Анализ       Справочники       Сценарии       Рефераты       Курсовые работы       Авторефераты       Программы       Методички       Документы     опубликовать

Ющенко Костянтин Андрійович




Скачать 323.39 Kb.
НазваниеЮщенко Костянтин Андрійович
Дата04.12.2012
Размер323.39 Kb.
ТипАвтореферат


Д

исертацією є рукопис.


Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України


Науковий керівник: академік НАН України, доктор технічних наук, професор Ющенко Костянтин Андрійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, заступник директора


Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Мільман Юлій Вікторович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, завідувач відділу


доктор технічних наук, старший науковий співробітник ^ Бондарєв Анатолій Андрійович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник


Захист відбудеться «22» грудня 2011 р. о 10 00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: Україна, 03680, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.


З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона за адресою: Україна, 03680, м. Київ-150, вул. Боженка, 11.


Автореферат розісланий «^ 21» листопада 2011 р.


Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

докт. техн. наук Киреєв Л.С.

загальна характеристика роботи


^ Актуальність теми. Підвищення ефективності експлуатації газотурбінних двигунів (ГТД) різного призначення досягається за рахунок постійного зростання температури робочого тіла – газів на вході в турбіну, що викликає необхідність застосування нових матеріалів підвищеної жароміцності. До таких матеріалів відносять структурно-орієнтовані і монокристалічні жароміцні сплави на нікелевій основі.

Висока ефективність використання монокристалічних робочих лопаток досягається за рахунок виключення зі структури границь зерен, використання анізотропії властивостей монокристалічного матеріалу, вдосконалення системи легування та збільшення вмісту зміцнюючої γ΄-фази. Враховуючи перспективність і постійно зростаючий об’єм використання лопаток з направленою та монокристалічною структурою, а також їх високу коштовність виникло завдання ремонту експлуатаційних ушкоджень та дефектів лиття зі застосуванням зварювання. Окремою проблемою також постає використання процесів зварювання при виготовлені великогабаритних монокристалічних лопаток для стаціонарних газотурбінних установок нового покоління.

На сьогодні, не дивлячись на існування та використання різних засобів та прийомів зварювання жароміцних нікелевих сплавів, не існує гарантії забезпечення необхідної міцності, надійності, довговічності та відсутності дефектів в з’єднаннях. Слід також відзначити, що промислових технологій зварювання структурно- орієнтованих та монокристалічних нікелевих сплавів взагалі не існує. Окремі публікації відзначають значні труднощі в отриманні якісного монокристалічного зварного з’єднання, характерними дефектами якого є тріщини в металі шва. Технологічні рекомендації з формування монокристалічного з’єднання відсутні.

Вказане свідчить про актуальність вибраної теми роботи.

^ Мета і задачі дослідження. Мета роботи – дослідження особливостей та створення наукових і технологічних положень зварювання монокристалічних жароміцних високонікелевих сплавів.

Для досягнення цієї мети були поставлені наступні завдання:

  1. Аналіз монокристалічної структури і властивостей сплавів типу ЖС26 та ЖС32. Дослідження особливостей формування металу шва при зварюванні плавленням заготовок, отриманих за технологією вирощування монокристалічних лопаток.

  2. Вивчення впливу кристалографічної орієнтації з’єднуваного металу, режимів і умов зварювання на утворення структурної, кристалографічної неоднорідності та тріщиностійкість швів і зони термічного впливу.

  3. Розробка методів керування структурою металу шва і технологічних засобів їх реалізації.

  4. Розробка принципової технології зварювання зі збереженням монокристалічної структури та забезпеченням необхідного рівня механічних властивостей з’єднань.


^ Об’єкт дослідження – технологічний процес електронно-променевого зварювання. Ливарні конструкційні сплави:

- сплав ЖС26 з орієнтованою структурою;

- сплав ЖС32 з монокристалічною структурою.

^ Предмет дослідження – основні закономірності формування структури зварного з’єднання і вплив технологічного процесу на зварюваність монокристалів жароміцних нікелевих сплавів.

^ Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань дисертаційної роботи були використанні наступні методи:

- випробування на зварюваність з використанням кільцевої проби; визначення схильності до утворення зерен випадкової орієнтації в залежності від кристалографічної будови зварного з’єднання та геометрії і орієнтації ванни;

- рентгенівська дифрактометрія та оптична мікроскопія для дослідження особливостей структури, визначення кристалографічної орієнтації складових зварних з’єднань, кутів дезорієнтації субобластей та їх кількості;

- механічні випробування на короткочасну і тривалу міцність (при температурах експлуатації).

^ Наукова новизна отриманих результатів визначена в наступних положеннях:

  1. Запропоновані базові критерії оцінки якості зварних з’єднань монокристалів жароміцних нікелевих сплавів типу ЖС26 та ЖС32 з вмістом ΄-фази більше 60 %, до яких відноситься:

  • орієнтаційна однорідність шва та зони термічного впливу з основним металом при максимальному кристалографічному відхиленні ∆α не більше 5º;

  • відсутність зерен випадкової орієнтації;

  • відсутність тріщин і дефектів формування шва;

  • збереження розмірного співвідношення параметрів граток γ- та γ΄-фаз;

  • рівень механічних властивостей зварних з’єднань, який можна порівняти з основним металом (не нижче 0,85σом).

  1. Встановлено умови отримання монокристалічного металу шва, що має однотипну орієнтаційну кристалографічну спрямованість з основним матеріалом в допустимих межах за рахунок:

  • орієнтаційного співпадіння просторового положення поверхні сплавлення зварного шва відносно кристалографічної площини (001) з допуском до 4º;

  • обмеження відхилення напряму температурного градієнту від кристалографічної орієнтації <100> по фронту кристалізації металу зварювальної ванни з кутом відхилення не більше 15°.

