Doba žíhání [h]

METAL 2006 23-25.5.2006, Hradec nad Moravicí

VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ ŽÁROVÝCH ČÁSTÍ NOVĚ VYVINUTÉHO TURBÍNOVÉHO MOTORU TJ 100 DEVELOPMENT OF PRECISION CASTING PROCESS FOR REFRACTORY PARTS OF A NEWLY DEVELOPED TJ 100 TURBOJET ENGINE Karel Hrbáčeka Božena Podhornáb Jiří Kudrmanb Antonín Jochaa Jiří Helánaa a b

PBS Velká Bíteš,a.s., Vlkovská 279, 595 12 Velká Bíteš, e-mail: [email protected] UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 Praha-Zbraslav, e-mail: [email protected]

Ab s tra k t V První brněnské strojírně Velká Bíteš, a.s. byl ukončen konstrukční vývoj proudového motoru TJ 100, určeného pro pohon terčů, řízených střel a bezpilotních prostředků. Jedná se o zcela unikátní konstrukční řešení, které bylo patentově chráněno. Realizace tohoto projektu je však zcela odvislá od zvládnutí výroby žárových částí turbíny. Zde je výpočtová teplota spalin před turbínou 950°C a 780°C teplota spalin za turbínou. Pro takto vysoké teploty, spojené s mechanickým namáháním rotační části turbíny, je zcela nutné použít jako konstrukční materiály superslitiny na bázi niklu. Ab s tra ct První brněnská strojírna Velká Bíteš, a.s. Company has completed designing the TJ 100 turbojet engine envisaged to propel target drones, missiles and unmanned aerial vehicles. The design concept is unique, protected by a patent. Still, the Project implementation fully depends on mastering the process to be employed when manufacturing the refractory parts of the turbine. The as-calculated design temperatures upstream and downstream of the turbine are 950 °C and 780 °C, respectively. Temperatures at this level, aggravated by high mechanical loading of the rotary parts, make it imperative that the construction materials used are nickel-based superalloys. 1. ÚVOD Sortiment niklových superslitin je značný. V České republice se v současné době používají na lité části plynových turbín slitiny IN 713C, IN 713LC, ŽS6K, ŽS6W, Udimet 500 a IN 738LC. Na základě pevnostních výpočtů nově konstruovaného proudového motoru TJ 100 bylo zjištěno, že pro žárové části je nutno použít nový materiál, dosud v naší republice nepoužitý, který je schopný odolávat těmto vysokým teplotám spalin a rovněž bude mít i velice dobrou odolnost proti korozi spalin. Žárové části navrhované jednostupňové turbíny jsou tvořeny statorovou částí a oběžným kolem turbíny. Jejich tvar je tak komplikovaný, že jsou ekonomicky vyrobitelné pouze metodou přesného lití. I u této moderní technologie je však technicky velmi obtížné odlít požadované odlitky, u nichž výstupní hrana lopatek dosahuje pouze tloušťky 0,6 mm.

