Обоснование выбора материала конструкции и его характеристика

Опыт показал, что для изготовления узла корпуса ГТД использование жаропрочных сталей не представляется возможным. В данных условиях возможно использование сплавов на никелевой и титановой основе, ввиду дороговизны второго целесообразно применять первое, так как установка наземная и ограничений по массе не имеет.

Для никеля характерно благоприятное сочетание свойств: высокой коррозионной стойкости во многих агрессивных средах, высоких механических свойств, хорошей обрабатываемости в горячем и холодном состоянии. Никель обладает способностью растворять в большом количестве многие элементы, такие как хром, молибден, железо, медь. Наиболее важными легирующими элементами в коррозионностойких никелевых сплавах являются хром, молибден и медь.

Коррозионная стойкость одних никелевых сплавов связана с пассивностью, а других — с тем, что они имеют достаточно высокий равновесный потенциал и не замещают водород в кислых средах. Этим объясняется большое число сред, в которых никелевые сплавы могут с успехом использоваться: кислоты, соли и щелочи (как с окислительным, так и с неокислительным характером), морская и пресная вода, а также атмосфера.

Составы сплавов характеризуются сбалансированным содержанием основных (Мо, Cr, Cr + Мо) и дополнительных (V, W, Fe) легирующих элементов, а также регламентированно низким содержанием в них примесных элементов (С, Si, S, Р). Это обеспечивает сплавам высокую стойкость против общей коррозии в соответствующих средах и против различных видов локальной коррозии, технологичность при изготовлении различных видов металлургической и машиностроительной продукции.

Наряду с высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах никелевые сплавы имеют ряд других особенностей, к которым относятся: высокая пластичность от отрицательных температур до 1200 °С, в 1,5—2 раза более высокие значения прочностных свойств, твердости и электросопротивления, чем у стали 12Х18Н10Т, и в 1,5-2 раза более низкие значения температурного коэффициента линейного расширения (Ni-Mo сплавы) и теплопроводности, чем у широко распространенных коррозионно-стойких сплавов на основе железа. Сплавы немагнитны, они обладают способностью к деформации в горячем и холодном состоянии, обрабатываются механическими способами и свариваются.

Опыт эксплуатации показывает, что применение материалов данной группы для сред с высокими параметрами агрессивности позволяет существенно увеличить срок службы и эксплуатационной надежности ответственного оборудования.

Оценка свариваемости материала и анализ способов получения неразъемных соединений

Свариваемость никелевых и железоникелевых сплавов, упрочняемых дисперсионным твердением, в большинстве случаев ограничена из-за склонности сложнолегированных сплавов к трещинообразованию в температурном интервале старения. Критерием склонности дисперсионно-твердеющего сплава к трещинообразованию в околошовной зоне сварных соединений является длительность изотермической выдержки, приводящей к появлению трещин.

Первичная структура металла шва высоколегированных никелевых сплавов формируется путем зарождения на подложке — оплавленных зернах основного металла — укрупненных столбчатых кристаллитов, конкурентный рост которых приводит к выклиниванию других, неблагоприятно ориентированных кристаллитов и прекращению их роста. Эта особенность однофазной кристаллизации приводит к резкому укрупнению кристаллитов в швах и является первым фактором понижения свариваемости. Второй фактор — высокий уровень легирования расплава; он обусловливает в литом металле на периферии шва ячеисто-дендритный и дендритный (в центре) тип субструктуры со значительно выраженной ликвационной неоднородностью

Основное следствие ликвации — неоднородность химического состава, приводящая к образованию в шве менее эффективных интерметаллидных фаз по сравнению с фазами в основном металле. Так, в результате преимущественной ликвации титана в зонах ликвации будет при старении выделяться фаза Ni₃Ti, обладающая меньшей жаропрочностью и тугоплавкостью, чем γ'-фаза. Третий фактор — транскристаллитность швов, в центре которых на больших скоростях сварки формируется «зона слабины» — стык двух фронтов кристаллизации с явно выраженной зональной ликвацией. При малых скоростях сварки в центре шва образуются осевые кристаллиты, по граням которых возникают две зоны срастания боковых и осевых кристаллитов, также характеризуемые пониженными свойствами.

Изменения структуры в ЗТВ:

• укрупнение зерна в гомогенных сплавах;

• растворение упрочняющих фаз в гетерогенных сплавах в зоне, нагреваемой выше 900 °С, фиксируемое по изменению твердости;

• оплавление фаз в перестаренных сплавах;

• перестаривание (при сварке состаренных сплавов), приводящее к укрупнению упрочняющих фаз.

Развитие указанных негативных явлений зависит от длительности высокотемпературного нагрева, исходного состояния сплава и его химического состава, определяющего стабильность фаз при нагреве.

При сварке гомогенных никелевых сплавов возможно образование кристаллизационных и подсолидусных горячих трещин в металле шва.

При сварке гетерогенных сплавов наряду с возникновением горячих трещин в шве более вероятно их появление в ЗТВ, где велика протяженность ТИХ из-за наличия легкоплавких ликватов и мала пластичность из-за крупнозернистой структуры.

Металлургические способы предотвращения горячих трещин:

-повышение чистоты сплавов по примесям (переплав, гранульная металлургия).

-ограничение полноты рекристаллизации при прокатке сплавов, позволяющее инициировать рекристаллизацию при сварке и соответственно снизить сегрегацию в условиях ускоренной миграции границ зерен в ЗТВ при сварке;

-сварка в аустенитизированном или перестаренном состоянии.

Технологические способы предотвращения трещин: снижение до минимума погонной энергии (сварка неплавящимся электродом, ЭЛС, лазер, импульсная дуга);

-ограничение скорости сварки;

-применение электромагнитных полей и других внешних воздействий для измельчения элементов первичной структуры;

-применение теплопроводящей оснастки и охлаждающих сред (подача паровоздушной смеси на сварочную ванну).

Для сварки непосредственно этого узла на данный момент применяется ЭЛС по сравнению со сваркой неплавящимся электродом имеет массу преимуществ:

1) Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002-5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20 : 1 и более.

2) Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4-5 раз меньше, чем при дуговой.

3) Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, Цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электроннолучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки электронно-лучевой сварки:

Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине; для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Применение сварки перемешиванием может резко уменьшить вероятность появления брака в изделии, так как полностью исключается появление несплавлений.

Перемешивающая сварка трением (ПСТ или сварка перемешиванием) получила сегодня широкое применение во всем мире. При сварке перемешиванием происходит локальное размягчение заготовок посредством тепла, выделяемого за счет трения вращающегося инструмента (без плавящегося элемента), благодаря чему происходит пластификация свариваемых материалов, позволяющая перемешивать их в зоне стыка. В настоящее время сварка перемешиванием применяется за рубежом во всех отраслях машиностроения, где используют алюминий и его сплавы.

Технология используется не только применительно к алюминию, но также к материалам с более высокой температурой плавления: титану, меди, нержавеющей стали, различным сплавам, в том числе никелевым, а также к соединениям из разнородных материалов.