Термодинамическое проектирование свойств литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 264
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0536-2
Артикул: 744295.02.99
Определены параметры структурной стабильности традиционными методами РНАСОМР и New PHACOMP. Для литейных жаропрочных никелевых сплавов с различным типом легирования выполнены расчеты методом CALPHAD химических составов у- и у'-фаз, а также карбидов. На основе математической обработки данных получены универсальные регрессионные модели для прогнозирования параметров структурной стабильности и соотношения элементов в составе сплава. Для инженерно-технических работников в области металловедения и термической обработки. Может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям металлургических специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
С. В. ГАЙДУК А. А. ГЛОТКА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ Монография Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021
УДК 669.018.44 ББК 34.35 Г54 Глотка, А. А. Г54 Термодинамическое проектирование свойств литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе : монография / А. А. Глотка, С. В. Гайдук . – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 264 с.: ил., табл. ISBN 978-5-9729-0536-2 Определены параметры структурной стабильности традиционными методами PHACOMP и New PHACOMP. Для литейных жаропрочных никелевых сплавов с различным типом легирования выполнены расчеты методом CALPHAD химических составов Ȗ- и -фаз, а также карбидов. На основе математической обработки данных получены универсальные регрессионные модели для прогнозирования параметров структурной стабильности и соотношения элементов в составе сплава. Для инженерно-технических работников в области металловедения и термической обработки. Может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям металлургических специальностей. УДК 669.018.44 ББК 34.35 ISBN 978-5-9729-0536-2 Глотка А. А., Гайдук С. В. , 2021 Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ ГЛАВА 1. КОМПЛЕКСНАЯ РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ .................................................... 5 ГЛАВА 2. ПРИМЕНИЕНИЕ CALPHAD-МЕТОДА ДЛЯ РАСЧЕТА КОЛИЧЕСТВА Ȗƍ-ФАЗЫ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ............ 32 ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ ПРОГНОЗИРУЮЩИХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ................................ 43 ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ РЕГРЕССИОННЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРУЮЩИХ РАСЧЕТОВ КОРРОЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ .......... 55 ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ РАСЧЕТА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА Ȗ-, Ȗ'-ФАЗ И ПАРАМЕТРОВ ФАЗОВОЙ СТАБИЛЬНОСТИ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ .................................................. 67 ГЛАВА 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ФАЗ В МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВАХ .................................................. 79 ГЛАВА 7. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ .................................................. 87 ГЛАВА 8. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КОРРОЗИИ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ........................................................................... 98 ГЛАВА 9. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В КАРБИДАХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ РАВНООСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ......................................................... 110 ГЛАВА 10. СПЕЦИФИКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В КАРБИДАХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СИСТЕМ РАВНООСНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ......................................................... 125 3
ГЛАВА 11. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СТРУКТУРЕ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ВО ВТОРИЧНЫХ КАРБИДАХ .................................................................. 141 ГЛАВА 12. МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ЖАРОПРОЧНОГО ЛИТЕЙНОГО КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЛОПАТОК МЕТОДОМ НАПРАВЛЕННОЙ (МОНО) КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ........................................ 157 ГЛАВА 13. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ СВАРИВАЕМЫЙ ЛИТЕЙНЫЙ ЖАРОПРОЧНЫЙ КОРРОЗИОННОСТОЙКИЙ НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ ............. 172 ГЛАВА 14. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ПАССИВНОГО И АКТИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА К ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ГАФНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА .................................. 186 ГЛАВА 15. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГАФНИЯ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ЛИТЕЙНОГО ЖАРОПРОЧНОГО КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ................... 195 ГЛАВА 16. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТАНТАЛА НА КРИТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЛИТЕЙНОМ СВАРИВАЕМОМ ЖАРОПРОЧНОМ НИКЕЛЕВОМ СПЛАВЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ РАСЧЕТНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДИК ................................. 205 ГЛАВА 17. ПРИМЕНЕНИЕ CALPHAD-МЕТОДА К РАСЧЕТУ ФАЗОВОГО СОСТАВА ЛИТЕЙНОГО СВАРИВАЕМОГО ЖАРОПРОЧНОГО КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА С ТАНТАЛОМ ..................................................... 215 ГЛАВА 18. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВАРИВАЕМОСТИ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ .............................. 224 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................... 234 4
