close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

63.Жаропрочные сплавы с ориентированной структурой

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Л.В. Тарасенко, М.В. Унчикова, Ю.А. Бондаренко
ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ
С ОРИЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРОЙ
(МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ,
ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ, ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ)
Методические указания к лабораторной работе
Под редакцией Л.В. Тарасенко
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 669.018.44
ББК 34.431
Т19
Рецензент В.Н. Симонов
Т19
Тарасенко Л.В., Унчикова М.В., Бондаренко Ю.А.
Жаропрочные сплавы с ориентированной структурой
(монокристаллические, эвтектические, интерметаллические):
Методические указания к лабораторной работе / Под ред.
Л.В. Тарасенко. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. –
24 с.: ил.
Приведены сведения о материалах, используемых при изготовлении
лопаток газотурбинных двигателей. Рассмотрены микроструктуры современных сплавов с ориентированной структурой: никелевых монокристаллических ЖС32 и ЖС40, эвтектического сплава типа ВКЛС, а также сплава на основе интерметаллида Ni3Al – ВКНА-1В. В лабораторной работе
студенты изучают влияние химического состава, кристаллографического
направления и термообработки на микроструктуру и свойства сплавов.
Для студентов 6-го курса специальности «Материаловедение (машиностроение)» и студентов факультета «Энергомашиностроение».
Ил. 4. Табл. 4.
УДК 669.018.44
ББК 34.431
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цель работы – изучить микроструктуру современных жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической и эвтектической структурами, интерметаллидного сплава с монокристаллической структурой, зависимость механических свойств сплавов от их
микроструктуры, химического состава и термообработки.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Повышение мощности современных газотурбинных двигателей
(ГТД) летательных аппаратов базируется на применении новых
жаропрочных материалов для деталей горячего тракта, способных
работать при температурах до 1100…1250 ºС и обладающих необходимым комплексом механических свойств.
Главными рабочими элементами турбины являются сопловые и
рабочие лопатки. Эти детали по условиям нагружения и требуемой
надежности не имеют аналогов среди машиностроительных деталей, изготовляемых по литейной технологии. Лопатки работают в
условиях воздействия статических, циклических и динамических
нагрузок в агрессивной газовой среде. К ним предъявляется комплекс требований: жаропрочность до 1000…1150 ºС, сопротивление много- и малоцикловой усталости (в том числе и термической).
Многоцикловая усталость проявляется вследствие деформаций,
возникающих при каждом обороте двигателя. Сопротивление многоцикловой усталости определяется пределом выносливости σ t−1.
Малоцикловая усталость – результат термомеханических деформаций, возникающих единожды при каждом пуске турбины
или при каждом изменении нагрузки. Разновидностью малоцикловой усталости является термическая усталость (или термоусталость). Причиной термоусталости являются неизбежные колебания тепловых деформаций, которые имеют место при пусках и
остановах двигателя. Этот процесс развивается в литых охлаждаемых лопатках. Для охлаждаемых лопаток сопротивление термоусталости, или термостойкость, является одним из основных
свойств, обеспечивающих их работоспособность.
Термостойкость – свойство материала выдерживать заданное
число теплосмен. Термостойкость определяется числом циклов,
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
которое выдерживает образец при заданном изменении температуры и напряжения.
Повышение интенсивности охлаждения в современных сопловых и рабочих лопатках ГТД приводит к увеличению в них температурных градиентов и термических напряжений.
Деформация при термоусталости l в интервале температур ∆t
пропорциональна коэффициенту линейного расширения α, модулю упругости E и обратно пропорциональна теплопроводности λ:
l ∼ ∆ α E t / λ.
Уровень термических напряжений при термоциклировании
определяется уравнением
σ = E α ∆ t /1 − µ,
где µ – коэффициент Пуассона.
Для повышения термостойкости никелевых сплавов используют анизотропию модуля упругости.
