регресійний аналіз на основі експериментальних даних для оцінки якісного впливу хімічних елементів на величини робо- чих характеристик; 2) програму PHACOMP для визначення на основі даних про хімічний склад сплаву кон- центрації електронних вакансій Nv для запобі- гання утворенню топологічно щільноупакова- них фаз (відомо, що Nv  2,4); 3) програму SPACE, version 4 (Superalloy Phase Analysis Computation Engineering) для визначення прогнозованих критичних темпе- ратур та властивостей досліджуваних сплавів на основі даних про їхній хімічний склад. Отже, було науково обґрунтовано створення нового жароміцного корозійностійкого спла- ву для виготовлення робочих лопаток турбін енергетичних та суднових ГТД. Цей сплав за- безпечує високий рівень фазово-структурної стабільності профільних виливків відпові- дального призначення. При цьому легуван- ня одночасно танталом і ренієм у визначених кількостях дозволяє зменшити концентрацію хрому в сплаві. З використанням методу диференційно-тер- мічного аналізу встановлено температури фа- зових переходів експериментальних зразків, а саме: температуру солідус ТS = 1320 °С і темпе- ратуру ліквідус ТL = 1370 °С. Слід зазначити, що для сплаву СМ88Y ці показники є на 50 °С нижчими. Температура повного розчинення ´-фази у зразках з розробленого сплаву підви- щується на ~50 °С (до 1220 °С). Поліпшення механічних властивостей за- пропонованого сплаву забезпечується завдяки утворенню значної (45—50 % об.) кількості γ′- фази (Ni3Al (Ti, Та, Nb)) і дисперсному зміц- ненню γ-твердого розчину кобальтом, хромом, молібденом, вольфрамом та ренієм. Фізико-механічні властивості й тривала міц- ність нового сплаву на 15—20 % перевищують аналогічні показники базового сплаву СМ88Y, а довготривала міцність сягає 330 МПа за тем- ператури 900 °С протягом 100 годин. На рис. 4 показано мікроструктуру зразків розробленого нами сплаву в литому стані. Було також проведено тигельні та стендові дослідження стійкості до вис окотемператур- ної сольової корозії експериментального спла- ву порівняно з серійним сплавом СМ88Y. Під час випробувань зразки встановлювали на ви- Рис. 4. Мікрострукту- ра зразків експери- ментального сплаву в литому стані; збіль- шення: а — ×200; б — ×2000 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 27 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Рис. 5. Схема стенду 9У343 для випробувань на висо- котемпературну корозію і розміщення зразків у газо- сольовому потоці ході жарової труби, яка імітує умови хімічного й теплового впливу потоку продуктів згорян- ня дизельного палива, що містить суміш солей NaCl і Na2SO4 (рис. 5). Високотемпературні дослідження корозій- ної стійкості експериментального матеріалу на газодинамічному стенді показали, що ко- розійне пошкодження його міжзеренних меж становить у середньому 0,15—0,25 мм, що не перевищує глибини пошкоджень у зразках із серійного сплаву СМ88Y (рис. 6). Крім того, результати рентгеноструктур- ного аналізу засвідчили, що окалина з нового сплаву після стендових випробувань містить поряд із захисними оксидами Ni та Cr також і оксид Та. Слід зазначити, що оксид танталу не взаємодіє з сульфатом натрію, на відміну від оксидів молібдену, вольфраму і ніобію, які реагують з Na2SО4 та сприяють розчиненню оксиду нікелю. Тому наявність оксиду танталу сприяє утворенню на поверхні зразка захисної плівки, що істотно знижує швидкість високо- температурної корозії. Легування танталом у кількості 2,5— 4,3 % мас. зумовлює утворення в структурі екс- периментального сплаву карбідів (типу ТаС), внаслідок чого частково блокується виділення Cr23С6. Тому значна кількість хрому залиша- ється в -твердому розчині, а на поверхні утво- рюється захисна плівка, що містить оксиди хрому і танталу. Отже, турбінні лопатки, виготовлені з ново- го сплаву, матимуть підвищену корозійну стій- кість в агресивних середовищах. Крім того, ми дослідили характеристики втомної міцності лопаток 2-го ступеня ГТД, виплавлених з нового сплаву. Встановлено, що експериментальний сплав має параметри руй- нівного навантаження на базі 2,0·107 циклів, що відповідає технічним умовам. Таким чином, розроблений нами сплав, зважаючи на його вищі характеристики щодо жароміцності та корозійної стійкості, можна рекомендувати для виготовлення робочих ло- паток 1-го і 2-го ступенів ГТД. Як відомо, в разі низьких швидкостей крис- талізації у сплаві виникають структурні де- Рис. 6. Макроструктура зразків сплавів після випро- бувань на високотемпературну корозію: а — сплав СМ88Y; б — розроблений сплав 28 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ фекти, наприклад лікваційні смуги. Для того, щоб підвищити швидкість кристалізації і, від- повідно, забезпечити регулярну структуру ви- ливків лопаток газових турбін, було запропо- новано модернізовану конструкцію ливарної установки VIM-25-175C вертикального типу (виробник — Seco-Warwick, Польща). Вдосконалення установки (рис. 7) полягало у введенні вузла додаткового охолодження по- током інертного газу (аргону) для отримання оптимально орієнтованої структури. Пристрій для подання струменів інертного охолоджу- вального газу виконано у вигляді кільцево- го газового колектора, оснащеного газовими ежекторами. Застосування такого способу охолоджен- ня інтенсифікує процес кристалізації розпла- ву, змінюючи градієнт температури на фронті кристалізації порівняно з конвективним охо- лодженням у вакуумі, і завдяки наявності мід- ного піддона істотно змінює кінетику структу- роутворення. В процесі спрямованої кристалі- зації з радіаційним способом охолодження від- ведення тепла від виливка здійснюється через водоохолоджувальну металеву плиту — «холо- дильник» унаслідок теплопровідності і випро- мінювання від зовнішньої поверхні керамічної форми на холодні стінки печі. Зі збільшенням висоти затверділого шару металу передача те- пла в «холодильнику» сповільнюється. Коли затверділий шар досягає товщини 70 мм від поверхні водоохолоджувальної плити, вили- вок охолоджується переважно випромінюван- ням від бічних поверхонь форми. Отже, розроблено технологію виплавляння лопаток 2-го ступеня енергетичного газотур- бінного двигуна з нового жароміцного сплаву. При цьому макроструктура всіх перерізів є ре- гулярною і відповідає вимогам до структури лопаток 2-го ступеня ГТД та технічному регла- менту (рис. 8). Підвищення параметрів міцності й термо- стійкості, а також зменшення пористості ке- раміки можна досягти введенням у керамічну масу модифікаторів. Це особливо важливо в разі спрямованого тверднення, оскільки три- валий контакт розплав—форма висуває підви- щені вимоги до матеріалу форми. Al- і Si-модифікатори, які є складовими ви- браного керамічного наповнювача і в’яжучого, що використовують для форм та стрижнів, до- зволяють у процесі термооброблення форм пе- ревести оксид кремнію в алюмосилікат — му- літ, який є найбільш термостабільною складо- вою вогнетривкої композиції. В такий спосіб, завдяки модифікації в’яжучого формувальної суміші, можна мінімізувати шкідливий вплив SiO2 на поверхню виливка. Лопатки зазвичай одержують методом литва в корундові форми. Експериментально виявле- Рис. 7. Схема модернізованого ливарного процесу для отримання виливків лопаток газових турбін з регуляр- ною структурою: 1 — ливарна форма; 2 — вакуумний кожух; 3 — кристалізатор; 4 — зона нагрівання; 5 — труба для кріплення до вакуумної установки; 6 — тру- ба для додаткового розвантаження зони охолодження робочої камери; 7 — розплав; 8 — тигель; 9 — теплоізо- ляційний екран; 10 — зона охолодження; 11 — індук- тори зони нагрівання; 12 — теплоізоляція; 13 — графі- това муфельна піч; 14 — стопорне кільце; 15 — цилін- дрична стінка теплоізоляційного екрана; 16 — кожух; 17 — кільцевий газозбірник; 18 — газові інжектори; 19 — отвори для газових інжекторів ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 29 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ но залежність фізико-механічних властивостей кераміки на основі корунду від кількості моди- фікатора. За результатами досліджень встанов- лено, що саме за температури 1300 °С у вогне- тривкій композиції утворюється муліт, що при- водить до підвищення міцності кераміки. Отримані дані засвідчили, що використання нового, запропонованого нами складу ливар- ної форми дозволяє зменшити товщину зміне- ного шару виливка з 30—35 мкм (у разі зали- вання в корундову форму) до 5—15 мкм (у разі заливання у форму з модифікованої кераміки) (рис. 9). Застосування модифікованої кераміки для ливарних форм дало також змогу скоротити кількість браку деталей, збільшити вихід при- датного литва та підвищити коефіцієнт вико- ристання металу. Для виготовлення керамічних тиглів впер- ше запропоновано вогнетривкі суміші на осно- ві плавленого магнезиту, модифіковані алюмі- нієм і кремнієм. Показано, що дисперсні по- рошки алюмінію та кремнію під час розплав- лення перетворюють процес спікання суміші з твердофазного на процес, який відбувається з утворенням рідкої фази. Завдяки ц ьому збіль- шується площа контакту між зернами та змен- шується пористість у кераміці. Після терміч- ної обробки міцність тиглів під час стискання зростає на 10—12 %, а температура початку їх деформації під навантаженням збільшується приблизно на 50 °С. Також було вдосконалено хімічний склад керамічних стрижнів. За допомогою проведе- ного теоретичного аналізу та комплексу екс- периментальних досліджень визначено опти- Рис. 8. Мікроструктура різних перерізів лопатки ГТД з експериментального сплаву та міждендритні параметри (мм): а — конус (0,33—0,60); б — перо (0,28—0,46); в — замок (0,28—0,53) Рис. 9. Мікро- структура екс- периментального сплаву поблизу міжфазної границі з вогнетривом: а — корундова форма; б — корундова форма, модифік о- вана алюмінієм, ×1000 30 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (9) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ мальну кількість модифікаторів у стрижневих сумішах. Так, для одержання охолоджуваних лопаток ГТД рекомендовано використовува- ти суміш на основі корунду, модифіковану Al (0,5—3,0 %) + Si (0,5—3,0 %). Випробування показали, що використання цього матеріа- лу дозволяє зменшити кількість браку литих лопаток, пов’язаного з поломками стрижнів, завдяки підвищенню їх термостійкості та міц- ності. Одним з ефективних і важливих способів підвищення якості литих виробів є фільтра- ція розплаву, який перед заливанням у форми (кристалізатори) пропускають через керамічні фільтри. Аналіз впливу способу фільтрації на механічні характеристики сплаву засвідчив, що найбільш ефективним є застосування піно- керамічних фільтрів. Запропоновано метод очищення металу від механічних домішок із застосуванням живиль- ників так званого дощового типу, виготовле- них з пінокерамічного фільтра. Цей метод ви- явився особливо ефективним для лиття робо- чих охолоджуваних лопаток турбіни (рис. 10). У разі використання дощового способу надходження розплаву у форму виключаєть- ся ймовірність пошкодження керамічного стрижня в лопатках під дією термічного уда- ру завдяки поділу струменя металу на розосе- реджені потоки. Крім того, це забезпечує рів- номірний розподіл температури по перетину виливків, що в результаті сприяє підвищенню їх якості. Отже, дослідження, проведені у Фізико-тех- нологічному інституті металів та сплавів НАН України, дозволили отримати низку важливих практичних результатів: • розроблено хімічний склад перспектив- ного для промисловості жароміцного корозій- ностійкого сплаву на основі нікелю, який до- цільно використовувати у виробництві литих робочих лопаток ГТД енергетичного та судно- вого призначення; • запропоновано пристрій для додаткового охолодження ливарних форм інертним газом у ва ку умно-індукційному агрегаті, призначений для одержання деталей зі спрямованою струк- турою; • розроблено технології одержання ливар- них форм і стрижнів із модифікованої кера- міки. Застосування у виробництві нових тех- нологій та запропонованих вогнетривких ма- теріалів допомогло зменшити кількість браку лопаток, пов’язаного з якістю поверхні; • проведено випробування фільтрів з моди- фікованої кераміки. Застосування таких філь- трів під час заливання розплаву у форми дало змогу підвищити якість лопаток та істотно зменшити кількість їх браку через неметалеві включення. Інструкцію з виготовлення кера- мічних фільтрів за новою технологією переда- но на виробництво; Рис. 10. Воскові моделі (а) і блок лопаток (б), одержаний за новою технологією ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 9 31 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Iuliia G. Kvasnytska Phisico-Тechnological Institute of Metals and Alloys of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3790-2035 IMPROVEMENT OF MATERIALS AND TECHNOLOGIES TO INCREASE THE OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF CAST BLADES FOR GAS TURBINE ENGINES According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, July 3, 2024 The report presents the results of fundamental and applied research conducted at the Phisico-Тechnological Institute of Metals and Alloys of the National Academy of Sciences of Ukraine to produce complex parts for new generation gas turbine engines. The scientific and technological foundations of the processes of producing new heat-resistant corrosion- resistant alloys with improved characteristics were developed. The regularities of the influence of alloying elements on the phase-structural stability of alloys were established. New compositions of refractory materials for crucibles, ceramic molds, rods, and filters were created. Keywords: heat-resistant alloy, gas turbine engine, turbine blade, corrosion, vacuum induction melting, directional crys- tallization of castings, cooling rate, ceramic crucibles. Cite this article: Kvasnytska Iu.G. Improvement of materials and technologies to increase the operational characteristics of cast blades for gas turbine engines. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2024. (9): 23—31. https://doi.org/10.15407/visn2024.09.023 • підготовлено низку нормативних доку- ментів для підприємств газотурбобудівної га- лузі України. Надалі ми плануємо зосередитися на таких напрямах досліджень: • продовження робіт зі створення нових хі- мічних складів жароміцних нікелевих сплавів, призначених для виготовлення деталей ГТД; • розроблення нових складів керамічної маси на основі водного в’яжучого (римасол, людокс) з метою поліпшення екологічних умов праці робітників, задіяних у виготовлен- ні керамічних оболонкових форм; • використання адитивних технологій для 3D-друку моделей із застосуванням сучасних полімерних матеріалів, що дозволить скороти- ти часові й фінансові витрати на виготовлен- ня пресформ для разових воскових моделей. 3D-друк є також дуже актуальною техноло- гією для ремонту складнопрофільних деталей газотурбінних двигунів.

Institution

Similar Items