Жаропрочные никелевые сплавы низкой плотности

 

Методом компьютерного конструирования рассчитаны химический и фазовый составы двух новых жаропрочных никелевых сплавов низкой плотности с монокристаллической (ВЖМ7) и поликристаллической (ВЖЛ21) структурами, предназначенных для литья лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), и проведены исследования микроструктуры, механических свойств при растяжении и длительной прочности этих сплавов.

Ключевые слова:литейные жаропрочные никелевые сплавы низкой плотности, компьютерное конструирование сплава.

 

By the computer-aided design method there were calculated the chemical and phase compositions of two new high-temperature nickel alloys of low density with a monocrystal (ВЖМ7) and polycrystal (ВЖЛ21) structure intended for casting gas- turbine engine (GTE) blades, and investigations into microstructure, mechanical tensile properties and log-term strength of those alloys were conducted.

Key words:cast high-temperature nickel alloys of low density, computer- aided design of alloy.

 

Сегодня можно выделить два направления в разработке литейных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) для производства турбинных лопаток современных авиационных двигателей. К первому направлению относятся ЖНС, содержащие тугоплавкие переходные металлы Mo, W, Та, Re, Ru в количестве, ограниченном только их предельной суммарной растворимостью в g-твердом растворе и равновесной с ним g'-фазе. В результате, в соответствии с международной классификацией, разработаны ЖНС несколько поколений для литья монокристаллических лопаток авиационных двигателей. ЖНС поколения I содержат традиционные легирующие элементы (ЛЭ), такие, как Al, Ti, Cr, Mo, W, Та, Nb, Hf. В состав ЖНС поколений II и III вводят ЛЭ – Re в количестве 2–4% и 5–6%, соответственно. К поколениям IV и V относятся Re-содержащие ЖНС, дополнительно легированные Ru. Типичные представители сплавов этого класса – известные зарубежные сплавы ЕРМ-102/X-4/PWA-1497 (GE, Pratt & Whitney and NASA, США), TMS-162, TMS-196 (NIMS and IHI, Япония) и отечественные ВЖМ4 и ВЖМ6, которые имеют наибольшие длительную прочность и температурную работоспособность(рис.1). При этом, увеличение жаропрочности сплавов сопровождалось существенным повышением их плотности d (табл. 1).

Рисунок 1. Температурная работоспособность, °С, монокристаллических ЖНС (s=137 МПа, на базе 1000 ч). Содержание Re и Ru поколений I–V равно: 0; 2–4; 5–6; 5–6 (2–4) и 5–6 (5–6)%, соответственно

Поэтому во многих исследовательских центрах работают над созданием литейных жаропрочных сплавов со значительно более низкой, по сравнению с ЖНС поколений II, IV, V, плотностью. Так, фирмой MTU (Германия) разработан монокристаллический ЖНС LEK94, как материал для лопаток ротора турбин среднего давления на двигателе TP400-D6 для европейского самолета А400М. Среди других достижений следует отметить монокристаллические ЖНС серии LDS (NASA, США). Химсостав, плотность и длительная прочность сплавов LEK94 и LDS-1101 приведены в табл.2. Сведения об аналогичных отечественных монокристаллических ЖНС отсутствуют.

 

Таблица 1.

 

Сплав

Cr

Co

Mo

Re

W

Al

Ti

Та

Ru

Hf (Nb)

d,

г/см³

γ1000/

γ1000,

МПа

CMSX-2

4,6

0,6

–

5,6

–

–

8,60

214/140

PWA1480

–

–

1,5

–

–

8,70

141/141

МС2

–

1,5

 

–

8,63

228/154

ЖС40

6,1

0,5

–

6,9

5,6

–

–

(0,2)

8,84

236/163

CMSX-4

6,5

0,6

5,6

6,5

–

0,1

8,70

244/157

PWA1484

5,6

–

8,7

–

0,1

8,95

259/169

Rene N5

6,2

–

–

0,2

8,70

227/147

SMP14

4,8

8,1

3,9

7,6

5,4

–

7,2

–

(1,4)

9,06

263/173

ЖС36

1,6

5,8

1,1

–

–

(1,1)

8,72

237/157

CMSX-10

0,4

5,7

0,2

–

0,03

9,05

288/183

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0,1)

 

 

Rene N6

4,2

12,5

1,4

5,4

5,75

–

7,2

–

0,15

8,97

264/169

TMS-75

–

–

0,1

8,89

271/176

ЖС47

2,5

9,3

1,3

5,75

–

8,8

–

–

9,09

330/215

TMS-138

3,2

5,8

2,8

5,9

5,9

–

5,6

0,1

8,95

290/220

MC-NG

0,2

0,5

0,1

8,75

275/190

EPM-102

16,5

5,95

5,55

–

8,25

0,15

9,20

325/200

TMS-162

2,9

5,8

3,9

4,9

5,8

5,8

–

5,6

0,09

9,04

320/230

TMS-196

4,6

5,6

2,4

6,4

5,6

–

5,6

0,1

9,01

330/230

Примечание: γ

1000 – пределы длительной прочности монокристалла сплава с

и γ

кристаллографической ориентацией (КГО) <001> при 1000С на базах 100 и 1000 ч, соответственно, расчет по методу [1].

 

Таблица 2.

 

Сплав

Cr С

o Mo

R

e  W

Al

Ti

Та

Hf

 

d,

г/см³

γ1000/

γ¹⁰⁰⁰, МПа

LEK94

6,1

7,5

2,45

3,35

6,5

1,0

2,3

0,1

8,27

203/129

LDS-1101

4,7

9,85

7,1

2,95

–

–

6,25

–

8,57

243/159

Примечание. Свойства монокристаллов сплавов с КГО <001 > рассчитаны по методу [2].

 

К ЖНС низкой плотности относят известные сплавы ЖС6У и ВЖЛ12У, из которых методом равноосного литья по выплавляемым моделям получают рабочие и сопловые лопатки с поликристаллической структурой. Некоторые их свойства приведены в табл. 3.

Таблица 3.

 

Сплав d, г

/см      ³

s_0,2, s

_в, d, y

,

 

γ¹⁰⁰⁰, МПа

МПа

%

ЖС6У

ВЖЛ12У

8,4

7,93

В статье представлены результаты компьютерного конструирования и экспериментальных исследований двух новых литейных ЖНС низкой плотности, предназначенных для изготовления турбинных лопаток с монокристаллической и поликристаллической структурами.