Газовотурбинная установка

Сплав ВТЗ-1 системи Ti-Al-Mo-Cr-Fe-Si відноситься  до високоміцним (а + b)-сплавам мартенситного  класу. Алюміній у сплаві ВТЗ-1 упрочняє а-і b-фази і зменшує щільність  сплаву. Евтектоідообразующіе b-стабілізатори  хром, залізо і кремній упрочняют  а-і b-фази і підвищують міцність і  жароміцність властивості при помірних температурах. Молібден не тільки збільшує міцності і жароміцності властивості  сплаву, але і ускладнює евтектоїдной розпад b-фази, підвищуючи термічну стабільність. Сплав добре деформується в гарячому стані; із нього одержують катані, пресовані та ковані прутки, катані і пресовані профілі, різні поковки і штамповки, смуги, плити, раскатні кільця, в дослідному порядку - труби. Сплав задовільно зварюється усіма видами зварювання, застосовуваними для титану. Після зварювання необхідно проводити відпал для відновлення пластичності зварного з'єднання.

Переваги сплаву ВТ3-1:

1. Цей сплав дешевше  ніж ВТ8 та ВТ14 через більш просту термічну обробку та меншу кількість легуючих елементів.

2. Всі характеристики  механічних властивостей сплаву задовольняють вимогам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Характеристика обраного матеріалу.

В розділі 3 було для виготовлення лопатки обрано титановий сплав

 ВТ3-1, хімічний склад якого наведений в таблиці 3.1.

Титан належить до тугоплавких  елементів (Т_пл=1668°С). Має дві поліморфні модифікації α–Ті (ГЩП), що є стійким до 882°С, та β–Ті (ОЦК), що існує при температурах вище 882°С. Із збільшенням кількості домішок міцність Ті зростає, пластичність – зменшується. Шкідливі домішки для чистого Ті є вуглець, кисень, водень, азот. Ті – корозійностійкий метал, який утворює на поверхні щільну окисну плівку. Наявність домішок зменшує опір корозії.

Титан легують наступними елементами: Al, Mo, Mn, Cr, Sn, Zr, Nb, V. Легування  Ті проводиться для покращення механічних властивостей та рідше для підвищення корозійної стійкості.

В залежності від впливу на поліморфізм Ті все легуючі  елементи поділяють на 3 основні  групи:

1. До першої групи належать елементи, що сприяють розширенню α–області. Ці елементи - α–стабілізатори (Al, Ga, B, C, N, Zn), вони підвищують температуру поліморфного перетворення.
2. Друга група елементів – β-стабілізатори (Mo, V, Mn, Cr, Fe, Ni, Si, Ta, Co, Nb). Ці елементи знижують температуру поліморфного перетворення, збільшують обсяг    β-області.
3. До третьої групи відносять нейтральні елементи, що не впливають на температуру поліморфного перетворення: Gf, Zr, Sn, Ge.

За характером взаємодії  з титаном легувальні елементи поділяють  на групи:

1. Елементи, що знаходяться в α-твердому розчині в ГЩП гратці α-Ті (переважно Al;  Sn, Zr та невелика кількість V, Nb, Ta, Ag при вмісті ≥2,5%)
2. Елементи, що знаходяться в твердому розчині β-стабілізаторів в OЦК гратці Ті (Al, Cr, Mo, Fe)
3. Елементи, що утворюють інтерметалідні сполуки Ті₃Al (α₂ – фаза) та TiAl (γ – фаза)
4. Елементи, що утворюють карбіди.

                                      а)                                                             б)

Рис. 4.1 – Діаграми стану  сплавів на основі титану: а) – підвищують температуру α↔β перетворення, б) – знижують

Жароміцні властивості титанових  сплавів забезпечують 2 шляхами: а) багатокомпонентним легуванням твердих розчинів та б) формуванням  високодисперсних виділень інтерметалідів.

Рис. 4.2 – Вплив легуючих елементів на механічні властивості  Ті

Майже всі промислові Ті сплави леговані Al, тому система Ті – Аl має важливе значення. В  системі Ті – Аl утворюються 2 інтерметаліди Ti₃Al (α₂-фаза) та TiAl (γ-фаза). Гаряча деформація Ті – Аl сплавів можлива при 13% Аl; при більш високому вмісті Аl (15,8% в сплаві Ті₃Аl) утворення впорядкованої α₂ – фази перешкоджає деформації.

Рис. 4.3 – Діаграма стану  системи Ті – Аl

Розчинність алюмінію в α-Ті зменшується зі зниженням температури  та складає 10, 9 та 7% (мас.) при температурах 900, 800 та 600°С відповідно.

