CC BY
191
УДК 621.74:669.715.24
Е.Н. Каблов, Ю.А. Бондаренко, А.Б. Ечин, В.А. Сурова, Д.Е. Каблов
РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССА НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЛОПАТОК ГТД ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ И ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ СПЛАВОВ С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
Исследовано влияния условий направленной кристаллизации на структуру литейных жаропрочных и интерметаллидных сплавов типа ВКНА. Показана положительная роль влияния высокоградиентной направленной кристаллизации на качество структуры.
E-mail: viamlab1@mail.ru
Ключевые слова: жаропрочные сплавы, направленная кристаллизация, монокристалл, структура.
Развитие авиационного двигателестроения сопровождается совершенствованием конструкций газотурбинных двигателей (ГТД) и требует повышения температуры газа на входе в турбину, что, в свою очередь, неразрывно связано с разработкой и внедрением новых литейных жаропрочных сплавов для деталей горячего тракта ГТД, а также с совершенствованием и созданием новых технологических процессов их изготовления.
В области создания никелевых жаропрочных сплавов в мировой практике (как в России, так и за рубежом) прослеживается тенденция повышения уровня жаропрочных свойств литейных сплавов за счет более сложного легирования. В настоящее время в качестве легирующих элементов стали использовать дорогостоящие Re и Ru. Эти элементы оказывают положительное влияние на термостабильность у-матрицы и упрочняющей Y-фазы, тормозят диффузионные процессы, повышая тем самым сопротивление ползучести сплавов под воздействием высоких температур и напряжений. Так, во ФГУП «ВИАМ» разработана серия высокожаропрочных монокристаллических сплавов ВЖМ-1, ВЖМ-4, ВЖМ-6 [1]. Использование Re и Ru в качестве легирующих элементов удорожает такие сплавы, тем не менее это целесообразно вследствие заметного повышения их работоспособности и ресурса.
Однако в случае максимального легирования упрочняющими элементами в количествах, близких к предельной растворимости, в условиях неравновесной кристаллизации при получении деталей ГТД с использованием технологии точного литья существенно повышается вероятность образования избыточных фаз, не участвующих в упрочнении, - эвтектической у//-фазы, ТПУ-фаз, а-фазы.
Для обеспечения высокого уровня жаропрочных свойств при изготовлении рабочих лопаток современных ГТД в России и за рубежом используется технология направленной кристаллизации, обеспечивающая получение в лопатках монокристаллической структуры (без границ зерен) с заданной кристаллографической ориентацией.
Однако даже эта современная технология не может решить все проблемы, связанные с формированием в отливках структуры с крупными дендритными и фазовыми составляющими, а также со значительной дендритной ликвацией и междендритной пористостью, вызванными низким температурным градиентном на фронте роста и невысокой скоростью охлаждения в условиях существующего промышленного оборудования.
В связи с этим для уменьшения дендритной ликвации при производстве монокристаллических лопаток ГТД используют сложную, связанную с возможным плавлением эвтектических фаз, длительную высокотемпературную гомогенизацию, что требует специализированного вакуумного оборудования. Обычно после высокотемпературной термической обработки в междендритном пространстве в местах растворения частиц эвтектической фазы наблюдается появление пор в виде пустот сферической формы размером 10.. .15 мкм, при этом объемная доля пор увеличивается в 10 раз.
В целях уменьшения пористости в современных высокожаропрочных сплавах рекомендуется дополнительно использовать достаточно дорогостоящую, энергоемкую, требующую специализированного оборудования технологию газостатического прессования (HIP), которая предусматривает осуществление технологического процесса при температурах выше 1000 °С и давлении более 100 МПа.
Для решения проблемы существенного повышения качества структуры, обеспечения ее однородности, уменьшения дендритной ликвации, пористости, исключения образования литейных дефектов в виде струйчатой полосчатости во ФГУП «ВИАМ» разработан новый процесс высокоградиентной направленной кристаллизации жаропрочных сплавов (температурный градиент G ~ 150.200 °С/см) [2].
