VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ ŽÁROVÝCH ČÁSTÍ NOVĚ VYVUTÉHO TURBÍNOVÉHO MOTORU TJ 100 DEVELOPMENT OF PRECISION CASTG PROCESS FOR REFRACTORY PARTS OF A NEWLY DEVELOPED TJ 100 TURBOJET ENGE Karel Hrbáček a Božena Podhorná b Jiří Kudrman b Antonín Jocha a Jiří Helána a a PBS Velká Bíteš,a.s., Vlkovská 279, 595 12 Velká Bíteš, e-mail: hrbacek.karel@pbsvb.cz b UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou 1345, 156 10 Praha-Zbraslav, e-mail: podhorna@ujp.cz Abstrakt 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. Abstract 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 713C, 713LC, ŽS6K, ŽS6W, Udimet a 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.
2. VÝVOJ TECHNOLOGIE PŘESNÉHO LITÍ OBĚŽNÝCH A ROZVÁDĚCÍCH KOL Odlitky tohoto typu výrobků převážně odléváme z materiálu 713C nebo 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 713LC a 792 5A (tab. I ). Chování materiálu 713LC v intervalu teplot < 20; 900 > C bylo stanoveno v předchozích pracích [1, 2]. Nově byly stanoveny mechanické vlastnosti slitiny 792 5A. Pro srovnání byly ještě použity výsledky studia mechanických vlastností další superslitiny na bázi niklu a to slitiny 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 713LC, 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 792-A vykazuje po celou dobu nejvyšší hodnoty tvrdosti a pevnosti, slitina 713LC má hodnoty nejnižší. To odpovídá legování a tím žárupevnosti sledovaných slitin. Plastické a křehkolomové vlastnosti porovnávaných slitin ukazují průběhy vrubové houževnatosti (obr. 3). Slitiny 792-5A a 738LC mají tyto závislosti prakticky shodné, slitiny 713LC vykazuje zhruba dvojnásobné hodnoty. U této slitiny je na počátku exploatace za vysokých teplot opět patrný pokles vrubové houževnatosti na počátku žíhání
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 792 5A vykazuje podstatně vyšší žárupevnost (vyšší hodnotu meze pevnosti při tečení) než slitiny 713LC a 738LC, přičemž slitina 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 792 5A vykazuje podstatně vyšší žárupevnost (vyšší hodnotu meze pevnosti při tečení ) než slitiny 713LC a 738LC, přičemž slitina 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 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 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
450 425 Tvrdost HV 375 350 325 275 792-5A 738LC 713LC 250 0 2000 0 6000 8000 10000 Doba žíhání [h] Obr. 1 Změny tvrdosti během dlouhodobého žíhání 1000 Pevnost v tahu [MPa] 900 800 700 600 792-5A 713LC 738LC 0 2000 0 6000 8000 10000 Doba žíhání [h] Obr. 2. Změny pevnosti v tahu během dlouhodobého žíhání Vrubová houževnatost KCU2 [J/cm2] 50 40 30 20 10 0 792-5A 738LC 713LC 0 2000 0 6000 8000 10000 Doba žíhání [h] Obr. 3. Změny vrubové houževnatosti během dlouhodobého žíhání
2000 750 C NAPĚTÍ σ [MPa] 1000 713 LC 738 LC 792-5A 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 800 C NAPĚTÍ σ [MPa] 200 713 LC 738 LC 792-5A 100 1 10 100 1000 10000 DOBA DO LOMU t [h] f Obr. 5. Obr.7. Porovnání napěťových závislostí závislostí dob do lomu dob do lomu studovaných slitin při teplotě 800 C studovaných slitin při teplotě 800 C
1000 850 C NAPĚTÍ σ [MPa] 200 713 LC 738 LC 792-5A 100 1 10 100 1000 10000 DOBA DO LOMU t [h] f Obr. 6. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 850 C Obr.8. Porovnání napěťových závislostí dob do lomu studovaných slitin při teplotě 850 C 900 C NAPĚTÍ σ [MPa] 200 713 LC 738 LC 792-5A 100 1 10 100 1000 10000 DOBA DO LOMU t [h] f 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 713LC 738LC 792.5A 713LC 738LC 792.5A C Mn P B S Si Cu Fe Mo 0,03-0,07 0,09-0,13 0,06-0,10 0,25 0,20 0,15 0,005 0,007 0,012 0,01-0,02 0,30 0,20 0,10 0,35 - Ta W Al Ti Cr Nb Zr Ni 0,75 1,25 1,5-2,0 3,85 4,5-5,5-6,5 0,4-1,0 11,0-13,0 2,4-2,8 3,85 4,50 3,2-3,7 3,2-3,7 15,7-16,3 3,15 3,60 3,75 4,2 12,0 13,0 0,75 1,25 0,6-1,10 0,05 0,10 0,03 0,08 0,01-0,05 Zb. Zb. Zb. 3,8-5,2 1,5-2,0 1,65 2,15
Tab.II. Porovnání doby do lomu studovaných slitin pro teploty v intervalu 700 C až 900 C Teplota [ C] Napětí σ [MPa] 713 LC Doba do lomu t f [h] 738 LC Doba do lomu t f [h] 792-5A Doba do lomu t f [h] 700 700 1,23 1,93 302,14 700 650 44,55 501,80 700 600 687,8 31,53 700 550 1297,3 4562,12 750 650 2,23 57,94 750 600 21,01 3,73 135,22 750 550 118,8 48,98 579,76 750 607,52 83,42 1204,93 750 450 2054,2 382,31 4422,17 800 600 2,76 6,96 800 550 16.4 25,69 800 37,8 1,93 57,66 800 450 42,2 23,95 397,13 800 302,9 48,17 944,4 800 380 349,8 237,08 1648,7 800 350 872,6 406,01 800 1935,1 1007,9 850 450 6,1 27,7 850 10,4 3,7 64,8 850 360 58,6 8,8 204,4 850 279,5 53,5 979,1 850 250 764,1 461,3 3807,0 850 220 1579,0 1180,1 900 380 2,2 900 360 9,1 12,2 900 35,5 2,2 78,2 900 250 92,1 20,1 360,0 900 220 191,9 52,9 660,9 900 200 365,7 149,9 900 180 549,2 312,1 1570,5 900 160 1331,6 608,8 900 140 2152,2 1115,2