 

В області концентрації приблизно  до 7% міцність підвищується зі збільшенням  вмісту Al та у іодідного Ті приблизно  подвоюється. Швидке зростання міцності спостерігається при вмісті алюмінію вище 4%. Це пояснюється починанням упорядкування  в α-фазі. Відносне видовження, поперечне  звуження та холододеформуємість знижуються з підвищенням вмісту алюмінію. У  Ті – Al  сплавах з іодидного  Ті після 30% холодної деформації при  вмісті 7,4% Al спостерігається схильність до утворення тріщин. З додаванням Al в Ті сплави незначно знижується ударна в′язкість, збільшується твердість  з підвищенням вмісті алюмінію.

Зміцнююча дія олова вища за алюміній. Додавання цирконію або  гафнію також підвищують міцність Ті. Повна розчинність цирконію та гафнію в твердому стані дозволяє в обох випадках вводити значну кількість  легуючих добавок, не знижуючи відносне видовження.

 

Цирконій збільшує розчинність  β-стабілізаторів в α-фазі, що створює  можливість додаткового розчинного зміцнення жароміцних α-сплавів. Сприятливий  вплив молібдену та вольфраму  на жароміцність Ті пов'язане з великим  параметром невідповідності модулів  зсуву та малою дифузійною рухомістю  цих елементів. Ванадій, тантал, срібло, молібден та ніобій, розчинність яких в α – фазі дорівнює або не перевищує 2,5%, підвищують міцність.

Кисень стабілізує α-фазу, підвищує температуру поліморфного перетворення та добре розчиняється в α-титані. (рис. 4.6). Кисень істотно  підвищує тимчасовий опір розриву      (рис. 4.7), межу плинності та твердість  титану. В області малих концентрацій (до 0,2% по масі) кожна сота доля відсотка кисню підвищує тимчасовий опір розриву  и межу плинності Ті приблизно  на 12,5 МПа. Кисень знижує пластичні  властивості Ті в області малих  концентрацій (до 0,2%), в інтервалі 0,2…0,5% (за масою) порівняно мало впливає  на пластичність, причому вона залишається  на задовільному рівні, але при більш  високому його вмісті (більш за 0,7%) Ті повністю втрачає здатність к  пластичній деформації. 

Рис. 4.6 – Діаграма стану  системи Ті – О

Рис. 4.7 – Вплив кисню, азоту та вуглецю на тимчасовий опір розриву та відносне видовження Ті.

Азот, як і кисень, стабілізує α-фазу, сильно підвищує температуру  двофазної  (α+β)-області (рис. 4.8). Максимальна  розчинність азоту в α-фазі складає 6,85%; зі зниженням температури розчинність  азоту сильно зменшується. Азот зміцнює  Ті в більшій мірі, ніж кисень. (рис. 4.7)

Рис. 4.8 – Діаграма стану  Ті - N

Вуглець внаслідок малої  розчинності в α-Ті незначно підвищує міцність. При однаковому вмісті 1% кисень підвищує твердість втричі більше за залізо.

Кремній створює силіциди, склад яких залежить від складу сплаву та режимів термічної обробки: Ti₅Si в сплавах Ti – Si; (Ti, Zr)₅Si₃ в сплавах Ti–Al–Zr–Mo–Si; (Ti,Zr)₅(Si,Sn)₃ в сплавах Ti–Al–Zr– Sn –Si. Силіциди кремнію не надають зміцнюючої дії.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Розробка режимів та технології термічної обробки

 

Технологія термічної  обробки – складова частина технологічного процесу виготовлення виробу, яка  забезпечує отримання необхідної структури, механічних та експлуатаційних властивостей, якості цього виробу.

Оптимальними режимами зміцнювальної термічної обробки з урахуванням ресурсу 6000 год є: для сплаву ВТ3-1 гарт в воду з температури 850 – 880° З повагою та наступне старіння при 550° З протягом п'яти год з охолодженням надворі.

Провели дослідження з впливу зміцнювальної термічної обробки на механічні властивості і структуру сплаву ВТ3-1 при температурах 300, 400, 450° З для сплаву ВТ8 за 100, 500 і 2000 год, і навіть на термічну стабільність після витримки до 2000 ч.

 Ефект зміцнення від термічної  обробки при короткочасних випробуваннях  сплаву ВТ3-1 зберігається до 500°  З повагою та становить 25 –  30% по порівнянню з ізотермічним відпалом, а при 600° З межа міцності загартованого і зістареного матеріалу дорівнює межі міцності відпаленого матеріалу.

 Застосування зміцнювального режиму термічної обробки також підвищує і межі тривалої міцності за 100 год на 30% при 300° З, на 25% при 400° З і 15% при 450° С.

 Зі збільшенням ресурсу від  100 до 2000 год тривала міцність  при 300° З майже змінюється  як після изотермічного відпалу, і після гарту й старіння. При 400° З загартований і зістаренный матеріал зміцнюється в більшою мірою, ніж відпаленний. Проте абсолютну значення тривалої міцності за 2000 год у загартованих і зістаренных зразків вище, ніж в відпалених. Найрізкіше знижується тривала міцність при 450° З, і за випробуванні протягом 2000 год переваг від термічного зміцнення не залишається.

