Дисертації на здобуття наукових ступенів

Постійне посилання на фонд

https://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/2772

Переглянути

Перегляд Дисертації на здобуття наукових ступенів за Ключові слова "132 “Матеріалознавство“"

Зараз показуємо 1 - 1 з 1
  • Ескіз
    Документ
    Розробка припою і технології паяння жароміцних нікелевих сплавів лопаток суднових газових турбін нового покоління
    (2021) Бутурля, Є. А.; Buturlia, Ye. A.; Квасницький В. Ф.
    Бутурля Є. А. Розробка припою і технології паяння жароміцних нікелевих сплавів лопаток суднових газових турбін нового покоління – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 132 – Матеріалознавство. – Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, 2021. Робота присвячена науково-прикладній задачі – розробці припою для жароміцних нікелевих сплавів (ЖНС) нового покоління. Для суднового газотурбобудування завжди стояла проблема підвищення робочої температури та ресурсу роботи турбін, яка ускладнюється умовами роботи суднових газотурбінних двигунів (ГТД). Суднові ГТД працюють на важкому паливі із домішками сірки та в умовах високотемпературної сольової корозії (ВСК), швидкість якої в сотні разів більше, ніж швидкість корозії в авіаційних турбінах. Для суднових турбін нового покоління ДП НВКГ «Зоря»–«Машпроект» і Фізико-технологічним інститутом металів і сплавів НАН України розроблено сплави СМ93-ВІ і СМ96-ВІ, що дозволяють підняти робочу температуру на 40–60 °С. Основним та універсальним способом з’єднання ливарних ЖНС є паяння, при якому виникає проблема підвищення жаростійкості і довготривалої високотемпературної міцності спаяних з’єднань. Тому, для розвитку суднового газотурбобудування актуальна розробка припою, який забезпечить необхідні фізико-хімічні характеристики спаяного з’єднання для нових сплавів. Метою дисертаційного дослідження є розробка припою і технології паяння жароміцних нікелевих сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ для виробництва суднових газових турбін нового покоління з підвищенням високотемпературної міцності спаяних з’єднань не нижче 80 % міцності основного металу. Наукова новизна полягає в тому, що: 1. Вперше обґрунтовано двоетапний метод розробки припою, суть якого полягає в тому, що на першому етапі, з використанням комп’ютерних програм, розрахована основа припою з включенням найбільш ефективних легуючих елементів, які забезпечують твердорозчинне і дисперсійне зміцнення, та границі легування припою тугоплавкими металами для запобігання утворення ТЩУ фаз, зокрема σ-фази, а на другому етапі експериментально визначається необхідна концентрація депресантів. 2. Вперше встановлено, що багатокомпонентні припої з Re і Та системи Ni-Cr-Co-Al-Ta-Re-W-Mo-Ti-Nb-B-Hf-Zr-C забезпечують крайові кути змочування сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ до 6°, питому площу розтікання 1,4–1,5 мм2/мг при температурі 1200–1230 °С паяння і виправлення поверхневих дефектів відливок. 3. Удосконалено систему легування припою, яка забезпечує довготривалу міцність спаяних з’єднань сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ при 900 °С на рівні 0,9 від міцності основного металу. 4. Дістало подальший розвиток уявлення про напружений стан спаяних з’єднаннях з прошарком припою з його відносною товщиною (s/d від 0,0025...0,01), що має відмінні від основного металу фізико-механічні властивості, яка полягає в тому, що на більшій частині вузла в основному металі напруження практично відсутні при термічному навантаженні та лінійно розподілені при силовому навантаженні. Біля зовнішньої поверхні з’єднання та в самому прошарку утворюється об’ємний напружено-деформований стан, який призводить до зміцнення або знеміцнення основного металу та прошарку. Практичне значення роботи містить: Запропонований і реалізований двоетапний метод розробки припою із використанням комп’ютерних програм для розробки припою. Із використанням нового методу розроблено припій SBM-4 та технологію паяння і виправлення поверхневих дефектів лиття промислових відливок для жароміцних нікелевих сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ. Припій має температуру паяння 1200…1230 °С, довготривалу міцність для спаяних з’єднань при 900 °С на рівні 0,9 від рівня основного металу і стійкість проти високотемпературної сольової корозії на рівні сплаву СМ88У-ВІ та пройшов етапи впровадження, що підтверджується відповідними актами. Розроблений припій може використовуватися для інших ЖНС та був застосований