Формування структури, механічних та службових властивостей жароміцних сплавів на основі алюмініду титану для лопаток турбіни

UKR: Дисертаційну роботу присвячено розробці хімічного складу інтерметалідного γ-сплаву та встановленню особливостей формування структурно-фазового стану сплаву для забезпечення його механічних та службових властивостей. Наукова новизна роботи полягає:

1. Вперше для сплаву алюмініду титану системи Ti-29Al-7Nb-2Mo встановлено вплив модифікуючих елементів Re, В, Y на морфологічні особливості структури, що забезпечує механічні властивості границю міцності σв≥800 МПа та відносне подовження ≥1,0 %. Показано, що за рахунок модифікування сплаву системи Ti-29Al-7Nb-2Mo елементами Re, В, Y у кількості 0,1% кожного досягається зменшення розмірів колоній пластинок (α2+γ)-фаз з 100…400 мкм до 30 мкм.
2. З використанням рентгенофазового аналізу вперше доведено, що при варіюванні вмісту модифікуючих елементів у діапазоні 0…0,2 % співвідношення фаз в сплаві системи Ti-29Al-7Nb-2Mo є постійним і відповідає 85 % γ-фази та 15 % α2-фази. Отримані дані підтверджено якісним енергодисперсійним аналізом у режимі картування.
3. Уточнено положення ліній початку та кінця поліморфного перетворення сплаву системи Ti-29Al-7Nb-2Mo-0,3(Y, Re, B) у відповідності з діаграмою фазового стану Ti-Al, що становить 1350…1400 °С.
4. Уточнений вплив режимів вакуумно-дугової та електронно-променевої плавки в суміші інертних газів на структуроутворення та розподіл хімічних елементів зливку оптимального складу системи Ti-29Al-7Nb-2Mo-0,3(Y, Re, B). Встановлено технологічні параметри процесу, а саме використання подвійного переплаву, що забезпечують рівномірний розподіл легуючих елементів Al, Nb та Mo та модифікаторів Y, Re, B у складі експериментально отриманих зливків.
5. Вперше для експериментального сплаву Ti-29Al-7Nb-2Mo-0,3(Re, В, Y) встановлено вплив механічних та фізичних властивостей на напружено-деформований стан та власні частоти коливань лопатки 2 ступеню вільної турбіни шляхом проведення модального аналізу та розрахунку напруженого стану деталі. Доведено, що при використанні експериментального сплаву з алюмініду титану системи Ti-29Al-7Nb-2Mo-0,3(Re, В, Y) еквівалентні напруження зменшуються на 35 % у порівнянні з вихідними значеннями. На підставі розрахункових моделей визначено зменшення маси дослідної модифікації лопатки при заміні серійного сплаву ВЖЛ12Э-ВИ на сплав на основі алюмініду експериментального складу на 40 % при отриманні значення запасу міцності не менше запасу міцності вихідного сплаву.

ENG: The dissertation work is devoted to the development of the chemical composition of the intermetallic γ-alloy and the establishment of the features of the formation of the structural-phase state of the alloy to ensure its mechanical and service properties. The scientific novelty of the work is:

1. For the first time, the influence of modifying elements Re, B, Y on the morphological features of the structure has been established for the Ti-29Al-7Nb-2Mo system titanium aluminide alloy, which provides mechanical properties with a tensile strength of σВ≥800 MPa and relative elongation ≥1.0%. It has been shown that by modifying the Ti-29Al-7Nb-2Mo system alloy with elements Re, B, Y in an amount of 0.1% each, a reduction in the size of the colonies of platelets of (α2+γ)-phases from 100…400 μm to 30 μm is achieved.
2. Using X-ray phase analysis, it has been proven for the first time that when the content of modifying elements varies in the range of 0…0.2%, the phase ratio in the Ti-29Al-7Nb-2Mo system alloy is constant and corresponds to 85% of the γ- phase and 15% of the α2-phase. The obtained data were confirmed by qualitative energy dispersion analysis in the mapping mode.
3. The positions of the lines of the beginning and end of the polymorphic transformation of the alloy of the Ti-29Al-7Nb-2Mo-0.3(Y, Re, B) system were specified in accordance with the Ti-Al phase state diagram, which is 1350…1400 °C.
4. The influence of vacuum-arc and electron-beam melting modes in a mixture of inert gases on the structure formation and distribution of chemical elements of an ingot of the optimal composition of the Ti-29Al-7Nb-2Mo-0.3(Y, Re, B) system has been clarified. The technological parameters of the process have been established, namely the use of double remelting, which ensure a uniform distribution of the alloying elements Al, Nb and Mo and the modifiers Y, Re, B in the composition of the experimentally obtained ingots.
5. For the first time, the influence of mechanical and physical properties on the stress-strain state and natural frequencies of oscillations of the blade of the 2nd stage of a free turbine has been established for the experimental alloy Ti-29Al-7Nb-2Mo-0.3(Re, B, Y) by conducting a modal analysis and calculating the stress state of the part. It is proven that when using an experimental titanium aluminide alloy of the Ti-29Al-7Nb-2Mo-0.3(Re, B, Y) system, the equivalent stresses are reduced by 35% compared to the original values. Based on the calculation models, a reduction in the mass of the experimental modification of the blade when replacing the serial VZhL12E-VI alloy with an alloy based on an aluminide of the experimental composition by 40% was determined, while obtaining a safety margin value not less than the safety margin of the original alloy.