ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ Л.Н. ГУМИЛЕВ АТЫНДАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
Студенттер мен жас ғалымдардың
«Ғылым және білім - 2014»
атты IX Халықаралық ғылыми конференциясының БАЯНДАМАЛАР ЖИНАҒЫ
СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ
IX Международной научной конференции студентов и молодых ученых
«Наука и образование - 2014»
PROCEEDINGS
of the IX International Scientific Conference for students and young scholars
«Science and education - 2014»
2014 жыл 11 сәуір
Астана
УДК 001(063) ББК 72
Ғ 96
Ғ 96
«Ғылым және білім – 2014» атты студенттер мен жас ғалымдардың ІХ Халықаралық ғылыми конференциясы = ІХ Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Наука и образование - 2014» = The IX International Scientific Conference for students and young scholars «Science and education - 2014».
– Астана: http://www.enu.kz/ru/nauka/nauka-i-obrazovanie/, 2014. – 5830 стр.
(қазақша, орысша, ағылшынша).
ISBN 978-9965-31-610-4
Жинаққа студенттердің, магистранттардың, докторанттардың және жас ғалымдардың жаратылыстану-техникалық және гуманитарлық ғылымдардың өзекті мәселелері бойынша баяндамалары енгізілген.
The proceedings are the papers of students, undergraduates, doctoral students and young researchers on topical issues of natural and technical sciences and humanities.
В сборник вошли доклады студентов, магистрантов, докторантов и молодых ученых по актуальным вопросам естественно-технических и гуманитарных наук.
УДК 001(063) ББК 72
ISBN 978-9965-31-610-4 © Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық
университеті, 2014
3430
Список использованных источников
1. J.C. Hulteen, C.R. Martin. A general template-based method for the preparation of nanomaterials. // J. Mater. Chem. 1997, V.7, p.1075
2. S.K. Chakarvarti, J. Vetter. Template Synthesis – a membrane based technology for generation of nano-/micro materials: a review. // Radiation Measurmaents, 1998, V.29, p.149-159.
3. L.Piraux, S,Dubous, S.Demoustier-Champagne. Template synthesis of nanoscale materials using the membrane porosity. // Nuclear Instr. Meth. Phys. Res.1997, V.B 131, p.357
4. D. Fink, A.V. Petrov, V. Rao et al. Production parameters for the formation of metallic nanotubules in etched tracks. // Rad.Meas. 2003, v. 36, p 751.
5. Тавгер Б.А. Квантовые размерные эффекты в полупроводниковых и полуметаллических пленках / Б.А. Тавгер, В.Я. Демиховский // Успехи физических наук. – 1968. – Т.96, №1. – С.61
6. Veena Gopalan E., Malini K.A., Santhoshkumar G. et. al. Template-Assisted Synthesis and Characterization of Passivated Nickel Nanoparticles. // Nanoscale Res Lett. 2010, v5, p.889–897
УДК 669.245.018.044:620.193.53
ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ, ОБРАБОТАННЫХ ПОРОШКОВЫМИ МОДИФИКАТОРАМИ
Юхименко Анастасия Евгеньевна [email protected]
Аспирант Днепропетровского национального университета имени Олеся Гончара Научный руководитель – проф. Калинина Н.Е.
Литейные никелевые сплавы в настоящее время являются широко распространенными жаропрочными сплавами во всем мире. Проблема упрочнения многокомпонентных сплавов на основе никеля особенно важна для ответственных изделий машиностроения, авиационной и космической техники. Изделия должны обладать комплексом механических характеристик, высокой прочностью, надежностью и эксплуатационными свойствами. В авиации и турбостроении применяют жаропрочные многокомпонентные никелевые сплавы, которые должны иметь структурную термостабильность, высокую жаропрочность, длительную прочность. Метод точного литья позволяет получить из этих сплавов детали самой сложной конфигурации. Однако жаропрочные сплавы обладают и недостатками, самыми существенными из которых являются: склонность сплавов к плѐнообразованию и малая пластичность. Окисные плены, основу которых составляют оксиды и нитриды Аl и Тi, образуются в результате соприкосновения жидкого металла с воздухом. Плѐны, попавшие в отливку снижают еѐ пластичность, прочность и являются очагом для начала разрушения детали при работе в условиях высоких температур и больших напряжений. Любые технологические методы по борьбе с плѐнообразованием при выплавке при атмосферном давлении не дают положительных результатов (щелевая заливка, фильтры, сифонная заливка). Применение вакуумного литья открыло новые возможности – плавки в вакууме дали возможность выдержать содержание Тi и Аl в сплаве в узких пределах. При этом, если шихта изготавливалась в вакууме, то жаропрочность сплава возрастала вдвое по сравнению с применением шихты, изготовленной при атмосферном давлении. Увеличение жаропрочности объясняется стабилизацией химического состава по Тi и Аl, чистотой границ зерен, уменьшением вредных примесей Мn и Рb и резким уменьшением растворенных газов.
