Твердофазное избирательное окисление никелевых жаропрочных сплавов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ТВЕРДОФАЗНОЕ ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ НИКЕЛЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ Реут В. А.1, Морозов С. М.2

1Реут Владимир Антонович /Reut Vladimir Antonovich - кандидат технических наук, доцент; 2Морозов Сергей Михайлович /Morozov Sergei Mikhailovich - кандидат технических наук, доцент,

кафедра естественнонаучных и технических дисциплин, Смоленский областной казачий институт промышленных технологий и бизнеса в городе Вязьма

(филиал)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский государственный университет технологий и управления им. К. Г. Разумовского Первый казачий университет, г. Вязьма, Смоленская область

Аннотация: лопатки газотурбинных двигателей работают в достаточно жестких условиях, сочетающих высокие нагрузки и температуры, не характерные для остальных компонентов турбины. Линейная скорость вершины лопатки достигает 390 м/с, а скорость потока газа 600 м/с, температура газа может превышать 1400 К. Кроме того материал лопатки должен иметь высокое сопротивление коррозии и эрозии, высоким усталостным напряжениям и ударным нагрузкам. При этом важна и плотность сплава, влияющая на центробежную силу и массу диска. Для выполнения необходимых требований выбраны жаропрочные материалы на основе никеля, подвергаемые избирательному внутреннему окислению соответствующих компонентов.

Ключевые слова: жаропрочные сплавы, интерметаллидная фаза, структура, окисел-донор, нихром.

Выбор материала для изготовления деталей вращающихся элементов газотурбинных двигателей определяется рабочими температурами, а также требуемыми физическими и механическими свойствами, включая предел прочности, пластичность при растяжении, ползучесть, вязкость разрушения, сопротивление распространению трещины, сопротивление мало и многоцикловой усталости.

Применение жаропрочных сплавов на основе никеля имеют ряд преимуществ перед аналогичными на основе других металлов. Со многими металлами никель образует ограниченные твердые растворы, исключение составляет лишь кобальт, железо и медь. При 1270 К растворимость тантала, ванадия, молибдена, вольфрама и хрома в никеле составляет от 14 до 41% по массе, а растворимость алюминия, ниобия и титана - от 7 до 10%. При старении в никелевых сплавах образуется интерметаллидная фаза типа у', обеспечивающая высокую прочность в широком интервале температур, Многокомпонентные никелевые сплавы состоят из твердого раствора (у-фаза) на основе никеля, интерметаллидной у' -фазы на основе соединения Ni3Fl или Ni3(Al,Ti), карбидных и нитридных фаз.

Комплексные исследования легирования никелевых сплавов показали, что за счет различной растворимости легирующих элементов в никеле, образования упрочняющих фаз, связывания легкоплавких примесей в тугоплавкие термодинамически устойчивые соединения эффективным средством упрочнения при высоких температурах является легирование хромом, вольфрамом, молибденом, углеродом, бором и редкоземельными элементами [1, 3].

Легирующие элементы оказывают следующее влияние на структуру и свойства сплавов на основе никеля:

-хром - увеличивает стойкость к окислению, образует карбиды типа Cr7C3;

-молибден и вольфрам упрочняют твердый раствор, образуют карбиды типа Me С и Ме6€ ; алюминий и титан образуют упрочняющую у' - фазу;

- кобальт - упрочняет твердый раствор, снижает температуру растворения у' - фазы, повышает растворимость углерода;

- углерод образует различные карбиды; ниобий образует упрочняющую фазу Ы13ЫЬ.

Жаропрочность сплавов определяется сложным комплексом факторов, в том числе

прочностью межатомной связи твердого раствора, образующего основу сплава, его тонкой структурой, характеризующейся плотностью и распределением дефектов, разориентировкой субзерен, дисперсностью, характером распределения и стабильностью тугоплавких включений. Высокая жаропрочность сплавов на никелевой основе достигается главным образом при условии образования гетерофазной структуры в результате распада пересыщенного твердого раствора и выделения в процессе старения дисперсных частиц у' -фазы. Близкие значения параметров решетки у' - фазы и у - твердого раствора создают предпосылки для образования при старении когерентных включений у' - фазы.

Увеличение объемного содержания у' - фазы, дисперсных упрочняющих частиц, когерентно связанных с матрицей, повышает плотность их распределения, что сопровождается уменьшением расстояния между частицами и усилением эффекта закрепления дислокаций.

С увеличением содержания алюминия и титана, образующих с никелем у' фазу, увеличивается длительная прочность сплавов. Однако увеличение суммы содержания алюминия и титана приводит к понижению температуры плавления никелевых сплавов. При увеличении суммы содержания этих элементов от 5 до 9% по массе температура плавления сплава ЭП 741 уменьшается от 1620 К до 1520 К, при этом температура растворения у' - фазы увеличивается от 1220 К до 1460 К.