ГЛАВА 1. КОМПЛЕКСНАЯ РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В настоящее время в исследовательских центрах ведущих стран мира активно проводятся работы по разработке и внедрению в промышленность новых жаропрочных материалов. К наиболее перспективным материалам для высокотемпературного применения в газотурбостроении относится класс литейных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС). До сих пор разработка жаропрочных сплавов данного класса осуществлялась эмпи- рическим путем. Определение эмпирическим путем оптимального хи- мического состава, обеспечивающего требуемый комплекс служебных свойств — задача наукоемкая, требующая больших временных и финан- совых затрат, а такжепромышленных и человеческих ресурсов. Поэтому, такой подход как «метод проб и ошибок» применительно к сложно- легированным композициям никелевых сплавов типа ЖС практически себя исчерпал [1–3]. Применение для этих целей методов математического планирования эксперимента позволило существенно сократить количество непосредст- венно изучаемых композиций разрабатываемого сплава. Но в этом случае общее число опытных плавок, которое необходимо провести и изучить для выявления оптимального состава сплава достаточно велико. Вместе с тем, для широкого номенклатурного ряда литейных ЖНС традиционные мето- ды не достаточно полно и универсально отражают влияние химического состава на те или иные свойства, что требует новых концептуальных подходов при разработке материалов данного класса. В последнее время получили широкое развитие методы компьютерного проектирования сплавов [1–9], в основу которых положены известные регрессионные уравнения (РУ) типа «состав-свойство». Однако следует отметить, что остается до конца невыясненным вопрос в подходе к многокритериальной оптимизации состава сложнолегированных композиций литейных ЖНС, обеспечивающей требуемый уровень служебных характеристик. В свою очередь, это требует как дальнейшего развития научных принципов легирования ЖНС, так и совершенствования методов их проектирования с использованием современных компьютерных технологий [1–8, 10–19]. В cвязи с этим, в последнее время формальные методы компью- терного проектирования получают все более широкое распространение и становятся необходимым инструментом для материаловедов при раз- работке современных жаропрочных материалов. По существу, традицион- ный метод «проб и ошибок» заменяется экономичным экспрессным 5
методом «делай правильно с первого раза», что позволяет не только нахо- дить новые перспективные композиции, но и модернизировать химические составы известных промышленных серийных марок [1–4, 6–9]. Цель настоящей работы — разработать экспрессную комплексную расчетно-аналитическую методику (КРАМ) для проектирования литейных ЖНС, включающую в алгоритм, как традиционные методики, так и полу- ченные математические регрессионные модели, позволяющие с высокой степеньюдостоверности проводить прогнозирующие расчеты по группам важнейших параметров, определяющих работоспособность материалов данного класса. С целью получения прогнозирующих универсальных математиче- ских регрессионных моделей (РМ) для расчета параметров работоспо- собности, была сформирована и обработана база экспериментальных данных широкого номенклатурного ряда литейных ЖНС. Это результаты исследований более 100 композиций серийных отечественных и зару- бежных литейных ЖНС с различными схемами легирования, с их экспе- риментальными значениями структурно-фазовых, физических, темпера- турных, прочностных и коррозионных характеристик [1–3, 9–12], а также значениями параметров (критериев) структурной стабильности, получен- ных традиционными методиками Phacomp [5, 9], New Phacomp [13], ǻЕ-метод [14,15]. После математической обработки большого массива эксперимен- тальной базы данных была сделана выборка из 32-х наиболее известных промышленных отечественных и зарубежныхлитейных ЖНС, представляющих 5 поколений сплавов (TMS-71, ЗМИ-3У, CMSX-10, ЖС-32, ЖС-6К, ЖС-6У, ЖС-26, ЧС-70,ВЖМ1, ВЖМ4, ЖС3ЛС, ЖС-32Э, ВЖЛ12Э, CMSX-4, IN-939, GTD-111, IN-738LC, U-500, U-700, Rene N5, Rene N6, CM186LC, CM247LC, Rene 80, PWA1422, PWA1480, ЖСКС-1, ЖСКС-2, CMSX-11B, CMSX-11C, TMS-162, TMS-196). Выборка сплавов осуществлялась с позиций предоставления химических составов с раз- личными системами легирования, охватывающих широкий диапазон по содержанию основных элементов: С = 0–0,18 мас. %; Cr = 2,0–22,5 мас. %; Co = 3,0–19,0 мас. %; Al = 1,9–6,2 мас. %; Ti = 0–5 мас. %; Mo = 0–6,4 мас. %; W = 0–12,0 мас. %; Nb = 0–1,6 мас. %; Ta = 0–12,0 мас. %; Hf = 0–1,5 мас. %; V = 0–1,0 мас. %; Re = 0–9,0 мас. %; Ru = 0–6,0 мас. %, а также экспериментальных данных по группам параметров исследуемых ЖНС [1–3, 9–11]. В работах [16–22] сформулированы основные концептуальные подходы и принципы к разработке алгоритма методики КРАМ при проекти- ровании литейных ЖНС с требуемым уровнем служебных свойств путем многокритериальной оптимизации состава. На основе обработки обшир- ной экспериментальной базы данных литейных ЖНС, представляю- щих пять поколений сплавов с различными системами легирования, 6
