CC BY
492
УДК 621.74:669.018.44
Е.Н. Каблов, О.Г. Оспенникова, О.А. Базылева МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ВЫСОКОТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Обсуждаются особенности создания во ФГУП «ВИАМ» сплавов на основе интерметаллического соединения N13AI серии ВКНА для деталей газотурбинных двигателей с рабочими температурами до 1250 °С. Установлены закономерности между составом, структурой и свойствами интерметаллидных композиций, приведены их физико-механические, коррозионные, технологические свойства и рекомендуемые области применения, а также результаты испытаний и внедрения.
E-mail: admin@viam.ru
Ключевые слова: интерметаллиды, сплав, жаропрочность, жаростойкость, монокристалл, кристаллографическая ориентация.
В настоящее время актуальной для авиационного двигателе-строения является проблема увеличения тяги двигателя и его КПД за счет повышения температуры газа перед турбиной. Для этого необходимо решить задачу создания и внедрения высокотемпературных сплавов для деталей ГТД: элементов реактивного сопла, форсажной камеры, сопловых лопаток и др.
Интерметаллид Ni3Al (/-фаза) привлекает внимание исследователей и разработчиков материалов как основа при создании литейных конструкционных материалов нового класса, поскольку Y-фаза является упрочняющей фазой в никелевых суперсплавах и существует большое количество информации о ее свойствах. В силу особенностей связи атомов в кристаллической решетке и их упорядоченного распределения интерметаллическое соединение Ni3Al обладает высокой температурой плавления (1385 °С), пониженной плотностью (7530 кг/м3) и термической стабильностью структуры до температуры плавления [1]. Особенностью интерметаллидного соединения Ni3Al и сплавов на его основе является повышение предела текучести в интервале температур 800...900 °С (табл. 1). По опубликованным в литературе данным [2] аномальное повышение предела текучести проявляется в сплавах с дальним атомным порядком и сильнее всего со сверхструктурой L12.
При исследовании физико-механических свойств сплавов на основе алюминида никеля (Ni3Al) установлены некоторые закономерности между составом, структурой и свойствами:
• наиболее высоким сопротивлением окислению при температурах 1200.1250 °С обладает интерметаллическое соединение Ni3Al,
в котором часть атомов никеля и алюминия замещены хромом, титаном, молибденом и вольфрамом. В системе сплавов Ni-Al-Cr-Ti-Mo-W разработана композиция, в литом состоянии отличающаяся высокой жаростойкостью (привес при окислении на воздухе за 100 ч при температуре 1250 °С не превышает 24.. .25 г/м2);
• оптимальной жаропрочностью в интервале температур 900.1200 °С характеризуются сплавы на основе алюминида никеля указанной выше системы, фазовый состав которых расположен на границе раздела у'- и у-фаз;
• небольшие добавки кобальта (4-5 %) к оптимальной композиции значительно повышают жидкотекучесть при литье в вакууме и снижают склонность сплава к образованию горячих трещин.
Таблица 1
Предел текучести сплавов о0,2, МПа, типа ВКНА при различных температурах испытаний
Марка сплава Температура испытания, °C
20 800 900 1000 1100 1200
ВКНА-4 380 - 615 290 215 115
ВКНА-1В 380 730 560 430 350 185
ВКНА-1ВУ 740 - 790 575 430 145
ВКНА-4У 440 700 580 430 370 150
ВКНА-25 880 910 660 510 370 170
В качестве примера на рис. 1 приведена диаграмма состояния сплавов системы №-А1, на которой показаны особенности кристаллизации материалов этого класса и область существования жаропрочных сплавов. Анализ диаграммы состояния сплавов на основе соединения №3А1 позволяет понять и особенности их структуры - на первом этапе кристаллизуется первичная у1-фаза, образующаяся по перитектической реакции, затем кристаллизуется эвтектика (у'2 + у)-фаз. В структуре могут также присутствовать частицы метастабиль-ных фаз №А1 и №2А1, отличающиеся более высокой температурой плавления по сравнению с №3А1. На рис. 2 приведена типичная микроструктура интерметаллидного сплава на основе №3А1 в литом состоянии и после отжига при температуре 1250 °С в течение 250 и 500 ч. Белые крупные включения являются первичными частицами у'гфазы, основа представляет собой эвтектику (у'2 + у), включения внутри первичной у'гфазы - метастабильная фаза переменного состава типа №А1, окантованная темной прослойкой у - твердый раствор на основе никеля. Суммарное содержание у'-фазы составляет 92-95 %.
