Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ

Представлены результаты анализа исходного состояния поверхности «елочных» хвостовиков рабочих лопаток из монокристального сплава ЖС36ВИ на различных этапах их механотермической обработки. Установлена взаимосвязь состояния поверхности «елочного» замка с сопротивлением реальных деталей многоцикловой у...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Современная электрометаллургия
Дата:	2010
Автор:	Куренкова, В.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2010
Теми:	Общие вопросы металлургии
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96150
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:	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ / В.В. Куренкова // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 3 (100). — С. 38-46. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860268375175856128
author	Куренкова, В.В.
author_facet	Куренкова, В.В.
citation_txt	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ / В.В. Куренкова // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 3 (100). — С. 38-46. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Современная электрометаллургия
description	Представлены результаты анализа исходного состояния поверхности «елочных» хвостовиков рабочих лопаток из монокристального сплава ЖС36ВИ на различных этапах их механотермической обработки. Установлена взаимосвязь состояния поверхности «елочного» замка с сопротивлением реальных деталей многоцикловой усталости. Показана целесообразность применения поверхностного пластического деформирования деталей, подверженных вибрационному нагружению металлическими микрошариками (диаметром 100… 200 мкм), что способствует увеличению сопротивления усталости лопаток, работающих в составе турбины АГТД. Results of analysis of initial state of surface of «fir-tree» stems of blades of single-crystal alloy ZhS36VI at different stages of their mechanical-heat treatment are presented. The relation between the state of surface of fir-tree locking piece and resistance of real parts to a low-cycle fatigue was established. The expediency of application of surface plastic deformation of parts subjected to vibration loading by metal microballs (of 100… 200 mm diameters) is shown, thus promoting the increase in fatigue resistance of blades, operating in the composition of turbine of AGTE.
first_indexed	2025-12-07T19:03:25Z
format	Article
fulltext	УДК 629.7.036.3:621.785.5:620.178.3 ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ «ЕЛОЧНОГО» ЗАМКА МОНОКРИСТАЛЬНЫХ РАБОЧИХ ЛОПАТОК ИЗ СПЛАВА ЖС36ВИ В. В. Куренкова Представлены результаты анализа исходного состояния поверхности «елочных» хвостовиков рабочих лопаток из монокристального сплава ЖС36ВИ на различных этапах их механотермической обработки. Установлена взаимо- связь состояния поверхности «елочного» замка с сопротивлением реальных деталей многоцикловой усталости. Показана целесообразность применения поверхностного пластического деформирования деталей, подверженных вибрационному нагружению металлическими микрошариками (диаметром 100… 200 мкм), что способствует увели- чению сопротивления усталости лопаток, работающих в составе турбины АГТД. Results of analysis of initial state of surface of «fir-tree» stems of blades of single-crystal alloy ZhS36VI at different stages of their mechanical-heat treatment are presented. The relation between the state of surface of fir-tree locking piece and resistance of real parts to a low-cycle fatigue was established. The expediency of application of surface plastic deformation of parts subjected to vibration loading by metal microballs (of 100… 200 mm diameters) is shown, thus promoting the increase in fatigue resistance of blades, operating in the composition of turbine of AGTE. Ключ е вы е с л о в а : рабочая лопатка; монокристаль- ный никелевый сплав ЖС36ВИ; «елочный» хвостовик; зуб и впадина замка; термомеханическая обработка; микрострук- тура; глубинное шлифование; многоцикловая усталость; сжимающие напряжения; микротвердость; поверхностная пластическая деформация; дробеструйное упрочнение Одним из важнейших критериев определения на- дежности и ресурса рабочих лопаток газотурбин- ных установок является сопротивление их много- цикловой усталости, определяемое конструкцией деталей и материалом, из которого изготовлена ло- патка, средой