blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-5-360-365blackmet-1620Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESВЛИЯНИЕ ВОЗВРАТА СОБСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ЖС6У. ЧАСТЬ 1. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ФАЗОВОГО СОСТАВА СПЛАВА ЖС6У, ПОЛУЧЕННОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЗВРАТА СОБСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВАEFFECT OF SCRAP USING IN CHARGE ON THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF ZhS6U NICKEL-BASED SUPERALLOY. PART 1. MICROSTRUCTURE ANALYSIS AND PHASE COMPOSITION OF ZhS6U ALLOY PREPARED WITH SCRAPКолтыгинА. В.KoltyginA. V.

к.т.н, доцент кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Foundry Technology and Art Processing of Materials”

Moscow

misistlp@mail.ruБаженовВ. Е.BazhenovV. E.

к.т.н., доцент кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Foundry Technology and Art Processing of Materials”

Moscow

V.E.Bagenov@gmail.comБазловА. И.BazlovA. I.

инженер лаборатории «Перспективные энергоэффективные материалы»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Engineer of the Laboratory “Advanced Energy-Efficient Materials”

Moscow

andreibazlov@gmail.comБазловаТ. А.BazlovaT. A.

к.т.н, доцент кафедры «Литейные технологии и художественная обработка материалов»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Foundry Technology and Art Processing of Materials”

Moscow

tbazlova@mail.ruБеловВ. Д.BelovV. D.

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Литейные технологии и художественная обработка материалов»

119049, Москва, Ленинский пр., 4

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Chair “Foundry Technology and Art Processing of Materials”

Moscow

vdbelov@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS” (MISIS)Russian Federation201918062019625360365Copyright © Колтыгин А.В., Баженов В.Е., Базлов А.И., Базлова Т.А., Белов В.Д., 20192019Колтыгин А.В., Баженов В.Е., Базлов А.И., Базлова Т.А., Белов В.Д.Koltygin A.V., Bazhenov V.E., Bazlov A.I., Bazlova T.A., Belov V.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1620

Для изготовления литых лопаток газотурбинного двигателя используют дорогостоящие никелевые сплавы, причем на сами лопатки расходуется лишь небольшая их часть, остальное – это элементы литниково-питающей системы. Большая часть сплава после заливки представляет собой отходы, использование которых повторно в виде металлической шихты значительно снижает себестоимость лопаток. Однако использование возврата сопряжено с некоторыми рисками, связанными с возможностью загрязнения сплава неметаллическими включениями и угаром легирующих компонентов. Поэтому исследование последствий использования возврата собственного производства в изготовлении лопаток весьма актуально. В первой части статьи рассмотрено влияние возврата собственного производства на структуру и фазовый состав сплава ЖС6У-ВИ. Изучены образцы лопаток газотурбинного двигателя, изготовленные методом литья в оболочковые керамические формы из предварительно очищенного от загрязнений и остатков огнеупорной оболочковой формы возврата собственного производства сплава ЖС6У-ВИ. Исследованы образцы, вырезанные из замковой части лопатки и элементов литниковой системы, примыкающих к лопатке. Также изучены специально отлитые в медную форму цилиндрические образцы из исходного сплава ЖС6У-ВИ без использования возврата и с 50 и 100 % возврата в шихте. Исследование структуры проводили с применением электронной и оптической микроскопии. Идентификация фаз и структурных составляющих производилась по результатам микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) с использованием расчетов фазового состава в программе Thermo-Calc, опираясь на описанные в литературе сведения о возможных соединениях в жаропрочных никелевых сплавах. Содержание основных легирующих компонентов в полученных образцах (кроме углерода) определяли по данным МРСА. Исследования проводились на образцах в литом и отожженном в течение 4 ч при 1210 °С состояниях. Показано, что использование возврата в шихте принципиально не изменяет фазовый состав сплава ни при плавке в индукционной тигельной печи, ни при вакуумно-дуговом переплаве.