Материалом для литых лопаток ГТД являются жаропрочные
никелевые сплавы (ЖНС), получаемые при равноосной кристаллизации (РК) и направленной кристаллизации (НК). При изготовлении лопаток по традиционной технологии методом точного литья
ЖНС имеют поликристаллическую структуру. Технология литья
с направленной кристаллизацией предусматривает получение
структуры, при которой дендриты и большеугловые границы зерен
ориентированы параллельно направлению главных напряжений в
лопатке («столбчатая» структура).
Важным направлением повышения жаропрочности никелевых
сплавов с ориентированной структурой является разработка материалов, в которых благодаря технологии монокристаллизации отсутствуют большеугловые границы, а литые детали (лопатки ГТД)
можно получать с заданной кристаллографической ориентировкой
(КГО).
Другое направление повышения рабочей температуры лопаток,
а также повышения сопротивления много- и малоцикловой усталости – разработка литых эвтектических сплавов, в которых составляющие эвтектики (никелевая матрица и волокна карбидной
упрочняющей фазы) ориентированы в направлении главных напряжений в лопатке.
Так как монокристаллические сплавы (моносплавы) и эвтектики не обладают стойкостью против газовой коррозии, они применяются с защитными жаростойкими покрытиями.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Материалами, которые сочетают удовлетворительную жаропрочность до высоких температур и жаростойкость, являются
сплавы на основе интерметаллического соединения Ni3Al. Эти
сплавы могут применяться для изготовления как сопловых лопаток, так и различных деталей ГТД, работающих в условиях сгорания топлива (жаровые трубы, стабилизаторы пламени, створки
и т. п.). Сплавы на основе интерметаллидов изготовляют с различными структурами: поликристаллической равноосной; направленной (с границами зерен, ориентированными вдоль оси главных
напряжений); монокристаллической. Монокристаллические интерметаллидные сплавы имеют наиболее высокий уровень жаропрочных свойств.
Монокристаллические сплавы
с ориентированной структурой для лопаток
Монокристалл – кристаллический объект, который во всем
объеме имеет единую кристаллическую решетку. В монокристаллах отсутствуют большеугловые границы, но имеются малоугловые границы, разделяющие блоки и субзерна и состоящие из сеток
и стенок дислокаций.
Монокристаллической лопаткой называют деталь, которую
получают направленной кристаллизацией расплава из одного зародыша и которая не имеет большеугловых границ.
При изготовлении монокристаллических лопаток путем направленной кристаллизации применяют затравку определенной
кристаллографической ориентировки (кристаллографического направления). Затравку выполняют из сплава определенного состава;
никель в затравке может иметь одно из следующих направлений
кристаллической решетки: <001>, <111>, <110>. В процессе производства керамическую форму с затравкой и жидким сплавом
перемещают из горячей зоны печи в холодную. Последующий
рост зерен стимулируется в направлении температурного перепада, практически параллельно выбранной кристаллографической
ориентировке.
Чем менее легирован сплав и ýже температурный интервал
кристаллизации, тем выше устойчивость плоского фронта кристаллизации. Монокристаллическая структура растет вдоль выбранного кристаллографического направления, которое образует
минимальный угол с направлением вектора температурного градиента (не более 10o ).
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Реальные монокристаллы жаропрочных сплавов не отвечают
классическому определению монокристалла как объекта с непрерывной кристаллической решеткой, потому что, во-первых, в них
присутствуют различные дефекты структуры точечные, линейные,
малоугловые границы, а во-вторых, структура состоит из никелевого твердого раствора и мелкодисперсных выделений γ′-фазы,
содержит также эвтектические образования [γ + γ′] и незначительное количество первичных фаз (карбидов или боридов).
По химическому составу (табл. 1) никелевые монокристаллические сплавы отличаются от традиционных ЖНС с равноосной и
направленной кристаллизацией. Отсутствие большеугловых границ зерен исключает необходимость в упрочнении их карбидами
и боридами. Вследствие этого сплавы содержат меньшее количество углерода. В сплав ЖС32 введены такие элементы, как тантал
и рений. Оба элемента интенсивно упрочняют твердый раствор;
тантал, кроме того, увеличивает количество и термостабильность
γ′-фазы.
В сплаве ЖС40, специально созданном для монокристаллического литья, практически отсутствует углерод, повышено содержание молибдена (по сравнению со сплавом ЖС32) и тантала (в
отсутствие рения).
