Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы, применяемые в авиационных двигателях, и их термическая обработка

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ Реферат по дисциплине «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» на тему: «Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы, применяемые в авиационных двигателях, и их термическая обработка» 2001 годВ авиационных двигателях широкое применение нашли жаростойкие и жаропрочныеникелевые сплавы. В качестве жаростойких применяют сплавы ХН60ВТ (ВЖ98,ЭИ868), ХН50ВМТЮБ (ЭП648), ХН68ВМТЮК (ЭП693), ХН56ВМТЮ (ЭП199) и др. Термическая обработка сплавов в значительной мере определяется выбраннойсистемой легирования. Так, например, сплав ХН60ВТ имеет низкую концентрацию((-образующих элементов, поэтому не содержит в своей структуре ((-фазу,отличается повышенной пластичностью и не требует термической обработкипосле сварки. Структура сплава состоит из никелевого (-твёрдого раствора, вкотором содержится небольшое количество частиц (-W и карбидной фазы Ni3W3Cи Cr23C6. однако другие сплавы, у которых повышение жаропрочностиобеспечивается путём упрочнения (-твёрдого раствора и выделения дисперсныхчастиц упрочняющей ((-фазы (сплавы ХН50ВМТЮБ, ХН68ВМТЮК, ХН56ВМТЮ),подвергаются упрочнению при термической обработке, состоящей из закалки истарения. Температура закалки выбирается из условия получения однородного твёрдогораствора. Так, например, сплав ХН50ВМТЮБ подвергают закалке на воздухе оттемпературы 1140(С и последующему старению при температуре 900(С в течение5 ч, а сплав ХН68ВМТЮК закаливают от температуры 1100(С с последующимстарением при температуре 900(С в течение 5 ч. При старении изпересыщенного твёрдого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющей((-фазы и сплавы упрочняются. Наличие ((-фазы повышает жаропрочность и одновременно сообщает сплавамсклонность к образованию горячих трещин при сварке и термической обработке,необходимость в термической обработке деталей после сварки или подваркитехнологических, а также эксплуатационных дефектов. Свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток и дисков газовыхтурбин определяются термической стабильностью структуры, размерами, формойи количеством упрочняющей ((-фазы, прочностными характеристиками (-твёрдогораствора, оптимальным соотношением параметров кристаллических решёток (- и((-фаз, распределением карбидной фазы и другими факторами. Обычножаропрочные сплавы упрочняются путём целенаправленного многокомпонентноголегирования. Суть многокомпонентного легирования состоит в обеспечениижаропрочности путём совершенствования гетерофазного строения, включающегоконтролируемое выделение частиц упрочняющей ((-фазы, обеспечении еётермической стабильности, целенаправленном изменении морфологии, параметровкристаллических решёток (- и ((-фаз, их влияния на дислокационную структурусплавов, а также на протекание диффузионных процессов. Основные требования к материалам для лопаток турбин обусловлены самимразвитием конструкции двигателей, непрерывным повышением жаропрочности,пластичности, сопротивления термической и малоцикловой усталости, стойкостик воздействию газовой среды. Материалы для лопаток турбин современныхдвигателей должны обладать высокой сопротивляемостью разрушению притермической и малоцикловой усталости, которая является в настоящее времяосновным видом разрушения. Опасность разрушения усугубляется поверхностнымиреакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границы зёрен. Для изготовления лопаток турбин исползуют деформируемые и литейныесплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностямиобеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легированиеведёт к практически полной потере их технологической пластичности придеформации. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейнымсплавам, новым направленно кристализованным и монокристализованным сплавам,которые широко применяются в современных высокотемпературных двигателях.Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легированияобеспечило существенное увеличение рабочей температуры сплавов, причём инаправленные и монокристаллические сплавы группы ЖС стали болеепластичными. Предельные рабочие температуры нагрева деформируемых сплавовне превышают 1000(С. Широкое распространение нашли деформируемые сплавы ЭП109, ЭП220, ЖС6КП илитейные ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30, ЖС26, ЖС32 и др. Термическая обработка сплавов состоит из закалки и старения. Закалкапроизводится при температурах 1220-1280(С в течение 3-5 ч. Отливки деталейполучают методом точного литья по выплавляемым моделям и закаливают ввакууме. Упрочняющая ((-фаза выделяется в основном в процессе охлаждения. Впроцессе старения при температуре 950(С в течение 2 ч происходитдополнительное незначительное выделение частиц ((-фазы и упрочнениесплавов. Окончательная структура сплавов состоит из легированного твёрдогораствора на никелевой основе, ((-фазы и карбидов. Макроструктура сплаваЖС6ФНК содержит поперечных границ зёрен, а сами зёрна обычно ориентированыпо длине лопатки в направлении ребра гранецентрированной решётки. Сплавы обладают высокими механическими свойствами.|Марка |Термическая обработка |Механические свойства ||материала | | || | |(В900, |(1001000|(100900|(, % || | |МПа |, МПа |, МПа | ||ЭП109 |Закалка с 1220(С 5 ч |650 |150 |270 |6 || |и старение при 950(С 2 ч | | | | ||ЖС6КП |Закалка с 1220(С 4 ч |770 |160 |270 |6 || |и старение при 900(С 16 ч| | | | ||ЖС6У |Закалка с 1230(С 3 ч |800 |165 |330 |5 || |и старение при 950(С 2 ч | | | | ||ВЖЛ12У |» » |780 |150 |320 |5 ||ЖС6Ф-НК |» » |850 |180 |450 |12 ||ЖС26 (ВСНК) |Закалка с 1260(С 4 ч |880 |200 |410 |8 ||ЖСЗ2 |Закалка с 1280(С 4 ч |960 |250 |475 |18 ||(монокр) | | | | | | Деформируемые сплавы ЭП109 и ЖС6КП применяются при температурах наметалле не более 950(С, а сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеют более высокиедопустимые значения температур в эксплуатации, соответственно 1000(С дляЖС6У и ВЖЛ12У и до 1050(С для ЖС6ФНК. Отсутствие поперечных границ зёрен,более низкий модуль упругости и более высокая пластичность сообщают сплавуЖС6ФНК повышенную долговечность при воздействии высоких температур ициклических термомеханических нагрузок. Температурные ограниченияприменения жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловленырастворением, быстрой коагуляцией упрочняющей ((-фазы и падениемжаропрочности при перегревах деталей в процессе эксплуатации. Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистую структуру, котораяобеспечивает их более высокое сопротивление усталости, тогда как литейныесплавы с равноосной структурой имеют более высокую жаропрочность. Введение гафния в сплав ЖС6ФНК усиливает карбидную ликвацию, способствуетспособствует образованию в поверхностном слое карбидов Ме6С, обладающихнизкой жаростойкостью и не покрывающихся при диффузионном алитировании.Наличие ванадия и титана в сплаве ЖС26 значительно снижает жаростойкость.Сплав ЖС32 не содержит титана и ванадия, а легирование алюминием, танталоми небольшой концентрацией хрома обеспечивает сплаву высокую жаростойкость. Сплавы ЖС26 и ЖС32 с направленной и монокристаллической структуройобладают более высокой термической стабильностью, термостойкостью. Дляобеспечения однородности состава и структуры по объёму отливки лопатокподвергаются нагреву при закалке в вакууме до более высоких, чем равноосныесплавы, температур. В процессе нагрева и высокотемпературной выдержкипроисходит растворение ((-фазы и карбидов МеС, Ме23С6, Ме6С в твёрдомрастворе на никелевой основе. При охлаждении происходит выделениеупрочняющей ((-фазы, которая обеспечивает сплавам высокие механическиесвойства. Для деталей из литейных никелевых сплавов широко используетсягомогенизация. При гомогенизации происходит уменьшение степени ликвации истабилизация структуры сплавов. Гомогенизация способствует увеличениюобъёмного содержания дисперсных частиц упрочняющей ((-фазы. Во времявысокотемпературной выдержки растворяются грубые выделения ((-фазы,образовавшиеся при кристаллизации. Следует, однако, отметить, чтооптимизация режимов термической обработки для достижения оптимальной формы,размеров и распределения частиц упрочняющей ((-фазы не всегдасопровождается улучшением механических свойств. Так, например, образованиечастиц карбидов Ме6С неблагоприятной пластинчатой формы в процессегомогенизации и последующего охлаждения сплава ЖС6У практически сводит нанет эффект улучшения свойств путём управления структурой ((-фазы, и в итогепосле