CC BY
114
УДК 669.014.018.44
Канд. техн. наук П. Д. Жеманюк1, А. А. Педаш1, д-р техн. наук Э. И. Цивирко2, А. Ф. Педаш1
*АО «МОТОР СИЧ», 2Запорожский национальный технический университет; г. Запорожье
КОМБИНИРОВАННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ДЕТАЛЕЙ ТУРБИН ГТД
Проведено опытно-промышленное опробование технологий комбинированного модифицирования при производстве отливок ответственных; деталей турбин газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов ЖС3ЛС-ВИ, СМ939 и ВЖЛ12Э-ВИ. В качестве модификаторов использовали алюминат кобальта и чистый цирконий. Установлено, что комбинированное модифицирование позволило получить отливки без поверхностных дефектов, с мелкокристаллической макроструктурой, с улучшенной микроструктурой.
Ключевые слова: сопловой аппарат турбины, модифицирование, алюминат кобальта, цирконий, жаропрочный сплав.
Для ответственных отливок ГТД из жаропрочных никелевых сплавов, с целью улучшения их структуры и повышения свойств, применяют методы поверхностного и объемного модифицирования, а так же достаточно эффективное поверхностное модифицирование лазерным облучением электроискровых покрытий (^С-Со-А^Оз) и карбидно-керамических покрытий [1, 2]. При этом объемное модифицирование повышает пластичность и длительную прочность сплавов [3], а поверхностное — предел выносливости [4]. Комбинированное действие модификаторов позволяет одновременно измельчить макро- и микрозерно, улучшить твердорастворное и дисперсионное упрочнение материала деталей.
Ранее [5—9] исследовано влияние поверхностного модифицирования алюминатом кобальта как отдельно, так и в комплексе с объемным модифицированием, на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов. Показано [8—9], что улучшение структуры и повышение свойств достигается применением комбинированного модифицирования с цирконием.
В данной работе рассмотрено промышленное опробование технологий комбинированного модифицирования при производстве отливок сопловых аппаратов турбины из жаропрочных сплавов ЖС3ЛС-ВИ, СМ939, а также сектора лопаток соплового аппарата из сплава ВЖЛ12Э-ВИ.
На вакуумной плавильной установке УППФ-3М
однородную шихту весом ~ 8 кг, полученную методом высокотемпературной обработки расплава [6—7], расплавляли в основном тигле при 1580 ± 10 ° С и за 1,5... 2 мин до слива расплава, через загрузочное устройство печи, присаживали чистый металлический цирконий для получения его в сплаве — 0,08...0,12 %&. При остаточном давлении в печи
0,665 Па и температуре расплава 1550 °С заливали электрокорундовые керамические формы, полученные по выплавляемым моделям и нагретые до 950 ± 10 ° С. Характерной особенностью форм являлось наличие в первом рабочем слое алюмината кобальта. Стержни для лопаток изготовляли с использованием электрокорунда. При получении отливок сопловых аппаратов из сплава СМ939 предусматривалось наличие заготовок образцов для определения механических свойств.
Исследуемые отливки проходили стандартную термическую обработку:
- отливки из сплава ЖС3ЛС-ВИ и ВЖЛ12Э-ВИ: нагрев 1210 °С, выдержка 4 часа, охлаждение в потоке аргона;
- отливки из сплава СМ939: нагрев 1165 °С, выдержка 4 часа, охлаждение с печью. Старение 920 °С, 6 часов, 980 ° С, 4 часа, 800 ° С, 4 часа, охлаждение с печью.
Химический состав отливок исследуемых вариантов удовлетворял требованиям нормативно-технической документации (табл. 1). Модифицированием получили в сплавах 0,07...0,12 % циркония.
Таблица 1 — Химический состав отливок исследуемых жаропрочных сплавов после комбинированного модифицирования
Марка сплава Массовая доля элементов, %
C & Со W №> А1 Л Мо Бе гг хю-2
СМ 939 0,12 22,3 18,7 2,1 0,8 1,6 3,4 < 0,05 0,032 7,0
ЖС3ЛС-ВИ 0,07 16,2 3,7 4,2 - 2,6 2,7 3,8 0,8 11,0
ВЖЛ12Э-ВИ 0,17 9,3 8,8 1,6 0,7 5,3 4,4 3,0 0,2 9,0
© П. Д. Жеманюк, А. А. Педаш, Э. И. Цивирко, А. Ф. Педаш, 2013
ЮБЫ1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2013 75
Люминесцентным контролем было установлено, что отливки без комбинированного модифицирования имели значительные точечные свечения (рис. 1, а—в). По месту точечного свечения люминофора в металле наблюдалась усадочная микропористость, а также поверхностные дефекты (рис. 2). Технология комбинированного модифицирования позволила получить отливки практически без поверхностных дефектов (рис. 1, г-ж).