Визначено найбільш сприятливі кристалографічні умови з’єднання: 1) площина кромок стику {001}, напрямок зварювання <110>; 2) площина {001} і напрямок <100>.

  1. Експериментально виявлено, що ознакою критичного неспівпадіння базової орієнтації основного металу і металу шва є утворення в структурі шва зерен випадкової орієнтації. Показано, що кількість та розмір зерен залежить від умов росту кристалів в металі шва, кристалографічного напрямку зварювання та розташування площини кромок стику, які визначаються величиною кута відхилення від допустимого рівня.

  2. Сформульовано уявлення про особливості деградації структури монокристалу при зварюванні. Показано, що невиконання умов формування монокристалічного металу шва призводить до локального підвищення щільності дислокацій (з 107–108 до 1010 см-2), ротаційної деформації ділянок кристалів і їх фрагментації з утворенням макро- та мікротріщин.

^ Практичне значення отриманих результатів. Результати проведених досліджень і розробок забезпечили створення принципової технології зварювання плавленням для укрупнення орієнтованих монокристалів жароміцних високонікелевих сплавів типу ЖС26 і ЖС32, а також ремонтної технології наплавлення монокристалічних робочих лопаток матеріалом, ідентичним за хімічним складом основному металу. Отримано якісні монокристалічні зварні з’єднання жароміцних сплавів з вмістом γ΄-фази більше 60 %. Проведена апробація результатів досліджень при ремонті типових робочих лопаток.

^ Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі основні наукові положення і результати роботи та висновки отримані здобувачем самостійно. При проведенні досліджень, результати яких викладені у співавторстві, автору належить: в роботі [1] – проведення експериментальних робіт з визначенням схильності до тріщиноутворення жароміцного сплаву ЖС26 в залежності від технологічних параметрів зварювання; [2] – аналіз факторів, що визначають умови формування монокристалічної структури при литті, і особливості їх реалізації при зварюванні; [3] – розробка схеми і відпрацювання технологічних параметрів електронно-променевої наплавки жароміцних сплавів ЖС26 та ЖС32. Дослідження особливостей формування структури наплавок, аналіз результатів; [4–7] – проведення експериментальних робіт зі зварювання та досліджень з впливу кристалографічної орієнтації зварного з’єднання на якість формування монокристалічної структури, обробка статистичних даних.

^ Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародній конференції «Зварювання та спорідненні технології у третьому тисячолітті» (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, 24–26 листопада 2008 р.), IV Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих науковців та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології» (Київ, ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, 2007 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих студентів аспірантів і молодих науковців «Зварювання та споріднені процеси і технології» (Миколаїв, 3–7 вересня 2008 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 7 робіт: 4 статті в профільних наукових журналах, 1 стаття у збірнику наукових праць Міжнародної конференції та 2 тези доповідей.

^ Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків загальним обсягом 181 стор., 13 таблиць, 96 рисунків, 198 найменуваннь літературних джерел.


^ Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність наукової проблеми. Визначено об’єкт і предмет досліджень, сформульована мета досліджень. Показано наукову новизну і практичну цінність результатів роботи.

^ Перший розділ присвячений аналізу досліджень та розробок, виконаних різними авторами, що стосуються особливостей вирощування та зварювання жароміцних нікелевих сплавів з монокристалічною структурою.

Показано, що монокристали з жароміцних нікелевих сплавів виробляються у промисловому масштабі і використовуються як основний конструкційний матеріал в найбільш навантажених деталях авіаційного ГТД, а саме робочих лопатках високого тиску. Проаналізовано експлуатаційні та конструкційні особливості монокристалічних лопаток, хімічний склад сплавів та показано, що високі робочі характеристики досягаються завдяки:

- виключенню зі структури границь зерен;

- використанню покращених механічних властивостей за рахунок анізотропії монокристалу;

- особливостям системи легування, що спрямовані на збільшення кількості та підвищення термічної стабільності γ΄-фази.

Аналіз критеріїв оцінки якості ступеня структурної досконалості ростової монокристалічної структури лопаток підтвердив, що експлуатаційну надійність гарантують:

  • граничні кути відхилення орієнтації кристалографічної структури від геометричних осей лопатки (αакс[001], αазим[001] ≤ 10–15°);

  • граничні кути відхилення структурних складових (∆α ≤ 5°).

Проаналізовано умови експлуатації лопаток та показано, що високий рівень комплексних навантажень (механічних, термічних, корозійних) призводить до їх ушкодження, зносу, корозії, ерозії, що може викликати локальні руйнування, тріщини, зміну розміру деталей, погіршення структурного стану матеріалу та ін. Заміна дефектних лопаток веде до серйозних витрат, що обумовлено складною технологією виробництва, високими відсотками браку та коштовністю складових жароміцних нікелевих сплавів. Цим доведена необхідність і доцільність їх ремонту з використанням зварювання плавленням як одного з технологічних процесів. Відзначено розширення області застосування монокристалічних нікелевих сплавів, пов’язане з виробництвом великорозмірних лопаток ГТД наземного призначення. Проте, традиційні засоби вирощування монокристалів не дозволяють отримувати лопатки більшими ніж 200 мм, що обумовлює доцільність використання зварювання і при виготовленні лопаток.

Аналіз показав, що зварювання монокристалічних жароміцних ливарних сплавів обмежено низькою зварюваністю, що проявляється у високій схильності до утворення гарячих тріщин та низькому рівні досягнутих властивостей. Встановлено, що висока схильність до утворення тріщин пов’язана з:

  • високим вмістом γ΄-утворюючих елементів;

  • утворенням великокутових границь зерен та руйнуванням у температурному інтервалі крихкості під дією зварювальних напружень.

