Жаропрочные сплавы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Схема турбореактивного двигателя. Детали последних ступеней компрессора высокого давления и детали турбины изготавливаются из жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Жаропрочные сплавы — металлические материалы, обладающие высоким сопротивлением пластической деформации и разрушению при действии высоких температур и окислительных сред. Начало систематических исследований жаропрочных сплавов приходится на конец 1930-х годов — период нового этапа в развитии авиации, связанного с появлением реактивной авиации и газотурбинных двигателей (ГТД).

Жаропрочные сплавы могут быть на алюминиевой, титановой, железной, медной, кобальтовой и никелевой основах. Наиболее широкое применение в авиационных двигателях получили никелевые жаропрочные сплавы, из которых изготавливают рабочие и сопловые лопатки, диски ротора турбины, детали камеры сгорания и т. п. В зависимости от технологии изготовления никелевые жаропрочные сплавы могут быть литейными, деформируемыми и порошковыми. Наиболее жаропрочными являются литейные сложнолегированные сплавы на никелевой основе, способные работать до температур 1050—1100 °C в течение сотен и тысяч часов при высоких статических и динамических нагрузках[1].

История[править | править вики-текст]

Первые жаропрочные стали для газотурбинных двигателей были разработаны в Германии фирмой Krupp в 1936—1938 годах. Высоколегированная аустенитная сталь Тинидур создавалась как материал рабочих лопаток турбины на температуры 600—700°C. Тинидур — аустенитная сталь с дисперсионным твердением (Ni3Ti) и карбидным упрочнением. В 1943-1944 годах годовое производство Тинидур составляло 1850 тонн. Институтом Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) и фирмой Heraeus Vacuumschmelze были разработаны аустенитые стали (сплавы по английской терминологии) DVL42 и DVL52 на более высокие рабочие температуры 750—800°C. Составы сталей приведены в таблице.

Химические составы германских аустенитных жаропрочных сталей для газотурбинных двигателей[2][3][4]
Наименование %C %Mn %Si %Ni %Co %Cr %Mo %W %Ti %Al % др.
элементов
Тинидур до 0,14 0,6-1,0 0,6-1,0 29,0-31,0 14,5-15,5 1,8-2,2 0,2 Fe
основа
DVL42 до 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 1,5-2,0 Fe
основа
DVL52 до 0,1 0,6-1,0 0,4-0,8 30-35 22-25 12-17 4-6 4-6 4-5 %Ta
Хромадур 0,9-0,12 17,5-18,5 0,55-0,7 11,0-14,0 0,7-0,8 V 0,60-0,70
0,18-0,23 N2

В Германии 1940-х годов среди разработчиков авиационных ГТД существовало стремление повысить температуру газа перед турбиной до 900°C. С этой целью институт DVL совместно с рядом фирм экспериментировал с аустенитными сложнолегированными сплавами. В ходе войны была признана невозможность подобного решения по причине острого дефицита в Германии легирующих элементов. В результате исследования приняли два направления: 1. создание полых охлаждаемых воздухом лопаток (рабочих и сопловых) при соответствующем снижении легирования используемых материалов; 2. исследование возможностей керамических материалов. Оба направления работ являлись пионерскими, по каждому из них были получены значимые результаты.

Первые серии реактивного двигателя Jumo-004A выпускались с 1942 года с монолитными рабочими и сопловыми лопатками из материала Тинидур фирмы Крупп. Позднее заменены полыми охлаждаемыми лопатками из того же материала, что позволило повысить температуру газа перед турбиной до 850°C (серия Jumo-004E). С 1944 года на серийных модификациях двигателя Jumo-004B применялись полые охлаждаемые рабочие лопатки из менее дефицитной стали Cromadur.

Лопатки турбины из сплава Нимоник 80A ТРД Роллс-Ройс «Нин», экспонируемого в Science Museum, Лондон.

К 1942 году в Великобритании создан жаропрочный сплав нимоник-80 — первый в серии высокожаропрочных дисперсионно-твердеющих сплавов на никель-хромовой основе. Создатель сплава — сэр Уильям Гриффитс Griffiths W.T. Основа сплава нимоник-80 — нихром (80 %Ni — 20 %Cr), известный с начала XX века своей высокой жаростойкостью и высоким электрическим сопротивлением. Ключевыми легирующими элементами сплава нимоник-80 являлись титан (2,5 %) и алюминий (1,2 %), образующие упрочняющую фазу. Количество упрочняющей гамма-штрих фазы в сплаве составляло 25-35 об%[5]. Нимоник-80 использовался в деформированном состоянии для изготовления рабочих лопаток турбины одного из первых газотурбинных двигателей Роллс-Ройс «Нин», стендовые испытания которого начались в октябре 1944 г. Лопатки турбины из сплава нимоник-80 обладали высокой длительной прочностью при температурах 750—850 °C. В СССР аналогами сплава нимоник-80 являются никелевые жаропрочные сплавы ЭИ437, ЭИ437А (ХН77ТЮ) и ЭИ437Б (ХН77ТЮР), срочным порядком созданные к 1948 году сотрудниками ВИАМ, ЦНИИЧермет и завода «Электросталь» при участии Ф. Ф. Химушина[6].

