Получение мелкозернистой структуры крупногабаритных лопаток из жаропрочного никелевого сплава IN792

Язык труда и переводы:
УДК:
669
Дата публикации:
27 мая 2022, 12:42
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Пиксаев Василий Михайлович
НПА «Технопарк АТ»
Аннотация:
Приведены методы получения мелкозернистой структуры крупногабаритных лопаток (до 900 мм) из жаропрочного никелевого сплава IN792. Проведено исследование влияния модификатора на макроструктуру. Установлена зависимость технологических параметров литья на макроструктуру. Разработана методика формирования оптимальной мелкозернистой структуры литой заготовки лопатки из жаропрочного никелевого сплава IN792.
Ключевые слова:
структура, зерно, модификатор, лопатка, газовая турбина
Основной текст труда

Введение

На данный момент в РФ не производят газовые турбины большой мощности. В 2018 году Правительством РФ в целях обеспечения энергобезопасности и энергонезависимости принято решение о воссоздании в стране отечественного производства газовых турбин. 

Современные газовые турбины состоят как минимум на 36 % из деталей и узлов на основе никелевого жаропрочного сплава. При этом основная составляющая жаропрочных сплавов приходится на литые лопатки турбины, связано это с зависимостью работоспособности и ресурсом турбины в целом [1].

Структура жаропрочных сплавов, наряду с химическим составом, является одним из основных факторов, определяющих их физико-механические свойства. Поэтому получение оптимальной структуры является важным условием получения требуемых свойств и обеспечения повышенной работоспособности литых заготовок лопаток [2].

Для изготовления крупногабаритных рабочих лопаток четвертой ступени используется жаропрочный никелевый сплав IN792 (G-NiCr12Co8TiAlWMo).

Сплав IN792 разработан для равноосного литья и обладает, из всех известных зарубежных жаропрочных никелевых сплавов этой серии наиболее благоприятным сочетанием комплекса механических и эксплуатационных свойств [3]. IN792 широко используют для изготовления лопаток, работающих при температуре до 950 °С. 

Основные физико-механические свойства напрямую зависят от структуры и фазового состава сплава лопаток.

Основным требованием, предъявляемым к литым лопаткам газовых турбин являются — повышенные усталостные характеристики, добиться которых можно за счет получения однородной мелкозернистой структуры.

Оптимальными условиями для получения мелкозернистой структуры является максимальное число центров кристаллизации и малая скорость роста кристаллов [4]. Мелкозернистую макроструктуру литейных жаропрочных сплавов можно получить путем увеличения скорости охлаждения отливки. Но этот путь для литья лопаток неприемлем в связи с тем, что сложная конструкция отливок приводит к появлению в них высоких термических напряжений, являющихся причиной возникновения кристаллизационных трещин.

Целью работы является установление зависимостей получения мелкозернистой структуры от технологических параметров, влияющих на структуру.

Цель достигается путем решения следующих задач:

  1. Исследование влияния применения модификатора на макроструктуру.
  2. Установление зависимости технологических параметров литья на макроструктуру.

Методика проведения исследования

Плавка и заливка жаропрочного сплава на никелевой основе IN792 (G-NiCr12Co8TiAlWMo) проводилась в вакуумной плавильно-заливочной установке ALD-150 (ПЗУ) с металлоемкостью до 150 кг.
Опытные заливки проводились в контейнере (опока) с засыпкой электрокорунда. Фотография и эскиз контейнера с формой приведены на рисунке 1. Прогрев формы производился в электрической камерной печи сопротивления с выкатным подом. 
 
 
Рисунок 1. Эскиз и фотография контейнера на выкатном поде камерной печи
      
Контроль температуры прогрева керамического блока в опоке с засыпкой осуществлялся с помощью двух термопар, расположенных в верхней и нижней частях формы.
Технологические параметры опытных заливок заготовок лопаток указаны в таблице 1.
Таблица 1. Технологические параметры заливок
 
После получения опытных литых лопаток проводились исследованиям макроструктуры. Для оценки качества литые заготовки рабочей лопатки четвертой ступени разделены на пять зон согласно рисунку 2.
 
