ZB nr 12: Odlewanie precyzyjne stopów Ni na krytyczne części silników lotniczych

1. ZB nr 12: Odlewanie precyzyjne stopów Ni na krytyczne części silników lotniczych Liderzy merytoryczni: Prof. dr hab. inż. Jan Cwajna (Politechnika Śląska), Prof. nzw. dr hab. inż. Krzysztof Kubiak (Pol. Rzeszowska), Prof. nzw. dr hab. inż. Jarosław Mizera (Pol. Warszawska). Instytucje partnerskie w zadaniu: Politechnika Rzeszowska, Politechnika Śląska, Politechnika Warszawska.

2. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Łopatki turbiny niskiego ciśnienia i segmenty łopatkowe z nadstopów niklu Nowe materiały na wielowarstwowe formy ceramiczne • Technologia form ceramicznych • Przetapianie stopów wsadowych • Technologia o odlewania • Kontrola jakości odlewów

3. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Formy ceramiczne na osnowie SiCdo odlewania nadstopów niklu Autorzy: Zespół wykonawców PK z Politechniki Warszawskiej pod kierunkiem Profesora Jarosława Mizery Badania podjęto na wniosek partnera przemysłowego – Odlewni precyzyjnej WSK „PZL Rzeszów” S.A.

4. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Zalety: Duża przewodność cieplna – nowe możliwości sterowania makro i mikrostrukturą odlewów. Duża odporność na szoki cieplne. Duża czystość: produkt syntetyczny. akceptowalna cena, dostępność: produkt krajowy. Dane literaturowe dla spieków Wady i niebezpieczeństwa zastosowania SiC, jako materiału formierskiego: 1) Nieznana technologia formowania: - gradacje proszków?, - spoiwa?, - parametry formowania? 2) Utlenianie SiC (>1300ºC) = konieczność obróbki cieplnej form w próżni 3) Dyfuzja węgla/krzemu do materiału (superstopu Ni) odlewu? 4) Reaktywność z odlewanym nadstopem?

5. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Zakres wykonanych prac • Badania materiałów wejściowych – proszki SiC: • - SEM, • - PSD, • - XRF, • - XRD. • Wykonanie i badania i doświadczalnych mieszanek ceramicznych na osnowie SiC: • - dobór spoiw, • - dobór ilości proszku w masie (FL), • - Badania lepkości, • - Badania gęstości i pH, • - test płyty. • Wytworzenie doświadczalnych form ceramicznych z posypkami SiC i form produkcyjnych (form odniesienia)

6. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych SiC – wyniki SEM - mikrostruktura F-40 Gruba posypka 21,80 µm x250 x450 F-80 Drobna posypka 253,91 µm x450 x250 F-400 Osnowa Mieszanki 564,79 µm x250 x450

7. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Właściwości doświadczalnej mieszanki formierskiej (3) z glikolem PEG • Masy ze spoiwem z nanoAl2O3 + PGE(polioksyetylenoglikol) charakteryzują się: • - większym parametrem FL = 65% (udział wagowy proszku SiC w mieszance) mieszanki z LudoxemSK oraz polimerem PAD (dyspersja poliakrylowa), • - stabilnością lepkości, • - stabilnością gęstości, • - stabilnością pH. Celowe jest podjęcie badań dotyczących dalszego zwiększenia parametru FL oraz upłynnienia mas formierskich

8. Wykonanie form doświadczalnych Etap 1 1) Wykonano formy doświadczalne z udziałem SiC w posypkach formy: a) posypki z SiCF-40 i F-80, b) mieszanka formierskie wg technologii WSK. 2) Wykonano formy odniesienia, mieszanki + posypki wg technologii WSK Etap 1b Etap 1a Etap 2: Zalewanie form z etap 1 nadstopem niklu - badania odlewów i form po procesie zalewania

9. Plan dalszych prac • MASY FORMIERSKIE: • dalsze testy (długoterminowe) z zastosowaniem PEG, • próby z polialkoholem winylowym) o różnej masie cząsteczkowej, • jako spoiwem; • kontynuacja badań nad upłynnieniem mieszanek na bazie SiC, • ograniczenie zastosowania drogich zagranicznych spoiw z nanocząstkami i zastępowanie ich tańszymi spoiwami (m.in. produkcji krajowej). • FORMY: • zalanie form doświadczalnych z posypkami SiC, • badania właściwości form z posypkami SiC: • - wytrzymałość na zginanie, moduł Younga, moduł Weibulla, • - porowatość i rozkład wielkości porów, • - badania mikrostrukturalne materiału form, • - badania przewodności cieplnej. • badania materiałowe odlewów, • wytworzenie i zalanie form z mieszankami i posypkami SiC dla stabilnej mieszanki na osnowie SiC

10. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Optymalizacja technologii wytwarzania odlewów precyzyjnych krytycznych części silników lotniczych z zastosowaniem symulacji komputerowych Autorzy: Zespół wykonawców PK z Politechniki Rzeszowskiej pod kierunkiem Profesora Krzysztofa Kubiaka

11. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Cel: Obniżenie kosztów wytwarzania odlewów precyzyjnych krytycznych części silników lotniczych z nadstopów niklu w wyniku redukcji kosztów złej jakości, poprzez optymalizacją technologii ich wytwarzania. Stan wyjściowy: Niezadowalający uzysk 68% związany głównie z powstawaniem „jam skurczowych”. Model 3D odlewu Model woskowy odlewu

12. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyniki symulacji komputerowej powstawania porów skurczowych ( Program ProCast) Wyjściowa wersja zestawu odlewniczego Końcowa wersja zestawu odlewniczego Model 3D udoskonalonego układu wlewowego i 8 - warstwowej formy ceramicznej

13. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyniki symulacji komputerowej krzepnięcia odlewów ( Program ProCast) Symulacja stopnia wypełnienia formy ceramicznej ciekłym metalem 1,6 s 16 s Symulacja krzepnięcia odlewu

14. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wykonanie próbnej partii odlewów Woskowy model zestawu odlewniczego Wielowarstwowa forma ceramiczna Poprzez optymalizację kształtu i rozmiarów układu wlewowego oraz liczby warstw ceramiki wyeliminowano wady typu „jamy skurczowe”, co spowodowało wzrost uzysków z 68% do 85%. Odlew po wybiciu z formy i piaskowaniu

15. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Politechnika Śląska, Katedra Nauki o Materiałach Zespół wykonawców PKZB 12 w Pol. Śl. pod kierunkiem Profesora Jana Cwajny • Analiza możliwości ujawniania jam skurczowych w strefie osiowej prętów wsadowych (master heat) z nadstopów niklu metodami nieniszczącymi. • Ocena jakości metalurgicznej wlewków wsadowych master heat na podstawie wyników analizy ATD (wspólnie z realizatorami ZB 13 – zespołem Prof. Franciszka Binczyka). • Analiza wtrąceń niemetalicznych w stopie wsadowym MAR M247 przetopionym próżniowo w warunkach przemysłowych metodami mikroskopii świetlnej, mikroskopii elektronowej skaningowej i spektrometrii rentgenowskiej. • Analiza przyczyn niezadowalającej odporności na pełzanie nadstopu kobaltu MAR M509(wspólnie z zespołem Prof. Jarosława Mizery z WIMPW). • Analiza przyczyn powstawania wad w odlewach precyzyjnych łopatek z nadstopu IN 713 C i segmentów łopatkowych z nadstopu MAR M247. (POSTER)

16. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Politechnika Śląska, Katedra Nauki o Materiałach Zespół wykonawców PKZB 12 w Pol. Śl. pod kierunkiem Profesora Jana Cwajny Analiza składu chemicznego i morfologii tlenków Al2O3stosowanych w technologii odlewania precyzyjnegoelementów z nadstopów niklu (wspólnie z zespołem Prof. Jarosława Mizery z WIMPW). Geneza i cel badań: Jedną z głównych przyczyn powstawania wad powierzchniowych odlewów precyzyjnych z nadstopów niklu, ujawnianych w badaniach fluorescencyjnych, są tlenki Al2O3. Te tlenki występują w pierwszej i kolejnych warstwach wielowarstwowej formy ceramicznej. Są one również stosowane w procesie czyszczenia odlewów luźnym ścierniwem. W celu ustalenia czy ich obecność w odlewach wynika z reakcji zachodzących na granicy ciekły metal - forma i działania erozyjne ciekłego nadstopu na materiał formy, czy też zostają one wbijane do warstwy zewnętrznej odlewów w procesie ich czyszczenia konieczne stało się zbadanie składu chemicznego i morfologii tych tlenków.

17. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyniki oceny składu chemicznego, wielkości i kształtu elektrokorundu 183,4 μm Elektrokorund do obsypywania zestawów modelowych ALUDUR-EK-F100(1) 183,3 μm Elektrokorund biały F-100do piaskowania odlewów 125,9 μm Elektrokorund biały F-150do piaskowania odlewów Obecność Na i K

18. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyniki oceny składu chemicznego, wielkości i kształtu elektrokorundu Kształtki ceramiczne do czyszczenia i dogładzania odlewów 183,4μm 183,3μm 183,3μm Obecność Si, Fe, Ta, Mg, Ca, Na, B, K i S oraz Ni, Cr, Ta, Możliwość ustalenia pochodzenia złożonych tlenków aluminium w odlewach na podstawieich analizy EDS

19. Główne wyniki zrealizowanych prac badawczych Wyniki badań zostały były przedmiotem dyskusji na:Forum – „Wyniki badań naukowych PKAERO a implementacje wyników badań w przemyśle wg. wskaźników produktu i rezultatu” zorganizowanych w I i II kwartale 2012 roku: Cwajna J., Chmiela B., Matysiak H., Sozańska M., Szala J.: Factors effecting creep test results of MAR M509 master heats. WSK „PZL Rzeszów” S.A., 16.01.2012 r. Cwajna J.: Master heats quality as a one of the sources of non-metallic inclusions and defects in castings. WSK „PZL Rzeszów” S.A., 29.03.2012 r. Adamiec J., Cwajna J.: Analiza przyczyn pękania łopatek ze stopu niklu Inconel 713C. Politechnika Rzeszowska, 25.04.2012 r.

20. Główne wnioski • Wykonane badania nieniszczące odcinków prętów ze stopu wsadowego master heat nadstopu niklu MAR M247, S.A wykazały, że: • metoda defektoskopowych badań ultradźwiękowych nie umożliwia poprawnej lokalizacji jam skurczowych występujących w strefie osiowej prętów wsadowych oraz oceny ich wielkości; • selekcja odcinków prętów stopów sadowych przeznaczonych do wykonania odlewów powinna być dokonywana na podstawie wyników badań wizualnych, penetracyjnych i rentgenowskich. • Spowoduje to jednak zwiększenie kosztów technologii precyzyjnego odlewania elementów silników lotniczych z nadstopów niklu i nadstopów kobaltu. Konieczne jest zatem podjęcie we współpracy z producentem stopów wsadowych działań w zakresie poprawy jakości prętów dostarczanych do WSK ’’PZL Rzeszów” S.A. Zorganizowano w tym celu w I i II kwartale 2012 roku 2 spotkania w ramach Forum – Wyniki badań naukowych PKAERO a implementacje wyników badań w przemyśle wg. wskaźników produktu i rezultatu:

21. Główne wnioski • 2. Uzyskane wyniki badań stopów wsadowych master heat stanowią kolejne potwierdzenie: • wpływu „czystości metalurgicznej” stopów wsadowych master heat na punkty charakterystyczne na krzywych ATD opisujących proces krystalizacji stopu; • konieczności indywidualnego doboru parametrów odlewania na podstawie wyników analizy ATD dla danej partii wlewków wsadowych. 3. Zebrano kolejny, bogaty zestaw przykładów do przygotowywanego w ZB 12 Projektu Kluczowego „Atlasu wad odlewów precyzyjnych z nadstopów niklu i nadstopów kobaltu”. • 4. Ustalono, że przyczynami niezadowalającej odporności na pełzanie stopów wsadowych master heat nadstopu kobaltu MAR M 509 są: • występowanie w stopach wsadowych aluminium i pierwiastków niepożądanych oraz niezadowalająca jakość metalurgiczna tych stopów; • niekorzystna mikrostruktura: większe węgliki pierwotne, większa objętość względna eutektyk węglikowych, w porównaniu do nadstopów o zadowalającej odporność na pełzanie, oraz obecność dużych wydzieleńAlN;