Изменением системы легирования обусловлен более простой
по сравнению с поликристаллическими ЖНС фазовый состав моносплавов, в которых имеются γ-твердый легированный раствор,
интерметаллическая легированная γ′-фаза и присутствует эвтектика [γ + γ′].
Микроструктура монокристаллической отливки, полученной в условиях дендритной кристаллизации, представляет собой
ориентированную (направленную) дендритную структуру (продольные шлифы) (рис. 1, а). В зависимости от ориентировки применяемой затравки óси первого порядка могут иметь кристаллографические направления: <001>, <111>, <110>.
Структура отливки (образца) сформирована ветвями одного дендрита, развившегося из затравки с выбранной кристаллографической
ориентировкой. Кроме того, монокристалл пронизан множеством
ветвей дендритов второго и третьего порядков. На протравленных
поперечных шлифах оси дендритов первого порядка имеют форму
«мальтийских» крестов (рис. 1, б). Видимые на микрошлифе границы дендритов не являются большеугловыми границами. Повышенная травимость этих границ обусловлена ликвационными процессами: пограничные области обеднены молибденом и вольфрамом и
обогащены алюминием и титаном.
6
4,5
6,0
–
0,40
0,001–
0,02
ЖС40
ВКЛС-20
ВКНА-1В
6,0
5,0
0,15
ЖС32
Cr
C
Сплав
–
9,0
–
9,0
Co
Al
Ti
5,4
6,0
–
–
1,0
6,2
–
Эвтектический сплав
4,1
1,1
Nb
4,0
0,2
1,6
Монокристаллические сплавы
Mo
3,6
3,6
8,6
1,7
–
Сплав на основе интерметаллида Ni3Al
12,5
6,9
8,5
W
–
1,0
–
–
V
Химический состав жаропрочных сплавов, % (мас.),
(средние значения)
–
–
–
–
Zr
–
–
–
0,02
B
0,3 Hf
–
6,0 – 7,8 Ta
4,0 Re, 4,0 Ta
Другие
Таблица 1
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При направленной кристаллизации в условиях невысокого температурного градиента в отливке на фронте роста может сформироваться структура с развитыми осями второго порядка (рис. 1, в).
Между осями дендритов расположены эвтектические колонии
(рис. 1, г).
Рис. 1. Микроструктура моносплава ЖС32:
а, б – продольные шлифы; в, г – поперечные шлифы (кристаллизация
со скоростью 4 мм/мин – а, в; со скоростью 20 мм/мин – б, г)
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Микроструктура моносплава ЖС40:
а, б, д – литое состояние; в, г – литое состояние + термообработка; а, б, в –
продольные шлифы; г, д – поперечные шлифы; a – × 200; б–д – × 50
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для количественной оценки микроструктуры моносплавов используют следующие параметры: расстояние между осями первого
порядка λ1; расстояние между осями второго порядка λ2, размер
эвтектики dэвт; размер карбидов dк. Повышение скорости кристаллизации приводит к измельчению всех структурных и фазовых
составляющих (сравните рис. 1, б и в).
Повышение жаропрочных свойств моносплавов достигается
применением термической обработки. Так, для сплава ЖС40
проводятся гомогенизация при температурах выше 1300 ºС
и двойное старение: при 1030…1050 ºС (10…24 ч) и при
870…900 ºС (30…48 ч). При гомогенизации уменьшается дендритная ликвация, что приводит к размытию границ дендритов при
микроскопическом анализе (вследствие выравнивания травимости
в осях дендритов и межосных пространствах) – рис. 2, а – д). Во
время охлаждения увеличивается объемная доля γ′-фазы.
Результатом двойного старения является равномерное и регулярное расположение частиц γ΄-фазы кубоидной формы, однородных по химическому составу, размерам (примерно 0,45 мкм) и
морфологии. Такая однородность структуры, в свою очередь,
обеспечивает в моносплавах однородность механических свойств
от отливки к отливке, что является практически недостижимым
для литейных ЖНС сплавов, полученных по другим технологиям.