для відновлення паянням у вакуумі пошкоджених високотемпературних елементів обладнання з жароміцного сплаву ЧС88-ВІ для отримання відцентровим плазмовим розпиленням сферичних порошків. У першому розділі виконано аналіз даних літературних джерел та розглянута різниця умов роботи авіаційних і суднових ГТД. Авіаційні сплави у своєму складі мають 4–6 % хрому, що дозволяє їм працювати при більш високих робочих температурах, ніж суднові. Зниження робочої температури суднових турбін обумовлено концентрацією хрому в сплавах на рівні 18,0–22,0 %. Таке значення хрому необхідно для захисту від високотемпературної сольової корозії, яка виникає в процесі експлуатації. Високотемпературну сольову корозію провокує комбінація шкідливих факторів, а саме повітря для згоряння палива має пари морської води та «важке» паливо, що у своєму складі містить сірку. Хром забезпечує стійкість проти ВСК, але знижує високотемпературну працездатність сплавів. Тому хімічний склад суднових і авіаційних турбін суттєво відрізняється. Ливарні ЖНС мають проблеми при зварюванні плавленням. Основним способом з’єднання ЖНС є паяння, але цей процес виконується при температурах нижче, ніж температура плавлення основного металу, тому виникає проблема співвідношення міцності спаяного з’єднання (прошарку) до основного металу, яке на сьогоднішній час складає близько 0,8. Проведений аналіз джерел щодо припоїв не показав висвітлення методів розробки припоїв та ролі проміжного прошарку в спаяному з’єднанні, який вливає на напружено-деформований стан і працездатність з’єднання. У зв’язку з підвищенням робочої температури для суднових турбін понад 900 °С в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України спільно з ДП НВКГ «Зоря»–«Машпроект» розроблено сплави СМ93-ВІ і СМ96-ВІ. У другому розділі наведені хімічний склад та границя міцності досліджуваних матеріалів, обладнання та методи, що використані в роботі. В дисертаційному дослідженні використано обладнання для паяння зразків, яке знаходиться на кафедрі зварювального виробництва НУК ім. адмірала Макарова: піч СНВЭ 1.3.1-16И1, вакуумна установка УДСВ-ДТ, Надвисоковакуумний універсальний технологічний комплекс ВВУ1Д. Для виплавлення промислового припою та термічної обробки застосовано обладнання, яке знаходиться на ДП НВКГ «Зоря»–«Машпроект»: вакуумний індукційний модуль VIM-125, СЭВ-11,54, вакуумна піч «Schmett». Механічні випробування виконані за стандартною методикою із використанням МП-1200 і АИМА-5. Дослідження макро- і мікроструктури, хімічний аналіз зразків виконувалось за допомогою Неофот-21 та РЭММА-102-02. Диференціальний термічний аналіз виконано на установці ВДТА-8М. Використано метод планування експерименту та статистична обробка даних, за допомогою якої створена математична модель. У програмному комплексу «ANSYS» методом скінчених елементів змодельований вузол циліндр-циліндр із визначенням напружено-деформованого стану спаяного з’єднання з проміжним прошарком. У третьому розділі виконана розробка припою для паяння сплавів СМ93ВІ і СМ96-ВІ. Була проведена спроба знизити температуру паяння припою SBM3, але підвищення концентрації кремнію негативно сказалось на структурі спаяного шва. Тому виконана розробка нового припою, який отримав назву SBM4. Припій розроблено за двоетапним методом, в якому на першому етапі обрана основа припою, на другому – експериментально визначено концентрацію депресантів. Було застосована програма PHACOMP, за допомогою якої розраховані розподіл елементів між 𝛾- і 𝛾'-фазами, температури ліквідуса, солідуса і кількості електронних вакансій. В якості основи припою обрано сплав СМ93-ВІ до складу якого було внесено корективи. Вольфрам частково замінено ренієм, який має меншу кулькість електронних вакансій, додатково введено гафній для покращення ливарних властивостей, введено цирконій для покращення проникності припою у мукрозазори. Середній вміст елементів основи припою складає (% мас.): 13,0 Cr; 7,0 Co; 4,0 Al; 4,5 Ta; 3,75 Re; 2,5 W; 1,5 Mo; 5,45 Ti; 0,25 Hf; 0,575 Zr; 0,4 Nb; 0,07 C; Ni – решта. На другому етапі експериментальним шляхом визначена концентрація бору при якої спостерігається ефективне розтікання припою. До першого варіанту SBM-4 (вміст бору 0,75 % мас.) додавали сплав 4Д із наступним хімічним складом 14,0Cr-9,5Co-2,5Al-2,4B, що дозволило змінювати концентрацію бору від 0,915 до 1,245 %. Математична модель, яка прогнозує площу розтікання із врахуванням температури паяння та кількості сплаву 4Д, показала майже повне співпадіння