3431
Эффективным способом измельчения структурных составляющих сплавов на макро- и микроуровнях является обработка многокомпонентных сплавов дисперсными модификаторами. В последнее десятилетие интерес к этой проблеме существенно возрос, так как было установлено, что уменьшение размера кристаллов ниже некоторой пороговой величины может радикально изменять свойства металлов и сплавов [1-3]. Такие эффекты проявляются, если средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, а наиболее четко наблюдается при размере зерен менее 10 нм. В связи с этим, одним из актуальных научно-технических направлений получения высокопрочных сплавов является модифицирование нанодисперсными композициями.
В данной работе рассмотрена технология литья жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ, модифицированного нанодисперсными композициями. Сплав применяют для литья диска турбины жидкостных ракетных двигателей и рабочих лопаток газотурбинных двигателей.
В качестве шихты для отливок из сплава ЖС3ДК-ВИ применяли 100% мерной заготовки (лигатуры), изготовленной в вакуумной печи из: - чушек готового сплава ЖС3ДК- ВИ – 25…30%; - вакуумного возврата сплава ЖС3ДК-ВИ – до 55%; - некондиционных отходов сплава ЖС3ДК-ВИ промышленного производства – до 20%.
Условия работы лопаток газотурбинных авиационных двигателей нового поколения становятся все более напряженными в связи с повышением температуры газа на входе в турбину, увеличением скорости полета, ресурса и цикличности работы двигателя. Эти экстремальные условия требуют применения перспективных материалов с принципиально новой структурой и свойствами, отличными от традиционных материалов [4].
Задача материаловедения заключается в создании современных жаропрочных сплавов со стабильной структурой, способных работать при высоких температурах и напряжениях.
Задачей данной работы является повышение прочностных характеристик многокомпонентных никелевых сплавов системы Ni-Cr-Al-Ti-Mo-W-Co обработкой нанодисперсными композициями, полученными методом плазмохимического синтеза.
Материалом исследования служил литейный жаропрочный никелевый сплав типа ЖС, применяемый для изготовления рабочих лопаток газотурбинного двигателя [5] (табл. 1).
Таблица 1 Химический состав исследуемого жаропрочного никелевого сплава
Марка сплава Содержание химических элементов, % мас.
Ni Al Ti Cr Mo W Co C
ЖС3ДК-ВИ Основа 4,0-4,8 2,5-3,2 11,0-12,5 3,8-4,5 3,8-4,5 8,0-10,0 0,06-0,11 С целью упрочнения исследуемых сплавов, в работе предложено модифицирование расплавов [6]. Модификатором никелевого сплава выбран нанодисперсный порошок карбонитрида титана Ti(C,N), полученный методом плазмохимического синтеза [7]. Выбор модификаторов осуществляли исходя из принципа размерного и кристаллографического соответствия с матрицей сплавов, размер частиц модифицирующего комплекса составлял 50…100 нм [8].
В вакуумной индукционной печи УППФ-3М шихту расплавляли в основном тигле и расплав нагревали до температуры 1600±20 оС. Выплавку сплава и заливку форм производили в условиях вакуума 5·10-2…1·10-3 мм рт. ст. В жидкий металл за 3...5 минут до слива вводили через загрузочное устройство наночастицы карбонитрида титана в виде таблеток массой 10 г. Равномерность распределения наночастиц в объеме расплава обеспечивалась его индукционным перемешиванием в тигле. При остаточном давлении в печи 0,665 Па и температуре 1590±10 оС металл заливали в нагретые до 800 оС электрокорундовые керамические формы для получения отливок.
Механизм действия модификаторов в никелевом расплаве заключается в зарождении многочисленных первичных кристаллов матричной фазы на поверхностях вводимых
3432
наночастиц. Наномодификатор на основе Ti(C,N) диспергирует дендриты первичного аустенита.
Исследование макроструктуры лопаток никелевого сплава до модифицирования показало крайнюю неоднородность по сечению. Исходные образцы имели крупнокристаллическую структуру с размером зерен 5…8 мм. Образцы из модифицированных лопаток характеризовались однородной, мелкозернистой структурой с размером зерен до 1 мм. Таким образом, в результате модифицирования средний размер зерна уменьшился в 5…8 раз.
В немодифицированных образцах присутствуют крупные включения, расположенные по границам зерен. В модифицированных образцах включения значительно дисперснее и располагаются как по границам зерен, так и внутризеренно, способствуя упрочнению.
Формирование при модифицировании упрочненного никелевого твердого раствора и более развитой зернограничной структуры привело к повышению комплекса механических свойств модифицированного сплава. Достигнуто значительное повышение прочностных и пластических свойств сплава ЖС3ДК-ВИ: ϬВ повышен на 8…10 %; Ϭ0,2 – на 10…13 %; δ – на 19…21 %; показатель KCU резко увеличился на 44%.