Expensive nickel superalloys are used for manufacture of cast blades of gas turbine engine (GTE). However, for the blades only a small amount of alloy was used and the remainder is used for gating system. Therefore, the most proportion of alloy after casting is a scrap, the use of which as raw material for blades production significantly reduces their cost. However, the use of scrap is associated with some risks: the possibility of alloy contamination by nonmetallic inclusions and loss of alloying elements. So, the investigation of a scrap usage effect on the blades properties is very important. In the first part of article the influence of the scrap amount on the microstructure and phase composition of the ZhS6U-VI nickel-base superalloy were examined. The GTE blades samples, fully produced from the scrap of ZhS6U-VI superalloy by investment casting were investigated. The scrap before using was cleaned from contaminations and ceramic mold remains. Samples were cut from blade dowetail and gating system near dowetail. In addition, cylindrical samples that were casted into the copper mold from the virgin alloy ZhS6U-VI without the scrap and from alloys with 50 % and 100 % of scrap were researched. The alloys microstructures were investigated using scanning electron microscopy and optical microscopy. The phase’s identification was carried out using the energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) and the calculations of phase composition were made by Thermo-Calc software and literature data about phases in nickel-based superalloys. Content of alloying elements (except carbon) was measured by EDS analysis. The studies were carried out on the samples as-casted and annealed for 4 hours at 1210 °C. It is shown that the use of scrap does not fundamentally change the alloy phase composition at both during vacuum induction melting and vacuum arc melting.