 
Рисунок 2. Зоны отливки рабочей лопатки 4 ступени                         

Влияние применения поверхностного модифицирования на формирование макроструктуры

Одним из способов измельчением зерна на поверхности литых заготовок из жаропрочных сплавов на никелевой основе является применение поверхностного модифицирования алюминатом кобальта (марка АК-3 ТУ 1-595-1-495-02). Модификатор наносится на поверхность восковой модели путем окунания блока в бак с модификатором в составе суспензии [5]. Модификатор предназначен для получения регламентированной мелкозернистой макроструктуры отливок из жаропрочных сплавов за счет поверхностного модифицирования при кристаллизации в керамической оболочковой форме. На поверхности оболочковой формы создаются дополнительные центры кристаллизации, роль которых выполняют частицы алюмината кобальта.
Содержание модификатора составляет не более 12–15 % от массы связующего в баке [5]. После нанесения слоя суспензии с алюминатом кобальта происходит сушка на воздухе с обдувом, не менее 60 минут. 
Испытания проводились путем опытных заливок рабочих лопаток 4 ступени при температуре расплава 1520 °С и температуре керамической формы 300 °С с применением и без применения модификатора.
После испытаний проводилось сравнительное исследование макроструктуры. Результаты исследования макроструктуры литых заготовок лопаток 4 ступени показали: 
  1. Без применения модификатора, структура не однородная (разнозернистая) как в разных зонах литой заготовки лопатки (зона пера лопатки и зона хвостовика), так и внутри каждой зоны. Размер зерна составил 18–30,8 мм, средний размер зерна составил 24,4 мм. (рисунок 3, а). 
  2. С применением модификатора, структура более однородная между зонами и внутри каждой зоны литой заготовки лопатки. Размер зерна составим 10–14,2 мм, средний размер зерна составил 12,1 мм (рисунок 3, б). 
      Полученные результаты приведены на рисунке 3 (показан переход зон 2–3).
 
                   
                          а                                                                           б
Рисунок 3. Результаты исследования макроструктуры литых заготовок лопаток 4 ступени:
а — макроструктура без применения модификатора; б — макроструктура с применением модификатора
 
Также было установлено, в зоне 1 зерна имеют вытянутую форму от выходной кромки к оси лопатки. В дальнейшем была достигнута равноосная структура в зоне 1 путем дополнительного местного утепления.
Исходя из полученных результатов можно сделать вывод о том, что применение поверхностного модифицирования, положительно влияет на макроструктуру за счет устранения не однородной структуры, а также уменьшения среднего размера зерна с 24,4 мм до 12,1 мм.

Установление зависимости влияния технологических параметров на макроструктуру сплава

Для достижения наиболее оптимальных значений макроструктуры крупногабаритных рабочих лопаток из жаропрочного никелевого сплава IN792 необходимо выявить зависимость технологических параметров изготовления литых рабочих лопаток и размера зерна. Основным параметром, влияющим на формирование размера зерна, является — степень переохлаждения. Изменение степени переохлаждения возможно за счет изменения температуры керамической формы перед заливкой и температуры заливки сплава [6].
    Для установления зависимости температуры керамической формы на макроструктуру были выбраны следующие температуры керамических форм: 300 °С, 500 °С, 1000 °С, 1100 °С, температура заливки сплава принята исходя из общепринятой температуры на производстве 1520±5 °С. Температуры керамической формы ниже 300°С не учитывались, поскольку если сплав очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело.
Параметры заливки и температуры формы приведены в таблице 2. 
 
Таблица 2. Параметры заливки 
 
Фотофиксация результатов эксперимента в соответствии с вышеуказанными параметрами заливки приведена на рисунках 4–7.
Средний размер зерна составил 12.2мм.
Рисунок 4. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 300 °С, степень переохлаждения —1220 °С)
 
 
Средний размер зерна составил 11,4 мм.
Рисунок 5. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 500 °С, степень переохлаждения —1020 °С)
 
 
Средний размер зерна составил 10,5 мм.
Рисунок 6. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 1000 °С, степень переохлаждения — 520 °С)
 
 
 
Средний размер зерна составил 12,1 мм.
Рисунок 7. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 1100 °С, степень переохлаждения — 420°С)
 