METAL 2006 23-25.5.2006, Hradec nad Moravicí 2. VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ OBĚŽNÝCH A ROZVÁDĚCÍCH KOL Odlitky tohoto typu výrobků převážně odléváme z materiálu IN 713C nebo IN 713LC. Chemické složení těchto materiálů je uvedeno v tab.I. Pro jejich výrobu byla zvolena metoda přesného lití pomocí vytavitelného modelu. Cílem vývojových prací bylo zavedení přesného lití oběžných a rozváděcích kol motoru TJ 100. Takto formulovaný cíl vyžadoval řešení následujících dílčích problémů: • konstrukční zpracování forem potřebných pro lisování voskových modelů a jejich velice náročnou výrobu s ohledem na požadovanou přesnost, • vývoj a provozní osvojení nové technologie výroby keramických forem, umožňující odlévání ve vakuu těchto turbínových kol, • výběr vhodných konstrukčních materiálů pro výrobu odlitků, • výzkum mechanických vlastností použitých slitin, • vývoj metalurgických postupů tavení a lití těchto slitin, • navržení kontrolních operací, které budou garantovat požadovanou kvalitu odlitků, • proškolit pracovníky zařazené do tohoto výrobního procesu a trvale dbát o jejich vysokou technickou úroveň. Odlitky byly navrženy s minimálními přídavky na následné mechanické obrábění. Pro jejich výrobu byla použita metoda přesného lití pomocí vytavitelného modelu. Navržený tvar odlitků vyžaduje vysokou přesnost jak při lisování voskových modelů, tak i při výrobě keramické formy a vlastním odlévání. Tavení a odlévání probíhá ve vakuu za přísného dodržování teplot lití a předepsané úrovně vakua. Veškeré odlitky jsou podrobeny 100% kontrole rozměrové a na výskyt povrchových vad. Tyto kontroly jsou vyhodnocovány dle předepsaných technických podmínek. Rovněž každá provozní dávka odlitků je podrobena mechanickým zkouškám dle sjednaných podmínek. Těmito zkouškami a přísným dodržováním technologických postupů je zabezpečena vysoká kvalita všech odlitků. 3. POUŽITÉ KONSTRUKČNÍ MATERIÁLY A JEJICH MECHANICKÉ VLASTNOSTI Na základě vypočtených provozních teplot a namáhání těchto výrobků byly zvoleny jako konstrukční materiály slitiny na bázi niklu IN 713LC a IN 792 – 5A (tab. I ). Chování materiálu IN 713LC v intervalu teplot < 20; 900 > °C bylo stanoveno v předchozích pracích [1, 2]. Nově byly stanoveny mechanické vlastnosti slitiny IN 792 – 5A. Pro srovnání byly ještě použity výsledky studia mechanických vlastností další superslitiny na bázi niklu a to slitiny IN 738LC, kterou rovněž používáme pro odlitky značně tepelně a mechanicky namáhané. Její chemické složení je uvedeno v tab.I. Bylo sledováno chování vybraných slitin během dlouhodobého účinku vysoké teploty. Žíhání bylo provedeno při 900 °C až do doby 10000 h. Teplota 900 °C byla volena s ohledem na předpokládané provozní teploty žárových částí turbínového motoru TJ100. Na obr. 1 je průběh tvrdosti porovnávaných slitin během dlouhodobého žíhání. Tvrdost slitin nejprve mírně klesá, při delších časech se již mění jen minimálně. Slitina IN713LC, která je používána bez tepelného zpracování odlitků na počátku žíhání krátce vytvrzovala v důsledku dodatečné precipitace částic fáze γ/. Pevnosti v tahu mají podobný průběh jako tvrdosti (obr. 2). Slitina IN792-A vykazuje po celou dobu nejvyšší hodnoty tvrdosti a pevnosti, slitina IN713LC má hodnoty nejnižší. To odpovídá legování a tím žárupevnosti sledovaných slitin. Plastické a křehkolomové vlastnosti porovnávaných slitin ukazují průběhy vrubové houževnatosti (obr. 3). Slitiny IN792-5A a IN738LC mají tyto závislosti prakticky shodné, slitiny IN713LC vykazuje zhruba dvojnásobné hodnoty. U této slitiny je na počátku exploatace za vysokých teplot opět patrný pokles vrubové houževnatosti na počátku žíhání

