Вплив властивостей прошарку припою на напружено-деформований стан спаяних вузлів з жароміцних сплавів

Квасницький, В. В. Вплив властивостей прошарку припою на напружено-деформований стан спаяних вузлів з жароміцних сплавів = Influence of properties of the interlayer solder on the stress-strain state of brazed nodes from heat-resistant alloys / В. В. Квасницький, М. В. Матвієнко, Є. А. Бутурля // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : НУК, 2020. – № 4 (482). – С. 119–128.Анотація. Досліджено напружено-деформований стан (НДС) вузлів з жароміцного сплаву. Зварювання плавленням ливарних жароміцних сплавів не дає позитивних результатів. Основним способом з'єднання є паяння, але в зоні стику формується прошарок, механічні властивості якого відмінні від властивостей основного металу, що призводить до утворення складного НДС, який впливає на працездатність з'єднань. Для вивчення НДС використано комп'ютерне моделювання методом скінченних елементів та програмний комплекс ANSYS. Досліджено НДС при швидкому й повільному охолодженні циліндричних зразків з прошарками, які мають меншу границю плинності (на 15 %) та менший опір повзучості на 15 і 30 %, порівняно з основним металом. Встановлено, що на невеликій ділянці основного металу поблизу зовнішньої поверхні біля стику з прошарком і в самому прошарку формується складний НДС. Показано, що зміна опору повзучості прошарку в досліджуваному інтервалі мало впливає на характер розподілу і величину напружень на ділянці об'ємного НДС. Довжина цієї ділянки складає біля 5 товщин прошарку. Отримано епюри радіальних, осьових, дотичних і еквівалентних напружень, а також головних напружень при різних комбінаціях коефіцієнтів лінійного термічного розширення (КЛТР) і швидкостей повзучості основного металу і прошарків. Наведено криві зміни коефіцієнтів жорсткості напруженого стану, що визначається через співвідношення головних і еквівалентних напружень. Встановлено, що поява пластичних деформацій, як миттєвих, так і повзучості в прошарку мало впливає на коефіцієнт жорсткості напруженого стану і ступінь зміцнення або знеміцнення як основного металу, так і металу прошарку. Повільне охолодження знижує напруження в прошарку і в невеликій ділянці основного металу поблизу стику біля зовнішньої поверхні вузла за рахунок деформацій повзучості. При збільшенні різниці між КЛТР основного металу і прошарку рівень напружень зростає по всій довжині прошарку. Тому при розробці припоїв необхідно забезпечувати їх КЛТР близьким до КЛТР основного металу. Повільне охолодження після паяння сприяє зниженню рівня напружень за рахунок деформацій повзучості прошарку.Abstract. The stress-strain state (SSS) of heat-resistant alloy assemblies has been studied. Fusion welding of cast heat-resistant alloys does not give positive results. The main method of connection is soldering, but in the joint area is formed interlayer, whose mechanical properties are different from the properties of the parent metal, which leads to the formation of complex SSS, which affects the performance of connections. To study the SSS uses computer modeling by finite element method (ANSYS software package). The SSS at fast and slow cooling of cylindrical samples with interlayer having smaller is investigated yield strength (15%) and less creep resistance of 15 and 30% compared to the base metal. Found that a small area of the base metal near the outer surface of the interlayer near the junction and in the layer formed complex SSS. It is shown that the change in the creep resistance of the interlayer in the studied interval has little effect on the nature of the distribution and the magnitude of stresses in the area of bulk SSS. The length of this section is about 5 thicknesses of the interlayer. Plots of radial, axial, tangential and equivalent stresses, as well as principal stresses at different combinations of linear thermal expansion coefficients (LTEC) and speed creep of the base metal and interlayer were obtained. The curves of changes in the stiffness coefficients of the stress state, which is determined by the ratio of principal and equivalent stresses, are given. It is established that the appearance of plastic deformations, both instantaneous and creep in the interlayer has little effect on the stiffness coefficients of the stress state and the degree of hardening or weakening of both the base metal and the interlayer metal. Slow cooling reduces the stress in the interlayer and in a small area of the base metal near the joint near the outer surface of the node due to creep deformation. As the difference between the base metal LTEC and the layer increases, the stress level increases along the entire length of the layer. Therefore, when developing solders, it is necessary to provide them with LTEC close to the LTEC of the base metal. Slow cooling after brazing helps to reduce the stress level due to the deformation of the creep of the interlayer

Розробка припою для жароміцних нікелевих сплавів суднових газових турбін нового покоління