Аналіз літературних джерел показав відсутність технологічних рекомендацій з формування монокристалічного зварного з’єднання та прийнятних критеріїв оцінки якості, які б дозволили забезпечити працездатність зварних конструкцій.

Проведено аналіз термічних і орієнтаційних умов вирощування монокристалів і їх вплив на формування дефектних зерен з випадковою орієнтацією. Встановлено, що умови направленої кристалізації при вирощуванні монокристалів і при формуванні зварного шва суттєво відрізняються, що потребує спеціальних досліджень.

На підставі проведеного аналізу сформульовано завдання і обрано основні напрямки подальших досліджень.

^ В другому розділі проаналізовано методи формування нероз’ємних з’єднань жароміцних нікелевих сплавів і як найбільш перспективний напрям відзначено спосіб електронно-променевого зварювання.

Вибрано та обґрунтовано базові промислові конструкційні матеріали ЖС26 та ЖС32, проведений їх аналіз за хімічним складом, ростовою структурою та ін.

Для вирішення поставлених завдань дисертаційної роботи були використанні методи:

- рентгенівська дифрактометрія та оптична мікроскопія для дослідження особливостей структури, визначення кристалографічної орієнтації складових зварних з’єднань, кутів дезорієнтації субобластей та їх кількості. Проводили орієнтування зразків під зварювання, вибрали напрямки зварювання і поверхні сплавлення таким чином, щоб серед них були як найбільш (100), так найменш (111, 110, 112, 115) схильні до направленої дендритної кристалізації кристалографічні площини;

- випробування на зварюваність з використанням кільцевої проби; визначення схильності до утворення тріщин, пов’язаних з утворенням зерен випадкової орієнтації в залежності від кристалографічної будови зварного з’єднання та геометрії і орієнтації ванни при кристалізації;

- механічні випробування на короткочасну і тривалу міцність (при температурах експлуатації).

На основі аналізу структурної досконалості ростової монокристалічної структури лопаток при вирощуванні визначені наступні критерії оцінки якості зварного з’єднання:

  • орієнтаційна однорідність шва та зони термічного впливу з основним металом, коли граничні відхилення структурних складових ∆α не перевищують 5º;

  • відсутність тріщин і дефектів формування шва;

  • відсутність зерен випадкової орієнтації;

  • збереження розмірного співвідношення параметрів граток γ- та γ΄-фаз;

  • рівень механічних властивостей зварних з’єднань, який можна порівняти з основним металом.

Проведено дослідження та апробація технологічних можливостей електронно-променевого зварювання при керуванні формою зварювальної ванни та структурою шва на модельному нікелевому жароміцному сплаві ЕІ-698ВД та ЖС26 з монокристалічною структурою.

При розробці і випробуванні технологічних процесів зварювання використовувалося сучасне зварювальне, механічне, технологічне устаткування та засоби неруйнівного контролю.

^ У третьому розділі розглядаються особливості кристалізації та структура зварних з’єднань при електронно-променевому зварюванні (Р = 1 кВт, vзв = 20 м/год) монокристалів жароміцних нікелевих сплавів ЖС26 та ЖС32. Перед зварюванням проводилась термічна обробка основного металу (гомогенізуючий відпал).

Методами оптичної мікроскопії та рентгенівської дифрактометрії показано, що структура досліджуваних сплавів відповідає типовій ростовій структурі жароміцних монокристалів. Розподіл інтенсивності рентгенівського випромінювання в площині перпендикулярній дифракційному вектору Iq (рис.1) характеризує особливості структури зварного з’єднання монокристалу: зона А – основний матеріал з монокристалічною структурою; зона В характеризується збереженням кристалографічної орієнтації основного монокристалу з однорідним підвищенням щільності дислокацій; зона В – розвитком висококутового розсіювання, підвищенням щільності дислокацій; зона Г висококутовим розсіюванням відбиття Iq з локальним підвищенням щільності дислокацій та руйнуванням монокристалічної структури.


Встановлено, що основним дефектом зварних швів монокристалів жароміцних сплавів ЖС26 та ЖС32 є зерна випадкової орієнтації, підвищення більше ніж на порядок щільності дислокацій та гарячі тріщини. Ці характеристики і було вибрано в якості основних критеріїв зварюваності сплавів ЖС26 та ЖС32.

Встановлено залежність схильності до утворення тріщин (рис. 2) та показаний взаємозв’язок кристалографічних умов зварювання з утворенням зерен випадкової орієнтації. При зварюванні зразків


Тріщина

Рис. 1. Металографія і рентгенографія металу шва при електронно-променевому зварюванні лопатки зі сплаву ЖС26: А – вихідний монокристал; Б – зона термічного впливу,

В – зона шва біля лінії сплавлення, Г – осьова зона шва


типу «кільцева проба» товщиною від 1 до 3 мм утворення тріщин можливо

уникнути на швидкості зварювання 10–15 м/год. Попередній підігрів до 350–450 °С

дозволяє підвищити її до 20–25 м/год.

Таким чином, на схильність зварних з’єднань до утворення тріщин в основному впливають швидкість зварювання, питома потужність джерела нагріву, наявність попереднього підігріву зварюваних кромок та кристалографічна орієнтація зварного з’єднання, яка визначається кристалографічним напрямком та площиною зварювання.