1800
1639
(№3А1) (№А1)
Рис. 1. Диаграмма состояния системы №-А1
При исследовании интерметаллидного сплава на основе алюми-нида никеля заданного химического состава с поликристаллической, дендритной столбчатой и монокристаллической структурами, а также после деформации и отжига установлено, что жаропрочность при температуре 1100 °С повышается в зависимости от макроструктуры и технологии получения заготовок образцов в следующей последовательности: деформированная ^ деформированная + рекристаллизованная ^ литая поликристаллическая ^ литая столбчатая ^ литая монокристаллическая с кристаллографической ориентацией (КГО) <111> с отклонением от направления роста < 10° и по блочности < 6° [3].
Выявленные закономерности позволили разработать, паспортизовать, опробовать и внедрить в серийное и перспективное производство авиационных ГТД интерметаллидные сплавы типа ВКНА для
повышения срока службы деталей горячего тракта и снижения их веса.
Поскольку сплавы имеют термически стабильную структуру, их состав оптимизирован к методу получения отливок. Так, например, сплав ВКНА-4 рекомендуется для получения отливок методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой на установках типа УППФ, сплав ВКНА-1В оптимизирован для литья деталей методом направленной кристаллизации с дендритной столбчатой структурой на установках типа УВНЭС-4 и УВНС-5, сплав ВКНА-1ВУ - для литья деталей с монокристаллической структурой с КГО <111> и температурным градиентом кристаллизации 100.150 °С/см, сплавы ВКНА-4У и ВКНА-25 -на установках типа УВНК-9 с монокристаллической структурой с КГО <111>, температурным градиентом кристаллизации 60.80 °С/см.
В табл. 2 приведены некоторые данные о литейных сплавах ВКНА, в табл. 3 - их механические свойства (кратковременная прочность и пластичность при комнатной температуре; пределы длительной прочности на базе 100 ч; пределы выносливости на базе 210 ). Сплавы обладают высоким уровнем жаропрочности при температурах 1100 и 1200 °С при относительно низкой плотности 7840.8105 кг/м3. Ввиду повышенного содержания алюминия и присутствия хрома сплавы отличаются высокой жаростойкостью (табл. 4) при окислении в воздушной среде.
Интерметаллидные сплавы отличаются высокой термической стойкостью при термоциклических испытаниях. Так, например, сплав ВКНА-4 при термоциклировании клиновидных образцов с радиусом
Рис. 2. Влияние времени отжига при температуре 1250 °С на микроструктуру сплава марки ВКНА-1В:
а - литое состояние (*200); б - 1250 °С в течение 250 ч (х200); в - 1250 °С в течение 500 ч (*5000)
кромки 3 мм в интервале температур 200 °С ^ 1100 °С со скоростью нагрева и охлаждения 1 °С/мин выдерживает 105 теплосмен до появления первой трещины; сплав ВКНА-1В при термоциклировании в интервале температур 200 °С ^ 1200 °С со скоростью нагрева и охлаждения 1 °С/мин выдерживает 360 теплосмен; сплав ВКНА-4У в условиях испытания, аналогичных сплаву ВКНА-1В, - 360 теплосмен. При испытании на термоусталость при нагрузке До = 60 МПа в интервале температур 100 °С ^ 1100 °С со скоростью нагрева и охлаждения 1,5 °С/мин сплав ВКНА-4У выдерживает 600 теплосмен до появления первой трещины.
Таблица 2
Высокотемпературные жаропрочные литейные сплавы марки ВКНА
Марка сплава № паспорта Структура отливок Плотность, кг/м3
ВКНА-4 № 1484 Поликристаллическая 7840
ВКНА-1В № 1649 Дендритная, столбчатая 7938
ВКНА-1ВУ Доп. № 3 к паспорту № 1649 Монокристаллическая с КГО <111) 7847
ВКНА-4У № 1598 Дендритная, столбчатая 7910
ВКНА-25 № 1775 Монокристаллическая с КГО <111) 8104
Таблица 3
Механические свойства сплавов марки ВКНА при различных температурах
Температура, °С
Марка сплава 20 900 1100 1200
МПа S, % g_I 2-107 циклов, МПа Синь МПа o_i 2-107 циклов, МПа С10(Ъ МПа o_i 2-107 циклов, МПа Синь МПа
ВКНА-4 720 11,5 1 500 000 230 250 55 1000000 23
ВКНА-1В 740 50 130 250 240 65 120 43
ВКНА-1ВУ 1070 10 320 310 340 70 - 50
ВКНА-4У 770 30 230 280 310 95 150 45
ВКНА-25 1120 10 240 420 370 130 - 48
В интервале температур 20.1200 °С интерметаллидные сплавы типа ВКНА имеют коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту литейных сплавов на основе никеля, но их теплопроводность выше (табл. 5).