22. Główne wnioski 5. Stwierdzono, że główną przyczyną pękania na gorąco badanej serii łopatek z nadstopu IN713C w obszarze przejścia pióra w zamek jest niedostateczne zasilanie tego obszaru w ciekły metal w procesie krystalizacji. Konieczna jest zamiana sposobu zasilania odlewów w ciekły metal i/lub zmiana sposobu ocieplania formy ceramicznej. 6. Wykazano, że wady w badanej serii odlewów segmentów łopatkowych z nadstopu MAR M247 mają głównie charakter powierzchniowy. Są to pory otwarte oraz egzogeniczne wtrącenia niemetaliczne – głównie tlenki Al2O3, SiO2, MgO oraz ZrSiO4 wchodzące w skład formy ceramicznej i tygla, powstające w wyniku działania erozyjnego ciekłego nadstopu MAR M247 na materiał tygla i formy ceramicznej.Obszary wzbogacone w hafn powstają na powierzchni odlewów w wyniku reakcji zachodzących na granicy ciekły metal-forma ceramiczna. Obecność w odlewach zanieczyszczeń zawierających cynk, miedź, cynę i żelazo świadczy natomiast o niezadowalającej czystości metalurgicznej stopu wsadowego master heat. (Opracowano działania naprawcze)

23. Dane do wskaźników realizacji celów projektu PUBLIKACJE WYDANE W I i II KWARTALE 2012 ROKU: Chmiela B., Sozańska M., Rodak K.; Phase identification in nickel-based superalloys using EBSD/SEM and electron diffraction in STEM. Solid State Phenomena, 186, 2012, 58÷61. Sozańska M., Chmiela B., Kianicova M., Cwajna J.; Degradation of microstructure after service in ZhS6Ksuperalloy with diffusive aluminide coating. Solid State Phenomena, 186, 2012, 143÷146. Chmiela B., Kianicova M., Sozańska M., Swadźba L.; Degradation of Si-Al aluminide coating after service of turbine blades made of ZhS6Ksuperalloy.IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering; 35; 2012; 1÷9. Szczotok A.; Rodak K.; Microstructural studies of carbides in MAR-M247 nickel-based superalloy; IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering; 35; 2012; 1÷11. Chmiela B., Sozańska M., Cwajna J., Identification and evaluation of freckles in directionally solidified casting made of PWA 1426 nickel-based superalloy. Arch. Metall. Mater., 57(2), (2012), 567÷572. REFERATY KONFERENCYJNE: ChmielaB., SozańskaM., JarczykJ. , CwajnaJ. : Evaluation of casting defects in polycrystalline, directionally solidified and single crystal superalloys using SEM-EDS-EBSDmethods, EMAS 2012, 10th Regional Workshop - Electron probe microanalysis of materials today, Padua, Italy, 17 ÷ 20, June 2012. Kościelniak B., Chmiela B., Kukiełka T.; Analysis of non-metallic inclusions in casting made of IN713Csuperalloy forming as a result of metal - mould reactions.ŠtudentskúvedeckúodbornúkonferenciuMETALURGIA, 2012; Kosice; 17.04.2012.

24. Dane do wskaźników realizacji celów projektu Publikacje planowane: Chmiela B., Sozańska M., Cwajna J.: Analysis of stray grain formation in single crystal nickel-based superalloyCMSX-4. International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Science, 2012, (PracticalMetallography). AgnieszkaSzczotok, Jan Cwajna: Factors affecting the results of quantitative evaluation of gamma prime phase in nickel-base superalloys. International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Science, 2012,(PracticalMetallography). StanisławRoskosz S.: Evaluation of porosity of precision castings made of high-temperature creep resisting nickel-basedsuperalloys. International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Science, 2012,(PracticalMetallography). Kukiełka T., Jan Cwajna J.: Ocena odległości między pierwotnymi ramionami dendrytów w nadstopie CMSX-4. International Conference on Stereology and Image Analysis in Materials Science, 2012,(Solid State Phenomena). ChmielaB., Sozańska M., Cwajna J.: Zastosowanie technik SEM- EDS-EBSDw ocenie wad odlewów z nadstopów niklu. XL Szkoła Inżynierii Materiałowej, 24 ÷ 27 IX. 2012 r. Kraków. Kościelniak M. Sozańska B. Chmiela: Ilościowa ocena mikrostruktury nadstopu na bazie  niklu CMSX-4. XL Szkoła Inżynierii Materiałowej, 24 ÷ 27 IX. 2012 r. Kraków. M. Sozańska, B. Chmiela J., Cwajna: Identyfikacja i ocena wad w kierunkowo krystalizowanych odlewach z nadstopów niklu. (Archives of Metallurgy and Materials). A. Szczotok, J. Chrapoński: Wykorzystanie techniki składania obrazów mikrostruktury zarejestrowanych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego do oceny ilościowej węglików w nadstopie niklu MAR M247. (Archives of Metallurgyand Materials).