Рис. 2. Схильність до утворення тріщин в залежності від швидкості зварювання без підігріву (^ 1) та з попереднім підігрівом (2
) при Тпід ~ 350–450 °С


Для визначення характеру впливу кристалографічної орієнтації на схильність швів до утворення зерен, проведено дослідження прямолінійних швів, виконаних на жароміцних монокристалах товщиною 2,0 мм з різною кристалографічною орієнтацією. При однакових параметрах режиму зварювання (U = 21,5 кВт, Іпр = 30 мА, vзв = 12 м/год, Іф.пр = +10 мА) змінювали просторове положення поверхні сплавлення зварного шва відносно кристалографічної орієнтації монокристалу. Показано, що кристалографічна орієнтація площини кромок стику зварювання має бути близька до {100}, що досягається при

- площині зварювання {001}, напрямку зварювання <100>;

- площині зварювання {110}, напрямку зварювання <011>.

В таких кристалографічних умовах, утворення зерен випадкової орієнтації складає до 2–10 % від площі зварного шва (рис. 3).

По мірі відхилення більш ніж на 4–5º від симетричних умов зварювання кількість зерен зростає до 60–80 % (див. рис. 3). Мінімальна кількість утворення зерен (2–4 % від площі зварного шва) досягається при зварюванні в напрямку <100>.


α, град




Рис. 3. Схильність до утворення зерен випадкової орієнтації в залежності від кристалографічних умов зварювання (площини та напрямку зварювання): α – кут відхилення орієнтації напрямку зварювання від осей симетрії <100>

Проведені дослідження з особливостей формування первинної структури шва свідчать, що навіть в симетрично зорієнтованих зварних з’єднаннях розрізняються окремі структурні зони, пов’язані з кривизною зварної ванни (рис. 4):


Рис. 4. Схема зміни напрямку температурного градієнта G по фронту кристалізації зварювальної ванни: А – зона переважного співпадіння температурного градієнта з напрямком переважного росту [010]; Б – зона критичного відхилення температурного градієнта від напрямку переважного росту [010]; В – зона переважного співпадіння температурного градієнта з напрямком переважного росту [100]


• зона А – частина шва біля лінії сплавлення характеризується переважним співпадінням напрямку температурного градієнта G з орієнтацією переважного росту кристалу [100]. Безпосередньо біля лінії сплавлення можна розрізнити вузьку (0,3–0,5 мм) смужку

епітаксіального росту. Далі вглиб спостерігається дрібнодендритна структура спрямованої кристалізації з досить точним наслідуванням кристалографічної орієнтації вихідної кромки з’єднуваної частини (рис. 5), висококутові границі зерен та тріщини відсутні (рис. 6). Метал зони характеризується незначною зміною монокристалічної структури. Незважаючи на помітне зростання щільності дислокацій, ізоінтенсивні лінії мають вигляд плавних еліпсоподібних кривих (див. рис. 6), що відповідає монокристалічному стану металу з рівномірним розподілом крайових дислокацій;

• зона Б – зона критичного відхилення температурного градієнту від напрямку легкого росту, де має місце порушення умов спрямованої кристалізації і формування зерен іншої кристалографічної орієнтації та тріщин (див. рис. 5). Для металу вказаної зони характерна значна неоднорідність дислокаційної структури, про що свідчать нерегулярні ломані ізоінтенсивні криві (див. рис. 6), тобто в металі цієї зони формується багаторівнева дислокаційна структура: розширення рефлексів в інших напрямках пов’язано з появою вторинних систем дислокацій. Збільшення їх щільності призводить до локалізації напружень і прискорення деформації та руйнування (тріщиноутворення) матеріалу при утворенні великокутових границь(див. рис. 5); • зона В – зона, в якій напрямок температурного градієнта практично співпадає з кристалографічною орієнтацією переважного росту <100>. Спостерігається зменшення відхилення орієнтації металу шва від вихідної (див. рис. 6), причому орієнтація може помінятись на симетричну, тобто (100) на (010).

Встановлено, що виділені зони проявляються більш чітко і для інших, відмінних від високої симетрії зварних з’єднань. Ширина критичної зони Б зазвичай набагато більша, ніж для зварних з’єднань високої симетрії, а її розміщення відносно осі шва залежить від того, наскільки вихідна орієнтація монокристалу відрізняється від високої симетрії, а також і від геометрії зварної ванни – кривизни макрофронту її кристалізації.



(010) Поверхня сплавлення

Рис. 5. Вплив кривизни геометрії фронту (макрофронту) кристалізації зварювальної ванни на характер формування структури металу шва



Рис. 6. Мікроструктура та рентгенограми Iq металу зварного шва в характерних зонах А, Б і В

Таким чином, схильність до утворення зерен випадкової орієнтації залежить від кристалографічних умов на фронті кристалізації зварювальної ванни. Зерна випадкової орієнтації і тріщини утворюються в характерних зонах зварного шва (див. рис. 6) при певній критичній величині кута відхилення напрямку температурного градієнта G від орієнтації переважного росту <100>.

Аналіз особливостей формування структури металу шва при зварюванні (див. рис. 4–6) і умов спрямованої кристалізації при вирощуванні монокристалів дозволив визначити передумови, необхідні для формування монокристалічної первинної структури шва:

- в кожній точці поверхні зварювальної ванни напрямок температурного градієнта ^ G повинен бути постійним – умова плаского макрофронту кристалізації (G0//G1// G2// Gi + 1);

- напрямок температурного градієнта G повинен співпадати з орієнтацією переважного росту [100] (G //[100]).

В реальній ванні, яка завжди має певну кривизну, вказані параметри по фронту кристалізації витримати складно. Для визначення допустимого рівня відхилення проведено дослідження з визначення схильності утворення зерен випадкової орієнтації від кута відхилення між орієнтаціями  G  та <100>.