The object of research is the processes of the formation of brazed joints and the stressed state. The subject of research is structure, chemical composition, long-term high-temperature strength at a temperature of 900 °C, speed of high-temperature salt corrosion. Existing brazing filler metals have a high-temperature performance of 40–50 % of the performance of the SM93-VI and SM96-VI alloys. Despite this, brazing is the main technique of joining modern heat-resistant cast alloys. Therefore, the development of new brazing filler metals that ensure the formation of joints with increased long-term high-temperature strength is relevant. Ship gas turbine blades operate at a temperature of 900 °C. The purpose of the development of the new SBM-4 brazing filler metal is to achieve long-term high-temperature strength of brazed joints at a temperature of 900 °C at the level of 85–90 % of the strength of heat-resistant alloys SM93-VI and SM96-VI. A two-stage method was used in the development of SBM-4 brazing filler metal. At the first stage, the chemical composition of the brazing filler metal base was determined, taking into account the peculiarities of operating conditions of the blades of marine gas turbine engines and the achievements of materials science of heat-resistant alloys. At the second stage, the depressant and its necessary content were selected. Computer software was used to determine the distribution between the γ- and γ'-phases, taking into account the participation of each element in both dispersion and solid-solution strengthening. Rational limits of concentrations of alloying elements were determined. The criterion was the minimum susceptibility of brazing filler metal to the formation of brittle phases, taking into account the influence of chromium, rhenium, and tantalum concentrations on resistance to high-temperature salt corrosion and high-temperature performance. The long-term strength of SM93-VI and CM96-VI alloys brazed with SBM-4 brazing filler metal is 89–91 % of the strength of the base metal. Technologies of brazing and correction of casting defects have been introduced into production.Об’єкт досліджень: процеси формування спаяних з’єднань і напруженого стану. Предмет досліджень: структура, хімічний склад, довготривала високотемпературна міцність при температурі 900 °C, швидкість високотемпературної сольової корозії. Існуючі припої мають високотемпературну працездатність 40–50 % від працездатності сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ. Не дивлячись на це, паяння є основним способом з’єднання сучасних жароміцних ливарних сплавів. Тому розробка нових припоїв, що забезпечують формування з’єднань з підвищеною тривалою високотемпературною міцністю, є актуальною. Суднові газотурбінні лопатки працюють при температурі 900 °C. Метою розробки нового припою SBM-4 є досягнення тривалої високотемпературної міцності спаяних з’єднань при температурі 900 °C на рівні 85–90 % від міцності жароміцних сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ. При розробці припою SBM-4 використано двоетапний метод. На першому етапі визначено хімічний склад основи припою з урахуванням особливостей умов роботи лопаток суднових газотурбінних двигунів і досягнень матеріалознавства жароміцних сплавів. На другому етапі обрано депресант та його необхідний вміст. Використовували комп’ютерні програми для визначення розподілу між γ- і γ'-фазами з урахуванням участі кожного елемента, як в дисперсійному, так і в твердорозчинному зміцненні. Визначали раціональні межі концентрацій легуючих елементів. Критерієм є мінімальна схильність припою до утворення крихких фаз з урахуванням впливу концентрацій хрому, ренію, танталу на стійкість проти високотемпературної сольової корозії і високотемпературну працездатність. Довготривала міцність спаяних припоєм SBM-4 сплавів СМ93-ВІ і СМ96-ВІ складає 89–91 % від міцності основного металу. Технології паяння та виправлення дефектів лиття впроваджено у виробництво

Designing Brazing Filler Metal for Heat-resistant Alloys Based on NI3AL Intermetallide

One of the most promising structural materials in gas turbine engineering is the alloys based on an intermetallide, the type of Ni3Al, with an equiaxial and directional columnar structure. These materials make it possible to increase the working temperature of blades to 1,220 °C. The blades are made by the method of precise casting in a vacuum; in this case, it is necessary to technologically join the nozzle blades into blocks, to fix the signal holes in cooled blades, to correct casting defects.Welding by melting intermetallide materials, as well as other cast heat-resistant nickel alloys (HNA), does not yield positive results. Therefore, various brazing techniques are used such as TLP-Bonding (Transient Liquid Phase Bonding). Filler metals' melting point is lower than that of the main metal. The key issue related to the technology of brazing HNA, including the design of appropriate filler metals, is the improvement of the physical-mechanical and operational properties of brazed joints.This paper reports the established rational doping of a filler metal base, as well as depressants, the critical temperatures and surface properties of filler metals, their chemical composition, the structure and properties of brazed joints, the mode parameters, and brazing technology. To improve the stability of the structure and the high-temperature strength of the brazed joints, the filler metal was alloyed with rhenium and tantalum. Mechanical tests of brazed joints at 900 °C were conducted in Ukraine; at a temperature of 1,100 °C ‒ in the People's Republic of China. The test results showed that the short-term strength of alloy compounds with an equiaxial structure based on the Ni3Al-type intermetallide at 1,100 °C is 0.98 of the strength of the main metal. The long-lasting strength at the same temperature meets the requirements for the strength of the main meta