испытания, температурой и процес- сами окисления, протекающими на их трактовой поверхности при эксплуатации. Химический и фазовый составы сплавов в зна- чительной степени влияют на зарождение трещин усталости и сопротивление их распространению, а также на абсолютные значения предела выносли- вости σ—1 [1]. Совершенствование композиций и структуры жаропрочных сплавов (ЖС), повыше- ние уровня статических характеристик кратковре- менной и длительной прочности позволяют увели- чить сопротивление многоцикловой усталости ма- териала. Как отмечается в работах [2, 3], поведение металлов при циклическом нагружении определя- ется их микроструктурными и макроструктурными особенностями. Основными очагами зарождения микротрещин усталости в сплавах являются частицы карбидов и боридов, микропоры. В безуглеродистых монокрис- таллических сплавах, например ЖС36 и ЖС40, карбидные фазы практически отсутствуют. Поэто- му пределы усталости указанных сплавов при ком- натной температуре имеют более высокие значения, чем в углеродистых с равноосной структурой [4]. Однако, в сравнении с такими сплавами, монокрис- таллические отличаются высокой чувствитель- ностью к концентраторам напряжений, особенно монокристаллические углеродсодержащие типа ЖС6Ф и ЖС32, для которых коэффициент кон- центрации напряжений Kσ—1 = σ—1глад/σ—1над (σ—1глад, σ—1над – пределы выносливости соответственно гладкого и надрезанных образцов) составляет 2,5… 3,0 при 20 °С, тогда как для безуглеродистых монокристаллических сплавов (ЖС36 и ЖС40) Kσ—1 = 1,5… 1,6 [1]. Общим для всех сплавов явля- ется снижение чувствительности к концентрации напряжений при повышенных температурах. © В. В. КУРЕНКОВА, 2010 38 Сопротивление усталости монокристальных ЖС зависит от кристаллографической ориентации. Так, при 20 °С ориентация [111] для всех сплавов более прочная, чем ориентация [001]. Однако при 1100 °С в сплаве ЖС36 пределы усталости имеют одинаковые значения для обеих ориентаций. Сле- довательно, при высокой температуре анизотропия значений σ—1 для монокристальных ЖС нивелиру- ется подобно кратковременным и длительным ста- тическим испытаниям. Отлитые в печах с высоким термическим градиентом монокристаллы характе- ризуются более высоким значением σ—1, поскольку имеют дисперсную дендритную структуру и содер- жат меньшее количество микропор [1]. Высокую чувствительность монокристаллов к концентраторам напряжений связывают с отсутс- твием границ зерен, в некотором роде являющихся препятствием на пути распространения магистраль- ной трещины усталости. В поликристаллических сплавах трещина изменяет направление своего рас- пространения всякий раз при пересечении границы зерен. Это определяет увеличение длины траек- тории трещины усталости. В монокристаллах с надрезом трещина усталос- ти практически беспрепятственно распространяется через весь образец. Поэтому монокристаллическая лопатка отличается высокой чувствительностью к наличию концентраторов напряжений, например литейных дефектов. У рабочих лопаток газотурбинных двигателей «елочный» хвостовик является не менее важной и ответственной частью, по сравнению с пером. Имен- но замковые части, работающие при значениях тем- пературы не более 600… 750 °С, несут наибольшую нагрузку и подвергаются преимущественно усталос- тному разрушению. Так, при стендовых испытани- ях рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ очаги за- рождения усталостных трещин зафиксированы в области выхода впадины первого зуба на торцевую часть хвостовика. Поверхностный слой хвостовой части лопатки играет значительную роль в формировании несущей способности деталей [1]. Усталостные разрушения турбинных лопаток составляют 33 % из общей гам- мы разрушений этого типа деталей авиационных газотурбинных двигателей. Одной из основных причин разрушения является снижение предела вы- носливости из-за образования микротрещин в по- верхностном слое, поврежденном при неоптималь- ных условиях механической обработки изделия, к которым можно отнести режимы резки профиля хвостовика, неравномерность распределения наг- рузки по зубьям хвостовика, металлургические де- фекты и остаточные растягивающие напряжения. Цель настоящей работы заключалось в опреде- лении микроструктурных причин разрушения мо- нокристальных лопаток при усталостных испыта- ниях; требовалось выявить металлургические, структурные или методические факторы, вызыва- ющие снижение