25. Dane do wskaźników realizacji celów projektu Prace dyplomowe magisterskie

26. Dane do wskaźników realizacji celów projektu Projekty inżynierskie:

27. Dane do wskaźników realizacji celów projektu Prace doktorskie: Mgr Bartosz Chmiela : Zastosowanie metod mikroanalizy rentgenowskiej i techniki EBSD w badaniach materiałów dla lotnictwa. Przewód doktorski otwarto 9.XI.2010. Planowany termin zakończenia 2012. Promotor: Dr hab. inż. Maria Sozańska, prof. nzw. w Pol. Śl. 2. Mgr inż. Małgorzata Zagórska (1 rok studium doktoranckiego) : „Wpływ parametrów technologicznych procesu krystalizacji na właściwości i mikrostrukturę odlewniczego nadstopu niklu Rene 77”. Planowany termin otwarcia przewodu: marzec 2013. Rozprawy habilitacyjne: 1. Dr inż. Stanisław Roskosz: Kompleksowa ocena porowatości odlewów precyzyjnych z żarowytrzymałych nadstopów niklu. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2011 r. Rada Wydziału Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Pol.Śl. nadała stopień dr hab. 05.06.2012 r. Zgłoszenia patentowe dokonane w II półroczu 2011 r. - 0 Udział studentów – 22 (aktualnie 1) Udział doktorantów - 2 (aktualnie 2) Udział innych wykonawców - 32

28. Stan współpracy z przedsiębiorstwami Doliny Lotniczej UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Najpilniejsze problemy do rozwiązania: 1) Doskonalenie metodyki projektowania technologii precyzyjnego odlewania krytycznych części silników lotniczych z wykorzystaniem wspomagania komputerowego (PRz). 2) Wzbogacanie bazy danych o właściwościach stopów wsadowych i materiałów form ceramicznych stosowanych w technologii precyzyjnego dolewania krytycznych części silników lotniczych z nadstopów niklu i nadstopów kobaltu(PRz ,PŚl. i PW). 3) Kontynuowanie analiz przyczyn powstawania wad w odlewach precyzyjnych krytycznych części silników lotniczych z nadstopów niklu - opracowanie atlasu wad (PRz,PŚl. i PW). 4) Doskonalenie elementów systemu zapewnienia jakości procesów wytwarzania oraz odlewów precyzyjnych części silników lotniczych z nadstopów niklu (PŚl.). Zgodnie z planem jest realizowany opracowany wspólnie z partnerem przemysłowym WSK ”PZLRZESZÓW”S.A. PROGRAM BADAŃ NA LATA 2011 ÷ 2014

29. */ X – planowane X - wykonanie

30. Dane do wskaźników realizacji celów projektu UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Podstawowy zespół wykonawców Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej 10 (2) Prof. dr hab. inż. Jarosław Mizera, Dr hab. inż. Halina Garbacz, Dr hab. inż. Krzysztof Rożniatowski, Dr inż. Grzegorz Krzesiński, Mgr inż. Julia Ferenc, Mgr inż. Romuald Dobosz, Prof. dr hab. inż. Mikołaj Szafran, Wydział Chemii PW; Dr hab. inż. Wojciech Fabianowski, Wydział Chemii PW; Dr inż. Hubert Matysiak, UCBPW; Dr inż. Jakub Michalski MEGroup; • Politechnika Rzeszowska – 5 Katedra Materiałoznawstwa; • Prof. dr hab. inż. Jan Sieniawski, • Prof. nzw. dr hab. inż. Krzysztof Kubiak, • Mgr inż. Dariusz Szeliga, • Mgr inż. Stanisław Bąk, • Mgr inż. Rafał Cygan, • Politechnika Ślaska - 13 (3)Katedra Nauki o Materiałach • Katedra Technologii Materiałów • Prof. dr hab. inż. Cwajna Jan • Prof. dr hab. inż. Binczyk Franciszek , • Prof. dr hab. inż. Hetmańczyk Marek, • Prof. dr hab. inż. Szala Janusz, • Dr hab. inż. Maria Sozańska prof. PŚl., • Dr hab. inż. Adamiec Janusz, • Dr hab.inż. Roskosz Stanisław, • Dr inż. Szczotok Agnieszka, • Mgr inż. Bartosz Chmiela, • Mgr inż. Tomasz Kukiełka, • Mgr inż. Mościcki Adrian • Mgr inż. Staszewski Marek, • Inż. Barbara Kościelniak