гомогенизации при температуре 1210(С длительная прочность остаётся напрежнем уровне. Неоднородная структура сплавов образуется также и в случае недогрева дотемпературы полного растворения упрочняющей ((-фазы в сплавах. Образующиесяскоагулированные частицы ((-фазы снижают характеристики прочности ипластичности. Однако гомогенизирующая термическая обработка деталей из сплавовнаправленной кристаллизации сопровождается улучшением механических свойств,поскольку упрочняющая фаза после направленной кристаллизации имеетнеправильную форму и значительно укрупнена. При скорости кристаллизации 4мм/мин размеры ((-фазы достигают 1 мкм, тогда как после термическойобработки - 0,5-0,6 мкм, причем выделения становятся однородными иравномерно распределенными по объёму. Частицы ((-фазы существенно меньшевырастают в процессе высокоскоростной направленной кристаллизации, они дажеменьше, чем у направленно кристаллизованных и затем термообработанныхсплавов. При равноосной кристаллизации скорость охлаждения сплавов почти такая же,как и при термической обработке в вакууме, поэтому частицы ('-фазы,выделившиеся во время кристаллизации, мало отличаются по размерам отчастиц, выделяющихся в процессе охлаждения при термической обработке, идальнейшего измельчения частиц не происходит. Термическая обработка стабилизирует структуру сплавов, увеличиваетобъёмное содержание ('-фазы, уменьшает степень её неоднородности похимическому составу и по размерам, снижает уровень ликвации, что в итогеприводит к существенному повышению характеристик долговечности лопатоктурбин. Особое значение приобретает термическая обработка лопаток турбин приремонте, когда требуется восстановить начальную структуру и свойствасплавов, претерпевших существенные изменения в процессе эксплуатации придлительном воздействии на детали термомеханических нагрузок. Своевременноевосстановление тонкой структуры сплавов при ремонте обеспечивает двух-трёхкратное увеличение их ресурса. Направленная кристаллизация сообщает сплавам повышение пределавыносливости, длительной прочности и пластичности.|Марка |ЖС6К |ЖС6У |ЖС6Ф |ЖС6К-НК |ЖС6У-НК |ЖС6Ф-НК ||сплава | | | | | | ||(-1900 |250 |290 |260 |260 |310 |350 ||(1001000 |160 |170 |180 |175 |185 |190 ||(20 |5 |6 |6 |6 |8 |9 | Развитие направленной кристаллизации обеспечило решение задачи полученияэвтектик с ориентированной структурой, представляющих собой естественныекомпозиционные жаропрочные сплавы. Температурный уровень их работысущественно выше, чем у сплавов с равноосной и направленной структурами.При высоких температурах основным упрочнителем жаропрочных композиционныхсплавов системы (/((-МеС являются волокна МеС, которые обладают высокойтемпературной стабильностью. Весьма перспективными являются керамические материалы на основе Si3N4,SiC, окисленных эвтектик, которые позволяют обеспечить работу лопатоктурбин высокотемпературных двигателей при рабочих температурах до 1550-2200(С. Рассмотрим некоторые марки сплавов, применяемых для изготовления дисковтурбин. Диски последних ступеней компрессоров и диски турбин авиадвигателейподвержены высоким нагрузкам и неравномерному нагреву. Так, например, ободнагревается до 550-800(С, а ступица дисков турбин нагревается до 300-500(С.диски содержат большое количество концентраторов напряжений, поэтомуматериалы для дисков турбин должны иметь следующие свойства: 1. Высокую прочность и жаропрочность во всём диапазоне рабочих температур. 2. Низкую чувствительность к концентрации напряжений. 3. Высокую пластичность при длительном и кратковременном нагружении. 4. Высокое сопротивление малоцикловой усталости. 5. Стабильность структуры и фазового состава сплава. 