выносливости металла при знако- переменном нагружении. Рабочие лопатки получали способом литья по выплавляемым моделям из монокристального спла- ва ЖС36ВИ (мас. %: Ni—9Co—4Cr—6Al—1Ti—1Mo— 12W—2Re). Отлитые заготовки лопаток подвергали полному циклу термомеханической обработки пос- Рис. 1. Структура поверхности ( 1000) вершины первого зуба рабочей лопатки из монокристального сплава ЖС36ВИ, прошедшей полный цикл термомеханической обработки и УМШ: а – поверхность первого зуба; б – поверхность первого зуба после измерения микротвердости; в, г – соответственно впадина и стенка зуба 39 ле изготовления. Использовали финишную обра- ботку замка – поверхностное пластическое дефор- мирование (ППД), которое заключалась в дробес- труйном упрочнении стальными микрошариками (УМШ) «елочного» хвостовика. Объектом исследования были фрагменты замко- вой части после различных этапов термомеханичес- кой обработки лопаток. На микрошлифах изучали структуру поверхности металла в основном в окрес- тности первого зуба и впадины хвостовика. Иссле- дования проводили на электронном сканирующем микроскопе CamScan-4, химический состав измеря- ли с использованием рентгеноспектральной при- ставки Energy-200. Микротвердость металла при- поверхностных слоев определяли на приборе «Micro-Duromat 4000E» при нагрузке 0,1…0,2 Н. Полученные результаты. Основные структурные исследования проводили на замковой части рабочих лопаток, прошедших все этапы термомеханической обработки перед стендовыми испытаниями. Техно- логическая цепочка изготовления лопаток включала гомогенизацию заготовок при 1320 °С, 4 ч; охлажде- ние в аргоне; нарезку замка глубинным шлифова- нием [5]; высокотемпературное промежуточное ста- рение при 1030 °С, 4 ч; окончательное старение при 870 °С, 24… 32 ч и УМШ. На рис. 1 показана развитая шероховатая по- верхность первого зуба хвостовика с глубиной ми- кронеровностей 10… 20 мкм. Нерегулярные «заре- зы» и вмятины на поверхности зуба свидетельству- ют о достаточно жестком режиме нарезки замка и поверхностного пластического деформирования в процессе УМШ лопатки. График изменения мик- ротвердости поверхности металла первого зуба на глу- бину 150…200 мкм подтверждал наличие на хвосто- вике лопатки слоя, подвергнутого ППД (рис. 2, 1). Микротвердость сплава лопаток ЖС36ВИ в объеме хвостовика составляла примерно 3400 МПа. Максимальное поверхностное упрочнение после всех этапов термомеханической обработки лопатки полу- чено на глубине до 30 мкм. Максимальная микро- твердость в этом случае составляла 5700…5800 МПа. Характер распределения микротвердости по толщине поверхностного слоя свидетельствует о том, что воздействие ППД при обработке замка ощущается на глубине до 80 мкм. Это не всегда отражалось на микроструктуре поверхностных сло- ев первого зуба. Полученная область значений мик- ротвердости (рис. 2, 1) свидетельствовала о неболь- шом разбросе измерений, выполненных на поверх- ности в области вершины и впадины первого зуба. При изучении структуры поверхности зуба в об- ратноотраженных электронах зафиксировано нали- чие внешнего слоя, содержащего светлые включе- ния, при этом глубина слоя нетравленого шлифа составляла от 5 до 25 мкм (рис. 1, а, г). Наибольшая глубина характерного слоя обнаружена в местах пе- рехода от поверхности стенки зуба к вершине; пери- одически фиксировались микротрещины. Светлые Химический состав металла поверхностного слоя хвостовика лопатки из сплава ЖС36ВИ после полного цикла термомеханической обработки, включая дробеструйное УМШ замка Спектр анализа Массовая доля компонентов, % C* O Al Ti Cr Co Ni Fe Nb Mo W Re Вершина первого зуба 1 6,20 — 2,51 0,78 6,47 7,99 41,02 0,67 0,81 2,28 20,88 10,38 2 8,60 — 2,92 0,76 6,47 7,52 46,31 0,68 0,57 2,23 16,49 7,45 3 8,94 — 1,73 0,61 8,38 5,90 32,07 1,10 1,60 3,78 30,48 5,41 4 17,93 0,35 1,39 0,42 8,33 7,19 32,41 0,80 1,02 2,99 23,57 3,61 5 11,62 2,50 2,21 0,93 8,64 7,76 43,59 0,34 1,02 1,65 17,02 2,69 6 5,82 — 2,71 0,52 12,12 10,73 52,91 — 0,70 1,52 10,09 2,88 7 6,15 — 5,46 1,41 4,32 6,16 64,21 — 0,77 0,29 9,31 1,92 Переход от первого зуба к впадине 1 33,30 4,09 2,25 0,39 7,53 6,95 33,15 0,49 0,11 1,15 8,68 1,91 2 25,93 8,89 2,41 0,39 7,59 7,23 32,62 1,77 — 1,02 10,36 1,80 3 6,23 — 1,20 0,26 7,23 8,07 27,51 — 0,24 2,56 33,74 12,94 Значения содержания углерода приведены качественно. Рис. 2. Микротвердость приповерхностного слоя металла пер- вого зуба