Жаропрочные литейные никелевые сплавы

Создание газотурбинных двигателей (ГТД), без которых немыслимо современное авиастроение, потребовало разработки новых материалов, в первую очередь жаропрочных и жаростойких сплавов, способных работать при высоких температурах и противостоять коррозии в газовом потоке. Если в двигателях внутреннего сгорания материалы работали при температурах до 800 °С, то в настоящее время рабочие температуры повысились до 1050–1100 °С.

Особое внимание уделялось материалу для лопаток ГТД, так как по ответственности назначения и условиям нагружения они выделяются среди других деталей. Условия работы лопаток из литейных жаропрочных сплавов в каждом новом двигателе становятся все более напряженными в связи со значительным повышением газов на входе в турбину, увеличением скорости полета, а также ресурса работы двигателей.

Задача разработки сплавов для лопаток впервые потребовала системного подхода на основе рассмотрения трех составляющих: состав сплава, конструкция лопатки, технология получения заготовки. Собственно, на основе этой триады и появились жаропрочные литейные сплавы. Ранее для лопаток использовали только деформируемые сплавы. Лишь после получения положительных результатов испытаний на двигателях удалось сломить предубеждение конструкторов против использования литых заготовок для деталей ответственного назначения.

Кроме того, стало ясно, что дальнейшее повышение параметров ГТД может быть достигнуто только при условии применения охлаждаемых лопаток. Создание литейных жаропрочных сплавов ЖС6 и его модификации ЖС6К и освоение технологии точного литья по выплавляемым моделям решили проблему охлаждения рабочих лопаток. Только в литых деталях можно получить внутренние полости любой конфигурации. К тому же литейные сплавы обеспечивают более высокий уровень жаропрочности, чем деформируемые сплавы, так как обладают более развитым гетерогенным строением.

Разрушение жаропрочных сплавов при температурах эксплуатации лопаток происходит по границам зерен. Первые литые лопатки имели равноосную структуру и, следовательно, имели большую протяженность межзеренных границ. Для частичного устранения этого фактора была разработана технология литья лопаток с направленной структурой, ориентированной параллельно оси лопатки. Это исключило возможность возникновения на границах зерен растягивающих напряжений от центробежных сил при эксплуатации лопаток. Влияние самого слабого места в структуре лопаток – границ зерен – удалось устранить при разработке технологии литья монокристаллических лопаток.

В соответствии с этим новые отечественные литейные жаропрочные сплавы создавали с учетом конструкции лопаток и технологии литья, обеспечивающей направленную или монокристаллическую структуру. Химический состав жаропрочных сплавов (табл. 36, 37, 38) намного сложнее, чем у всех других литейных материалов. Первые жаропрочные сплавы были разработаны в Англии на базе нихрома (никельхромистого сплава типа Н20Х80) с добавками титана и алюминия. Они получили название нимоники.

Методом физикохимического фазового анализа было установлено, что в английском сплаве имеется упрочняющая высокотемпературостойкая интерметаллидная фаза Ni3Al, получившая название γ′фаза. Диаграммы состояния никеля с алюминием, хромом и титаном представлены на рис. 49.

Все три элемента образуют широкие области твердых растворов на основе никеля (γфазы) и эвтектики с достаточно высокой температурой плавления. Из диаграммы Ni – Cr (см. рис. 49, б) видно, что растворимость хрома в никеле при комнатной температуре весьма высока и составляет около 30 %. Температура плавления эвтектики 1340 °С.

В системе Ni – Al (см. рис. 49, а) эвтектика плавится при более высокой температуре, 1385 °С. Растворимость алюминия меньше, чем хрома. В этой системе в равновесии с твердым раствором алюминия в никеле (γфаза) находится γ′фаза, представляющая собой раствор на основе интерметаллида Ni3Al.

В системе Ni – Ti (см. рис. 49, в) температура плавления эвтектики самая низкая из этих трех систем. Она составляет 1304 °С.

Основное упрочнение жаропрочных сплавов связано с выделением при старении упорядоченных γ′фаз, представляющих собой простой интерметаллид Ni3Al или интерметаллиды более сложного состава (Ni, Co, W)3(Al, Ta, Cr). Особенностью этих фаз является аномальное увеличение прочности при повышении температуры. Так, прочность фазы Ni3Al при температуре 700 °С в четыре раза выше, чем при комнатной температуре. Легирование этой фазы такими элементами, как титан, вольфрам, ниобий, тантал, не только увеличивает абсолютные значения прочности, но и повышает температуру, при которой достигается максимум прочности. Причиной увеличения прочности упорядоченных фаз с ростом температуры является возникновение сверхдислокаций. Упрочнение сплавов будет тем больше, чем выше в них содержание γ′фазы.

