zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-5-34-41zldm-1670Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLИсследование влияния условий направленной кристаллизации на структуру литых лопаток из жаропрочных никелевых сплавовThe effect of conditions of directional crystallization on the structure of cast blades made of nickel superalloysВисикЕ. М.VisikE. M.

Елена Михайловна Висик

105005, Москва, ул. Радио, д. 17

Elena M. Visik

17, ul. Radio, Moscow, 105005

admin@viam.ruФилоноваЕ. В.FilonovaE.  V.

Елена Владимировна Филонова

105005, Москва, ул. Радио, д. 17

Elena V. Filonova

17, ul. Radio, Moscow, 105005

ЕчинА. Б.EchinA. B.

Александр Борисович Ечин

105005, Москва, ул. Радио, д. 17

Aleksandr B. Echin

17, ul. Radio, Moscow, 105005

ЧабинаЕ. Б.ChabinaE. B.

Елена Борисовна Чабина

105005, Москва, ул. Радио, д. 17

Elena B. Chabina

17, ul. Radio, Moscow, 105005

Всероссийский НИИ авиационных материалов (ВИАМ)РоссияAll-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials (VIAM)Russian Federation2022230520228853441Copyright © Висик Е.М., Филонова Е.В., Ечин А.Б., Чабина Е.Б., 20222022Висик Е.М., Филонова Е.В., Ечин А.Б., Чабина Е.Б.Visik E.M., Filonova E.V., Echin A.B., Chabina E.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1670

Характеристики газотурбинных двигателей зависят от структурного состояния материала лопаток турбины и во многом определяются технологией их изготовления. Поскольку к отливкам турбинных лопаток с монокристаллической структурой из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) предъявляют повышенные требования по макро- и микроструктуре, выявление специфических дефектов литья — важная задача для повышения качества отливок лопаток. В работе представлены результаты исследования влияния параметров направленной кристаллизации на морфологию дендритной структуры ЖНС и их склонность к образованию литейных дефектов монокристаллической структуры. Анализировали структуру сплавов в монокристаллических отливках лопаток, влияние технологических параметров на дисперсность структурных составляющих ЖНС при литье турбинных лопаток с осевой ориентацией <001> на установках с жидкометаллическим охлаждением. Установлено, что параметры дендритной ячейки отливки меняются по высоте от 220 до 330 мкм, объемная доля микропор — от 0,02 до 0,2 %. Методом электронно-зондового микроанализа выявлено, что фазовый и локальный элементный составы сплава в зонах пера лопатки и изолированных зернах идентичны. Появление изолированных зерен, нарушающих монокристаллическую структуру отливок, наблюдается при снижении скорости охлаждения ЖНС. Для повышения температурного градиента и снижения вероятности формирования перед фронтом кристаллизации посторонних кристаллов в отливках предложены оптимизированные температурно-скоростные режимы литья и направленной кристаллизации. Полученные результаты могут быть использованы при разработке температурно-скоростных параметров процесса направленной кристаллизации лопаток перспективных турбин из новых жаропрочных сплавов.

The characteristics of gas turbine engines depend on the structural state of the material of the turbine blades and are largely determined by the technology of their manufacture. Identification of the specific defects of casting is an important goal aimed at improving the quality of blade castings since the castings of turbine blades with a monocrystalline structure made of high-alloyed nickel superalloys (NS) are subject to increased requirements for macro- and microstructure. We present the results of studying the effect of directional crystallization parameters on the morphology of the dendritic structure of NS and their tendency to form casting defects of the single-crystal structure. The structure of alloys in single-crystal blade castings and the effect of technological parameters on the dispersion of the structural components of NS were analyzed upon casting of turbine blades with <001> axial orientation on installations with liquid-metal cooling. It is shown that the parameters of the dendritic cells of castings vary in height from 220 to 330 μg and volume fraction of micropores changes from 0.02 to 0.2%. Electron probe microanalysis revealed that the phase and local elemental compositions of the alloy in the areas of the blade tip and isolated grains are identical. The appearance of isolated grains that violate the monocrystalline structure of castings is observed when the rate of NS cooling decreases. To increase the temperature gradient and reduce the probability of formation of extraneous crystals in castings ahead of the crystallization front, optimized temperature-speed modes of casting and directional crystallization are proposed. The obtained results can be used in the development of temperature-velocity parameters of the process of directional crystallization of blades of promising turbines made of new superalloys.

