Sposób oceny doskonałości struktury krystalicznej monokrystalicznych odlewów łopatek z nadstopu niklu CMSX-4

• Autorzy: Gancarczyk K. , Albrecht R. , Olesch Ch. , Kubiak K. , Sieniawski J.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.6.1

Warianty tytułu

EN

Novel method for the measurement of crystalline perfection in single crystal turbine blades made of CMSX-4 superalloy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono ocenę doskonałości struktury krystalicznej monokrystalicznych odlewów łopatek turbiny wysokiego ciśnienia silnika lotniczego w stanie lanym oraz po obróbce cieplnej. Odlewy wytworzono z nadstopu niklu CMSX-4 metodą Bridgmana z prędkością wyciągania formy 3 i 5 mm/min. Podstawą oceny doskonałości struktury krystalicznej odlewów była analiza wyników pomiarów kąta odchylenia α pomiędzy kierunkiem wyciągania i kierunkiem krystalograficznym [001] w danej objętości odlewu łopatki. Stosowano zmodyfikowaną metodę dyfrakcji rentgenowskiej Ω-scan do wyznaczania orientacji krystalicznej monokryształów za pomocą zaprojektowanego i wykonanego dyfraktometru firmy EFG. Metoda ta umożliwia wyznaczanie orientacji krystalicznej poszczególnych obszarów powierzchni pióra i zamka odlewu monokrystalicznego łopatki z dokładnością ±0,01°. Analiza uzyskanych wyników badań wskazuje, że zwiększenie prędkości wyciągania z 3 do 5 mm/min prowadzi do zmniejszenia średniej wartości kąta odchylenia α od około 6,5 do 4°. Stwierdzono jednocześnie, że różnica wartości kąta α dla prędkości wyciągania 3 i 5 mm/min jest zbliżona. Jednocześnie wykazano, że obróbka cieplna odlewów (przesycanie i starzenie) prowadzi do zwiększenia średniej wartości kąta odchylenia α dla prędkości 3 i 5 mm/min odpowiednio do około 8,5 i 6,5°. Stwierdzono także, że rozkład wartości kąta α będący miarą niejednorodności orientacji zmniejsza się dla prędkości wyciągania 3 i 5 mm/min odpowiednio do 1,8 i 1,6°.

EN

The paper presents novel method for crystal perfection investigation in single crystal turbine blades both as-cast and after heat treatment. The castings were made of CMSX-4 superalloy and cast by the Bridgman method at the withdrawal rate of 3 and 5 mm/min. Evaluation of crystal perfection was based on measurements of α angle — the angle between crystallographic growth direction [001] and the main axis of the blade z. The investigation was conducted with the use of X-ray diffraction method called Ω-scan, utilizing prototype OD-EFG diffractometer invented by EFG company (Berlin). The apparatus enables determination of the crystal orientation in the root and airfoil of turbine blade made of nickel based superalloys. The size of the measuring spot was about approx. 2 mm2 and by this size, the orientation of whole surface of turbine blade can be mapped with an accuracy of ±0.01°. It was found that increase of withdrawal rate from 3 to 5 mm/min caused a reduction in the average value of α angle from 6.5 to 4°. The scatter of α angle for both withdrawal rates is similar. Heat treatment of casting resulted in an increase of α angle to 8.5° for withdrawal rate 3 mm/min and 6.5° for 5 mm/min. The scatter of orientation decreased to 1.8 and 1.6° respectively.

Słowa kluczowe

PL

nadstopy niklu; monokryształ; łopatki turbiny; CMSX-4; orientacja krystaliczna

EN

nickel-based superalloys; single crystal; turbine blades; CMSX-4; crystal orientation

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 6
• Strony: 356--362
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Gancarczyk K.

• Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Albrecht R.

• Zakład Badań Strukturalnych, Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach, Uniwersytet Śląski

autor

Olesch Ch.

• EFG, Elektrotechnische Fabrikations -und Grosshandelsgesellschaft mbH

autor

Kubiak K.

• Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

autor

Sieniawski J.

• Katedra Materiałoznawstwa, Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa, Politechnika Rzeszowska

Bibliografia

• [1] Sieniawski J.: Kryteria i sposoby oceny materiałów na elementy lotniczych silników turbinowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów (1995).
• [2] Reed R. C.: The superalloys. Fundaments and application. CambridgeUniversity Press, Cambridge (2006).
• [3] Dubiel B.: Zmiany mikrostruktury podczas pełzania monokrystalicznych nadstopów niklu. Wydawnictwa AGH, Kraków (2011).
• [4] Onyszko A.: Gamma prime crystal lattice orientation of turbine blades of the single crystal nickel based CMSX-4. Solid State Phenomena 203-204 (2013) 169÷172.
• [5] Williams J. C., Strake E. A.: Progress in structural materials for aerospace systems. Acta Materialia 51 (19) (2003) 5775÷5799.
• [6] Szeliga D., Kubiak K., Suchy J., Jarczyk G., Sieniawski J.: Temperature distribution in single crystal cast made of CMSX-4 nickel superalloy manufactured by Bridgman method. Inżynieria Materiałowa 191 (2013) 7÷13.
• [7] Czyrska-Filemonowicz A., Dubiel B., Ziętara M., Cetel A.: Development of single crystal Ni-based superalloys for advanced aircraft turbine blades. Inżynieria Materiałowa 28 (3-4) (2007) 128÷133.
• [8] Whittaker G. A.: Precision casting of aero gas turbine components. Materials Science and Technology 2 (5) (1986) 436÷441.
• [9] Khan T., Caron P.: Effect of processing conditions and heat treatments of mechanical properities of single crystal superalloy CMSX-2. Materials Science and Technology 2 (1986) 486÷492.
• [10] Royer A., Bastie P., Veron M.: In situ determination of γʹ phase volume and of relations between lattice parameters and precipitate morphology in Ni-based single crystal superalloy. Acta Materialia 46 (15) (1998) 5357÷5368.
• [11] Kubiak K., Onyszko A., Sieniawski J., Bogdanowicz W., Nowotnik A.: Influence of manufacture conditions of the properties of CMSX-4 single crystal castings. Inżynieria Materiałowa 31 (3) (2010) 622÷624.
• [12] Berger H., Bradaczek H. A., Bradaczek H.: Omega-Scan: an X-ray tool for the characterization of crystal properties. Journal of Materials Science: Materials in Electronics 19 (1) (2007) 351÷355.
• [13] Berger H.: X-ray orientation determination of single crystals by means of the Ω-scan method. Journal de Physique Archives 118 (4) (2004) 37÷42.