Раздел 2
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ КАЧЕСТВО формирования
внутренней полости в лопатках ГТД
2.1. Направления аналитических исследований
Учитывая, что керамический стержень является основным элементом, который
формирует параметры сложной по конструкции внутренней полости лопатки и от
качества выполнения которой зависят эффективность охлаждения лопатки и ее
ресурсные показатели, при выборе направлений аналитических исследований
остановились прежде всего на факторах, существенно влияющих на качество
формирования внутренней полости лопатки, а именно:
наличие системных дефектов в виде микротрещин;
влияние состава и свойств материала керамического стержня на целевое
обеспечение требуемых конструктивно-технологических параметров внутренней
полости лопатки;
выбор параметров стержня и пресс-формы для его изготовления, условия
прессования и термообработки стержня.
Предварительный количественный химический анализ лопаток с “трещинами
напряжения”, а также локальный рентгеноспектральный микроанализ поверхности
вскрытых трещин на приборах CAMEBAX и LINK не выявил каких-либо аномалий по
составу исследованных сплавов, а также наличия сегрегаций посторонних
химических элементов на поверхности дефектов. Поэтому наиболее вероятным
механизмом образования “трещин напряжения” предполагается разрушение сплава в
нижнем интервале температур охлаждения отливки полой лопатки в процессе
направленной кристаллизации вследствие различия коэффициентов термического
расширения жаропрочного сплава и керамического стержня, а также из-за выделения
по различным причинам водорода на этапах выщелачивания керамики и
макротравления.
Для оптимизации состава и свойств керамических стержней целесообразно построить
математическую модель многокомпонентной системы, функцией оклика которой будут
физико-механические свойства стержней (предел проч-ности на изгиб при t = 20°C
и t = 1500°C, плотность, пористость и водопоглощение), а в качестве входных
параметров – содержание компонентов в исходной стержневой массе (Al2O3 – g1% ,
SiO2 – g2%, Al – g3%). В связи с тем, что в данном случае сумма независимых
переменных (содержание компонентов смеси) отвечает условию нормированности, т.
е. равна 100%, или в кодированных переменных – 1,0, то целесообразно
планирование эксперимента осуществлять на диаграмме “состав–свойство”.
Стратегия построения такой модели представлена на рис. 2.1.
В основу стратегий на первом этапе было положено несколько предположений
(гипотез), в частности об отрицательной роли кварца и связанных с его
присутствием фазовых превращений [37, 78], а также о том, что окись хрома Cr2O3
при температуре заливки сплава 1600°C восстанавливается парами Al, и что этот
эффект нейтрализует в процессе заливки кристаллизации жаропрочного сплава
металлический алюминий, присутствующий в керамике.
Кроме того, было принято предположение, что повышение температуры обжига
стержней приводит к повышению механических свойств керамики и препятствованию
выделения водорода при нагреве в вакууме и выдержке при 1500°С.
Обработка и анализ результатов эксперимента на каждом этапе исследований
позволили проверить справедливость выдвинутых гипотез. В частности оказалось,
что гипотеза об отрицательной роли кварца оказалась ошибочной.
Как было отмечено выше, параметры стержня и пресс-формы для его изготовления,
условий прессования и термообработки стержня также влияют на качество
формирования внутренней полости лопатки. Поэтому в дальнейших исследованиях
особое внимание необходимо уделить исследованию свойств керамических стержней и
разработке виртуальных моделей стержня и пресс-формы с учетом всех особенностей
поведения материала стержня.
2.2. исследование природы образования трещин в отливках лопаток
2.2.1. Развитие трещин в условиях водородного охрупчивания
На основе анализа литературных данных [46, 24, 31, 46] и результатов
предварительных исследований можно предположить, что возможными причинами
выделения водорода могут быть:
активность алюминия, находящегося в составе керамического стержня и
жаропрочного сплава лопатки;
гидратация титана, при повышенных температурах;
электрохимическая коррозия гальванической пары Сu – (Fe, Ni);
гидролиз железа, входящего в состав металла автоклава, в щелочном электролите.
Проанализируем влияние каждой из названных причин [38].
Особенностью керамических стержней для литья охлаждаемых лопаток методом
направленной кристаллизации является наличие в составе стержней металлического
алюминия и его субокислов после операции обжига, что придает керамике серый
цвет. Свободный алюминий и его субокислы сохраняются в стержнях и после отливки
лопаток, что подтверждается серым цветом керамики в изломах литых лопаток со
стержнями.
Отрицательное влияние алюминия и его субокислов проявляется в увеличении объема
стержней в результате окисления остаточным кислородом, присутствующим в вакууме
печи УВНК-8П. Увеличение объема стержня создает дополнительные напряжения при
кристаллизации и остывании отливки.
Однако, наличие свободного алюминия в керамическом стержне имеет значительно
более отрицательное влияние по причине высокой химической активности этого
металла [46]. Особенностью алюминия является его способность вступать в
химические реакции, как с щелочами (при выщелачивании)
(2.1)
так и кислотами (при макротравлении), сопровождающиеся выделением водорода:
. (2.2)
Для никеля и его сплавов, в т. ч. для сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ, наличие
водорода имеет значительную опасность, так как существует вероятность
- Київ+380960830922