Однако после термообработки в структуре сплавов увеличивается
пористость (см. рис. 2, в, д).
Преимущества в механических свойствах монокристаллических сплавов с их ориентированной структурой перед поликристаллическими сплавами с РК и НК определяются отсутствием в
моносплавах большеугловых границ. Вследствие этого повышаются циклическая прочность, длительная прочность, жаростойкость при одновременном повышении рабочей температуры лопатки до 1100 ºС (у равноосных сплавов – 1000 ºС).
Применение термообработки, уменьшающей ликвацию и неоднородность частиц γ′-фазы по размерам, морфологии, химическому составу, повышает длительную прочность монокристаллических сплавов по сравнению со сплавами с РК, особенно на
больших базах испытаний (табл. 2).
Преимуществом моносплавов является и то, что их механические свойства можно варьировать в зависимости от полученной
при литье КГО лопатки ГТД. Анизотропия механических свойств
сплава типа ЖС6 проиллюстрирована в табл. 3. В сплавах на осно10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ве гранецентрированной решетки никеля наиболее высокое значение модуля упругости соответствует кристаллографическому направлению <111> температуры как при 20 °C, так и 900 °С. Сплавы, закристаллизованные с КГО <111>, имеют наиболее высокие
пределы как кратковременной, так и длительной прочности. В то
же время более высокий модуль упругости в этом направлении
способствует возникновению высоких термических напряжений и
деформаций при термоусталости. В связи с этим сплавы с КГО
<111> могут применяться для изготовления неохлаждаемых лопаток, в которых уровень температурных напряжений сравнительно
невелик.
Таблица 2
σ tτ ,
МПа , жаропрочных материалов
Предел длительной прочности
с ориентированной структурой
Сплав
Время
испытаний, ч
ЖС6У
σtτ при температуре испытания, ºС
900
1000
1100
1200
100
350
170
–
–
ЖС32
100
495
255
125
–
моно <001>
500
380
190
–
–
ЖС40
100
440
240
140
–
<001>
500
350
190
95
–
ВКЛС-20
500
420
250
170
–
1000
300
180
120
–
100
240
160
80
30
ВКНА-1В
моно <001>
100
370
240
110
40
ВКНА-1В
моно <111>
100
300
190
100
30
ВКНА-1В НК
(поликристаллическая)
Для изготовления охлаждаемых лопаток ГТД применяют кристаллизацию с КГО <001>, так как более низкий модуль упругости
в этом направлении способствует возникновению меньших термических напряжений и высокой долговечности при термоусталости.
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ниже приведена зависимость термостойкости сплава ЖС32 от
КГО:
КГО
<111>
<001>
Число циклов Nц до образования
поверхностных дефектов
350
1000
Таблица 3
Анизотропия механических свойств сплава типа ЖС6
Свойства
Модуль нормальной
упругости Е, ГПа:
при 20 ºС
при 900 ºС
Временное сопротивление
разрыву, МПа, при 20 ºС
Предел длительной
прочности
σ 975
40 , МПа
Кристаллографическое направление
<001>
<111>
<110>
132
92
278–310
214
172–228
161
950
1175
775
275
350
265
Материалы, альтернативные жаропрочным
металлическим сплавам
Эвтектические сплавы с ориентированной структурой для
лопаток ГТД. Эвтектические жаропрочные сплавы являются естественными композиционными материалами. Они представляют
собой направленно закристаллизованную (ориентированную)
структуру, в которой матрицей является никелевый твердый раствор совместно с γ΄-фазой (конгломерат γ/γ΄), а армирующей фазой
– нитевидные кристаллы карбида типа МС.
Такой ориентированный композит формируется при направленной кристаллизации в одноосном тепловом поле в условиях
плоского фронта роста фаз. При кристаллизации эвтектики ведущей фазой является карбид. Для формирования «столбчатой»
структуры волокон карбида при выплавке соблюдается условие
плоского фронта роста фаз при определенном соотношении между
температурным градиентом на фронте роста фаз (G, ºС/м) и скоростью движения фронта кристаллизации (R, см/ч)‫׃‬
G / R ≥ ∆Tкр / D,
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где ∆Tкр – разность температур ликвидуса и солидуса, ºС; D – эф2
фективный коэффициент диффузии, м /c.