З
Рис. 7. Схильність до утворення зерен випадкової орієнтації та рентгенограма в залежності від кута α відхилення напрямку температурного градієнта G і орієнтації переважного росту <100> на фронті кристалізації
а допомогою вибору параметрів режиму електронно-променевого зварювання була сформована ванна з близьким до плаского макрофронтом, в якій орієнтація температурного градієнта була практично постійна. Кут відхилення між орієнтаціями
G та <100> на фронті кристалізації ванни визначався кристалографією вихідного матеріалу і напрямком зварювання. Встановлено, що відхилення G  від <100> більше ніж на 15° приводить до утворення зерен випадкової орієнтації в структурі металу шва (рис. 7, 8).




а б

Рис. 8. Асиметрія кристалізації зварного шва: а – мікроструктура; б – орієнтаційна схема


Таким чином, при зварюванні монокристалів жароміцних сплавів основними кристалографічними характеристиками зварного з’єднання є не тільки відповідність його симетричним умовам, але і допустимий кут неузгодження орієнтації температурного градієнта з напрямком переважного росту кристалу <100> на фронті кристалізації, величина якого не повинна перевищувати 15º.

^ В четвертому розділі розглянуто особливості ремонту зварюванням робочих лопаток ГТД шляхом реалізації електронно-променевого процесу. Розроблена та апробована принципова технологія зварювання монокристалів з метою укрупнення заготовок та виробництва великорозмірних деталей. Для зварювання використані монокристалічні заготовки та робочі лопатки товщиною 1,5–2,5 мм з жароміцних нікелевих сплавів типу ЖС26 та ЖС32.

Проведений аналіз експлуатаційних пошкоджень та дефектів лиття при виробництві монокристалічних лопаток показав, що частіше всього виникає необхідність ремонту вхідної та вихідної кромки, лінійних та локальних (на глибині до 110–150 мкм) поверхневих дефектів пера. Розглянуто особливості монокристалічної лопатки з заданою аксіальною та азимутальною кристалографічною орієнтацією. Визначено основні ремонтні зони (рис. 9) в залежності від кристалографічної будови лопатки.



а б

Рис. 9. Схема розміщення ремонтних швів в типових кристалографічних зонах лопатки: а – аксіальна орієнтація; б – азимутальна


Найбільш навантаженими ділянками лопатки, що потребують ремонту, є вхідна та вихідна кромки з кристалографічною площиною наплавки (поверхні сплавлення) {100}. Розроблено технологічні рекомендації багатопрохідної наплавки торця лопаток товщиною 1,5–2,0 мм. Технологія базується на виборі кристалографічної орієнтації поверхні наплавлення близької до {100} та реалізації багатошарового наплавлення висотою до 3–6 мм з використанням поперечного сканування променя для формування плаского макрофронту кристалізації з застосуванням присадкового матеріалу, ідентичного за хімічним складом основному металу. Встановлено граничну висоту наплавки (1,0–1,8 мм) за один прохід, при якій формується монокристалічна структура без тріщин. Необхідна висота наплавки забезпечується за рахунок оптимального перерізу присадного матеріалу (1–2 мм2) та параметрів режиму наплавлення: швидкість 10–20 м/год, напруга прискорення променя 21,5 кВ, струм променя 10–15 мА, частота поперечного сканування 40 Гц, амплітуда сканування 1,5–2,0 мм).

Металографічні та рентгенографічні дослідження структури матеріалу наплавки підтверджують формування монокристалічної високодисперсної дендритної структури (рис. 10). Орієнтований ріст обумовлено направленим тепловідведенням вздовж переважного росту <100> в основний метал. Кристалографічна орієнтація кромки вихідного матеріалу і наплавки практично співпадає в межах відхилення до 2° (рис. 11).



а б

Рис. 10. Зовнішній вигляд (а) та мікроструктура (б) торця лопатки зі сплаву ЖС26 при трьохпрохідному наплавленні


Ф
Рис. 11. Зміна кристалографічної орієнтації β в наплавленому монокристалі в площині шліфа по висоті l від поверхні основного металу до краю наплавки
орма і ширина розподілу
Iq в ЗТВ вказують на однорідний розподіл та підвищення щільності дислокацій в порівнянні з основним металом при збереженні монокристалічності (рис. 12). В металі наплавки відзначається розширення рефлексів ізоінтенсивного розподілу у напрямку наплавлення і присутність одиничного відбиття малої інтенсивності, що відповідає малокутовому відхиленню (до 5°) елементів субструктури наплавки.

Таким чином, показано, що в діапазоні вибраних параметрів режимів і умов наплавлення зберігається кристалографічна орієнтація вихідного монокристалу, відсутні висококутові границі зерен і в цілому формується монокристалічна структура наплавленого матеріалу.

З метою укрупнення монокристалічних виробів та заготовок розроблені технологічні рекомендації зварювання пластин в різних кристалографічних орієнтаціях. Запропонована схема керування кристалізацією метала шва за допомогою адаптації (вибору геометрії зварювальної ванни відповідно до кристалографічної будови з’єднання).



а б в

Рис. 12. Ізоінтенсивні лінії розподілу Iq відбиття (024) в основному металі (а), зоні термічного впливу (б) та наплавці (в)

Металографічні та рентгенографічні дослідження показали (рис. 13, 14) достатньо високу структурну досконалість зварних з’єднань, виконаних за запропонованою схемою. Як і в наплавках, на полюсних фігурах можлива наявність одиничного відбиття малої інтенсивності, що відповідає малокутовому відхиленню (до 5°) елементів субструктури. Кут зміщення центру рефлекса (311) свідчить (див. рис. 14), що кристалографічна орієнтація кромок вихідного матеріалу і шва практично співпадають в межах відхилення біля 2°.