жаропрочные никелевые сплавынаправленная кристаллизациямонокристаллические лопаткимикроструктураnickel superalloysdirectional crystallizationmonocrystalline bladesmicrostructureReferencesКаблов Е. Н., Герасимов В. В., Висик Е. М., Демонис И. М. Роль направленной кристаллизации в ресурсосберегающей технологии производства деталей ГТД / Труды ВИАМ. 2013. № 3. Ст. 01.Kablov E. N., Gerasimov V. V., Visik E. M., Demonis I. M. The role of directed crystallization in the resource-saving technology of production of GTD parts / Tr. VIAM. 2013. N 3. Art. 01 [in Russian].Miller J. D., Chaput K. J., Lee D. S., Uchic M. D. Application and Validation of Directional Solidification Model Dendritic Morphology Criterion For Complex Single Crystal Castings. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2016. P. 229 – 236.Miller J. D., Chaput K. J., Lee D. S., Uchic M. D. Application and Validation of Directional Solidification Model Dendritic Morphology Criterion For Complex Single Crystal Castings. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2016. P. 229 – 236.Литые лопатки газотурбинных двигателей. Сплавы, технологии, покрытия / Под ред. Каблова Е. Н. — М.: Наука, 2006. — 632 с.Cast blades of gas turbine engine. Alloys, technologies, coatings. — Moscow: Nauka, 2006 [in Russian].Флемингс М. Процессы затвердевания. — М.: Мир, 1977. — 423 с.Flemings M. Solidification processes. — Moscow: Mir, 1977. — 423 p. [Russian translation].Kurz W., Fisher D. Fundamentals of Solidification. — Trans. Tech. Publications. Switzerland, 1998.Kurz W., Fisher D. Fundamentals of Solidification. — Trans. Tech. Publications. Switzerland, 1998.Петрушин Н. В., Висик Е. М., Елютин Е. С. Усовершенствование состава и структуры литейного жаропрочного никелевого сплава с малой плотностью. Ч. 2 / Труды ВИАМ. 2021. № 3(97). Ст. 01. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-4-3-15Petrushin N. V., Visik E. M., Elyutin E. S. Improvement of the composition and structure of the foundry heat-resistant nickel alloy with low density. P. 2 / Tr. VIAM. 2021. N 3(97). Art. 01 [in Russian]. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-4-3-15Brundidge C. L., Pollock T. M. Processing to Fatigue Properties: Benefits of High Gradient Casting for Single Crystal Airfoils. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2012. P. 379 – 383.Brundidge C. L., Pollock T. M. Processing to Fatigue Properties: Benefits of High Gradient Casting for Single Crystal Airfoils. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2012. P. 379 – 383.Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» / Авиационные материалы и технологии. 2015. № 1. С. 3 – 33. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33Kablov E. N. Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC RF on the implementation of «Strategic directions for the development of materials and technologies of their processing for the period up to 2030» / Aviats. Mater. Tekhnol. 2015. N 1. P. 3 – 33 [in Russian]. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33Герасимов В. В., Висик Е. М., Колядов Е. В. О неиспользованных резервах направленной кристаллизации в повышении эксплуатационных характеристик деталей ГТД и ГТУ / Литейное производство. 2013. № 9. С. 30 – 32.Gerasimov V. V., Visik E. M., Kolyadov E. V. About unused reserves of directed crystallization in improving the performance characteristics of parts of GTE and GTU / Lit. Proizv. 2013. N 9. P. 30 – 32 [in Russian].Курц В., Зам П. Направленная кристаллизация эвтектических сплавов. — М.: Металлургия, 1980. — 272 с.Kurts V., Zam P. Directed crystallization of eutectic alloys. — Moscow: Metallurgiya, 1980. — 272 p. [in Russian].Каблов Е. Н., Герасимов В. В., Висик Е. М. Крупногабаритные лопатки ГТУ с направленной и монокристаллической структурой / Авиационные материалы и технологии. 2003. № 1. С. 45 – 53.Kablov E. N., Gerasimov V. V., Visik E. M. Large-sized GTU blades with directional and single-crystal structure / Aviats. Mater. Tekhnol. 2003. N 1. P. 45 – 53 [in Russian].Колядов Е. В., Межин Ю. А. Автоматизация технологического процесса получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов на установках типа УВНК / Труды ВИАМ. 2016. № 4 Ст. 04. DOI:10.18577/2307-6046-2016-0-4-4-4Kolyadov E. V., Mezhin Yu. A. Automation of the technological process of obtaining monocrystalline castings from heat-resistant alloys at UVNK type installations / Tr. VIAM. 2016. N 4. Art. 04 [in Russian]. DOI:10.18577/2307-6046-2016-0-4-4-4Герасимов В. В. От монокристаллических неохлаждаемых лопаток к лопаткам турбин с проникающим (транспирационным) охлаждением, изготовленным по аддитивным технологиям (обзор по технологии литья монокристаллических лопаток ГТД) / Труды ВИАМ. 2016. № 10. Ст. 01. DOI:10.18577/2307-6046-2016-0-10-1-1Gerasimov V. V. From single-crystal uncooled blades to turbine blades with penetrating (transpiration) cooling, manufactured using additive technologies (review on the technology of casting single-crystal blades of GTE) / Tr. VIAM. 2016. N 10. Art. 01 [in Russian]. DOI:10.18577/2307-6046-2016-0-10-1-1Franke M., Hibinger M., Heckl A., Singer R. Effect of Thermophysical Properties and Processing Conditions on Primary Dendrite Arm Spacing of Nickel-Base Superalloys – Numerical Approach / Advanced Materials Research. 