Исходя из полученных результатов можно сделать вывод об изменении размера зерна в зависимости от изменения температуры керамической формы в засыпке. С увеличением температуры керамической формы размер зерна уменьшается, однако при повышении температуры формы выше 1000 °С зерно возрастает. Это связано с тем, что при данной температуре формы степень переохлаждения уменьшается, число зародышей уменьшается, а скорость кристаллизации при этом увеличивается. Наименьший размеры зерен получаются при температуре формы — 1000℃. 
Для дальнейшего изменения технологических параметров необходимо пересмотреть температуру заливки сплава в соответствии с расчетной. При заливке металла в литейную форму происходит его охлаждение. Для обеспечения заполнения металлом всех полостей формы, его необходимо нагреть выше температуры ликвидус. Сплав IN792 имеет температуру ликвидуса — 1315 °С и солидуса — 1240 °С. Расчетная формула представлена ниже:
tзал = tл + Δt,
где tл — температура ликвидус; 
Δt — перегрев металла над температурой ликвидус.
Величина перегрева зависит от конфигурации отливки, толщины стенки, типа формы, количества отливок в форме и других технологических параметров. Обычно для хорошего заполнения формы перегрев металла Δt составляет 50–100 °С.
Согласно зависимости Таммана [7] для увеличения центров кристаллизации было принято уменьшить температуру заливки до 1420°С, при этом для обеспечения заполнения формы и точного повторения предыдущего опыта, температура нагрева керамической формы оставили без изменений —  300 °С, 500 °С, 1000 °С, 1100 °С. Параметры заливки приведены в таблице 3. 
 
Таблица 3. Итоговые параметры заливки 
 
После снижения температуры заливки сплава была получена структура со следующими размерами зерен, результаты которой представлены на рисунках 8–11.
 
Средний размер зерна составил 8,1 мм
Рисунок 8. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 300 °С, степень переохлаждения = 1120 °С)
 
Средний размер зерна составил 7,4 мм
Рисунок 9. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 500 °С, степень переохлаждения = 920 °С)
 
 
Средний размер зерна составил 6,1 мм
Рисунок 10. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 1000 °С, степень переохлаждения = 420 °С)
 
 
Средний размер зерна составил 7,7 мм
Рисунок 11. Результаты эксперимента макроструктуры (при температуре формы 1100 °С, степень переохлаждения = 320 °С
 
По результатам проведенных опытных заливок с изменением температуры заливки сплава можно сделать вывод, что наименьший размер зерна получается при температуре формы 1000 °С, зависимости изменения технологических параметров и размера зерна представлены на рисунке 12.
 
Рисунок 12. График зависимости среднего размера зерна от температуры формы
 
В результате проделанной работы была разработана методика формирования оптимальной мелкозернистой структуры литой заготовки лопатки из жаропрочного никелевого сплава IN 792. Установлено, применение поверхностного модифицирования алюминатом кобальта (марка АК-3 ТУ 1-595-1-495-02) позволяет получать более однородную структуру и с меньшим размером зерна.
Установлена зависимость размера зерна от степени переохлаждения при разных температурах заливки расплава: 
  • при температуре 1520 °С минимальный средний размер зерна, равный 10,5 мм получен при степени переохлаждения 520 °С (температура формы 1000 °С), при дальнейшем понижении степени переохлаждения наблюдается рост размера зерен;
  • при температуре 1420 °С минимальный средний размер зерна, равный 7,4 мм получен при степени переохлаждения 420 °С (температура формы 1000 °С), при дальнейшем понижении степени переохлаждения наблюдается рост размера зерен.

Результаты, представленные в работе, применимы при изготовлении литых заготовок лопаток из жаропрочного сплава на никелевой основе.

 

Литература
  1. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. Нью-Йорк, Лондон, Сидней, Торонто, 1972. Москва, Металлургия, 1976, 568 с.
  2. Гецов Л.Б Материалы и прочность деталей газовых турбин. Москва, Недра, 1996, 591 с.
  3. Geddes B., Leon H. Superalloys. Alloying and Performance. USA, ASM International, 2010, 184 p.
  4. Лахтин Ю.М. Материаловедение. Москва, Машиностроение, 1980, 493 c.
  5. Каблов Е.Н., ред. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия. Москва, Наука, 2006, 632 с.
  6. Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение. Москва, Издательский центр Академия, 2008, 400 с.
  7. Лейкин А.Е. Материаловедение. Москва, Высшая школа, 1971, 416 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.