Зміцнювальна термообробка титанових  сплавів складається з гартування та старіння. Оптимальні температури гартування визначаються природою метастабільних фаз. Якщо при гартуванні a..-фаза не утворюється температура нагрівання має забезпечувати при гартуванні фіксування a+b – структури з максимальною кількістю метастабільної b-фази (Тгарт. наближається до Ткрит.). В іншому випадку, температура гартування може бути вищою за Ткрит., але не повинна перевищувати Ас3. Структура після гартування в цьому випадку складається з a+a..+b. Така різниця пов’язана із різною ефективністю зміцнення при розпаді a.- та a..- фаз (розпад a..- фази супроводжується інтенсивним зміцненням). Псевдо-b-сплави гартують з температур дещо вище Ас3.

Старіння рекомендують проводити  при температурах 500-600°С,

це дозволяє уникати появи w-фази, зміцнення пов’язане із виділенням

дисперсної a-фази. Якщо w-фаза не утворюється  або її кількість незначна старіння можливе при 450-500°С. Для титанових  сплавів застосовують ХТО: азотування та оксидування. Ці операції підвищують опір зносу, міцність до втоми, корозійну стійкість та жаростійкість. Основним недоліком є висока крихкість поверхневих шарів, що підвищує чутливість до надрізів та тріщин. Азотування проводять при 850-950°С в атмосфері азоту із додаванням аргону (парціальний тиск 0,5-4 кПа), рідше – в аміаку. Добре азотуються ВТ4, ВТ5, ВТ8, ВТ14, гірше – ВТ3, ВТ1.Оксидування передбачає нагрівання титанових сплавів до 725-850°С в окисному середовищі впродовж 1-5 год. з наступним відпаленням у вакуумі при 750-850°С.

Для сплаву ВТ3-1 ми обираємо ізотермічний відпал при температурі 870°С,витримка 1 годину,охолодження до 650 °С, витримка 2 години,охолодження на повітрі. Ця термічна обробка дає нам бажані результати і вимоги для лопатки авіаційного двигуна. Перша стадія передбачає усування нагартовки. Охолодження з піччю або перенесенням до іної печі і витримка при цій температурі, забезпечує високу стабільність

 b –фази, та охолоджують на повітрі. Ізотермічне відпалення забезпечує поєднання високої міцності,жароміцності і пластичності сплаву.

 

Для проведення термічної  обробки лопатки зі сплаву ВТ3-1 обирають камерну вакуумну електропіч СНВ 2.10.2/9, що уявляє собою герметизований агрегат, у якому проводиться електротермічний процес при тиску газу в робочому просторі, що підтримується на рівні  від 10 мм рт. ст до 10^-6 мм рт. ст.

Великою перевагою  термічної  обробки у вакуумі є збереження чистої, не окисленої, не зневуглецьованої й незабрудненої поверхні виробів.

При великій щільності  завантаження оброблюваних виробів  температурне поле у вакуумних печах  розташовується нерівномірно, нагрів у вакуумних печах виробів  з полірованою поверхнею протікає уповільнено, оскільки вона сильніше відбиває промені. Переваги відпалу у вакуумі: відсутність взаємодії деталей, які нагріваються із зовнішнім газовим  середовищем (це виключає можливість навуглецювання, азотизації і наводнювання деталей  і тим самим дозволяє відпалювати  у вакуумі будь-які метали і  сплави без небезпеки погіршення їх фізико-механічних властивостей); закриття дрібних пір в металі, обумовлене спіканням металу у вакуумі; мале газовиділення деталей в обсяг  готових приладів (наприклад, водень є отрутою для фотоелектронних  катодів); можливість нагріву деталей  індукційними струмами та електронної  бомбардуванням. Недоліком вакуумного відпалу є малий термін зберігання відпалених деталей (зважаючи на поступове заповнення пор у металі забрудненим атмосферним повітрям).

Найпоширеніший у вакуумних  печах спосіб охолодження захисним газом низького тиску, наприклад  азотом або аргоном.

Нагрівальні елементи в цих  печах виконані у вигляді тонкостінних графітових труб, що рівномірно розподілені  по колу за всім нагрівальним контуром печі, що забезпечує однорідне нагрівання виробів досить великих розмірів. Теплоізоляцією слугує графітовий волок, стійкий при високих швидкостях руху газу. Необхідна для відпалу  швидкість охолодження забезпечується потужною оборотною системою циркуляції охолоджуючого газу в печі, наприклад  аргону, що подається під тиском через численні сопла, що знаходяться  на внутрішнім колі і розташовані  навколо садки виробів. Завдяки  цьому садка добре продувається газом і досягається її рівномірне охолодження.