П
а

б

в

Рис. 13. Мікроструктура зварного з’єднання і ізоінтенсивні лінії Iq розподілу відбиття (200) в основному металі (а), зоні термічного впливу (б) та шві (в)


ід час ремонту поверхневих дефектів лопаток встановлено, що технологічні вимоги ремонту пов’язані також з кристалографією і повинні враховувати глибину дефекту. На досліджених сплавах ЖС26 та ЖС32 якісне формування монокристалічної структури досягається при поверхневому наплавленні на глибину до 0,5–0,6 мм незалежно від кристалографії зварного з’єднання. При глибині проплавлення, що перевищує вказаний рівень, технологічними параметрами режиму зварювання необхідно забезпечити геометрію ванни, в якій відхилення напрямку температурного градієнта від орієнтації переважного росту на фронті кристалізації не перевищувало б 15°.

Проведено випробування на високотемпературну короткочасну міцність зварних з’єднань монокристалу сплаву ЖС26, виконаних електронно-променевим зварюванням, після термічної обробки (гомогенізація 1265 °С4 год, високотемпературне старіння 1050 °С6 год). Рівень довготривалої міцності при 900 С становить σ50  300 МПа, що складає 85 % міцності основного металу. Межа міцності та плинності в температурному інтервалі 500–1000 °С відповідає рівню основного металу.


а

б


Р
Виконані експериментальні роботи зі зварювання монокристалічних заготовок товщиною 1,5–2,5 мм і ремонту робочих лопаток авіаційного ГТД (рис. 15) зі сплавів ЖС26 та ЖС32 показали ефективність запропонованої технології.

Таким чином, технологічні можливості електронно-променевого зварювання дозволяють отримати зварні з’єднання важкозварюваних жароміцних нікелевих сплавів ЖС26 та ЖС32 з вмістом γ΄-фази більше 60 % з достатньо високою структурною досконалістю монокристалічної структури і високими механічними властивостями.


ис. 14. Зміна кристалографічної орієнтації β по ширині шва відносно основного металу: а – адаптована форма ванни; б – неадаптована






а
Рис. 15. Реалізація електронно-променевого зварювання на прикладі монокристалічної лопатки зі сплаву ЖС32 (а) і мікроструктура наплавки торця вихідної кромки (б)


б



Загальні висновки


  1. Виконано експерименти зі зварювання електронно-променевим методом монокристалів жароміцних нікелевих сплавів типу ЖС26 та ЖС32 з вмістом ΄-фази більше 60 %, які дозволили встановити, що характерними дефектами зварних швів є неповне успадкування кристалографічної орієнтації основного металу з формуванням зерен випадкової орієнтації і поперечними зернограничними тріщинами.

  2. На основі аналізу оцінки якості структурної досконалості ростової монокристалічної структури лопаток при вирощуванні і досвіду їх зварювання, запропоновано наступні критерії якості металу шва зварних з’єднань:

  • орієнтаційна однорідність шва та зони термічного впливу з основним металом при максимальному кристалографічному відхиленні ∆α не більше 5º;

  • відсутність зерен випадкової орієнтації;

  • відсутність тріщин і дефектів формування шва;

  • збереження розмірного співвідношення параметрів граток γ- та γ΄-фаз;

  • рівень механічних властивостей зварних з’єднань, який можна порівняти з основним металом (не нижче 0,85σом).

  1. Виявлено вплив кривизни макрофронта кристалізації зварювальної ванни на ступінь успадковування металом шва кристалографічної орієнтації основного металу та досконалість її структури. Показано, що для попередження утворення зерен випадкової орієнтації та тріщин необхідно забезпечити форму зварювальної ванни, яка виключала б можливість відхилення напрямку температурного градієнта по фронту кристалізації від орієнтації переважного росту <001> більше, ніж на 15°.

  2. Отримання якісного монокристалічного шва досягається за рахунок високого рівня захисту металевої ванни від окислення, керування формою зварювальної ванни з забезпеченням плаского макрофронту кристалізації за рахунок регулювання концентрації та розподілу теплової енергії при формуванні зварного з’єднання (сили струму, фокусування та сканування променя).

  3. На сплаві ЖС26 товщиною від 1,5 до 3,0 мм встановлено залежність схильності до утворення тріщин від швидкості зварювання. Показано, що тріщин можливо уникнути при швидкості зварювання 10–15 м/год. Попередній підігрів до 350–450 С дозволяє підвищити її до 20–25 м/год. На жорсткій пробі завдяки зміні по довжині шва кристалографічної орієнтації зварювальної ванни відносно площини сплавлення змінюється чутливість металу до утворення зерен випадкової орієнтації та міжзерених тріщин. Це явище визначає технологічну можливість керування утворенням зерен випадкової орієнтації та тріщин за рахунок швидкості зварювання, температури попереднього підігріву та кристалографічної орієнтації площини сплавлення. Для типових кристалографічних умов зварювання розроблені засоби отримання монокристалічних швів. Вірогідність отримання монокристалічного шва зростає при керуванні формою зварювальної ванни за рахунок параметрів режиму зварювання. Встановлено, що кристалізація шва в кристалографічних умовах, відповідних до п. 3, дозволяє збільшити швидкість зварювання з 20–25 до 55–60 м/год, при яких не утворюються зерна випадкової орієнтації і тріщини.

  4. Досліджено вплив вихідної кристалографічної орієнтації на формування структури металу шва для сплавів ЖС26 і ЖС32. Визначено сприятливі кристалографічні умови формування монокристалічного шва. Показано, що при зварюванні з площиною сплавлення, близькою до {111}, кількість зерен випадкової орієнтації в шві може досягати 80 %. При площині сплавлення {100} і напрямку зварювання <001> частка зерен випадкової орієнтації знижується до 5–10 %, а при площині сплавлення {100} і напрямку зварювання <011> – до 2–4%.