Макроструктура отливок из сплава СМ939 без модифицирования характеризовалась крупнозер-нистостью как по перу, так и в зоне бандажных полок (рис. 3, а, табл. 2), а в сплавах ЖС3ЛС-ВИ и ВЖЛ12Э-ВИ была меньшего размера (рис. 3, б, в, табл. 2). Величина макрозерна как на поверхности, так и в сечении отливок составляла 1,0 . ..8,0 мм (в сплаве СМ939), 1,0. ..5,5 мм (в сплаве ЖС3ЛС-ВИ) и 2,5...5,0 мм в отливках из сплава ВЖЛ12Э-ВИ (табл. 2).
Комбинированное модифицирование значительно измельчало макрозерно в отливках всех исследуемых сплавов (рис. 3, г-ж, табл. 2). Зерна при этом приобретали столбчатое строение.
Структура отливок из сплава СМ939 характеризовалась среднекристаллическим строением (с размерами 1,0...5,0 мм) на входной кромке пера и на бандажных полках (рис. 3, а, табл. 2). Мелкое зерно (размерами 0,3... 1,0 мм) наблюдали на выходных кромках.
Отливки из сплава ЖС3ЛС-ВИ имели однородную макроструктуру. Мелкое макрозерно
(с размерами 0,75...1,0 мм) наблюдали возле выходной кромки пера (рис. 3, б), а на бандажных полках его размеры увеличивались до 3 4 мм (табл. 2).
В отливках из сплава ВЖЛ12Э-ВИ после комбинированного модифицирования размеры макрозерна уменьшались в 2... 5 раз, по сравнению с вариантом без модифицирования, особенно в зоне пера (табл. 2). В более массивных частях отливки (на бандажных полках) влияние модифицирования было меньшим. В сечении пера наблюдали зоны столбчатых зерен, направленных к центру отливки (рис. 3, ж). В центре наблюдались равноосные зерна.
Микроструктура материала исследуемых отливок представляла собой у-твердый раствор на основе никеля (матрица сплава), упрочненный интерметаллидной у'-фазой, с присутствием карбидов, карбонитридов и была характерной для сплавов ЖС3ЛС-ВИ, СМ939 и ВЖЛ12Э-ВИ в термообработанном состоянии.
В отливках всех исследуемых сплавов на границах зерен наблюдали дисперсные карбиды типа МЄ23С (рис. 4). Следует отметить, что в отливках сопловых аппаратов с комбинированным модифицированием границы зерен были более чистыми, чем в вариантах без модифицирования (рис. 4, г, ж).
В отливках из сплава ЖС3ЛС-ВИ после комбинированного модифицирования размеры карбидов уменьшались (табл. 3), тогда как в металле без модифицирования наряду с дискретными части-
г д Ж
Рис. 1. Фрагменты исследуемых сопловых аппаратов из сплавов СМ939 (а, г, х 1:2), ЖС3ЛС-ВИ (б, д, х 1,25) и сектора лопаток соплового аппарата из сплава ВЖЛ12Э-ВИ (в, ж, х 2) при люминесцентном контроле: а, б, в — без комбинированного модифицирования; г, д, ж — с комбинированным модифицированием
Рис. 2. Микропоры в местах свечения люминофора в исследуемых отливках из сплавов без комбинированного модифицирования, х 300: а - СМ939; б - ЖС3ЛС-ВИ; в - ВЖЛ12Э-ВИ
Таблица 2 — Размеры макрозерна в исследуемых отливках из никелевых сплавов
Марка сплава Величина макрозерна, мм
Перо Бандажная полка
На поверхности В сечении Верхняя Нижняя
входная кромка выходная кромка
СМ939 2,0...8,0* 1,0...4,0 1,0...4,0 0,3...1,0 0,5...7,0 0,15...3,0 1, 3, 5. 0. , 00 0 0 2,0...7,0 0,5...5,0
ЖС3ЛС-ВИ 1,0...3,0 0,5... 1,0 0,5... 1,25 0,1 ...0,75 0,5... 1,5 0,2... 1,0 1,0... 5,5 0,5...4,0 1,0...5,0 0,5...3,0
ВЖЛ12Э-ВИ 0,5...2,5 0,25...0,5 0,1...2,5 0,5... 1,25 0,75...5,0 0,5...2,5 2.5...5.0 1.0...3.5
Примечание: *Числитель — без модифицирования, знаменатель — комбинированное модифицирование Таблица 3 — Размеры карбидов в структуре сопловых аппаратов из сплава ЖС3ЛС-ВИ
Вариант модифицирования Размер карбидов, мкм
перо бандажная полка
глобулярные пленочные глобулярные пленочные
Без модифицирования 2,0...12,0 (единичные до 20) до 50,0 2,0... 15,0 (единичные до 30) до 38,0
CoAl2O4+Zr 1,0...8,0 (единичные до 10) до 8,0 1,0... 10,0 (единичные до 18) до 15,0
Рис. 3. Макрозерно в отливках из сплавов СМ939 (а, г, х 2:3), ЖС3ЛС-ВИ (б, д, х 1,5) и ВЖЛ12Э-ВИ (в, ж, х3) в сечении: а, б, в — без комбинированного модифицирования; г, д, ж — после комбинированного модифицирования
цами карбидов наблюдались по границам зерен грубые скопления пленочных карбидов размерами до 50 мкм (рис. 4, б). В отливках с комбинированным модифицированием кроме глобулярных карбидов наблюдали пленочные карбидные выделения, располагавшиеся по границам зерен (рис. 4, б). Протяженность этих карбидов в зоне пера — 8 мкм, а в зоне бандажных полок — 15 мкм (табл. 3).