С увеличением скорости роста (скорости перемещения) фронта
кристаллизации поперечный размер нитевидных кристаллов и расстояние между ними в эвтектическом композите уменьшаются.
В отечественных сплавах типа ВКЛС используют эвтектику Ni–
NbC, в которой обе фазы имеют гранецентрированную кубическую
решетку. Волокна обеих фаз ориентированы в направлении <001>.
Сплавы легируют элементами, упрочняющими твердый раствор
(Mo, W, Co, Cr), и элементами, образующими γ΄-фазу (Al, Ti). Для
образования карбидной фазы в количестве 3…5 % сплавы легируют
0,4…0,45 % С и 4 % Nb (см. табл. 1). После кристаллизации сплав
представляет собой матрицу γ/γ΄, армированную непрерывным каркасом из нитевидных волокон карбида ниобия NbC.
Микроструктура сплава ВКЛС-20 состоит из параллельных
друг другу равномерно распределенных в объеме матрицы карбидных волокон квадратного сечения (рис. 3, а, б). Поперечный
размер волокон – примерно 1 мкм. В матрице распределены частицы γ΄-фазы.
При несоблюдении условий направленной кристаллизации (образование неплоского фронта кристаллизации) в сплавах формируется структура с дендритным строением карбидной фазы (рис. 3, в).
Эта структура имеет более низкие прочностные характеристики.
При температуре 1100 ºС 100-часовая длительная прочность эвтектики с композиционной структурой составляет 160 МПа, а с дендритной – 90 МПа.
Преимущества в жаропрочных свойствах эвтектических сплавов по сравнению с монокристаллическими обусловлены сочетанием дисперсионного упрочнения γ΄-фазой и упрочнения волокнами карбида ниобия NbC (табл. 4). Вклад волокон в упрочнение
композита возрастает в области температур 1000…1150 ºС, когда
жаропрочность литейных никелевых сплавов с равноосной, направленной и монокристаллической структурой снижается вследствие коагуляции и растворения частиц γ΄-фазы. В связи с этим
эвтектические сплавы могут применяться в условиях, когда возможны частые забросы температур выше 1050 ºС. При этих температурах эвтектические сплавы имеют преимущество по длительной прочности и пределу выносливости перед монокристаллическими сплавами на 20…40 %. Кроме того, рабочая температура эвтектических сплавов на 50…75 ºС выше, чем моносплавов.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Микроструктура эвтектического сплава ВКЛС-20:
а, в – продольные шлифы; б – поперечные шлифы (а, б – композиционная
структура; в – дендритное строение карбидной фазы); увеличение: a – × 200;
б – × 500; в – × 100
Таблица 4
Кратковременная прочность σ в , МПа, жаропрочных материалов
Температура
испытаний, ºС
ЖС6У (РК)
20
700
800
900
1000
1100
1200
14
ВКЛС-20
ВКНА-1В
1000
ЖС40
моно <001>
1175
1540
720
–
–
780
720
320
–
1210
1330
1030
780
475
<420
1350
1230
980
750
480
<350
–
–
630
500
400
210
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эвтектические сплавы имеют повышенные значения предела
выносливости, так как волокна карбидов служат эффективным
препятствием для распространения трещин усталости. При этом
предел выносливости стабилен в широком интервале температур:
1000
σ 20
−1 = 360 МПа, σ −1 = 360 МПа,
σ1100
−1 = 160 МПа.
Композиционная структура эвтектик обеспечивает их малую
чувствительность к термоциклированию. По сравнению с моносплавами долговечность при термоусталости сплава ВКЛС-20 повышена почти вдвое.
К недостаткам эвтектических сплавов относится значительная
продолжительность процесса направленной кристаллизации (более
15 ч), что значительно повышает стоимость изготовленных лопаток.
