Нога В. О. Розроблення системи автоматизованого керування технологічним процесом одержання складнопрофільних виливків з нікелевих сплавів

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 136 Металургія (13 – Механічна інженерія). – Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2026. Дисертація присвячена дослідженню процесів отримання виливків з жароміцних сплавів для деталей відповідального призначення, зокрема для лопаток газотурбінних двигунів (ГТД), та багатофакторній оптимізації виробничого циклу одержання складно-профільних деталей газотурбінних двигунів (лопаток ГТД) з використанням автоматизованого керування та моніторингу параметрів плавлення для зниження браку виробів та економії електроенергії на основі програмної системи власної розробки. Існуючі технології лиття деталей газотурбінних двигунів з жароміцних сплавів з полікристалічною структурою на теперішній час не дозволяють отримувати термостійкість і тривалу міцність згідно з постійно зростаючими вимогами сучасного ринку енергетики та галузі загалом. Слід зазначити, що в таких елементах, як робочі лопатки турбіни газотурбінного двигуна, динамічне навантаження здійснюється вздовж осі деталей. Значно менша площина поперечних границь в сплавах з орієнтованою структурою зменшує вірогідність утворення локальних дефектів в процесі повзучості, а підвищена пластичність полегшує релаксацію напружень в матеріалі. У ході дослідження встановлено, що підвищення швидкості кристалізації виливків від 5 до 10 мм/хв сприяє подрібненню дендритної структури. Одночасно спостерігається збільшення об’ємної частки зміцнюючої інтерметалідної γ′-фази, зменшення розмірів її частинок і середнього поперечного перерізу острівців γ//γ′-евтектики, а також зростання кількості дисперсних карбідів типу МС у міждендритних просторах. Встановлено, що формування регулярної спрямованої структури забезпечується за швидкості переміщення фронту кристалізації в межах 5–10 мм/хв. Результати випробувань зразків-свідків на короткочасну та тривалу міцність після термічної обробки відповідно до стандартних методик засвідчили відповідність механічних властивостей вимогам технічної документації на виріб. З метою дослідження впливу технологічних параметрів і процесів спрямованої кристалізації на структуру жароміцного сплаву як модельний матеріал було обрано сплав СМ88. Цей сплав широко використовується для виготовлення деталей відповідального призначення, зокрема робочих лопаток газотурбінних двигунів першого та другого ступенів. З метою встановлення впливу технологічних параметрів та процесів спрямованої кристалізації на структурні характеристики сплаву СМ88 проведена серія експериментів. Плавку і заливання проводили в вакуумній печі УВНК-8П, оскільки в ній реалізовано процес кристалізації із використанням рідкометалевого охолоджувача (LMC), з варіюванням швидкості кристалізації виливків на 2-х рівнях: 5 та 10 мм/хв. Температура заливання металу становила 1550-1570 °С. Локальні значення параметрів процесу спрямованої кристалізації протягом плавок розраховувалися за розподілом температури в об’ємі виливка, яка вимірювалась експериментально в п’яти точках вздовж осі, за допомогою вольфрам–ренієвих термопар (ВР 5/20, діаметр електродів 0,30 мм). Дослідження макроструктури дослідних зразків, отриманих в результаті проведення експеременту показало, що за обраних оптимальних параметрів кристалізації формується регулярна дендритна структура по всій довжині виробу, включаючи перехідну ділянку. При візуальному огляді зовнішньої та внутрішньої поверхні виливків з жароміцного сплаву і металографічних дослідженнях не виявлено мікропор, засмічень, раковин, неметалічних включень. Оскільки збільшення швидкості кристалізації тягне за собою значне підвищення рівня ліквації елементів у сплаві, в структурі спостерігається поява великих областей евтектичної високотемпературної γ΄ евт.- фази. Об'ємна частка її, визначена за допомогою статистичної металографії по 10 полям зору склала 2-4% при Vкр.=5мм/хв і 6-8%, при Vкр.=10 мм/хв. Кількість вторинної дисперсної γ΄ - фази, локалізованої в міждендритних просторах помітно зменшилася при підвищенні швидкості кристалізації. Вона подрібнюється, зберігаючи переважно форму, близьку до сферичної, змінюючи розміри від 04-06 мкм до 02-03 мкм. В рамках дослідження розроблено прототип програмного забезпечення. Його мета — автоматизувати експерименти з контролем нагріву та кристалізації лопаток газотурбінних двигунів (ГТД) з різною структурою (полікристалічною, спрямованою та монокристалічною) в установці УВНК-8П. Це ПЗ допомагає оптимізувати процес виробництва високоякісних виливків із жароміцних сплавів, призначених для відповідальних деталей через атоматизоване керування та моніторинг параметрів технологічного процесу. Отримані в процесі роботи результати теоретичних і експериментальних досліджень можуть бути впроваджені на вітчизняних підприємствах газотурбобудівної галузі з метою оптимізації витрат енергоресурсів та матеріалів, необхідних для отримання кінцевого продукту.