жаропрочные никелевые сплавылопаткивозврат собственного производстваЖС6Уплавкашихталитье по выплавляемым моделямnickel-based superalloysbladesscrapZhS6Umeltingchargeinvestment castingСтатья подготовлена по материалам работы, выполняемой в рамках постановления Правительства РФ № 218 от 09.04.2010 г. Госконтракт № 02.G25.31.0163.The article was prepared on the basis of the work carried out in the framework of Russian Government Decree No. 218 of April 9, 2010. Government Contract No. 02.G25.31.0163.ReferencesКаблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технология, покрытия. – 2-е изд. – М.: Наука, 2006. – 632 с.Kablov E.N. Litye lopatki gazoturbinnykh dvigatelei: splavy, tekhnologiya, pokrytiya [Casted gas turbine blades: alloys, technology, coatings], second ed. Moscow: Nauka, 2006, 632 p. (In Russ.).Зеленюк А.Н., Наумик В.В., Елькин А.В. Использование технологического возврата при производстве отливок из жаропрочного никелевого сплава ВЖЛ12Э-ВИ // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. 2011. № 1 (22). С. 198 – 202.Zelenyuk A.N., Naumik V.V., El’kin A.V. Using scrap in production of VZhL12E-VI alloy castings. Vіsnik Donbas’koi derzhavnoi mashinobudіvnoi akademii. 2011, no. 1 (22), pp. 198–202. (In Russ.).Логунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). – М.: Наука и технологии, 2013. – 264 с.Logunov A.V., Shmotin Yu.N. Sovremennye zharoprochnye nikelevye splavy dlya diskov gazovykh turbin (materialy i tekhnologii) [Modern heat-resistant nickel-based superalloys for gas turbine disks (materials and technologies)]. Moscow: Nauka i tekhnologii, 2013, 264 p. (In Russ.).Кишкин С.Т., Строганов Г.Б., Логунов А.В. Литейные жаропрочные сплавы на никелевой основе. Разработка и исследования. – М.: Машиностроение, 1987. – 116 с.Kishkin S.T., Stroganov G.B., Logunov A.V. Liteinye zharoprochnye splavy na nikelevoi osnove. Razrabotka i issledovaniya [Casting heat-resistant nickel-based superalloys. Development and research]. Moscow: Mashinostroenie, 1987, 116 p. (In Russ.).Сидоров B.B., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Организация производства литых прутковых заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов // Литейное производство. 2011. № 10. С. 2 – 6.Sidorov B.B., Rigin V.E., Kablov D.E. Organization of cast bar production from modern casting nickel-based superalloys. Liteinoe proizvodstvo. 2011, no. 10, pp. 2–6. (In Russ.).Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б. С. Стратегические направления развития конструкционных материалов и технологий их переработки для авиационных двигателей настоящего и будущего // Автоматическая сварка. 2013. № 10 – 11. С. 23 – 32.Kablov E.N., Ospennikova O.G., Lomberg B.S. Strategic development directions of structural materials and technologies for their processing for aircraft nowadays and in future. Avtomaticheskaya svarka. 2013, no. 10–11, pp. 23–32. (In Russ.).Binczyk F., Śleziona J., Mikuszewski T. Effect of repeated remelting on the chemical composition and structure of nickel alloys // Archives of foundry engineering. 2010. Vol. 10. No. 1. P. 189 – 194.Binczyk F., Śleziona J., Mikuszewski T. Effect of repeated remelting on the chemical composition and structure of nickel alloys. Archives of foundry engineering. 2010, vol. 10, no. 1, pp. 189–194.DeBarbadillo J.J. Nickel–base superalloys; physical metallurgy of recycling // Metallurgical Transactions A. 1983. Vol. 14. Issue 2. P. 329 – 341.DeBarbadillo J.J. Nickel–base superalloys; physical metallurgy of recycling. Metallurgical Transactions A. 1983, vol. 14. Is. 2. pp. 329–341.Richards N.L., Chaturvedi M.C. Effect of minor elements on weldability of nickel base superalloys // International Materials Reviews. 2000. Vol. 45. Issue 3. P. 109–129.Richards N.L., Chaturvedi M.C. Effect of minor elements on weldability of nickel base superalloys. International Materials Reviews. 2000, vol. 45, Issue 3, pp. 109–129.Morscheiser J., Thönnessen L., Gehrmann B., Friedrich B. The influ ence of the slag composition on the desulfurization of Ni–based superalloys // Proceedings of the 2011 Int. Symposium on Liquid Metal Processing and Casting: Nancy, France. September 25 – 28, 2011. LMPC. 2011. P. 89 – 96.Morscheiser J., Thönnessen L., Gehrmann B., Friedrich B. The influence of the slag composition on the desulfurization of Ni–based superalloys. Proceedings of the 2011 Int. Symposium on Liquid Metal Processing and Casting: Nancy, France. September 25-28. 2011. LMPC 2011, pp. 89–96.Morscheiser J., Thönnessen L., Friedrich B. Sulphur control in nickel-based superalloy production // Proceedings of European Metallurgical Conf. Düsseldorf, Germany. June 26 – 29, 2011. EMC 2011. Vol. 4. P. 1197 – 1212.Morscheiser J., Thönnessen L., Friedrich B. Sulphur control in nickel-based superalloy production. Proceedings of European Metallurgical Conf., Düsseldorf, Germany, June 26-29, 2011. EMC 2011, vol. 4, pp. 1197–1212.Thermo-Calc Software TCNI8 Ni-based Superalloys Database, version 8, Аccessed October 1, 2018.Thermo-Calc Software TCNI8 Ni-based Superalloys Database, version 8. Accessed October 1, 2018.Geddes B., Leon H., Huang X. Superalloys: alloying and performan ce. – Materials Park, Ohio: ASM International, 2010. – 176 p.Geddes B., Leon H., Huang X. Superalloys: alloying and performance. Materials Park, Ohio: ASM International, 2010, 176 p.Reed R.C. The Superalloys: Fundamentals and Applications. – Camb ridge: Cambridge University Press, 2006. – 372 р.Reed R.C. The Superalloys: Fundamentals and Applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2006, 372 р.Erickson G.L. A new, third-generation, single-crystal, casting superalloy // JOM. 1995. Vol. 47. P. 36 – 39.Erickson G.L. A new, third-generation, single-crystal, casting superalloy. JOM. 1995, vol. 47, pp. 36–39.Goodfellow A.J., Galindo-Nava E.I., Christofidou K.A. etc. Gamma prime precipitate evolution during aging of a model nickel-based superalloy // Metallurgical and Materials Transactions A. 2018. Vol. 49. P. 718 – 728.Goodfellow A.J., Galindo-Nava E.I., Christofidou K.A., Jones N.G., Martin T., Bagot P.A.J., Boyer C.D., Hardy M.C., Stone H.J. Gamma Prime Precipitate evolution during aging of a model nickel-based superalloy. Metallurgical and Materials Transactions A. 2018, vol. 49, pp.718–728.Fuchs G.E. Solution heat treatment response of a third generation single crystal Ni-base superalloy // Materials Science and Engineering A. 2001. Vol. 300. P. 52 – 60.Fuchs, G.E. Solution heat treatment response of a third generation single crystal Ni-base superalloy. Materials Science and Engineering A. 2001, vol. 300, pp. 52–60.Pollock T.M., Tin S. Nickel–based superalloys for advanced turbine engines: chemistry, microstructure and properties // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22. No. 2. P. 361 – 374.Pollock T.M., Tin S. Nickel–based superalloys for advanced turbine engines: chemistry, microstructure and properties. Journal of Propulsion and Power. 2006, vol. 22, no. 2, pp. 361–374.Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: a technical guide. 2nd ed. – Materials Park, OH: ASM International, 2002. – 439 p.Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: a technical guide. 2nd ed. Materials Park, OH: ASM International, 2002, 439 p.Zhang Z.W., Niu Y.J., Tian J.J. etc. Effect of remelting on the micro structure and mechanical properties of a nickel superalloy // Materials Science Forum. 2016. Vol. 849. P. 492 – 496.Zhang Z.W., Niu Y.J., Tian J.J., An N., Gao Y., Wang C., Shi S.F. The effect of remelting on the microstructure and mechanical properties of a nickel superalloy. Materials Science Forum. 2016, vol. 849, pp. 492–496.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.