Механические свойства при комнатной температуре и время до высокотемпературного разрушения определяли на образцах из сплава СМ939. Установлено их соответствие требованиям НТД. При этом время до разрушения превышало тре-
буемые нормы более чем в 10 раз и в дальней -шем неразрушенные образцы снимались с испытательной установки.
Таким образом, проведенное промышленное опробование технологии комбинированного модифицирования позволило получить отливки без поверхностных дефектов, с мелкокристаллической макроструктурой, с улучшенным состоянием границ зерен и благоприятным состоянием карбидной составляющей. После комбинированного модифицирования время до высокотемпературного разрушения превысило требуемые нормы более чем в 10 раз.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2013
- 77 -
Рис. 4. Микроструктура в зоне бандажных полок лопаток из сплавов СМ939 (а, г), ЖС3ЛС-ВИ (б, д) и ВЖЛ12Э-ВИ (в, ж), х 500: без модифицирования (а—в) и с комбинированным модифицированием (г-ж)
д
ж
г
Список литературы
1. Radek N. Cermet ESD coatings modified by laser treatment / N. Radek, J. Konstanty // Archives of Metallurgy and Materials, Vol. 57, Issue 3, (2012), Р. 665-670.
2. Radek N. Performance properties of electro-spark deposited carbide-ceramic coatings modified by laser beam / N. Radek, K.Bartkowiak // Physics Procedia (Elsevier), N 5 (2010), Р. 417-423.
3. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Часть 2 / Лопатки турбины : монография / [ В. А. Бо-гуслаев, Ф. М. Муравченко, П. Д. Жеманюк и др.]. — 2-е изд., перераб. и доп. — г. Запорожье, изд.-во ОАО «Мотор Сич», 2007. — 496 с.
4. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия). — М. : МИСИС, 2001. — 632 с.
5. Измельчение структуры отливок ГТД модифицированием / [ Э. И. Цивирко, А. А. Педаш, Н. А. Лысенко и др.] // Вестник двигателест-роения. — 2004. — № 3. — С. 112—116.
6. Улучшение структуры и свойств никелевого жаропрочного сплава ЗМИЗУ-ВИ / [ Н. А. Лысенко, А. А. Педаш, А. Г. Коломойцев и др.] // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. — 2005. — № 2. — С. 34—39.
7. Структура и свойства сплава ЖСЗ ЛС-ВИ различных вариантов выплавки и модифицирования / [ Н. А. Лысенко, А. А. Педаш, А. Г. Коломойцев и др.] // Вестник двигателестрое-ния. - 2005. - № 3. - С. 144-149.
8. Педаш О. О. Комбіноване модифікування рафінованого жароміцного сплаву ЗМІЗУ-ВІ / О. О. Педаш, Е. І. Цивірко // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. -2008. - № 2. - С. 8-13.
9. Педаш А. А. Влияние модифицирования однородного расплава на структуру и свойства сплава ЖС3ЛС-ВИ / А. А. Педаш, Э. И. Цивирко // Вестник двигателестроения. - 2008. -№ 2. - С. 171-177.
Поступила в редакцию 08.12.2012
Жеманюк П.Д., Педаш О.О., Цивірко Е. I., Педаш О.Ф. Комбіноване модифікування при отриманні деталей турбін ГТД
Проведено дослідно-промислове випробування технологій комбінованого модифікування при виробництві виливків відповідальних деталей турбін газотурбінних двигунів з жароміцних нікелевих сплавів ЖС3ЛС-В, СМ939 и ВЖЛ12Е-В. У якості модифікаторів використовували алюмінат кобальту та чистий цирконій. Встановлено, що комбіноване модифікування дозволило отримати виливки без поверхневих дефектів, з дрібнокристалічною макроструктурою та з покращеною мікроструктурою.
Ключові слова: сопловий апарат турбіни, модифікування, алюмінат кобальту, цирконій, жароміцний сплав.
Zhemanyuk P., Pedash A.A., Tsivirko E., Pedash A.F. Combined inoculation in production of GTE turbine parts
The experimental-industrial testing of combined inoculation processes was conducted in production of critical castings of GTE turbine parts made of nickel-based superalloys XC3AC-BH, CM939 and ВXП12Э-ВH. As inoculants use was made of cobalt aluminate and pure zirconium. It was found that combined modification made it possible to obtain fine-crystalline castings with improved microstructure and free from surface defects.
Key words: turbine NGV, inoculation, cobalt aluminate, zirconium, superalloy.