Поскольку детали из никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ работают при высоких температурах длительное время, основной эксплуатационной характеристикой является длительная прочность. Образцы с модифицированием и без подвергали стендовым испытаниям на АО «Мотор Сич» на длительную прочность при температуре 850оС. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Рис. 1. Механические свойства жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ до и после модифицирования (М – модифицированный сплав).
Таблица 2 Результаты длительных испытаний на жаропрочность никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ
Состояние сплава Номер
образца Напряжение,
МПа Выдержка, часов
Немодифицированный 1 350 393 часа 55 минут
2 370 294 часа 5 минут
3 410 95 часов 15 минут
Модифицированный
1 350 422 часа 40 минут
2 370 310 часов 15 минут
3 410 124 часа 25 минут
После испытаний на длительную прочность существенно изменяется морфология частиц γ'-фазы. При высоких температурах в полях напряжений происходит специфическая коагуляция этих частиц. Первоначально кубоидные частицы превращаются в пластины или стержни, грани которых параллельны плоскости образца [4,9].
Распределение легирующих и модифицирующих элементов в структурных составляющих сплавов определяли методом микрорентгеноспектрального анализа на многоцелевом растровом микроскопе JSM-6360LA.
3433
Для подтверждения эффективности действия Ti(C,N) как наномодификатора проведен микрорентгеноспектральный анализ образцов сплава ЖС3ДК-ВИ. В немодифицированных образцах количество Ti и С соответствует их содержанию в сплаве, содержание N не обнаружено. В модифицированных образцах обнаружен всплеск интенсивностей Ti, C и N, что подтверждает модифицирующий эффект соединения Ti(C,N) (рис. 2).
а б
Рис. 2. Микроструктура модифицированного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ, х 15000 (а), график распределения интенсивности характеристического излучения элементов (б).
Микрорентгеноспектральным анализом доказана усвояемость комплексного модификатора на основе карбонитрида титана жаропрочным никелевым сплавом ЖС3ДК- ВИ.
Выводы
С целью повышения комплекса механических и эксплуатационных свойств предложен технологический процесс обработки никелевого расплава модифицирующим комплексом на основе Ti(C,N) для исследуемого жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ.
Гранулометрический состав нанопорошков составлял 50…100 нм. Проведено опытно- промышленное опробование модифицирования никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ. При кристаллизации отливки, наночастицы карбонитрида титана, специально введенные в расплав, служили дополнительными центрами кристаллизации, что способствовало формированию более мелкой зеренной структуры. В результате модифицирования получена однородная структура с включениями интерметаллидных фаз как по границам, так и внутри зерен. Средний размер зерна модифицированного сплава ЖС3ДК-ВИ уменьшился в 5…8 раз и составил ≈ 0,1…1 мм.
Вследствие формирования однородной мелкозеренной структуры значительно повысился комплекс механических и эксплуатационных свойств жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ. Достигнуто повышение комплекса механических и пластических свойств относительно немодифицированного сплава: ϬВ увеличился на 8…10%; Ϭ0,2 – на 10…13%; δ – на 19…21%; показатель KCU резко увеличился на 44%. После модифицирования произошло существенное повышение длительной прочности. В зависимости от напряжения при испытаниях, показатель длительной прочности модифицированного сплава ЖС3ДК-ВИ повысился на 6…30%.
Список использованных источников
1. Семенченко В.К. Поверхностные явления в металлах и сплавах / В.К. Семенченко. – М.:
Гостехиздат, 1967. – 491 с.
2. Сабуров В.П. Совершенствование технологических процессов при производстве отливок / В.П. Сабуров. – Сб. науч. трудов. – Омск: ЗМИ, 1987. – С. 26-32.
3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии / А.И. Гусев. – М.:
Физматлит, 2005. – 416 с.
4. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей / Е. Н. Каблов. – М.: МИСИС, 2001. – 631 с.
3434
5. Калинина Н.Е. Особенности наномодифицирования многокомпонентных никелевых сплавов / Н.Е. Калинина, А.Е. Калиновская, В.Т. Калинин // Авиационно-космическая техника и технология. – 2012. – №7(94). – С. 23-26.
6. Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. –М.:
Металлургия, 1970. – 868 с.
7. Патент України № 82163, МПК С22С 19/03 Комплексний наномодифікатор нікелевих сплавів / Н.Є. Калініна, А.Є. Калиновська, В.Т. Калінін, З.В. Віліщук, Т.В. Носова. – № u 2013 00612; заявл. 17.01.2013; опубл. 25.07.2013, Бюл. № 14. – 4 с.
8. Наноматериалы и нанотехнологии: получение, строение, применение. Монография / Н.Е.
Калинина, В.Т. Калинин, З.В. Вилищук. – Дн-вск, 2012. – 192 с.
9. Голубовский Е.Р. Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов / Е.Р.
Голубовский, И.Л. Светлов // Проблемы прочности. – 2002. – № 2. – С.5-19.
