Разработка технологии модифицирования жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ ультрадисперсными порошками карбонитрида титана

Abstract

RUS: Цель исследования. Изучить влияние модифицирования присадками ультрадисперсных частиц карбонитрида титана Ti (C, N) в виде порошка и брикетов на структуру и физико-механические свойства сплава ЖС3ДК-ВИ, применяемого для изготовления литых рабочих лопаток турбин авиационных двигателей. Методы исследования. Предварительную высокотемпературную обработку расплава (ВТОР) проводили на установке ВИП-10. На установке УППФ-3М с основным тиглем проводили модифицирование сплава ЖС3ДК-ВИ ультрадисперсными частицами карбонитрида титана Ti (C, N) в количестве 60…80 г в виде брикетов или порошка, завернутого в никелевую фольгу. Образцы подвергали гомогенизации при температуре 1210 °С с выдержкой 3,5 часа и охлаждением на воздухе. Определяли химический состав сплава исследуемых вариантов. Макроструктуру изучали на пластинах толщиной ~ 4 мм после химического травления. Микроструктуру оценивали на микрошлифах до и после травления в реактиве Марбле. Микротвердость, временное сопротивление, относительные удлинение и сужение, ударную вязкость определяли при комнатной температуре. Испытания на длительную прочность проводили при 850 °С под нагрузкой 350 МПа. Испытание лопаток на изгиб осуществляли на ручном винтовом прессе в соответствии с ГОСТ 14019-80. Полученные результаты. Изучена микроструктура брикетов Ti+TiCN методами оптической и электронной микроскопии. Рентгеноспектральным микроанализом (РСМА) изломов образцов подтверждено достаточно равномерное распределение карбонитрида титана в объёме брикетов. Изучены химический состав, макро- и микроструктура опытного сплава. Проведено фрактографическое исследование строения изломов образцов. Установлено модифицирующее воздействие ультрадисперсных частиц карбонитрида титана на дендритную структуру, распределение и изменение морфологии первичных карбидов, количество и распределение карбонитридных частиц. Проведен сравнительный анализ механических и жаропрочных свойств сплава ЖС3ДК-ВИ стандартного состава и модифицированного ультрадисперсными частицами Ti(C, N). Проведены испытания рабочих лопаток турбины на изгиб. Научная новизна. Показано, что использование ультрадисперсных порошков карбонитрида титана для объемного модифицирования жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ позволяет повысить механические и жаропрочные свойства материала. Повышение количества модификатора способствует измельчению зерна. Более стабильные свойства и благоприятную структуру обеспечивает модифицирование расплава ультрадисперсными частицами Ti(C,N) в виде брикетов. Установлено, что модифицирование порошкообразным Ti(C,N) приводит к снижению значений ударной вязкости вследствие образования пограничной микропористости. Практическая ценность. Разработана технология модифицирования жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ, применяемого для изготовления литых рабочих лопаток газотурбинных двигателей, присадками ультрадисперсных частиц карбонитрида титана Ti(C, N), обеспечивающая повышенный уровень эксплуатационных свойств готовых изделий. UK: Мета дослідження. Вивчити вплив модифікування присадками ультрадисперсних частинок карбонітриду титану Ti(C,N) у вигляді порошку і брикетів на структуру і фізико-механічні властивості сплаву ЖС3ДК-ВІ, що застосовується для виготовлення литих робочих лопаток турбін авіаційних двигунів. Методи дослідження. Попередню високотемпературну обробку розплаву (ВТОР) проводили на установці ВІП-10. На установці УППФ-3М з основним тиглем проводили модифікування сплаву ЖС3ДК-ВІ ультрадисперсними частинками карбонітриду титану Ti(C,N) в кількості 60...80 г у вигляді брикетів або порошку, загорнутого в нікелеву фольгу. Зразки піддавали гомогенізації при температурі 1210 °С з витримкою 3,5 години і охолодженням на повітрі. Визначали хімічний склад сплаву досліджуваних варіантів. Макроструктуру вивчали на пластинах товщиною ~ 4 мм після хімічного травлення. Мікроструктуру оцінювали на мікрошліфах до і після травлення в реактиві Марбле. Мікротвердість, тимчасовий опір, відносні подовження і звуження, ударну в’язкість визначали при кімнатній температурі. Випробування на тривалу міцність проводили при 850 °С під навантаженням 350 МПа. Випробування лопаток на вигин здійснювали на ручному гвинтовому пресі відповідно до ГОСТ 14019-80. Отримані результати. Вивчено мікроструктуру брикетів Ti + Ti C N методами оптичної та електронної мікроскопії. Рентгеноспектральним мікроаналізом (РСМА) зламів зразків підтверджено досить рівномірний розподіл карбонитрида титану в обсязі брикетів. Вивчено хімічний склад, макро- і мікроструктура досвідченого сплаву. Проведено фрактографіческое дослідження будови зламів зразків. Встановлено модифікуючу вплив ультрадисперсних частинок карбонитрида титану на дендритну структуру, розподіл і зміна морфології первинних карбідів, кількість і розподіл карбонітридним частинок. Проведено порівняльний аналіз механічних та жароміцних властивостей сплаву ЖС3ДК-ВІ стандартного складу і модифікованого ультрадисперсними частинками Ti (C, N). Проведено випробування робочих лопаток турбіни на вигин. Наукова новизна. Показано, що використання ультрадисперсних порошків карбонітриду титану для об’ємного модифікування жароміцного нікелевого сплаву ЖС3ДК-ВІ дозволяє підвищити механічні та жароміцні властивості матеріалу. Підвищення кількості модифікатора сприяє подрібненню зерна. Більш стабільні властивості і сприятливу структуру забезпечує модифікування розплаву ультрадисперсними частинками Ti (C, N) у вигляді брикетів. Встановлено, що модифікування порошкоподібним Ti(C, N) призводить до зниження значень ударної в’язкості внаслідок утворення приграничної мікропористості. Практична цінність. Розробл ено технологію модифікування жароміцного нікелевого сплаву ЖС3ДК-ВІ, що застосовується для виготовлення литих робочих лопаток газотурбінних двигунів, присадками ультрадисперсних частинок карбонітриду титану Ti(C, N), що забезпечує підвищений рівень експлуатаційних властивостей готових виробів.