Положительный эффект высокоградиентной направленной кристаллизации заключается в существенном уменьшении размера жидкотвердой области на фронте кристаллизации (рис. 1), что обеспечивает подпитку расплавом оснований дендритов, а это уменьшает междендритную пористость. Повышение температурного градиента обусловливает получение более однородной, тонкодендритной структуры с меньшим расстоянием между осями дендритов, меньшим размером эвтектических фаз (рис. 2), меньшей дендритной ликвацией (в 1,5 раза) [3]. Последнее очень важно для современных ре-нийсодержащих сплавав, так как рений имеет малую диффузионную
Рис. 1. Схема фронта кристаллизации в условиях дендритного роста при направленной кристаллизации:
а - О = 20 °С/см; б - О = 200 °С/см
Рис. 2. Характерная дендритная структура жаропрочного сплава в поперечном направлении (Х100) и выделения эвтектики у// (Х100):
а, в - О = 30 °С/см; б, г - О = 200 °С/см
подвижность и даже длительная высокотемпературная гомогенизация (>1300 °С и >20 ч) не обеспечивает устранение ликвации рения внутри дендритных ячеек.
В результате проведенных исследований отработана опытная технология и получены партии охлаждаемых рабочих лопаток ГТД из высокожаропрочных рений-рутенийсодержащих сплавов ВЖМ-1, ВЖМ-4 с монокристаллической структурой [001]. Исследования монокристаллических лопаток ГТД, полученных по высокоградиентной технологии, показали, что в отливках по всей высоте как в тонком сечении пера (X = 160...180 мкм), так и более толстом замке (X = = 190.210 мкм) формируется однородная тонкодендритная структура, обеспечивающая (по результатам испытаний) высокий уровень свойств.
Рис. 3. Микроструктура интерметаллидного сплава типа ВКНА, полученного при различных температурных градиентах на фронте кристаллизации:
а, в - О = 30 °С/см; б, г - О = 200 °С/см
Высокоградиентная технология также позволяет повысить качество структуры и получить высокий уровень свойств в интерметал-лидных жаропрочных сплавах типа ВКНА (на основе интерметалли-да №3А1) с монокристаллической структурой. Микроструктура подобных сплавов имеет дендритно-ячеистое строение, двухфазные (У + У) оси дендритов ориентированы в направлении роста, в межфазных участках наблюдаются выделения /-фазы [4]. Высокоградиентная направленная кристаллизация уменьшает расстояние между осями дендритов (рис. 3), размер выделений в виде «сетки» у + У внутри осей дендритов, размер выделений У-фазы межосных участков и размер пор. Разработаны основные параметры технологии, получены опытные партии деталей горячего тракта ГТД: сопловые лопатки различных конструкций, сегменты жаровых труб с монокристаллической структурой для горячих испытаний (рис. 4).
Рис. 4. Отливки из интерметаллидного сплава типа ВКНА, полученные в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации:
а - деталь типа «сегмент»; б - сопловая лопатка ГТД
Для осуществления процесса высокоградиентной направленной кристаллизации во ФГУП «ВИАМ» были спроектированы и изготовлены специализированные установки: модульная УВНЭС-4 и опытно-промышленная УВНС-5 (с системой управления технологическим процессом с использованием промышленного компьютера). Основными конструктивными особенностями являются печь подогрева форм с двухзонным нагревателем, ванна с жидкометаллическим охладителем (расплав олова) и эффективные тепловые экраны, отделяющие зону нагрева от зоны охлаждения.
Высокоградиентная технология литья лопаток и других деталей горячего тракта ГТД из литейных высокожаропрочных сплавов и ин-терметаллидных (на основе №3А1) сплавов с монокристаллической структурой открывает новые возможности в создании газотурбинных двигателей следующих поколений, в повышении их мощности, ресурса и топливной эффективности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой // Материаловедение. 1997. № 4. С. 32-38; № 5. С. 14-17.
2. Каблов Е. Н., Бондаренко Ю. А. Новое в технологии производства лопаток ГТД // Аэрокосмический курьер. 1999. № 2. С. 60-62.
3. Бондаренко Ю. А., Каблов Е. Н. Направленная кристаллизация жаропрочных сплавов с повышенным температурным градиентом // МиТОМ. 2002. № 7. С. 20-23.
4. Каблов Е. Н., Оспенникова О. Г., Базылева О. А. Литейные конструкционные сплавы на основе интерметаллида никеля // Двигатель. 2010. № 4.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