Дисперсноупроченные материалы сохраняют микрогетерогенное строение и дислокационную структуру, а следовательно, и работоспособность до 0,9-0,95 Тпл матрицы. Высокая работоспособность дисперсноупроченных материалов при повышенных температурах объясняется тем, что при наличии в матрице второй фазы скольжение дислокаций в зернах металла становится возможным при больших напряжениях, границы зерен блокируются, а рост зерен затормаживается практически до температуры плавления матрицы.

При создании дисперноупроченных материалов выбирают фазу-упрочнитель и способ введения ее в матрицу.

Фаза-упрочнитель должна иметь высокую термодинамическую прочность, малую величину скорости диффузии компонентов фазы в матрицу, высокую чистоту и большую суммарную поверхность частиц. К упрочняющим фазам с такими свойствами относятся оксиды некоторых металлов (чаще всего А1203, ЗЮ2, Тк02, 2т02, Ст203), карбиды, нитриды и другие соединения.

Способ введения частиц фазы-упрочнителя в матрицу влияет на структуру дисперсно -упрочненного материала, которая может быть дисперсной или агрегатной. Способами введения фазы-упрочнителя и получения смеси является:

механическое смешивание порошков оксидов металла и упрочняющей фазы с последующим восстановлением оксидов основного металла;

механическое смешивание порошков металла матрицы и упрочняющей фазы;

поверхностным окислением порошка основного металла;

химическое смешивание, предусматривающее совместное осаждение солей и их последующее восстановление с образованием металла и сохранением фазы-упрочнителя.

Разработан метод внутреннего окисления [2], позволяющий получать жаропрочные никелевые сплавы с дисперсными включениями тугоплавких окислов. В сплавы, предназначенные для получения гранул, вводили легирующие элементы с большим химическим сродством к кислороду, например И/ или 2т. Гранулы сплавов смешивали в заданном соотношении с порошками окислов, которые выполняли роль донора кислорода. Смеси подвергали горячей экструзии в контейнерах. В процессе отжига полученного практически беспористого материала происходила диссоциация окисла-донора кислорода с образованием твердых растворов элементов окисла в металлической матрице, что

7

сопровождалось избирательным окислением легирующего элемента и возникновением дисперсных включений тугоплавких окислов.

Термодинамические расчеты и результаты экспериментальных исследований показали, что при твердофазном внутреннем окислении сплавов, содержащих И/, включения двуокиси гафния образуются при использовании в качестве окисла-донора кислорода не только термодинамически непрочных окислов, например МО, но и сравнительно химически устойчивых окислов, например Ст203 или А1203. При наличии в сплаве нескольких легирующих элементов, активно взаимодействующих с кислородом, применение определенного исходного окисла позволяет проводить избирательное внутреннее твердофазное окисление одного элемента.

Отличие разработанного способа от ряда предложенных ранее заключается в том, что процесс внутреннего окисления проводят во всем объеме беспористого материала за счет внутренних источников дозированного количества кислорода.

После твердофазного внутреннего окисления при 1470 К в течение 10 ч компактного сплава, полученного из смеси гранул нихрома (15,1 % Сг, 2,1 % 2т, остальное М) с МО, образцы содержали около 4 % (объемных) включений 2т02 размером 0,65 мкм. Время до разрушения этого материала при 1370 К и напряжениях 29,4 и 49,0 МПа составляло соответственно 250 и 36 ч. В тех же условиях нихром, полученный аналогичным методом и содержащий около 4 % (объемных) включений Щ02 размером 0,55 мкм, разрушился через 240 и 50 ч. Нихромовый сплав с 2г, не подвергнутый внутреннему окислению, разрушился при 1370 К под напряжением 29,4 МПа через 5 ч., а под напряжением 49,0 МПа в процессе нагружения.

Сплав ЖС6У, легированный 2,3 % И/ и подвергнутый твердофазному внутреннему окислению при 1490 К в течение 10 ч., наряду с высокой прочностью при комнатной температуре, обусловленной выделением дисперсной у1 - фазы, характеризуется более длительным временем до разрушения. При нагрузке 98,0 МПа при 1370 К сплав разрушается через 50 ч. Аналогичный сплав без дисперсных включений тугоплавких окислов разрушается в этих условиях при нагружении.

Литература

1. Гецов Л. Б. Материалы и прочность деталей газовых турбин. Книга 1. Издательский дом «Газотурбинные технологии», 2010.

2. Елютин В. П., Мозжухин Е. И., Варенков А. Н., Реут В. А., Аношкин Н. Ф., Фаткуллин О. Х. Авторское свидетельство № 2487870. 15.01.1979 г.

3. Иноземцев А. А., Сандрацкий В. Л.Газотурбинные двигатели. Пермь. ОАО «Авиадвигатель», 2006.