Современные специализированные никелевые сплавы

 

Эти сплавы применяются для лопаток газотурбинных двигателей(ГТД).Сплавы для лопаток ГТД должны работать при температурах до 1200 °С с деформацией ползучести не выше 0,2…0,5 % при ресурсе 8…10 тыс. часов. В связи с этим создаются не только новые композиции сплавов, но и новые технологии получения литых сплавов – метода направленной кристаллизации.

Методами направленной кристаллизации получают поликристаллические лопатки со столбчатыми зернами, вытянутыми вдоль оси отливки (НК-отливки), монокристаллические (МК) лопатки, состоящие из одного большого зерна, и так называемые «направленные эвтектики» (НЭ) – естественные композиты, армированные волокнами в процессе кристаллизации.

Материал таких отливок превосходит материалы отливок с равноосной кристаллизацией (РК) по целому ряду свойств: условному пределу ползучести, мало- и многоцикловой усталости и эксплуатационному ресурсу. Вместе с тем разрабатываются и новые РК-сплавы с высокими свойствами, в частности для двигателей малого ресурса, и высокой рабочей температурой (сплав ЖС16).

Принципиально новым классов РК-сплавов являются сейчас сплавы на основе интерметаллида Ni₃Al (Ti): сплавы типа ВКНА-1ЛК и ВКНА-4.

Сплав ВКНА-1ЛК, легированный небольшим количеством хрома и вольфрама на 96 % состоит из гомогенной – матрицы, упрочненной 1,5…2 % карбидов. При Т ≥ 1200 ° Сего длительная прочность выше, чем у традиционного сплава ЖС6У, а длительная пластичность при 900…1200 °С в несколько раз выше, чем у ЖС6У.

Сплав ВКНА-4 (9 % Al) – гетерофазная матрица, легированная Mo, Co, Zr с микродобавками B, Y. Упрочняющая фаза – карбиды Zr – расположена по границам зерен (С = 0,15…0,20 %). В сплаве 90 % -фазы, 8 % -твердого раствора и 1,5…2,0 % карбидов, измельченных добавками B, Y. Введение -фазы повышает пластичность сплава при комнатной температуре по сравнению со сплавом ВКНА-1ЛК (с 2 до 8…10 %). При Т ≥ 1100 ° С долговечность сплава ВКНА-4 превышает долговечность сплава ЖС6У, а длительная прочность у него в 1,7…2,0 раза выше, чем у сплава ВКНА-1ЛК.

Следует отметить, что при более низких температурах сплавы ВКНА уступают по свойствам традиционным сплавам.

Большим достоинством сплавов ВКНА является их меньшая стоимость по сравнению с традиционными сплавами за счет более высокого содержания дешевого алюминия и меньшего содержания дорогих легирующих элементов и более низкая плотность (на 8…10 %), что дополнительно повышает их удельные свойства.

Направленная многозеренная структура (сплавы НК) впервые была получена в 1960 г. Отсутствие границ зерен, перпендикулярных оси нагрузки, повысило прочность материала по сравнению с РК-сплавами. Наряду с традиционными сплавами, в которых можно создать структуру НК, разработаны специальные сплавы ЖС6-НК, ЖС26-ВНК, ЖС32-ВНК. В сплавах ЖС26 по сравнению с традиционными сплавами снижены Cr, Zr, Hf, что сузило интервал кристаллизации и уровень дендритной ликвации, а также повысило температуру растворения -фазы. Лопатки из сплава ЖС26-ВНК получают при более высокой скорости кристаллизации (до 20 мм/мин.). При температурах 900…1000 °С его свойства выше, чем у сплава ЖС26-НК, а при 1100 °С ниже.

В сплавах ЖС32-ВНК (скорость кристаллизации 10 мм/мин.) введены Ta и Re (по 4 % каждого). По длительной прочности этот сплав в 1,25…2 раза превосходит сплавы ЖС26 и существенно превосходит по ней европейские сплавы типа MAR.