EN: Purpose. To study the effect of modification by the titanium carbonitride Ti(C, N) ultrafine particles additives in the form of powder and briquettes on the structure and physical-mechanical properties of the ЖС3ДК-ВІ alloy used for the manufacture of aircraft engine turbines cast rotor blades. Research methods. Preliminary high-temperature treatment of the melt was carried out on a VIP-10 installation. On the UPPF-3M installation with the alkaline melting pot, the ЖС3ДК-ВІ alloy was modified with ultrafine particles of titanium carbonitride Ti(C,N) in an amount of 60...80 g in the form of briquettes or powder wrapped in nickel foil. The samples were subjected to homogenization at a temperature of 1210 °C with a holding time of 3.5 hours and air cooling. The chemical composition of investigated alloys was determined. The macrostructure was studied on plates ~ 4 mm thick after chemical etching. The microstructure was evaluated on microsections before and after etching in the Marble reagent. Microhardness, ultimate strength, elongation and contraction, impact strength were determined at room temperature. Long-term strength tests were carried out at 850 °C under a load of 350 MPa. The bending test of the blades was carried out on a manual screw press in accordance with GOST 14019-80. Results. The microstructure of Ti+TiCN briquettes has been studied by optical and electron microscopy. X-ray microanalysis of specimen fractures confirmed a fairly uniform distribution of titanium carbonitride in the volume of briquettes. The chemical composition, macro- and microstructure of the experimental alloy have been studied. A fracto-graphic study of the samples fracture structure was carried out. The modifying effect of titanium carbonitride ultrafine particles on the dendritic structure, distribution and change in the morphology of primary carbides, the number and distribution of carbonitride particles has been established. A comparative analysis of the mechanical and heat-resistant properties of the ЖС3ДК-ВІ alloy of standard composition and modified with ultradispersed Ti(C,N) particles has been carried out. Bending tests of turbine rotor blades were carried out. Scientific novelty. It is shown that the use of ultrafine titanium carbonitride powders for bulk modification of the heat-resistant nickel alloy ЖС3ДК-ВІ makes it possible to increase the mechanical and heat-resistant properties of the material. Increasing the amount of modifier promotes grain refinement. More stable properties and favorable structure are provided by melt modification with ultrafine Ti(C,N) particles in the form of briquettes. It was found that modification with powdered Ti(C,N) leads to a decrease in the impact toughness values due to the formation of boundary microporosity. Practical value. The technology of the heat-resistant nickel alloy ЖС3ДК-ВІ, used for the manufacture of cast rotor blades of gas turbine engines, modification with additives of titanium carbonitride Ti(C,N) ultrafine particles, providing an increased level of performance properties of finished products, has been developed.