Сплавы на основе интерметаллида Ni3Al. Сплавы на основе
интерметаллических соединений являются материалами, альтернативными металлическим сплавам. В частности, сплавы на основе
Ni3Al имеют высокую термостабильность вплоть до температуры
плавления tпл = 1250 о С вследствие ковалентной связи в соединении Ni3Al и высокую жаростойкость, обусловленную
повышенным содержанием алюминия.
Детали из сплавов на основе интерметаллидов получают с помощью кристаллизации различных типов (равноосной, направленной), они могут иметь как поликристаллическую, так и монокристаллическую структуру.
Отечественные интерметаллидные сплавы типа ВКНА отличаются по химическому составу, что обусловлено различным содержанием углерода (в поликристаллических сплавах это содержание составляет 0,1…0,15 %, в монокристаллических – 0,05 %).
В сплавы добавляют титан, а также вольфрам, молибден, хром и
кобальт, которые легируют основу сплава – интерметаллическую
γ΄-фазу (см. табл. 1).
Микроструктура монокристаллического сплава ВКНА-1В
(с КГО <100>) имеет дендритный характер с фазовым составом
(γ + γ΄), в междендритном пространстве расположены частицы
γ΄-фазы округлой формы (рис. 4, а – г). Повышение скорости
охлаждения приводит к измельчению всех структурных и фазовых
составляющих, к более регулярному распределению частиц
γ΄-фазы по границам ячеек. Такое изменение структуры сопровождается повышением пластичности сплава.
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Микроструктура моносплава ВКНА-1В, КГО <001>:
a – продольный шлиф ( × 50); б – то же ( × 200); в – поперечный шлиф ( × 50);
г – то же ( × 200); д – КГО <111> ( × 50)
При КГО <111> структура сплава ВКНА-1В имеет дендритный
характер; при этом оси второго порядка в поперечном сечении образуют ромб с углами 30…120º (см. рис. 4, д). На границах ячеек
цепочкой расположены частицы первичной γ΄-фазы. Сердцевиной
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
первичных частиц γ΄-фазы являются частицы карбидов типа металлов МС. При повышении скорости кристаллизации эффект изменения структуры и свойств сплава подобен тому, что и в поликристаллических сплавах.
Жаропрочность сплава ВКНА-1В при температурах 900…
1200 ºС зависит от способа литья и обусловленных им макро- и
микроструктур. Жаропрочность повышается в ряду сплавов: равноосный (РК), поликристаллический с ориентированной структурой (НК), монокристаллический с кристаллографической ориентировкой <001>, то же с ориентировкой <111>. Интерметаллидный
монокристаллический сплав (КГО <111>) сравним по свойствам
со сплавами типа ЖНС с НК. Преимущество сплава ВКНА-1В в
этом случае состоит в существенном повышении удельной проч3
ности, так как плотность сплава составляет 7,9 г/см по сравнению
3
с 8,5…8,8 г/см для сплавов типа ЖНС.
Более высокая жаростойкость и термостабильность структуры
сплавов типа ВКНА обеспечивает работоспособность деталей из
этих сплавов при температуре до 1250 ºС.
Сплав ВКНА-1В применяют для изготовления сопловых лопаток, элементов жаровых труб, реактивного сопла и других деталей
ГТД, работающих без жаростойких защитных покрытий в интервале температур 900…1250 ºС с кратковременными забросами
температуры до 1300 ºС.
ЗАДАНИЕ
1. Исследовать микроструктуру литых никелевых моносплавов
ЖС32 и ЖС40 с КГО <001>.
2. Изучить влияние термообработки на микроструктуру сплава
ЖС40.
3. Изучить влияние химического состава на прочностные свойства моносплавов ЖС32 и ЖС40 с различной КГО (<001> и <111>).
4. Исследовать микроструктуру эвтектического сплава ВКЛС-20
с композиционной структурой.
5. Исследовать микроструктуру интерметаллидного сплава
ВКНА-1В на основе соединения Ni3Al с монокристаллической
структурой и различной КГО (<001> и <111>).
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Изучить температурную зависимость изменения пределов
кратковременной и длительной прочности всех рассматриваемых
сплавов.