Таблица 4
Привес, г/м2, за 100 ч при окислении в воздушной среде при различных температурах
Марка сплава Температура, °С
1100 1200 1250
ВКНА-4 20,0 - -
ВКНА-1В - 20,0 25,0
ВКНА-1ВУ 14,5 15,5 30,5 (1300 °С)
ВКНА-4У 6,0 16,0 -
ВКНА-25 12,5 20,0 -
Таблица 5
Коэффициенты линейного расширения и теплопроводность
Марка сплава Истинный коэффициент линейного расширения а, К-1106, при 20.1100 °С Коэффициент теплопроводности X, Вт-м"1-К"1, при 1100 °С
ВКНА-4 16,5 28,7
ВКНА-1В 15,6 24,3
ВКНА-1ВУ 16,3 30,6
ВКНА-4У 14,9 31,4
ВКНА-25 16,8 31,1
ЖС32 16,5 26,3
Сплав ВКНА-4 используется в малоразмерных ГТД для неохлаж-даемых сопловых лопаток вместо сплава ВХ-4Л, что позволяет повысить рабочую температуру и срок службы лопаток. Для улучшения термостойкости и коррозионной стойкости на лопатки из сплава ВКНА-4 наносят алитированное покрытие. Проведены испытания сплава ВКНА-1В с положительным результатом для роторных и сопловых проставок, элементов жаровых труб и других деталей горячего тракта, полученных методом направленной кристаллизации с дендритной столбчатой структурой, методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой и методом монокристального литья с КГО <111). Сплав ВКНА-4У в монокристаллическом варианте опробован вместо сплава ЖС6У в качестве неохлаждаемых рабочих лопаток турбины. Это позволило повысить рабочую температуру на входе в турбину на 100 °С и срок службы лопаток в 1,5-2 раза. Исследования микроструктуры и параметров кристаллических решеток у'-фазы и у-твердого раствора рабочих лопаток из сплава ВКНА-4У после проведенных натурных испытаний в течение 2500 ч и 10 000 циклов не выявили заметных изменений.
Сплав ВКНА-25 рекомендуется для изготовления из него сопловых лопаток, длительно эксплуатируемых при температурах до 1200 °С. Особенностью ренийсодержащего интерметаллидного сплава ВКНА-25 являются высокие предел длительной прочности ВКНА-25 при
температуре 1100 °С (^¿О0 = 130 МПа) и сопротивление ползучести по сравнению со сплавами - аналогами ВКНА-1В и ВКНА-4У. В сопоставлении с жаропрочным никелевым сплавом ЖС32 при одинаковом уровне 100-часовой и 500-часовой жаропрочности при температуре 1100 °С ВКНА-25 содержит в 2 раза меньше тугоплавких тяжелых легирующих элементов и его плотность ниже на 10 %.
ФГУП «ВИАМ» занимает лидирующее положение не только в стране, но и в мире по разработке экономно легированных высокотемпературных сплавов на рабочие температуры до 1250 °С с плотностью ~8 г/см3. На составы интерметаллидных сплавов типа ВКНА, на технологию выплавки и технологию отливки деталей и полуфабрикатов различными методами, режимы термической обработки, методы соединения и заделки литейных дефектов получены патенты Российской Федерации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гринберг Б.А., Иванов М.А. Интерметаллиды Ni3Al: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург: УР РАН, 2002.
2. Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением // Под науч. ред. Е.Н. Каблова и Ю.Р. Колобова. М.: Издательский дом МИСиС, 2008.
3. Высокотемпературные конструкционные материалы на основе ин-терметаллида Ni3Al / В.П. Бунтушкин, Е.Н. Каблов, Е.Б. Качанов, Р.Е. Ша-лин // Авиационные материалы на рубеже XX-XXI веков: Науч.-техн. сб. М.: ВИАМ, 1994.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