Дальнейшая разработка жаропрочных сплавов строилась с учетом увеличения в них количества γ′фазы и получения ее высокой структурной стабильности. Кроме интерметаллидного в жапропрочных сплавах используют и механизм карбидного упрочнения. Для этого в сплав вводят карбидообразующие элементы (W, Mo, Ta, Cr, Ti) и повышают содержание углерода.

При легировании жаропрочных сплавов используется принцип многокомпонентного легирования, направленный на совершенствование гетерофазного строения с получением мелких включений упрочняющих фаз, обеспечение стабильности матрицы и границ зерен. В дисперсионнотвердеющих сплавах легирование должно приво

дить к усложнению состава и измельчению частиц упрочняющих фаз, выделяющихся из твердого раствора при старении, а также к замедлению их коагуляции при высоких температурах путем торможения диффузионных процессов. Литейные сплавы, обладая более развитым гетерофазным строением, обеспечили более высокий уровень жаропрочности, чем деформируемые.

В современных жаропрочных сплавах легирующие элементы выполняют следующие функции.

Алюминий и титан являются основными γ′образующими элементами. Упрочняющая γ′фаза в этом случае будет иметь более сложный состав – Ni3 (Al, Ti).

Гафний и ниобий являются сильными карбидообразователями. Введение гафния в жаропрочные сплавы одновременно увеличивает и прочностные, и пластические свойства, повышает термостабильность γ′фазы, упрочняет границы зерен.

Ниобий заметно упрочняет твердый раствор, замедляет диффузионные процессы.

Тантал входит в состав карбидов и совершенствует карбидное упрочнение, снижает диффузионную подвижность элементов в сплаве при высоких температурах, стабилизирует γ′фазу, упрочняет твердый раствор.

Ванадий и цирконий улучшают жаропрочность путем упрочнения твердого раствора, но снижают жаростойкость, поэтому вводятся в малых количествах.

Вольфрам в заметных количествах входит в состав γтвердого раствора и γ′фазы и хорошо упрочняет жаропрочные сплавы. Он заметно повышает температуру плавления сплавов.

Молибден действует подобно вольфраму, но с меньшей эффективностью.

Рений, как и вольфрам, является одним из тех немногих элементов,  которые  повышают  температуру   плавления  никелевых

сплавов и оказывают наиболее заметное влияние на термостабильность γматрицы и γ′фазы.

Кобальт в небольшой степени повышает жаропрочность, но заметно повышает пластичность.

Хром, алюминий и титан существенно повышают стойкость к газовой коррозии, т.е. повышают жаростойкость.

Роль различных элементов в жаропрочных никелевых сплавах показана на рис. 50.

Жаропрочные литейные <a href=никелевые сплавы" title="Жаропрочные литейные никелевые сплавы" width="413" height="333" class=""/>


 

– микролегирующие;

Рис. 50. Классификация поведения различных элементов в никелевыхжаропрочных сплавах:

Активная разработка составов жаропрочных литейных сплавов привела к тому, что их основная рабочая характеристика – длительная прочность – непрерывно возрастала и достигла предела 100часовой прочности свыше 150 МПа при температуре 1100 °С. Первый жаропрочный сплав Нимоник80 имел предел 100часовой прочности 140 МПа при температуре лишь 800 °С.

Характеристикой жаропрочности является предел длительной прочности (στt). Это напряжение, вызывающее разрушение образца при заданной температуре за определенное время. Например, σ1001000 – напряжение, которое необходимо для того, чтобы разрушить образец при 1000 °С за 100 часов, или, другими словами, это напряжение, при котором образец может работать без разрушения в течение 100 часов при температуре 1000 °С.

Структура никелевых жаропрочных сплавов состоит из матрицы (γфазы), представляющей собой сложнолегированный твердый раствор на основе никеля с решеткой типа ГЦК, и γ′фазы твердого раствора на основе интерметаллического соединения Ni3Al. Высокий уровень жаропрочности обусловлен эффектом упрочнения γтвердого раствора γ′фазой и легирующими элементами. При этом главным упрочнителем является γ′фаза, частицы которой создают надежные препятствия для скольжения и переползания дислокаций в условиях высокотемпературной ползучести. Основная ее часть образуется при распаде пересыщенного γтвердого раствора; γ′фаза имеет упорядоченную структуру, известную в материаловедении как структура типа Сu3Au, с параметром, близким к параметру решетки γматрицы. Уникальность соединения Ni3Al состоит в том, что оно способно растворять практически все переходные элементы в различном сочетании с сохранением высокой степени порядка вплоть до температуры плавления. Атомы никеля занимают в решетке интерметаллида позиции в центре граней, а атомы алюминия – в углах. При легировании атомы никеля могут быть замещены следующими элементами  (в порядке уменьшения замещающей способности):

Co, Fe, Cr, Mo, W. Атомы алюминия также могут замещаться атомами элементов VIа группы (Cr, Mo, W) и особенно – элементами IVа и Vа групп (Ti, Hf, Nb, Ta).