ф обоснованы основные критерии (параметры), обеспечивающие их работоспособность. Основные параметры работоспособности литейных ЖНС разделенына 6 основных групп: 1 — параметры структурной стабильности; 2 — структурно-фазовые; 3 — физические; 4 — температурные; 5 — коррозионные; 6 — прочностные. Анализ экспериментальных данных, полученных отечественной и зарубежной практикой на широком спектре промышленных литейных ЖНС, позволил установить зависимость целого ряда групп важнейших параметров, которые хорошо коррелируют с «мини» легирующими комплексами внутри общего химического состава литейных ЖНС. Например: суммарное содержание Ȗ-твердорастворных упрочнителей (ȈȖ) и Ȗƍ-обра- зующих (ȈȖƍ) элементов [20], объемное количество (VȖ') Ȗƍ-фазы [21], параметр коррозии (ПКС) ипараметры структурной стабильности NvȖ, MdȖ, MdC, ǻE [22]. Рис. 1. Общий алгоритм компьютерного расчета разработанной методики КРАМ для проектирования литейных ЖНС с требуемым уровнем служебных характеристик На рисунке 1 представлен общий алгоритм разработанной методики КРАМ для проектирования литейных ЖНС с требуемым уровнем слу- жебных свойств, включающий наряду с известными методиками получен- ные группы математических РМ для прогнозирующих расчетов важней- ших параметров, определяющих работоспособность литейных ЖНС (табл. 1). 7
Таблица 1 Основные параметры для многокритериальной оптимизации состава при проектировании литейных ЖНС Контролируемые параметры Ед. измер. Суммарное кол-во электронных вакансий в Ȗ-тв. растворе, NvȖ – Суммарное кол-во валентных электронов в Ȗ-тв. растворе, MdȖ – Параметр дисбаланса системы легирования, ǻE = ±0,04 – Суммарное количество валентных электронов в сплаве, MdC – Удельная плотность сплава, ȡ г/см3 Мисфит į = 2· (aȖ' - aȖ)/(aȖ' + aȖ) % Температура солидус, tS °С Температура полного растворения Ȗ'-фазы, tП.Р. Ȗ' °С Температура локального плавления эвтектики, tЭВТ. °С Средняя скорость коррозии, Vq t г/м2 · с Количество упрочняющей Ȗ'-фазы, VȖ' t %, мас. Предел кратковременной прочности, ıB t МПа Предел длительной прочности, ıIJ t МПа В результате математической обработки большого массива экспе- риментальных данных по классу литейных ЖНС с разными системами многокомпонентного легирования был получен ряд универсальных расчет- ных прогнозирующих математических РМ для каждой группы параметров, которые представляют собой зависимости типа «состав-свойство» или «параметр-свойство». Математическая обработка расчетных данных по параметрам груп- пы 1 (структурная стабильность) проводилась известными методами [5, 9, 10, 13–15], по параметрам групп 2 и 3 (структурно-фазовые и физические) проводилась CALPHAD-методом [16, 17]. Математическая обработка экспериментальных данных по параме- трам групп 4, 5 и 6 (температурным, коррозионным и прочностным) про- водилась в программном комплексе EXCEL с помощью прикладного па- кета «Регрессионный анализ». Это позволило построить графики функций (линии трендов) и получить математические уравнения регрессионных моделей, которые для каждой конкретной группы оптимально описывают зависимость параметров от величины определенного «мини» легирующего комплекса. 8
Рис. 2. Математические регрессионные модели для расчета параметров структурной стабильности литейных ЖНС — а, б 9
Окончание рис. 2. Математические регрессионные модели для расчета параметров структурной стабильности литейных ЖНС — в р Полученные универсальные математические РМ позволяют с вы- сокой степенью достоверности проводить прогнозирующие расчеты для соответствующих групп параметров при проектировании как новых сплавов, так и модернизации составов серийных промышленных марок. На основании результатов математической обработки данных по химическому составу Ȗ-твердых растворов исследованных литейных ЖНС традиционными методами PHACOMP [5, 9], New PHACOMP [13], были получены регрессионные модели для расчета параметров структурной ста- бильности NvȖ, MdȖ [20]. После обработки данных по параметру дисба- ланса системы легирования исследованных литейных ЖНС известным р Е-методом [14, 15], была получена регрессионная модель для расчета параметра структурной стабильности MdС по величине параметра Е — сбалансированности системы легирования [22]. На рисунке 2 и в таблице 2 представлены полученные матема- тические РМ для расчета параметров (группа 1) структурной стабильности NvȖ, MdȖ по величине соотношения Cr / Cr + Mo + W = ПТПУ, а пара- метра а MdС по величине дисбаланса системы легирования ǻE, апробиро- ванные наисследованных литейных ЖНС. Расчеты проводились в ат. %. Из рисунка 2 видно, что зависимость параметров структурной ста- бильности (группа 1) NvȖ, MdȖ от величины соотношения элементов 10