Для выполнения работы предоставляются следующие приборы
и материалы: коллекция продольных и поперечных шлифов отливок сплавов ЖС32, ЖС40, ВКЛС-20 ВКНА-1В; металлографический микроскоп; таблицы механических и физических свойств
сплавов, фотографии их микроструктур.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Зарисовать микроструктуру продольных и поперечных образцов моносплавов ЖС32 и ЖС40 (табл. П1), указать структурные и фазовые составляющие. Измерить с помощью окулярмикрометра междендритные расстояния первого и второго порядков на образцах сплава ЖС32, закристаллизованных с различной
скоростью. Сделать заключение.
2. Зарисовать микроструктуру моносплава ЖС40 после термообработки. Сделать заключение об изменении микроструктуры по
сравнению с исходной.
3. Рассчитать уровень термических напряжений при термоусталости сплава ЖС32 (в интервале температур 200…1000 ºС) для
различных кристаллографических направлений с использованием
данных по теплопроводности, коэффициенту линейного расширения (табл. П2) и модулю упругости (см. табл. 3). Сравнить значения указанных характеристик для различных кристаллографических направлений и выбрать оптимальную КГО отливки для
охлаждаемых и неохлаждаемых лопаток.
4. Построить графики зависимости кратковременной прочности моносплавов ЖС32 и ЖС40 от кристаллографического направления и температуры испытания. Сравнить графики и сделать
заключение о применимости моносплавов для лопаток ГТД различной конструкции.
5. Зарисовать микроструктуру эвтектического сплава ВКЛС-20
на продольных и поперечных шлифах в различных зонах направленно закристаллизованного образца, указать фазовые составляющие. Сделать заключение о характере микроструктуры.
6. Зарисовать микроструктуры интерметаллического сплава
ВКНА-1В с монокристаллической структурой и различной КГО
(<001> и <111>). Измерить размеры дендритных ячеек сплава.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Сделать заключение о монокристаллической структуре образцов с
различной КГО, ее фазовых составляющих.
7. Построить график температурной зависимости пределов кратковременной и длительной прочности литейных сплавов с ориентированной структурой: ЖС32 моно <001>, ЖС40 моно <001>,
ВКЛС-20, ВКНА-1В монокристаллического с КГО <001> и <111>
по сравнению со сплавом ЖС6У (РК). Сделать заключение о преимуществах по жаропрочности того или иного сплава и о применимости сплавов для деталей горячего тракта ГТД.
8. Построить диаграмму сравнения жаропрочных свойств изученных сплавов. Сделать заключение.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П1
Микрошлифы для исследования
Номер
*
шлифа
Сплав
<100>
Центральная
часть
1д
ЖС32
Моно
<001>
ВКЛС-20
Верхняя часть
1п
ЖС40
литой
Моно
<001>
После
термообработки
2 д
2п
5д
5п
3д
3п
ЖС40
литой
Номер
*
шлифа
Сплав
Моно <111>
6п
ВКНА-1В
4д
6 д
Моно <001>
4п
7 д
7п
*
д – долевой, п – поперечный.
Таблица П2
Физические свойства никелевых сплавов
Коэффициент теплового
линейного расширения α ·106, К–1
Теплопроводность λ,
Вт/(м · К)
при температуре
20
20 – 100 °C
20 – 1000 °С
20 °С
1000
12
16
8
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Оглавление
Основные теоретические сведения.............................................................
Монокристаллические сплавы с ориентированной структурой
для лопаток ............................................................................................
Материалы, альтернативные жаропрочным металлическим
сплавам ..................................................................................................
Задание ..........................................................................................................
Порядок выполнения работы ......................................................................
Приложение ..................................................................................................
3
5
12
17
18
20
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Методическое издание
Людмила Васильевна Тарасенко
Марина Васильевна Унчикова
Юрий Александрович Бондаренко
Жаропрочные сплавы с ориентированной структурой
Редактор Е.К. Кошелева
Корректор Р.В. Царева
Компьютерная верстка О.В. Беляевой
Подписано в печать 15.04.2006. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,3. Тираж 100 экз. Изд. № 33.
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для заметок
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для заметок
23
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа