ВИГОТОВЛЕННЯ ВИЛИВКІВ ІЗ ЖАРОМІЦНИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ВІДПОВІДАЛЬНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ: Procesi littâ, 2024, Vol 1 (155), 48-57

В.О. Нога

doi:10.15407/plit2024.01.048

Автор(и)

В.О. Нога Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України (Київ, Україна) https://orcid.org/0009-0002-0796-3240

DOI:

https://doi.org/10.15407/plit2024.01.048

Ключові слова:

жароміцні нікелеві сплави, газотурбінний двигун (ГТД), лопатка, спрямована кристалізація

Анотація

Розвиток новітніх газотурбінних двигунів (ГТД) потребує поліпшення та інновацій у виробничих процесах, включаючи впровадження передових методів та інструментів обробки, що відповідають зростаючим стандартам якості та надійності в експлуатації. Головні причини виходу ГТД із ладу часто пов’язані зі зношуванням або ушкодженням ключових елементів турбіни, особливо під час експлуатації в умовах інтенсивної вібрації, високих температур, корозійного середовища та абразивного зношування. У статті розглянуто сучасні рішення й технології виготовлення виливків для деталей відповідального призначення із жароміцних сплавів. Якість виливків залежить від багатьох факторів, таких як склад сплаву, температура плавлення, швидкість зливу, а також якість форми для виливання. Оптимізація наявних жароміцних сплавів є необхідністю, зумовленою підвищенням ресурсу та ефективності функціонування промислового обладнання, зокрема газотурбінних двигунів (ГТД). У статті розглянуто вплив різних технологічних параметрів на якість виливків із жароміцних сплавів. Здійснено огляд наукових праць і публікацій у галузі розробки та лиття жароміцних сплавів для деталей відповідального призначення. Визначено параметри, що мають вагомий вплив на структурно-фазові характеристики виливків при виготовленні деталей відповідального призначення із жароміцних сплавів методом спрямованого твердіння. Зокрема, детально проаналізовано такі аспекти, як вплив хімічного складу сплавів на їх жароміцність і стійкість до окислення, роль режимів термічної обробки в процесі отримання виливків, а також важливість точного контролю технологічних параметрів лиття. Особливу увагу приділено новітнім методам контролю якості виливків. Також розглянуто вплив додавання легуючих елементів на властивості жароміцних сплавів і на якість кінцевих виливків для складнопрофільних деталей ГТД.

Посилання

Superalloys for gas turbine engines. (2012). © Woodhead Publishing Limited. (originally published 2001 y.)

Патон Б.Е., Строганов Г.Б., Кишкин С.Т. и др. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления. Киев: Наукова думка, 1987. 256 с.

Sims, C.T.; Stoloff, N.S.; Hagel, W.C. Superalloys II: High-Temperature Materials for Aero- space and Industrial Power; John Wiley & Sons: New York, NY, USA, 1987; 640p. Available online: https://www.wiley.com/en-us/Superalloys+II%3A+High+Temperature+Materials+- for+Aerospace+and+Industrial+Power-p-9780471011477.

Olorunfemi, O. (2015). Nickel Based Super Alloys For Gas turbine Applications. Research- Gate, 1(1), 4–15.

Патон Б., Халатов А., Костенко Д., Білека Б., Письменний О., Боцула А., Парафійник В., Коняхін В. Концепція (проект) державної науково-технічної програми «Створення промислових газотурбінних двигунів нового покоління для газової промисловості та енергетики». Вісник НАН України. 2008. No 4. С. 3–9.

H Weber. (2016). Nickel-Based Superalloys: Alloying. Special Metals Corporation, Hunting- ton, WV, USA. MK Banerjee, Malaviya National Institute of Technology, Jaipur, India, 1(1), 1–3.

Balyts’kyi, A.I.; Kvasnyts’ka, Y.H.; Ivas’kevich, L.M.; Myal’nitsa, H.P. Corrosion and Hydro- gen-ResistanceofHeat-ResistantBladeNickel-CobaltAlloys.Mater.Sci.2018,54,230–239. https://doi.org/10.1007/s11003-018-178-z.

Reed, R. C. (2006). The superalloys fundamentals and applications. Cambridge. (originally published 2006 y.)

Harris K., Erickson G.L., Sikkenga S.L., Brentnall W.D., Aurrecoechea J.M., and Kubarysh K.G., Development of the Rhenium containing superalloy CMSX-4&CM186LC for single crystal blade and directionally solidified vane applications in advanced turbine engines. Superalloys. 1992. TMS. 1992. 297.

Kuznetsov, P.; Lesnikov, V.P.; Konakova, I.P.; Popov, N.A.; Kvasnitskaya, Y.G. Structural and phase transformations in single-crystal rhenium- and ruthenium-alloyed nickel alloy under testing for long-term strength. Met. Sci. Heat Treat. 2015, 57, 503–506. https://doi. org/10.1007/s11041-015-9912-4

X. Wu, S. K. Makineni, C. H. Liebscher, G. Dehm, and J. R. Mianroodi Unveiling the Re effect in Ni-based single crystal superalloys. Nature communications. 2020. 11: 389. https://doi. org/10.1038/s41467-019-14062-9

L. Ivaskevich, A. Balitskii, I. Kvasnytska, K. Kvasnytska, H. Myalnitsa Thermal Stability, Cyclic Durability and Hydrogen Resistance of Cast Nickel-cobalt Alloys for Gas Turbine Blades. CAMPE 2021: Advances in Mechanical and Power Engineering, pp 147–155 https://doi. org/10.1007/978-3-031-18487-1_15

Migas, D., Gradoń, P., Mikuszewski, T., & Moskal, G. (2020). Crystallization behavior of ter- nary γ–γ′ Co–Al–W alloy. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. https://link.springer. com/article/10.1007/s10973-020-10279-9

Korsmik, R., Turichin, G., Zadykyan, G., & Zhitenev, A. (2019). Investigation of Crystallization Process of a Single Crystal Nickel-Based Alloy during the Laser Multilayer Cladding. Trans Tech Publications Ltd, Switzerland, 822, 481–488.

Peachey, D. D., Carter, C. P., Garcia-Jimenez, A., Mukundan, A., Leonard, D. N., Charpagne, M.-A., & Cordero, Z. C. (2022). Directional recrystallization of an additively manufactured Ni-base superalloy. Additive Manufacturing, 60. https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S2214860422005875

Zhang Weiguo, and LiuLin. Progress in directionally solidified superalloys. Foundry. 2009. 58(1):1.

Plancher E., Gravier aP., Chauvet E., Blandin J., Boller E., Martin G., Salvo L., Lhuissier P. Tracking pores during solidification of a Ni-based superalloy using 4D synchrotron microtomography. Acta Materialia, Vol. 181, December 2019, P. 1–9. https://doi. org/10.1016/j.actamat.2019.09.040

XU Qingyan,YANG Cong,YAN Xuewei,LIU Baicheng. Development of Numerical Simulation in Nickel-Based Superalloy Turbine Blade Directional Solidification. Acta Metall Sin, 2019, 55(9): 1175-1184. https://doi.org/10.11900/0412.1961.2019.00126

Giamei A.F., Tschinkel J.G. Liquid Metal Cooling: A New Solidification Technique. Metallurgical Transction A. 1976. Vol. 7A. P. 1427–1434.

Broomfield R.W., Ford D.A., Bhangu J.K., Thomas M. C., Frasier D. J., Burkholder P. S., Harris K., Erickson G. L., and Wahl J. B., Development and turbine performance of three advanced rhenium containing superalloys for single crystal and directionally solidified blades and vanes. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1998. 120(7): 595.

Калюкин Ю.Н. Современные методы управления кристаллизацией турбинных лопаток из жаропрочных сплавов. Газотурбинные технологии. 2007. No 5. С. 6–11.

Harris K. J. B. Wahl Developments in superalloy castability and new applications for ad- vanced superalloys. Materials Science and Technology. 2009. 25(2): 147–153. https://doi. org/10.1179/174328408X355442

StanfordN.,DjakovicA.,ShollockB.,McLeanM.,D’SouzaN.,JenningsP.Seedingofsingle crystal superalloys. Role of seed melt-back on casting defects/2004, Scripta Materialia 50(1). P. 159–163. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2003.08.029

Makineni, S.K.; Lenz, M.; Neumeier, S.; Spiecker, E.; Raabe, D.; Gault, B. Elemental segregation to antiphase boundaries in a crept CoNi-based single crystal superalloy. Scr. Mater. 2018, 157, 62–66. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2018.07.042.

Dexin MA Novel casting processes for single-crystal turbine blades of superalloys. Front. Mech. Eng. 2018, Vol. 13 , 3–16. https://doi.org/10.1007/s11465-018-0475-0

Jian-Jun Xu , Yong-Qiang Chen. Steady spatially-periodic eutectic growth with the effect of triple point in directional solidification. // Acta Materialia, Volume Vol. 80, November 2014, Pages P. 220–238. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.06.047

Ажажа В.М., Свердлов В.Я., Ладыгин А.Н., Богуслаев А.В., Клочихин В.В., Лысенко Н.А. Перспективные направления в совершенствовании структуры монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей. http://ptsm.donntu.org/arhiv%20nambe/36%20 pdf/003-009.pdf

Гайдук C.B., Кононов В.В., Петрик И.А., Налесный Н.Б. Влияние скорости кристаллизации и термической обработки на структуру и свойства монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов. Вестник двигателестроения. 2005. No 1. С. 150–153.

Горічок І. В., Криськов Ц. А., Рачковський О. М., Фреїк Д. М., Люба Т.С. Пристрій зі змінним градієнтом температури в області кристалізації для вирощування кристалів з розплаву. Патент України 78465 (2013) https://uapatents.com/5-78465-pristrijj-zi- zminnim-gradiehntom-temperaturi-v-oblasti-kristalizaci-dlya-viroshhuvannya-kristaliv-z- rozplavu.html

Plancher E., Gravier aP., Chauvet E., Blandin J., Boller E., Martin G., Salvo L., Lhuissier P.Tracking pores during solidification of a Ni-based superalloy using 4D synchrotron microtomography. Acta Materialia. Vol. 181, December 2019, P. 1–9. https://doi. org/10.1016/j.actamat.2019.09.040

Hengzhi Fu and Xingguo Geng. High rate directional solidification and its application in single crystal superalloys/Science and Technology of Advanced Materials.. Adv. Mater. 2 // 2001 197-204. https://iopscience.iop.org/article/10.1016/S1468-6996(01)00049-3/pdf

Иванов В.Н., Казенов С.А., Курчман Б.С. и др. Литье по выплавляемым моделям / Под общ. ред. Шкленника Я.И., Озерова В.А. Москва: Машиностроение, 1984. 408 с.

Иванина Е.С., Батышев К.А. Модернизация установки УВНК-8П для направленной кристаллизации отливок из Ni-жаропрочных сплавов. Литейное производство. 2017. No1. С. 34–36.

Денисов А, Савин В, Зеленцов А., Авдюхин С. Монокристаллические турбинные ло- патки. Газотурбинные технологии. Май-июнь 2000. С. 24–25.

Franke M.M., Hilbinger R.M., Lohmüller A., Singer R.F.The effect of liquid metal cooling on thermal gradients in directional solidification of superalloys: Thermal analysis. Journal of Materials Processing Technology. Vol. 213, Issue 12 Issue 12, December 2013, P. 2081– 2088. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.06.001

Наумик В.В., Бялик Г.А. Упрощенный метод контроля загрязненности жидко- металлического кристаллизатора. Вестник двигателестроения. 2006. No 4. С. 123–125.

Жеманюк П.Д, Яценко В.К., Рубель О.В., Орлов М.Р. Регламентация выбора КГО лопаток турбины, полученных методом направленной кристаллизации. Вестник двигателестроения. 2002. No 1. С. 157–164.

Гранкин С.С., Свердлов В.Я. Исследование градиента температуры на фронте кристаллизации монокристаллов Ni-W-сплавов. Вопросы атомной науки и техники. 2008. No 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (17). С. 162–165. http://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2008_1/article_2008_1_162.pdf

StanfordN.,DjakovicA.,ShollockB.,McLeanM.,D’SouzaN.,JenningsP.Seedingofsingle crystal superalloys — Role of seed melt-back on casting defects/2004, Scripta Materialia 50(1). P. 159–163. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2003.08.029

Konter M., Kats E., Hofmann N. Аnovel casting process for single crystal gas turbine components. Superalloys. 2000. P.189–200.

Krzysztof Kubiak, Dariusz Szeliga, Jan Sieniawski, Arkadiusz Onyszko, The Unidirectional Crystallization of Metals and Alloys (Turbine Blades). Handbook of Crystal Growth (Second Edition)2015, P. 413–457. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63303-3.00011-0

Jingying Xu a, Jinwu Kang b, Lele Zheng b c, Weimin Mao a, Jiwu Wang Numerical simulation of the directional solidification process with multi-shell mold being gradually immersed in water. Journal of Materials Research and Technology, Volume 19, July–August 2022, Pages 2705-2716. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.06.037

Pat. 6311760US, B22D27/04. Publ. 06.11.2001

Espacenet EP2921244A1. Method of the directional solidification of the castings of gas turbine blades and a device for producing the castings of gas turbine blades of the directional solidified and monocrystalline structure / A. Wiechczynski, M. Lisiewicz, J. Kwasnicka, and W. Kostrica. Application number EP 20150000675, 6.03.2015. Priority PL/13.03.14.