6. Хорошую технологичность. Выполнение этих требований достигается упрочнением твёрдого раствора,увеличением объёмног содержания ((-фазы, контролем за выделением карбидов и((-фазы по границам зёрен, исключением охрупчивающих фаз и очисткой сплавовот вредных примесей. Дисковые сплавы на основе никеля представляют собой сложнолегированныекомпозиции, трудно поддающиеся деформированию. В них недопустимыохрупчивающие фазы типа (, (, ( и другие, не должно быть крупных выделенийкарбидов, зональных ликвационных неоднородностей. В современных отечественных авиадвигателях применяются сплавы для дисков,не уступающие по свойствам лучшим зарубежным дисковым сплавам, а подлительной прочности превосходящие их. В дисковых сплавах применяется принцип многокомпонентного легирования,развитый при разработке жаропрочных сплавов для лопаток турбин. В настоящее время для изготовления дисков турбин применяютсядеформируемые сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437БУ), ХН73МБТЮ (ЭИ698), ХН62БМКТЮ(ЭП742), ЭП741 и др. Химический состав сплавов| | |(100750,|(, % |KCU, | || | |МПа | |МДж/м2 | ||ХН77ТЮР |Закалка с 1080(С, 8 |350 |15 |0,5 |700 ||(ЭИ437БУ) |ч на воздухе. | | | | || |Старение при 750(С, | | | | || |16 ч. | | | | ||ХН73МБТЮ |Первая закалка с |420 |17 |0,5 |750 ||(ЭИ698) |1120(С, 2 ч на | | | | || |воздухе. Вторая | | | | || |закалка с 1000(С, 3 | | | | || |ч на воздухе. | | | | || |Старение при 800(С, | | | | || |8 ч. | | | | ||ХН62БМКТЮ |Первая закалка с |520 |20 |0,5 |800 ||(ЭП742) |1150(С, 8 ч на | | | | || |воздухе. Вторая | | | | || |закалка с 1050(С, 4 | | | | || |ч на воздухе. | | | | || |Старение при 850(С, | | | | || |8 ч. | | | | ||ЭП975 |Закалка с 1200(С, 8 |750 |14 |0,45 |850 || |ч на воздухе. | | | | || |Старение при 900(С, | | | | || |8 ч. | | | | | Более высокая жаропрочность сплавов ЭП742 и ЭП975 обусловлена снижениемсодержания хрома до 8-10% и введением вольфрама, молибдена, кобальта,увеличением количества ((-фазы до 60%. В сплаве ЭП975 суммарное содержание(W+Mo)=10-12%, а (Al+Ti)=7,5%. При увеличении суммарного содержания ((-фазыдо 60% в структуре появляется неравновесная ((-(()-эвтектика, поэтомунагрев при закалке производится ступенчато, чтобы избежать оплавленияэвтектики. Охлаждение дисков при закалке проводят в масле или сжатымвоздухом. Двойную закалку применяют для улучшения вязкости и пластичности сплавов.При первой закалке обеспечивается достаточно полное растворение упрочняющихфаз, гомогенизация сплава. При нагреве под повторную закалку по границамзерен выделяются и коагулируют частицы карбидов, происходит частичныйраспад пересыщенного твердого раствора с образование достаточно крупныхчастиц ((-фазы. Карбиды выделяющиеся при 1000-1050(С, равномернораспределяются по объёму. При отсутствии второй закалки однократная закалкасо старением приводит к образованию по границам зерен сплошной карбиднойсетки, которая снижает пластичность. При старении происходит дополнительное выделение частиц ((-фазы иупрочнение сплавов. Наличие небольшого количества сравнительно крупныхсферических частиц ((-фазы, сформированных во время нагрева под вторуюзакалку, и мелкодисперсных выделений частиц ((-фазы, выделевшихся пристарении, обеспечивает максимальную долговечность дисков из сплавов ЭИ698 иЭП742. Окончательная структура сплавов состоит из (-твердого раствора, ((-фазы икарбидов. Существенное расширение возможностей дальнейшего легирования сплавов длядисков обеспечивает использование металлургии гранул, когда подавляетсяразвитие ликвации, уменьшаются размеры выделений первичной ((-фазы икарбидов, повышается технологичность и экономичность использования металла.Размеры гранул обычно составляют 0,02-0,4 мм. При распылении сплавов на гранулы достигается очень высокая (до 106 (С с-1) скорость кристаллизации, из грубой дендритной она становится зереннойбез видимых с увеличением до 40000 частиц выделений ((-фазы, измельчаются ичастицы карбидов. Компактирование дисков производится при температуре закалки сплавов вгазостатах. Технология прессования дисков из порошков требует тщательнойочистки среды от кислорода, паров воды и других примесей. Наличие пленок(Al2O3, TiO2, TiC) на поверхности гранул ускоряет разрушения. Углерод недолжен соприкасаться с атмосферой на всех этапах технологий получениядисков. В авиатехнике для изготовления валов, дисков, лабиринтов широкоприменяется диспергированный сплав ЭП741П. Термическая обработка дисков издиспергированных сплавов аналогична деформируемым. Применение в металлургии гранул обеспечивает повышение коэффициентаиспользования металла, более высокую прочность и уменьшение массыконструкции. Следует отметить, что в процессе эксплуатации в ступицах и ободе дисковнакапливается значительная локальная пластическая деформация, возникаютмикротрещины. В ободе происходит дополнительное выделение ((-фазы. В итогеснижается сопротивление малоцикловой усталости.