рабочей лопатки из сплава ЖС36ВИ после различных этапов технологической обработки: 1 – после полного цикла термомеханической обработки лопатки + УМШ (у заказчика); 2 – после гомогенизации заготовки; l – расстояние от повер- хности 40 включения представляли собой карбидные фазы на основе вольфрама (18…30 мас. %) типа (Ni3, W3)C (таблица, рис. 3). В состав карбидных фаз, кроме вольфрама, входили никель и рений (4…11 мас. %). Размер карбидных фаз составлял 1…2 мкм. Наличие карбидных частиц на рабочей поверх- ности зуба из монокристального сплава может рас- сматриваться как возможный очаг зарождения ус- талостных микротрещин при испытаниях или экс- плуатации деталей в турбине. Карбиды являются источниками концентрации напряжений в матрице под нагрузкой вследствие разницы их модулей уп- ругости и матричного раствора [2]. На поверхности зуба лопатки обнаружены ос- татки углеродной пленки, появление которой, ско- рее всего, связано с процессом глубинного шлифо- вания (таблица, рис. 3). Очевидно, что при наличии на поверхности избыточного углерода и относитель- но высокой температуре первого старения (1030 °С) возможно протекание реакции взаимодействия ак- тивных карбидообразующих (вольфрам, рений) со свободным углеродом и образование в дальнейшем карбидных фаз. В силу того, что металлическая поверхность хвос- товика зуба и впадины активирована использованны- ми режимами глубинного шлифования, диффузион- ное взаимодействие компонентов охлаждающей сре- ды с поверхностными слоями хвостовика при шли- фовании происходило довольно быстро. Особенностью структуры приповерхностного слоя зуба хвостовика являлось то, что в результате диффузионного взаимодействия компонентов спла- ва с углеродом охлаждающей среды матричный рас- твор (на глубине до 30 мкм) обезлегировался воль- фрамом (от 12,7 до 9,67 %) и рением (от 3,67 до 1,84 %), Рис. 3. Участки рентгеноспектрального анализа структуры поверхности зуба: а – вершина зуба; б – переход от первого зуба к впадине Рис. 4. (γ−γ′)—микроструктура приповерхностной зоны вершины первого зуба лопатки, подвергнутой УМШ замка (после хими- ческого травления): а – общий вид ( 1000); б – зона с грубой упрочняющей фазой ( 5000); в, г – γ′-фаза в деформированной приповерхностной зоне и теле зуба ( 5000) 41 которые диффундировали к поверхности и участ- вовали в образовании карбидов. Стабилизаторы γ′-фазы (алюминий, титан) с коэффициентом распределения kiγ′/γ= ciγ′/χιγ [1], большим единицы, стремятся вглубь. Таким образом, в случае химического травления микроструктура верхнего слоя металла зуба толщи- ной 10… 25 мкм представляла собой двухслойную композицию, состоящую из внешнего слоя (толщи- ной 3… 10 мкм) твердого раствора, упрочненного вторичными карбидными фазами (рис. 4, а) и внут- реннего слоя с развитой грубой γ′-фазой остроуголь- ной формы, которая, играя роль надрезов, может снизить прочность металла замка при испытаниях на многоцикловую усталость (рис. 4, б). Под зоной диффузии и наружного карбидообразо- вания находится внутренняя зона, воспринимающая в основном пластическую деформацию при УМШ. Ее глубина от поверхности достигала 10…60 мкм. Данная зона характеризовалась деформированной (γ−γ′)- структурой с нечеткими искаженными границами упрочняющей фазы (рис. 4, в). Пластическая де- формация, определяемая обработкой (обдувкой) микрошариками, вызывала течение на границе мат- рица—γ′-фаза и в результате приводила к искаже- нию границ контакта частиц γ′-фазы с матричным раствором. Структура монокристаллического сплава в теле замка ниже зоны интенсивной деформации имела четкую совершенную кубическую структуру с раз- мером частиц γ′-фазы 0,3… 0,6 мкм, которая обра- зовывалась в процессе штатной трехступенчатой термообработки для сплава ЖС36ВИ (рис. 4, г). После химического травления в металле замка лопатки четко просматривалась структура с разме- ром субзерен 15… 40 мкм. Такая микроструктура соответствует субструктуре III уровня и представ- ляет блочность общего вида с разориентировкой блоков в десятки минут [1]. Границы субзерен де- корированы в виде цепочки неупорядоченных вы- делений упрочняющей фазы (рис. 5, б). Ближе к поверхности размеры и разброс субзерен уменьшались. Чтобы проследить, на каком этапе возникают изменения в поверхностных слоях хвостовика, иссле- довали структуру «елочных» замков ряда лопаток пос- ле отдельных этапов механотермической обработки. В