2011. Vol. 278. P. 156 – 161. DOI:10.4028/www.scentific.net/AMR.278Franke M., Hibinger M., Heckl A., Singer R. Effect of Thermophysical Properties and Processing Conditions on Primary Dendrite Arm Spacing of Nickel-Base Superalloys – Numerical Approach / Adv. Mater. Res. 2011. Vol. 278. P. 156 – 161. DOI:10.4028/www.scentific.net/AMR.278Elliot A. J., Karney G. B., Pollock T. M., Gigliotti M. F. X. Issue in Processing by the Liquid-Sn Assisted Directional Solidification Technique. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2004. P. 421 – 445.Elliot A. J., Karney G. B., Pollock T. M., Gigliotti M. F. X. Issue in Processing by the Liquid-Sn Assisted Directional Solidification Technique. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 2004. P. 421 – 445.Каблов Е. Н., Оспенникова О. Г., Петрушин Н. В., Висик Е. М. Монокристаллический жаропрочный никелевый сплав нового поколения с низкой плотностью / Авиационные материалы и технологии. 2015. № 2(35). С. 14 – 25. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-2-14-25Kablov E. N., Ospennikova O. G., Petrushin N. V., Visik E. M. Monocrystalline heat-resistant nickel alloy of a new generation with low density / Aviats. Mater. Tekhnol. 2015. N 2(35). P. 14 – 25 [in Russian]. DOI:10.18577/2071-9140-2015-0-2-14-25McLean M. Directionally Solidified Materials for High Temperature Service. — London: Metals Society, 1983.McLean M. Directionally Solidified Materials for High Temperature Service. — London: Metals Society, 1983.Светлов И. Л., Кулешова Е. А., Монастырский В. П. и др. Влияние направленной кристаллизации на фазовый состав и дисперсность дендритной структуры никелевых сплавов / Известия АН СССР. Металлы, 1990. № 1. С. 86 – 93.Svetlov I. L., Kuleshova E. A., Monastyrsky V. P., et al. The effect of directed crystallization on the phase composition and dispersion of the dendritic structure of nickel alloys / Izv. AN SSSR. Metally. 1990. N 1. P. 86 – 93 [in Russian].Колядов Е. В., Рассохина Л. И., Висик Е. М., Герасимов В. В., Филонова Е. В. Исследование монокристаллических рабочих турбинных лопаток из сплава ЖС32 с перспективной системой охлаждения / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018. Т. 84. № 10. С. 35 – 40.Kolyadov E. V., Rassokhina L. I., Visik E. M., Gerasimov V. V., Filonova E. V. Investigation of single-crystal working turbine blades made of alloy ZhS32 with a promising cooling system / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2018. Vol. 84. N 10. P. 35 – 40 [in Russian].Pollock T. M., Murphy W. H. Grain Defect Formation Directional Solidification Nickel Base Single Crystals. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 1992. P. 123 – 134.Pollock T. M., Murphy W. H. Grain Defect Formation Directional Solidification Nickel Base Single Crystals. — Superalloys. Minerals, Metals & Materials Society. 1992. P. 123 – 134.Колядов Е. В., Герасимов В. В. Влияние приведенного размера отливки на осевой градиент температуры и макроструктуру отливок при направленной кристаллизации на установке УВНК-15 / Авиационные материалы и технологии. 2014. № 3. С. 3 – 9. DOI:10.18577/2071-9140-2014-0-3-3-9Kolyadov E. V., Gerasimov V. V. Influence of the reduced casting size on the axial temperature gradient and macrostructure of castings during directed crystallization at the UVNK-15 installation / Aviats. Mater. Tekhnol. 2014. N 3. P. 3 – 9 [in Russian]. DOI:10.18577/2071-9140-2014-0-3-3-9Чабина Е. Б., Алексеев А. А., Филонова Е. В., Лукина Е. А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов / Всерос. конф. по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат-2013»: сб. докл. — М., 2013. С. 32 – 37.Chabina E. B., Alekseev A. A., Filonova E. V., Lukina E. A. Application of analytical microscopy and X-ray diffraction analysis methods for the study of the structural-phase state of materials / All-Russian conference on testing and research of the properties of materials «TestMat-2013»: a collection of reports. — Moscow, 2013. P. 32 – 37 [in Russian].Кузьмина Н. А., Петрушин Н. В., Висик Е. М., Еремин Н. Н., Наприенко С. А. Применение метода Лауэ для исследования структуры образца никелевого жаропрочного сплава, разрушенного в процессе механической обработки / Труды ВИАМ. 2020. № 10. Ст. 01. DOI:10.18577/2307-6046-2020-0-10-3-12Kuzmina N. A., Petrushin N. V., Visik E. M., Eremin N. N., Naprienko S. A. Application of the Laue method to study the structure of sample nickel heat-resistant alloy destroyed during machining / Tr. VIAM. 2020. N 10. Art 01 [in Russian]. DOI:10.18577/2307-6046-2020-0-10-3-12

The authors declare that there are no conflicts of interest present.