METAL 2006 23-25.5.2006, Hradec nad Moravicí v důsledku vytvrzení slitiny. Všechny tři materiály se projevují jako strukturně stabilní a zachovávají si pevnostní vlastnosti na požadované úrovni. Na pracovišti Ústavu fyziky materiálů Akademie věd České republiky v Brně byly provedeny creepové zkoušky v oblasti teplot 700 – 900°C [2, 3]. Vzájemné porovnání doby do lomu všech studovaných slitin je uvedeno v tab.IV. Výsledky jednotlivých zkoušek jsou uvedeny na obr. 4-7. Z porovnání výsledků je zřejmé, že v celém studovaném intervalu teplot a napětí slitina IN 792 – 5A vykazuje podstatně vyšší žárupevnost (vyšší hodnotu meze pevnosti při tečení) než slitiny IN 713LC a IN 738LC, přičemž slitina IN 738LC je v celém sledovaném intervalu nejméně creepově odolná. 4. ZÁVĚR V průběhu výzkumných prací [5, 6] byly konstrukčně zpracovány výkresy odlitků oběžného a rozváděcího kola turbíny TJ 100. Na podkladě těchto výkresů odlitků byly konstrukčně zpracovány výkresy forem pro lisování potřebných voskových modelů a obě tyto formy byly rovněž vyrobeny. Dále byla navržena technologie přesného lití obou typů odlitků, tato technologie byla provozně odzkoušena a v současné době jsou již vydávány výrobní podklady pro sériové lití těchto odlitků. Při dlouhodobém žíhání byla potvrzena dobrá strukturní stabilita studovaných slitin (obr. 1 – 3). Na pracovišti Ústavu fyziky materiálů Akademie věd České republiky v Brně byly provedeny creepové zkoušky v oblasti teplot 700 – 900°C [2-3]. Vzájemné porovnání doby do lomu všech studovaných slitin je uvedeno v tab.II. Výsledky jednotlivých zkoušek jsou uvedeny na obr. 4-7. Z porovnání výsledků je zřejmé, že v celém studovaném intervalu teplot a napětí slitina IN 792 – 5A vykazuje podstatně vyšší žárupevnost (vyšší hodnotu meze pevnosti při tečení ) než slitiny IN 713LC a IN 738LC, přičemž slitina IN 738LC je v celém sledovaném intervalu nejméně creepově odolná. PODĚKOVÁNÍ Tento projekt byl realizován za finanční podpory ze státních prostředků prostřednictvím Ministerstva průmyslu a obchodu. LITERATURA [1] PODHORNÁ,B., KUDRMAN,J. Výzkum materiálových vlastností a vývoj nové technologie přesného lití žárových částí nově vyvíjeného turbínového motoru TJ 100. Výzkumná zpráva UJP 1114, Praha 2004 [2] SKLENIČKA,V., KUCHAŘOVÁ,K., DANĚK,R. Soubor creepových zkoušek materiálu IN 713LC. Zpráva o spolupráci ÚFM AV ČR a PBS V. Bíteš a.s. v roce 2004, ÚFM AV ČR Brno, listopad 2004 [3] SKLENIČKA,V., KUCHAŘOVÁ,K., DANĚK,R. Soubor creepových zkoušek materiálu IN 792-5A. Zpráva o spolupráci ÚFM AV ČR a PBS V. Bíteš a.s. v roce 2004, ÚFM AV ČR Brno, listopad 2004 [4] PODHORNÁ,B., KUDRMAN,J. Výzkum materiálových vlastností a vývoj nové technologie přesného lití žárových částí nově vyvíjeného turbínového motoru TJ 100. Výzkumná zpráva UJP 1155, Praha 2005 [5] HRBÁČEK, K., JOCH, A., HELÁN, J., HRBÁČEK, K.ml., ŇUKSA, P., ŠUSTEK, P. Výzkum materiálových vlastností a vývoj technologie přesného lití žárových částí nově vyvíjeného turbínového motoru TJ 100. Výzkumná zpráva Z-03-05. Velká Bíteš 2005 [6] HRBÁČEK, K., JOCH, A., HELÁN, J., HRBÁČEK, K.ml., ŇUKSA, P., ŠUSTEK, P. Výzkum materiálových vlastností a vývoj technologie přesného lití žárových částí nově vyvíjeného turbínového motoru TJ 100. Výzkumná zpráva Z-04-04. Velká Bíteš 2004

METAL 2006 23-25.5.2006, Hradec nad Moravicí 450 425

Tvrdost HV

400 375

IN792-5A

IN738LC

IN713LC

350 325 300 275 250 0

2000

4000 6000 Doba žíhání [h]

8000

10000

Obr. 1 Změny tvrdosti během dlouhodobého žíhání

1000

Pevnost v tahu [MPa]

IN792-5A 900 IN713LC

800

IN738LC

700

600

500 0

2000


8000

10000

Vrubová houževnatost KCU2 [J/cm2]