  5. Методами оптичної металографії та рентгенівської дифрактометрії встановлено, що досконалість монокристалічної структури металу шва і збереження кристалографічної орієнтації основного металу визначаються структурним станом зварювального металу (відсутністю зерен випадкової орієнтації, щільністю дислокацій не більше 108 см-2 та однорідним їх розподілом), кристалографією зварного з’єднання (напрямком зварювання і площиною сплавлення), формою зварювальної ванни.

  6. Технологічні особливості ремонту лопаток з монокристалічною структурою визначаються місцезнаходженням, розміром, кристалографією дефекту. На дослідних сплавах якісне формування монокристалічної структури досягалось при багатопрохідному наплавленні валика присадним матеріалом, що відповідає основному, при цьому кристалографічна розорієнтація останнього проходу від орієнтації кромки не повинна перевищувати 15º.

  7. Механічні властивості зварних з’єднань монокристалічного сплаву ЖС26 в кристалографічному напрямку <100> (відхилення ~ 4°) після стандартної термічної обробки (гомогенізації і високотемпературного старіння), виконаних електронно-променевим зварюванням, близькі властивостям зварюваного сплаву. Довготривала міцність при 900 С, становить σ50 300 МПа, що складає 85 % міцності основного металу. Межа міцності та плинності в температурному інтервалі 500–1000 °С відповідає рівню основного металу.

  8. Розроблена принципова технологія електронно-променевого зварювання жароміцних нікелевих сплавів, що дозволяє забезпечити збереження монокристалічної структури з розорієнтацією субструктури яка не перевищує 2°, відсутність тріщин та зерен випадкової орієнтації в зварному шві. Технологія апробована при ремонті робочих лопаток зі сплаву ЖС32 для ГТД Д18Т. Виконано експериментальні роботи зі збільшення монокристалічних заготовок товщиною 1,5–2,5 мм.


^ Список опублікованих праць


  1. Ющенко К.А., Задерий Б.А., Гах И.С. и др. Склонность к образованию трещин и структурные изменения при ЭЛС монокристаллов жаропрочных никелевых суперсплавов // Автомат. сварка. 2008. № 2. C. 1019.

  2. Задерий Б.А., Гах И.С. Факторы, определяющие формирование структурного состояния сварных соединений монокристаллов жаропрочных сплавов на основе никеля // Зб. тез. до ІV Всеукр. наук.-техн. конф. молодих вчених та спеціалістів "Зварювання та суміжні технології" (Київ, 23–25 травня 2007 р.). – Київ: ІЕЗ ім. Є.О. Патона, 2007. 171 с.

  3. Ющенко К.А., Задерий Б.А., Гах И.С. и др. Особенности структуры металла торцевых наплавок монокристаллических лопаток из никелевых суперсплавов // Автомат. сварка. 2009.№ 8. С. 4653.

  4. Ющенко К.А., Задерий Б.А., Гах И.С. и др. Сварка и наплавка жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой // Там же. 2008.№ 11. С. 46-53.

  5. Ющенко К.А., Задерий Б.А., Гах И.С. и др. О возможности наследования монокристаллической структуры сложнолегированных никелевых сплавов в неравновесных условиях сварки плавлением // Металлофиз. новейшие технол. 2009. Т. 31. № 4. С. 473485.

  6. Ющенко К.А., Задерий Б.А., Гах И.С. и др. Влияние кристаллографической ориентации сварного соединения на структуру металла шва монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов // Зб. тез. до Всеукр. наук.-техн. конф. молодих вчених та спеціалістів "Зварювання та суміжні процеси і технології" (Миколаїв, 37 вересня 2008 р.). Миколаїв, 2008. 33 с.

  7. Ющенко К.А., Задерий Б.А., Гах И.С. Рентгеноструктурное исследование сварных соединений монокристаллов жаропрочных никелевых суперсплавов // Сб. тез. стендовых докладов Междунар. конф. Сварка и родственные технологии в третье тысячелетие (Киев, 24–26 ноября 2008 г.). – Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 2008. 120 с.


Анотація


Гах І.С. Фізико-технологічні особливості електронно-променевого зварювання високонікелевих жароміцних сплавів з монокристалічною структурою: Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 «Зварювання та споріднені процеси і технології», Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2011 р.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми отримання нероз’ємних з’єднань жароміцних нікелевих сплавів з монокристалічною структурою при ремонті робочих лопаток ГТД і укрупненні монокристалів.

Розглянуто сучасний стан проблеми зварюваності жароміцних нікелевих сплавів і обґрунтовано доцільність виконання робіт. Визначені критерії якості зварних з’єднань і розроблені методи керування зварюваністю даного класу матеріалів. Запропоновано розглядати зварюваність монокристалів з позиції степені деградації досконалості монокристалічної структури.

Встановлено вплив положення металевої ванни по відношенню до кристалографії поверхні сплавлення на утворення зерен випадкової орієнтації. Визначені орієнтаційні умови кристалізації зварювальної ванни, при яких досягається формування монокристалічної структури зварного з’єднання. Встановлено, що отримання монокристалічного зварного з’єднання досягається при співпадінні напрямку максимального температурного градієнту з напрямком переважного росту <001> по фронту кристалізації ванни з граничним відхиленням не більше 15º.

Обґрунтовані і запропоновані режими зварювання та технологічні методи їх виконання, що дозволяють керувати кристалізацією зварювальної ванни при формуванні шва як при зварюванні, так і при наплавленні.

