Исследование влияния условий направленной кристаллизации на структуру литых лопаток из жаропрочных никелевых сплавов

Характеристики газотурбинных двигателей зависят от структурного состояния материала лопаток турбины и во многом определяются технологией их изготовления. Поскольку к отливкам турбинных лопаток с монокристаллической структурой из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) предъявляют повышенные требования по макро- и микроструктуре, выявление специфических дефектов литья — важная задача для повышения качества отливок лопаток. В работе представлены результаты исследования влияния параметров направленной кристаллизации на морфологию дендритной структуры ЖНС и их склонность к образованию литейных дефектов монокристаллической структуры. Анализировали структуру сплавов в монокристаллических отливках лопаток, влияние технологических параметров на дисперсность структурных составляющих ЖНС при литье турбинных лопаток с осевой ориентацией <001> на установках с жидкометаллическим охлаждением. Установлено, что параметры дендритной ячейки отливки меняются по высоте от 220 до 330 мкм, объемная доля микропор — от 0,02 до 0,2 %. Методом электронно-зондового микроанализа выявлено, что фазовый и локальный элементный составы сплава в зонах пера лопатки и изолированных зернах идентичны. Появление изолированных зерен, нарушающих монокристаллическую структуру отливок, наблюдается при снижении скорости охлаждения ЖНС. Для повышения температурного градиента и снижения вероятности формирования перед фронтом кристаллизации посторонних кристаллов в отливках предложены оптимизированные температурно-скоростные режимы литья и направленной кристаллизации. Полученные результаты могут быть использованы при разработке температурно-скоростных параметров процесса направленной кристаллизации лопаток перспективных турбин из новых жаропрочных сплавов.

1. Каблов Е. Н., Герасимов В. В., Висик Е. М., Демонис И. М. Роль направленной кристаллизации в ресурсосберегающей технологии производства деталей ГТД / Труды ВИАМ. 2013. № 3. Ст. 01.

2. Miller J. D., Chaput K. J., Lee D. S., Uchic M. D. Application and Validation of Directional Solidification Model Dendritic Morphology Criterion For Complex Single Crystal Castings. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2016. P. 229 – 236.

3. Литые лопатки газотурбинных двигателей. Сплавы, технологии, покрытия / Под ред. Каблова Е. Н. — М.: Наука, 2006. — 632 с.

4. Флемингс М. Процессы затвердевания. — М.: Мир, 1977. — 423 с.

5. Kurz W., Fisher D. Fundamentals of Solidification. — Trans. Tech. Publications. Switzerland, 1998.

6. Петрушин Н. В., Висик Е. М., Елютин Е. С. Усовершенствование состава и структуры литейного жаропрочного никелевого сплава с малой плотностью. Ч. 2 / Труды ВИАМ. 2021. № 3(97). Ст. 01. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-4-3-15

7. Brundidge C. L., Pollock T. M. Processing to Fatigue Properties: Benefits of High Gradient Casting for Single Crystal Airfoils. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2012. P. 379 – 383.

8. Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» / Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1. С. 3 – 33. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33

9. Герасимов В. В., Висик Е. М., Колядов Е. В. О неиспользованных резервах направленной кристаллизации в повышении эксплуатационных характеристик деталей ГТД и ГТУ / Литейное производство. 2013. № 9. С. 30 – 32.

10. Курц В., Зам П. Направленная кристаллизация эвтектических сплавов. — М.: Металлургия, 1980. — 272 с.

11. Каблов Е. Н., Герасимов В. В., Висик Е. М. Крупногабаритные лопатки ГТУ с направленной и монокристаллической структурой / Авиационные материалы и технологии. 2003. № 1. С. 45 – 53.

12. Колядов Е. В., Межин Ю. А. Автоматизация технологического процесса получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов на установках типа УВНК / Труды ВИАМ. 2016. № 4 Ст. 04. DOI:10.18577/2307-6046-2016-0-4-4-4

13. Герасимов В. В. От монокристаллических неохлаждаемых лопаток к лопаткам турбин с проникающим (транспирационным) охлаждением, изготовленным по аддитивным технологиям (обзор по технологии литья монокристаллических лопаток ГТД) / Труды ВИАМ. 2016. № 10. Ст. 01. DOI:10.18577/2307-6046-2016-0-10-1-1

14. Franke M., Hibinger M., Heckl A., Singer R. Effect of Thermophysical Properties and Processing Conditions on Primary Dendrite Arm Spacing of Nickel-Base Superalloys – Numerical Approach / Advanced Materials Research. 2011. Vol. 278. P. 156 – 161. DOI:10.4028/www.scentific.net/AMR.278

15. Elliot A. J., Karney G. B., Pollock T. M., Gigliotti M. F. X. Issue in Processing by the Liquid-Sn Assisted Directional Solidification Technique. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2004. P. 421 – 445.

16. Каблов Е. Н., Оспенникова О. Г., Петрушин Н. В., Висик Е. М. Монокристаллический жаропрочный никелевый сплав нового поколения с низкой плотностью / Авиационные материалы и технологии. 2015. № 2(35). С. 14 – 25. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-2-14-25

17. McLean M. Directionally Solidified Materials for High Temperature Service. — London: Metals Society, 1983.

18. Светлов И. Л., Кулешова Е. А., Монастырский В. П. и др. Влияние направленной кристаллизации на фазовый состав и дисперсность дендритной структуры никелевых сплавов / Известия АН СССР. Металлы, 1990. № 1. С. 86 – 93.

19. Колядов Е. В., Рассохина Л. И., Висик Е. М., Герасимов В. В., Филонова Е. В. Исследование монокристаллических рабочих турбинных лопаток из сплава ЖС32 с перспективной системой охлаждения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 10. С. 35 – 40.

20. Pollock T. M., Murphy W. H. Grain Defect Formation Directional Solidification Nickel Base Single Crystals. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 1992. P. 123 – 134.

21. Колядов Е. В., Герасимов В. В. Влияние приведенного размера отливки на осевой градиент температуры и макроструктуру отливок при направленной кристаллизации на установке УВНК-15 / Авиационные материалы и технологии. 2014. № 3. С. 3 – 9. DOI:10.18577/2071-9140-2014-0-3-3-9

22. Чабина Е. Б., Алексеев А. А., Филонова Е. В., Лукина Е. А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов / Всерос. конф. по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат-2013»: сб. докл. — М., 2013. С. 32 – 37.

23. Кузьмина Н. А., Петрушин Н. В., Висик Е. М., Еремин Н. Н., Наприенко С. А. Применение метода Лауэ для исследования структуры образца никелевого жаропрочного сплава, разрушенного в процессе механической обработки / Труды ВИАМ. 2020. № 10. Ст. 01. DOI:10.18577/2307-6046-2020-0-10-3-12