Obr. 2. Změny pevnosti v tahu během dlouhodobého žíhání 50 IN713LC

40

30 IN792-5A

20

IN738LC

10

0 0

2000


8000

10000

Obr. 3. Změny vrubové houževnatosti během dlouhodobého žíhání


2000

NAPĚTÍ σ [MPa]

750°C 1000

500 400

IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A

300

200 1

10

100

1000

10000

DOBA DO LOMU t [h] f

Obr. 4. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 750 °C Obr.6. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 750°C

1000

NAPĚTÍ σ [MPa]

800°C 500 400 300

200

IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A

100 1

10

100

1000

10000


Porovnání napěťových závislostí dob do lomu Obr. 5. Obr.7. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 800°C studovaných slitin při teplotě 800 °C


1000

NAPĚTÍ σ [MPa]

850°C 500 400 300

200

IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A

100 1

10

100

1000

10000


Obr. 6. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu Obr.8. Porovnání napěťových závislostí 850 dob do studovaných slitin při teplotě °Clomu studovaných slitin při teplotě 850°C

500

900°C

NAPĚTÍ σ [MPa]

400

300

200

IN 713 LC IN 738 LC IN 792-5A 100 1

10

100

1000

10000


Obr. 7. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 900 °C Obr.9. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 900°C


Tabulka 1. Chemické složení studovaných slitin

slitina

Koncentrace prvků v % hm C

Mn

P

B

S

Si

Cu

Fe

Mo

0,03IN 713LC 0,07

max.

max.

0,005

max.

max.

max.

max.

0,25

0,015

0,015

0,015

0,50

0,50

0,50

3,85,2

0,09IN 738LC 0,13

max.

max.

0,007

max.

max.

max.

max.

0,20

0,015

0,012

0,015

0,30

0,10

0,35

1,52,0

0,06IN 792.5A 0,10

max.

max.

0,01-

max.

max.

-

max.

1,65

0,15

0,015

0,02

0,015

0,20

0,50

2,15

W

Al

Ti

Cr

Nb

Zr

Ni

5,5-6,5 0,4-1,0 11,013,0

0,75

0,05

Zb.

1,25

0,10

Ta 0,75 IN 713LC 1,25

-

1,5IN 738LC 2,0

2,42,8

3,2-3,7 3,2-3,7 15,716,3

0,61,10

0,03

3,85 IN 792.5A 4,5

3,85

3,15

3,75

12,0

max.

4,50

3,60

4,2

13,0

0,50

0,010,05

Zb.

0,08 Zb.


Tab.II. Porovnání doby do lomu studovaných slitin pro teploty v intervalu 700°C až 900°C

Teplota [°C]

Napětí σ [MPa]

IN 713 LC Doba do lomu tf [h]

IN 738 LC Doba do lomu tf [h]

700 700 700 700

700 650 600 550

1,23 44,55 687,8 1297,3

750 750 750 750 750

650 600 550 500 450

2,23 21,01 118,8 607,52 2054,2

800 800 800 800 800 800 800 800

600 550 500 450 400 380 350 300

2,76 16.4 37,8 42,2 302,9 349,8 872,6 1935,1

1,93 23,95 48,17 237,08 406,01 1007,9

850 850 850 850 850 850

450 400 360 300 250 220

6,1 10,4 58,6 279,5 764,1 1579,0

3,7 8,8 53,5 461,3 1180,1

900 900 900 900 900 900 900 900 900

380 360 300 250 220 200 180 160 140

2,2 9,1 35,5 92,1 191,9 365,7 549,2 1331,6 2152,2

2,2 20,1 52,9 149,9 312,1 608,8 1115,2

1,93

IN 792-5A Doba do lomu tf [h] 302,14 501,80

31,53 4562,12

3,73 48,98 83,42 382,31

57,94 135,22 579,76 1204,93 4422,17 6,96 25,69 57,66 397,13 944,4 1648,7

27,7 64,8 204,4 979,1 3807,0

12,2 78,2 360,0 660,9 1570,5

Doba žíhání [h]

Recommend Documents