експериментальних і розрахункових значень. Установлено, що при концентрації бору 1,0-1,2 % припій добре змочує поверхню ЖНС. В четвертому розділі наведено дослідження промислового припою SBM4, хімічний склад якого складає (% мас.): (12,5-14,5)Cr;(6,5-7,5)Co; (3,0-5,0)Al; (5,0-6,0)Ta; (3,0-4,5)Re; (2,0-3,0)W; (1,0-2,0)Mo; (4,7-6,2)Ti; (0,3-0,5)Nb; (1,01,2)B; (0,2-0,3)Hf; (0,45-0,7)Zr; (0,07-0,10)C; Ni – решта. Припій виплавлено на підприємстві ДП НВКГ «Зоря»-«Машпроект». Дослідження показали високі поверхневі властивості припою та добре заповнення зазорів кланових зразків зі сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ. Поверхнева енергія припою за методом лежачої краплі складає 1,38 і 1,9 Дж/м2 при температурах 1240 і 1220 °С відповідно. Дослідження довготривалої міцності спаяних з’єднань сплавів СМ93-ВІ і СМ96ВІ виконували на полікристалічних зразках. При температурі 900 °С на базі 100 год довготривала міцність дорівнює 285 МПа, що складає 0,91 і 0,89 від міцності основного металу для сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ відповідно. Після паяння і механічної обробки боридна евтектика в зоні стику відсутня. Швидкість ВСК припою SBM-4 становить 0,4–1,32 мг/см2⸱год, таке значення відповідає технічним вимогам. Проникність припою SBM-4 дозволяє використовувати його для ремонту дефектів лиття лопаток газових турбін.. В п’ятому розділі методом скінченних елементів проведено моделювання напружено-деформованого стану (НДС) спаяного з’єднання типу циліндрциліндр з жароміцних сплавів у пружному стані і в умовах миттєвої пластичності. Показано, що в спаяному вузлі із різними співвідношеннями модуля пружності, температурних коефіцієнтів лінійного розширення (ТКЛР) і границь плинності жароміцного сплаву і прошарку (припою) на більшій частині стику в основному металі напруження практично відсутні при термічному навантаженні та лінійно розподілені при силовому. Тільки в невеликій зоні біля зовнішньої поверхні і в прошарку формується об’ємний НДС, який призводить до знеміцнення (зниження рівня границі плинності і підвищення пластичності) чи до зміцнення (підвищення границі плинності і зниження пластичності) основного металу та прошарку в зоні стику в порівнянні з лінійним напруженим станом. Моделювання НДС показало, що рівень міцності спаяного з’єднання наближається до рівня міцності основного металу при наближенні по всій довжині стику коефіцієнта жорсткості напруженого стану до одиниці. Це відбувається при забезпеченні хімічної і структурної однорідності металу спаяного з’єднання. Шостий розділ присвячено практичному використанню розробленого пропою SBM-4. Показана структуру виправленого дефекта. В розділі розроблена послідовність операцій, яку необхідно дотримуватись при підготовці лопаток до паяння та за якими режимами виконувати паяння для сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ. При складанні лопаток в пакет, на відстані не менше 5 мм від стику, виконується зачищення лопаток до металевого блиску. Припій замішується до пастоподібного стану із використанням 5 %-го розчину акрилової смоли БМК-5 на ацетоні, після чого фіксується на деталі. Об’єм припою складає приблизно 1,4 від об’єму, який заповнюється. Паяння виконується у вакуумній печі, яка забезпечує вакуум не гірше ніж 10–2 Па. Температура паяння припоєм SBM-4 для сплаву СМ93-ВІ складає 1200–1215 °С, для сплаву СМ96-ВІ 1220-1230 °С, час витримки для обох сплавів дорівнює 15±5 хв. Після паяння лопатки повинні охолоджуватися у вакуумі до 1070 °С із витримкою 60 хв., після чого продовжується охолодження у вакуумі до температури 200 °С. Перед виправленням дефектів лопатки повинні пройти весь ступінчатий цикл термічної обробки, включаючи гомогенізацію при температурі 1180 °С відповідно до Технологічного процесу. Дефекти, що підлягають виправленню можуть виправлятися з наповнювачем або без нього. Місце дефекту розроблюється під кутом 90° ≤ β ≤ 120°, після чого виконується очистка на відстані не менше 5 мм та знежирюється. Наповнювачем може виступати порошок СМ88У-ВІ, який виготовляється «Укрспецсталлю», або розроблений в НУК ім. адмірала Макарова і НВКГ «Зоря»–«Машпроект» припій SBM-3. Припій і наповнювач змішуються у пропорції 1:1. Кількість суміші припою і наповнювача повинна бути більше від об’єму дефекту на 40-50 %. Як і при паянні, порошкова суміш закріплюється із застосовуванням 5%-го розчину акрилової смоли БМК-5 на ацетоні. Температурні режими при виправленні дефектів аналогічні режимам паяння.