Монокристаллические сплавы (МК). Это материал для рабочих лопаток ГТД. В монокристаллических отливках границы зерен, т.е. места зарождения разрушений, вообще отсутствуют. Это позволяет за счет гомогенизирующей термообработки измельчить частицы -фазы, улучшить их распределение и тем самым повысить прочность сплавов.

МК-отливки (лопатки) получают методом направленной кристаллизации по двум основным вариантам: методом селекторов (кристалловодов), при котором из множества растущих столбчатых кристаллов выбирается для дальнейшего роста только один; и методом затравок, когда искусственная затравка с нужной кристаллической ориентацией устанавливается в нижней части литейной формы. Каждый из этих методов имеет много технологических вариантов, но в основе каждого из них лежит принцип метода Бриджмена – охлаждение нижней части формы и подогрев ее выше линии фронта кристаллизации металла. При этом установки для получения НК- и МК-спла-вов принципиально не отличаются.

В установках с градиентом кристаллизации больше 200 град/см получают отливки с пористостью в 10 раз меньше, мелкодисперсную структуру, расстояние между дендритами 100…150 мкм.

Специально для лопаток со структурой НК и МК <111> разработаны интерметаллидные сплавы серии ВКНА: ВКНА-4У и ВКНА-1В с более низким (до 0,02 %) содержанием углерода, чем у сплава ВКНА-4. Сплавы ВКНА-4У и ВКНА-1В имеют соответственно 110 и 100 МПа, 50 МПа.

Направленные эвтектики (эвтектические композиты) – НЭ. Это перспективные материалы для лопаток, работающих при 1100 °С. В отличие от обычных эвтектик здесь та фаза, которой меньше, формируется в процессе кристаллизации в виде упорядоченно расположенных вдоль оси теплоотвода непрерывных стержней или полос. При доле этой фазы ≤ 32 % образуются стержни, > 32 % – полосы (пластины). Такая армирующая фаза сохраняется вплоть до температуры солидуса.

НЭ отличаются высокой стабильностью при высоких температурах и сохраняют свою прочность вплоть до температур 0,8…0,9 Т_пл. Для рабочих температур газов порядка 2000 К перспективными являются НЭ на основе тугоплавких структур.

Сплавы ВКЛС превосходят сплавы НК и МК по служебным характеристикам, ресурсу и надежности как при умеренных, так и при высоких температурах, но при литье охлаждаемых пустотелых лопаток возникают трудности получения НЭ-структур в переходной зоне от пера лопатки к замку.

Для сплавов ВКЛС характерно явление «эффекта памяти длины», когда образец с накопленной деформацией ползучести, 1,5…1,8 % в результате термообработки возвращается к своей исходной длине. Эффект имеет практическое значение при ремонте лопаток.

Проницаемые жаропрочные материалы. В последнее время полые монокристаллические лопатки получают с микроканалами и отверстиями в теле пера прямо в процессе кристаллизации. Такие материалы позволяют сократить расход воздуха на охлаждение лопаток на 20…30 % по сравнению с пленочным охлаждением, обеспечив более глубокое охлаждение. Они перспективны для ГТД со стехиометрической температурой газа 2400 К.

Интерметаллиды (алюминиды) титана и железа. Наряду с интерметаллидами (алюминидами) никеля (сплавы ВКНА) весьма перспективными конструкционными материалами являются алюминиды титана и железа, достоинства которых:

· высоких абсолютный уровень служебных свойств и характеристик, сравнимый с уровнем свойств традиционных металлов-конкурентов;

· малая плотность и высокий уровень удельных свойств, отнесенных к единице плотности, превышающий значения этих свойств у материалов-конкурентов (никелевых и титановых сплавов, сталей);

· относительная дешевизна по сравнению с материалами-конкурентами.

 

Контрольные вопросы

1. Какие сплавы относятся к жаропрочным?

2. Каковы основные требования к жаропрочным материалам?

3. Каковы преимущества и недостатки кобальтовых сплавов в сравнении с никелевыми?

4. Какие сплавы получают направленной эвтектикой?

5. Какие вы знаете жаропрочные интерметаллиды?

6. Проницаемые жаропрочные материалы.

7. Направленные эвтектики.

8. Монокристаллические сплавы.