Вирішені основні питання зварювання жароміцних нікелевих монокристалів, що виключають можливість утворення зерен випадкової орієнтації в структурі металу шва та тріщин. Для ремонту робочих лопаток зі сплаву ЖС32 для ГТД Д18Т розроблена принципова технологія електронно-променевого зварювання.

^ Ключові слова: монокристал, жароміцні нікелеві сплави, кристалографічна орієнтація, зерна випадкової орієнтації, висококутові границі зерен, електронно-променеве зварювання, робочі лопатки.


Аннотация


Гах И.С. Физико-технологические особенности электронно-лучевой сварки высоконикелевых жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой: Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 «Сварка и родственные процессы и технологии», Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2011 г.

Диссертация посвящена решению проблемы получения неразъемных соединений монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов при ремонте рабочих лопаток ГТД и укрупнении монокристаллов.

Рассмотрено современное состояние проблемы свариваемости жаропрочных никелевых сплавов и обоснована целесообразность выполнения работы. Определены критерии качества сварных соединений и разработаны методы управления свариваемостью этого класса материалов. Предложено рассматривать свариваемость монокристаллов с позиции степени деградации совершенства монокристаллической структуры.

Изучены особенности формирования структуры сварного соединения в зависимости от кристаллографических условий на фронте кристаллизации ванны и технологических параметров процесса электронно-лучевой сварки. Установлены закономерности которые используются при управлении структурообразованием металла шва.

Показано, что трещинообразования в шве удается избежать при скорости сварки 10–15 м/ч, предварительный подогрев до 350–450 С позволяет повысить ее до 20–25 м/ч. Установлено влияние расположения сварочной ванны по отношению к кристаллографии подложки на образование зерен случайной ориентации. Определены благоприятные кристаллографические условия формирования монокристалличного шва. Показано что при соединении, когда поверхность сплавления близка к плоскости {111}, количество зерен случайной ориентации в шве может достигать 80 %. При поверхности сплавления {100} и направлении сварки <001> доля зерен случайной ориентации снижается до 5–10 %, а при сплавлении {100} в направлении <011> – до 2–4 %.

Определены ориентационные условия кристаллизации сварочной ванны, при которых достигается формирование монокристаллического сварного соединения. Установлено, что получение монокристалличного сварного соединения достигается при совпадении направления максимального температурного градиента с направлением легкого роста <100> по фронту кристаллизации ванны с разориентацией не более 15º.

Представлена схема адаптации формы ванны к кристаллографической ориентации сварного соединения. Обоснованы и предложены режимы сварки и технологические приемы их исполнения, позволяющие управлять кристаллизацией сварочной ванны как при сварке, так и при наплавке присадочного материала.

Решены принципиальные вопросы сварки жаропрочных никелевых монокристаллов, которые исключают возможность образования зерен случайной ориентации в структуре металла шва и трещин. Показано, что уровень длительной прочности при 900 С равен σ50  300 МПа, что составляет 85 % этого значения для основного металла. Предел прочности и текучести в интервале температур 500÷1000 °С находятся на уровне значений для основного металла.

Разработана принципиальная технология ремонтной электронно-лучевой сварки рабочих лопаток из сплава ЖС32 для ГТД Д18Т.

^ Ключевые слова: монокристалл, жаропрочные никелевые сплавы, кристаллографическая ориентация, зерна случайной ориентации, высокоугловые границы зерен, трещины, электронно-лучевая сварка, рабочие лопатки.


Abstract


Gakh I.S. Physical-technological peculiarities of electron beam welding of high nickel heat-resistant alloys with single-crystal structure: Manuscript.

The thesis for a scientific degree of Cand. Sci. (Eng.) on speciality 05.03.06 – “Welding and Related Processes and Technologies.” – E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, Kyiv, 2011.

The thesis work is devoted to a problem of obtaining of the permanent joints from heat-resistant nickel alloys with single-crystal structure in regard to repair of the blades of gas turbine engines and coarsening of the single-crystals.

Current state of a problem of weldability of the heat-resistant nickel alloys was considered and relevance of performance of the study was grounded. Criteria of quality of the welded joints were determined and methods of weldability control for this grade of materials were developed. It was proposed to consider the weldability of single-crystals from point of view of a level of perfection degradation in single-crystal structure.

Influence of a position of molten pool in relation to crystallography of fusion surface on a formation of random orientation grains was determined. Conditions of orientation of the welding pool crystallization were established, under which formation of single-crystal structure in the welded joint is achieved. It was determined that the single-crystal welded joint can be obtained at a conjunction of direction of the maximum temperature gradient with direction of the main growth <001> along the front of welding pool crystallization with boundary deviation of not more than 15.

Thesis grounds and proposes the modes of welding and technological methods of their fulfillment that allow controlling crystallization of the welding pool during weld formation in welding as well as surfacing.

The main problems of welding of heat-resistant nickel single-crystals were solved, including possibility of formation of the random orientation grains in the structure of weld metal and cracks. Principle technology of the electron-beam welding was developed for repair of blades from JS32 alloy for the gas-turbine engine D18T.


Keywords: single-crystal, heat-resistant nickel alloys, crystallographic orientation, random orientation grains, high-angle grain boundaries, electron beam welding, blades.

Підп. до друку 16.11.11. Формат 60х84/16. Бум. офс. №1. Офс. друк

Ум. друк. арк. 0,9. Ум. фарбо-відб. 0,8. Тираж 120 прим. Зам. №

Под іез ім. Є.О.Патона. 03680, Київ-150, МСП, вул. Антоновича, 69



Разместите кнопку на своём сайте:
Документы




База данных защищена авторским правом ©kiev.convdocs.org 2000-2013
При копировании материала обязательно указание активной ссылки открытой для индексации.
обратиться к администрации
Похожие:
Документы