структуре металла замка лопатки, которую исследовали как заготовку после гомогенизации (1320 °С, 4… 7 ч) с охлаждением в аргоне, разли- чий на поверхности и в теле лопатки не обнаружено (рис. 6). В результате быстрого охлаждения (100 °С/мин) структура сплава представляла со- бой матричный раствор с выделениями упрочняю- щей γ′-фазы в виде субкубов. Размер фазы состав- лял 0,3… 0,5 мкм. Зафиксирован внешний обога- щенный углеродом слой толщиной 3… 5 мкм, веро- ятно, являющийся результатом заброса паров масла диффузионных насосов в вакуумное пространство. Рис. 5. Микроструктура поверхности во впадине первого зуба лопатки, прошедшей полный цикл термомеханической обработки и УМШ (а), ( 2000); б – субграницы в монокристаллическом сплаве в теле замка ( 1000) Рис. 6. (γ−γ′) – микроструктура сплава ЖС-36 в замковой части лопатки (заготовки замка), прошедшей гомогенизацию с охлаж- дением в аргоне: а – поверхность первого зуба ( 2000); б – субкубоидная структура упрочняющей фазы после гомогенизации ( 5000) 42 Это не было критичным для дальнейшей механи- ческой обработки и изготовления замка лопатки. Микротвердость, измеренная на глубину 200 мкм от поверхности, находилась в пределах 3370… 3500 МПа (рис. 2, 2). При исследовании (после травления) микро- шлифа замковой части лопатки первого промежу- точного отжига проявилась структура зоны пласти- ческой деформации, глубина которой достигала 10… 15 мкм (рис. 7). Типичная картина напряжен- ного слоя обнаруживалась как на поверхности зуба, так и во впадине. В данной приповерхностной зоне зафиксирова- но определенное искажение регулярной кубической структуры γ′-фазы. Размер упрочняющей фазы в металле замка пос- ле первого старения составлял 0,2… 0,9 мкм. Такой разброс можно объяснить избирательным растворе- нием частиц при температуре старения, укрупнени- ем имеющихся в матрице частиц и выпадением но- вых субдисперсных частиц γ′-фазы в результате от- жига при 1030 °С. Микротвердость поверхностных слоев зуба и впадины незначительно различалась. В основном она имела линейный характер на всю измеряемую глубину (200 мкм) материала (рис. 8, 1). Сущест- венного увеличения значений микротвердости на исследованной поверхности за счет сжимающих напряжений, привнесенных нарезкой зуба с обра- Рис. 7. Микроструктура зоны пластической деформации у поверхности вершины первого зуба хвостовика после первого проме- жуточного старения: а, б – общий вид поверхностного слоя металла ( 18; 50); в, г – фрагменты поверхности ( 2000; 10000); д, е – упрочняющая γ′-фаза соответственно в объеме зуба ( 10000) и приповерхностной зоне деформации ( 10000) Рис. 8. Микротвердость приповерхностного слоя металла пер- вого зуба лопатки: 1 – после шлифования и первого старения; 2 – после окончательного старения при 870 °С (24 ч) 43 зованием зоны деформации, не обнаружено из-за небольшой глубины (5… 10 мкм) указанной зоны. После второго этапа старения при температуре 870 °С в течение 32 ч на поверхности зуба хвосто- вика лопатки сохранялась область, подвергнутая деформации (за счет формирования «елочного» замка), которая четко отличалась по морфологии упрочняющей фазы (рис. 9). Вблизи поверхности выявлены карбидные фазы типа Me6C на основе вольфрама и рения с размером частиц до 1 мкм (рис. 9, а, б). Частичное обезлегирование матричного раство- ра по тугоплавким компонентам (вольфрам, ре- ний), имеющим минимальные коэффициенты рас- пределения, приводит к изменению морфологии γ′- фазы в сторону ее огрубления (рис. 9). После низкотемпературного старения фиксиро- валось уширение приповерхностной зоны воздей- ствия деформации, достигающей 15… 30 мкм (по сравнению с 10… 15 мкм после первого старения). Это ощутимо сказывалось на уровне микротвердос- ти, измеренной в сечении зуба на глубину до 200 мкм (рис. 8, 2). Влияние термообработки на тонкую структуру мо- нокристального сплава ЖС36ВИ. Процесс гомоге- низации при высоком значении температуры (≤1310 °С) и быстрое охлаждение в аргоне заготовок лопатки позволяют получить дисперсионно-упроч- ненную (γ−γ′)-структуру монокристалла. При этом упрочняющая фаза имеет вид субкубов размером 0,2… 1,0 мкм (рис. 10, а). После высокотемпера- турного старения (1030 °С, 4 ч) структура монок- ристалла состоит из менее упорядоченных кубоид- ных частиц размером 0,2… 0,6 мкм (рис. 10, б). После термической обработки (высокотемпера- турная закалка, старение при температуре 1030°С (32 ч, окончательное) и при 870 °С, структура мо- нокристалла жаропрочного сплава ЖС36ВИ пред- ставляла собой матричный раствор с равномерно упорядоченными кубическими выделениями упроч- няющей γ′-фазы (рис. 10, в). Именно такая струк- тура с объемной долей γ′-фазы примерно 65 % и размером частиц γ′-фазы 0,3… 0,5 мкм обеспечивает максимальное сопротивление ползучести и длитель- ную прочность монокристального сплава при высо- кой температуре Обсуждение. На основе данных исследований мож- но утверждать, что в результате дробеструйной об- работки поверхности «елочного» замка лопаток микрошариками на внешней поверхности зубьев над основным деформированным слоем образуется кон- тактный слой, достигающий максимально 30 мкм, с измененными химическим составом и структурой. Наличие такого контактного слоя, содержащего карбидные фазы и грубую γ′-фазу игольчатого типа, однозначно неблагоприятно скажется на сопротив- лении усталости лопаток при многоцикловых испы- таниях и приведет к раннему разрушению деталей. Изготовление «елочного» замка лопатки в про- изводственном цикле осуществляется глубинным шлифованием, которое позволяет получить необхо- димый профиль замковой части в три прохода. Про- цесс является достаточно теплонапряженным. На поверхности хвостовика возникают максимальные значения импульсов мгновенной контактной темпе- Рис. 9. Структура поверхности первого зуба лопатки: а – прошедшей полный цикл термомеханической обработки ( 2000); б, в – микроструктура упрочняющей γ′-фазы в различных зонах поверхностного слоя ( 5000) Рис. 10. Эволюция упрочняющей γ′-фазы в ходе этапов термической обработки лопатки из монокристалла ЖС36ВИ: а – после гомогенизации; б – после гомогенизации + старения при 1030 °С; в – после гомогенизации + старения при 1030 °С + старения при 870 °С ( 10000) 44 ратуры, воздействующие на верхние слои обраба- тываемого металла. В нижней зоне воздействия в результате тепло- обмена между деталью и охлаждающей жидкостью создаются условия, обусловливающие вместе с си- ловым воздействием формирование остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое. Уровень этих напряжений составляет 150… 250 МПа, а глу- бина распространения сжимающих напряжений в профиле замка – 40… 80 мкм [5]. При формировании «елочного» хвостовика об- разуется поверхностный слой с нестабильными струк- турными параметрами по глубине, которые различа- ются степенью наклепа, шероховатостью, наличием вмятин и уровнем остаточных напряжений. Для охлаждения применяют водную эмульсию эмульгируемого масла. Содержание в ней углерода и отсутствие операции промывки, т. е. снятия вновь образующейся углеродной пленки с поверхности зу- ба лопатки, приводит к тому, что в процессе высо- котемпературного старения при 1030 °С, 4 ч, в ак- тивированном поверхностном слое образуются кар- биды типа Me6C на основе вольфрама и рения. Кар- бидные частицы размером 0,5… 3,0 мкм распреде- ляются дискретно и обнаруживаются под остаточ- ной пленкой углерода. В ходе последующего отжига и УМШ зафиксировано укрупнение данных карби- дов и уширение зоны, подверженной ППД. В ре- зультате деформационного упрочнения усилива- лась активация в приповерхностных объемах хвос- товика, и частички карбидных фаз «вгонялись» в металл на большую глубину. Финишным этапом обработки хвостовика лопа- ток является дробеструйное УМШ поверхности. Остаточные поверхностные сжимающие напряже- ния, возникающие в результате такой обработки, замедляют распространение микротрещин в теле из- делия, но не предотвращают их появления. На ос- нове модельных экспериментов по упрочнению «елочного» замка выбрали специальный режим об- работки хвостовиков лопаток в двух позициях. Ми- нимальный диаметр сопла позволил получить макси- мальную скорость истечения потока шариков (их ки- нетической энергии), благодаря чему достигали высо- кой интенсивности упрочнения на глубину до 100 мкм. Распространение наведенных напряжений в глубину металла было на 35…40 мкм больше, чем при других режимах обработки, что подтверждают данные измере- ния микротвердости (рис. 11). Средняя кривая (рис. 11) описывает характер де- формационного упрочнения зуба хвостовика после обработки детали потоком микрошариков согласно Рис. 11. Распределение микротвердости НV (P = 0,1 Н) по глубине металла первого зуба замка рабочих лопаток после их гомогенизации и старения при (1030 + 870) °С, подвергнутых УМШ: 1 – на сопле минимального диаметра под различными углами по отношению к хвостовику лопатки в течение 4 мин; 2 – на разных соплах в течение 10 мин; 3 – УМШ у заказчика Рис. 12. Микроструктура ( 5000) упрочняющей γ′-фазы в сплаве ЖС36ВИ зуба рабочей лопатки после полной гомогенизации и УМШ (а); термообработки и УМШ в течение (2 + 2) мин на сопле минимального диаметра (б): а, б – общий вид приповерхностной зоны; в – структура γ′-фазы; г – структура вторичной ППД соответственно на глубине 50 и 150 мкм 45 выбранному режиму. В этом случае упрочнение (приращение твердости) основного металла в се- чении на глубине 20 мкм от поверхности вдоль об- вода зуба, стенок и впадины было примерно оди- наковым. На рис. 12 показана тонкая структура приповер- хностных слоев металла фрагмента хвостовика за- готовки после гомогенизации и реализации процес- са УМШ. Обнаружена незначительная пластичес- кая деформация частиц γ′-фазы в матрице непос- редственно у поверхности металла замка. Во внешнем слое отсутствовали какие-либо карбидные фазы. Однако в результате формирования замка в при- поверхностном слое лопатки с нарезанными зубь- ями обнаружены (и на других лопатках также) бе- лые глобулярные частицы карбидов Me6C на основе вольфрама, рения, молибдена. Причина их появле- ния – результат взаимодействия сплава ЖС36ВИ с материалом охлаждающей углеродсодержащей среды при глубинном шлифовании «елочного» зам- ка, когда возникал перегрев (прижог) поверхности хвостовика. Дробеструйное УМШ может быть негативным для литейных сплавов, содержащих крупные кар- бидные фазы или другие дефекты типа надрезов [2]. Вследствие образования подповерхностной зоны рас- тягивающих остаточных напряжений в области де- фектов могут возникать трещины, вызывающие в дальнейшем преждевременное разрушение деталей в процессе испытаний. Рабочие монокристальные лопатки из сплава ЖС36ВИ после полного цикла термической обра- ботки без дробеструйной обработки «елочного» зам- ка, испытанные на стенде ИПП НАН Украины, имели предел многоцикловой усталости на базе N = = 20⋅106 цикл, равный 50… 70 МПа. Лопатки, прошедшие двухпозиционную обработ- ку хвостовика микрошариками имели возросший пре- дел выносливости σ—1, равный 95… 110 МПа. При этом впадина первого зуба не являлась критическим местом зарождения усталостного разрушения (оно переместилось в прикорневую часть выше замка). Значение σ—1 на 15 МПа превышало предел уста- лости, достигнутый заказчиком в результате УМШ хвостовика лопаток при той же базе испытаний. Выводы 1. Исследована структура и химический состав при- поверхностного слоя металла замковых частей не- кондиционных монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ после различных этапов термо- механической обработки заготовок и непосредс- твенно лопаток. Установлено наличие структурно измененного на поверхности «елочного» замка слоя, содержащего карбидные фазы типа Ме6С на основе вольфрама и рения и укрупненную γ′-фазу неправильной формы. Приповерхностный слой сос- тоит из внешней обезлегированной зоны с большим количеством дисперсных карбидных фаз и внутрен- ней зоны с огрубленной упрочняющей фазой, со- держащей также карбидные фазы. 2. Установлено, что изготовление замка глубин- ным шлифованием и возникновение напряжений сжатия способствуют образованию в приповерх- ностных слоях «елочного» хвостовика зоны наве- денной пластической деформации, отражается на изменении формы, упорядоченности и регулярнос- ти γ′-фазы, а также повышении микротвердости ос- новного металла. Использование водной эмульсии масла в качестве охлаждающей жидкости при глу- бинном шлифовании приводит к образованию на поверхности готового замка тонкой пассивирован- ной углеродной пленки. При высокотемпературном старении 1030 °С (4 ч) в активированном поверх- ностном слое замка остаточный углерод взаимо- действует с тугоплавкими легирующими элемента- ми сплава с образованием карбидных фаз, недопус- тимых в структуре монокристалла, поскольку, на- ходясь на поверхности, они являются очагами зарож- дения микротрещин, способствуют преждевремен- ному разрушению лопаток в процессе испытаний. 