Если в литейные жаропрочные сплавы вводить углерод, то в структуре появляются карбиды типа МС, М6С и М23С6.

В целом элементы, вводимые в состав жаропрочных никелевых сплавов, распределяются между основными фазами следующим образом:

– Co, Cr, Mo, Re входят преимущественно в состав γтвердого раствора;

– Al, Ti, Ta, Nb, Hf в основном присутствуют в γ′фазе;

– W распределяется поровну между γтвердым раствором и γ′фазой;

– карбиды образуются с участием Ti, Ta, Nb, Hf, V, W, Mo, Cr.

Наличие у γ′фазы и γматрицы сопряженных кристаллографических решеток и близость их периодов приводят к тому, что образование γ′фазы при распаде твердого раствора происходит при весьма малых радиусах зародышей, и выделения частиц γ′фазы чрезвычайно дисперсны. В исходном состоянии эти частицы имеют форму, близкую к кубической.

Сложность легирования жаропрочных сплавов заключается в том, что при повышенных концентрациях W, Mo, Cr и ряда других элементов, после литья или в процессе эксплуатации в них могут образоваться вредные топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы, имеющие пластинчатую форму и вызывающие значительное разупрочнение сплавов, что снижает долговечность работы деталей.

Микроструктура первых жаропрочных сплавов при обычных условиях литья с получением равноосных кристаллов (рис. 51) представляла собой зерна твердого раствора (γфазы) сложного состава с высокодисперсными выделениями упрочняющих фаз.

Жаропрочные литейные <a href=никелевые сплавы" title="Жаропрочные литейные никелевые сплавы" width="248" height="248" class=""/>

Рис. 51. Микроструктура

жаропрочного сплава типа нимоник

(20 % Cr, 3 % Ti, 1 % Al)

Микроструктура современных жаропрочных сплавов при литье с использованием методов направленной кристаллизации чрезвычайно чувствительна к скорости охлаждения. На рис. 52 представлены микроструктуры монокристаллического сплава ЖС6У в зависимости от скорости кристаллизации в поперечном (см. рис. 52, а) и продольном (см. рис. 52, б) к оси образца направлениях. Форма и расположение карбидов и упрочняющей фазы γ′фазы показаны на рис. 52, в, г соответственно. Структура характеризуется наличием хорошо видимых дендритов, оси первого порядка которых параллельны направлению. В междендритных участках расположены карбиды и эвтектика γ/γ′фаза. При увеличении скорости кристаллизации происходит резкое измельчение всех структурных составляющих. Метод направленной кристаллизации позволяет создавать управляемые структуры жаропрочных сплавов: дендритные, ячеистые и бездендритные

Для получения оптимальной структуры жаропрочных сплавов необходимо проведение термической и термомеханической обработки. Обычно ТО включает в себя проведение гомогенизации при температурах около 1200 °С и двухстадийное старение. Первое высокотемпературное старение проводят при 1000–1150 °С в течение 4–8 ч. Охлаждение отливок должно быть высокоскоростным. Второе низкотемпературное старение (850–900 °С) длится 16–30 ч.

Наряду со сплавами типа ЖС традиционного γ/γ′дисперсионного упрочнения в ВИАМ разработаны жаропрочные сплавы интерметаллидного класса типа ВКНА. Они имеют упорядоченную структуру вплоть до начала плавления. Жаропрочность сплавов в области температур ≥ 1000 °С и жаростойкость выше, чем у сплавов типа ЖС, но долговечность меньше. Этот класс сплавов применяется для изготовления литых фасонных деталей газовых турбин, камер сгорания и дожигания топлива авиационных двигателей (жаровые трубы, стабилизаторы пламени, створки сопла, сопловые лопатки и др.). Детали могут работать в коррозионноактивной среде продуктов сгорания топлива при температурах до 1250 °С без защитных покрытий.

Сплавы типа ВКНА (табл. 39) не содержат таких дорогостоящих элементов, как ниобий, тантал, рений. Они могут применяться для получения отливок с равноосной, направленной столбчатой и монокристаллической структурой.

Другим классом материалов, способных длительно (до 50 тыс. ч) работать в коррозионноактивных средах продуктов сгорания топлива, являются высокохромистые коррозионностойкие сплавы на основе никеля, состав которых указан в табл. 40. Сплавы предназначены для литья лопаток и других деталей горячего тракта газотурбинных установок и дизелей.

  • Читать все новости