3. Показано, что деформационное упрочнение поверхности при дробеструйной обработке «елоч- ного» замка создает в металле поле сжимающих напряжений, но одновременно вызывает зарожде- ние микротрещин на границе раздела матрица—кар- бидная частица. Указанные микротрещины могут привести к зарождению магистральных трещин мно- гоцикловой усталости в области впадины первого зуба при вибрационных испытаниях лопаток, поэтому упрочнение хвостовика лопаток микрошариками сле- дует проводить на контролируемых режимах. 1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р. Е. Шалин, И. Л. Светлов, Е. Б. Качанов и др. – М.: Машиностроение, 1997. – 336 с. 2. Верин Д. Дж. Микроструктура и свойства жаропрочных сплавов // Жаропрочные сплавы / Под. ред. Ч. Симс и В. Хагель. – М.: Металлургия, 1976. – С. 217—241. 3. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. – М.: Машиностроение, 1993. – 240 с. 4. Каблов Е. Н., Алексеев А. А. Физика жаропрочности ге- терофазных сплавов // Эффект С. Т. Кишкина: Науч.- техн. cб. / Под ред. Е. Н. Каблова. – М.: Наука, 2006. – С. 44—45. 5. Технологическое обеспечение эксплуатационных характе- ристик деталей ГТД / В. А. Богуслаев, Ф. И. Муравчен- ко, П. Д. Жеманюк и др. – Запорожье: ОАО «Мотор Сич», 2003. – 420 с. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев ИЦ «Пратт и Уитни Патон», Киев Поступила 09.07.2010 *Испытания выполнены в Институте проблем прочности НАНУ В. А. Ровковым. 46
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96150
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0233-7681
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T19:03:25Z
publishDate	2010
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format	dspace
spelling	Куренкова, В.В. 2016-03-11T21:28:44Z 2016-03-11T21:28:44Z 2010 Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ / В.В. Куренкова // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 3 (100). — С. 38-46. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96150 629.7.036.3:621.785.5:620.178.3 Представлены результаты анализа исходного состояния поверхности «елочных» хвостовиков рабочих лопаток из монокристального сплава ЖС36ВИ на различных этапах их механотермической обработки. Установлена взаимосвязь состояния поверхности «елочного» замка с сопротивлением реальных деталей многоцикловой усталости. Показана целесообразность применения поверхностного пластического деформирования деталей, подверженных вибрационному нагружению металлическими микрошариками (диаметром 100… 200 мкм), что способствует увеличению сопротивления усталости лопаток, работающих в составе турбины АГТД. Results of analysis of initial state of surface of «fir-tree» stems of blades of single-crystal alloy ZhS36VI at different stages of their mechanical-heat treatment are presented. The relation between the state of surface of fir-tree locking piece and resistance of real parts to a low-cycle fatigue was established. The expediency of application of surface plastic deformation of parts subjected to vibration loading by metal microballs (of 100… 200 mm diameters) is shown, thus promoting the increase in fatigue resistance of blades, operating in the composition of turbine of AGTE. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Общие вопросы металлургии Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ Peculiarities of microstructure of surface of fir- tree locking piece of single-crystal blades of ZhS36VI alloy Article published earlier
spellingShingle	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ Куренкова, В.В. Общие вопросы металлургии
title	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ
title_alt	Peculiarities of microstructure of surface of fir- tree locking piece of single-crystal blades of ZhS36VI alloy
title_full	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ
title_fullStr	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ
title_full_unstemmed	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ
title_short	Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ
title_sort	особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава жс36ви
topic	Общие вопросы металлургии
topic_facet	Общие вопросы металлургии
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96150
work_keys_str_mv	AT kurenkovavv osobennostimikrostrukturypoverhnostieločnogozamkamonokristalʹnyhrabočihlopatokizsplavažs36vi AT kurenkovavv peculiaritiesofmicrostructureofsurfaceoffirtreelockingpieceofsinglecrystalbladesofzhs36vialloy

Особенности микроструктуры поверхности «елочного» замка монокристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИ

Репозитарії

Схожі ресурси