Основу жаропрочных сплавов, как правило, составляют элементы VIII группы таблицы Менделеева. До 1940-х годов основу жаропрочных сплавов составляли железо или никель. Добавлялось значительное количество хрома для увеличения коррозионной стойкости. Добавки алюминия, титана или ниобия увеличивали сопротивление ползучести. В некоторых случаях образовывались хрупкие фазы, такие, например, как карбиды M23C6. В конце 40-х годов прекратилось, в основном, использование железа как основы жаропрочных сплавов, предпочтение начали отдавать сплавам на основе никеля и кобальта. Это позволило получить более прочную и стабильную гранецентрированную матрицу.

В конце 1940-х годов была обнаружена возможность дополнительного упрочнения жаропрочных сплавов путём легирования молибденом. Позже для этой же цели начали применять добавки таких элементов, как вольфрам, ниобий, тантал, рений и гафний. (См. Карбид тантала-гафния, хотя в жаропрочных сплавах гафний не образует подобных карбидов, а повышает прочность и пластичность "механически", вызывая закручивание границ зёрен, т.н. "гафниевый эффект". Помимо этого, он участвует в образовании дополнительных количеств гамма-штрих фазы[7]).

Сплавы на основе никеля[править | править вики-текст]

Рабочая лопатка ротора турбины двигателя RB199, из литейного никелевого жаропрочного сплава, бывшая в эксплуатации.

В 1950-х годах компаниями Pratt & Whitney и General Electric были разработаны сплавы Уаспалой (Waspaloy) и M-252, легированные молибденом и предназначенные для лопаток авиационных двигателей. Затем были разработаны такие сплавы, как Hastelloy alloy X, Rene 41, Инконель, в том числе Inco 718, Incoloy 901 и др.

Согласно оценкам экспертов, за период 1950-1980-х годов химические составы никелевых жаропрочных сплавов изменялись наиболее значительно за счет введения алюминия и замещающих его элементов в ' фазе. Указанное привело к увеличению объемной доли ' фазы от 25-35 об.% в сплавах нимоник 80 и U-700 до 65-70 об.% в современных лопаточных материалах[5].

Легирование[править | править вики-текст]

Жаропрочные сплавы на основе никеля, как правило, обладают сложным химсоставом. Он включает 12 — 13 компонентов, тщательно сбалансированных для получения необходимых свойств. Содержание таких примесей, как кремний (Si), фосфор (P), сера (S), кислород (O) и азот (N) также контролируется. Содержание таких элементов, как селен (Se), теллур (Te), свинец (Pb) и висмут (Bi) должно быть ничтожно малым, что обеспечивается подбором шихтовых материалов с низким содержанием этих элементов, т.к. избавиться от них в ходе плавки не представляется возможным. Эти сплавы обычно содержат 10—12 % хрома (Cr), до 8 % алюминия (Al) и титана (Ti), 5-10 % кобальта (Co), а также небольшие количества бора (B), циркония (Zr) и углерода (C). Иногда добавляются молибден (Mo), вольфрам (W), ниобий (Nb), тантал (Ta) и гафний (Hf).

Легирующие элементы в этих сплавах можно сгруппировать следующим образом:

  1. Элементы, образующие с Ni аустенитную -матрицу с гранецентрированной кристаллической решёткой — Co, Fe, Cr, Mo и W
  2. Элементы, образующие упрочняющую ' фазу (Ni3X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При этом Ti, Nb и Ta входят в состав фазы и упрочняют её.
  3. Элементы, образующие сегрегации по границам зёрен — B, C и Zr

К карбидообразующим элементам относятся Cr, Mo, W, Nb, Ta и Ti. Al и Cr образуют оксидные плёнки, защищающие изделия от коррозии.

Типичный химсостав деформируемых жаропрочных сплавов на никелевой основе[8]
Сплав %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % др.
элементов
Inconel X-750 73,0 18,0 - - 0,8 2,5 0,9 0,04 - - 6,8 % Fe
Udimet 500 53,6 18,0 18,5 4,0 2,9 2,9 - 0,08 0,006 0,05
Udimet 700 53,4 15,0 18,5 5,2 4,3 3,5 - 0,08 0,03 -
Waspaloy 58,3 19,5 13,5 4,3 1,3 3,0 - 0,08 0,006 0,06
Astroloy 55,1 15,0 17,0 5,2 4,0 3,5 - 0,06 0,03 -
Rene 41 55,3 19,0 11,0 10,0 1,5 3,1 - 0,09 0,005 -
Nimonic 80A 74,7 19,5 1,1 - 1,3 2,5 - 0,06 - -
Nimonic 90 57,4 19,5 18,0 - 1,4 2,4 - 0,07 - -
Nimonic 105 53,3 14,5 20,0 5,0 1,2 4,5 - 0,2 - -
Nimonic 115 57,3 15,0 15,0 3,5 5,0 4,0 - 0,15 - -
Типичный химсостав литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе[9]
Сплав %Ni %Cr %Co %Mo %Al %Ti %Nb %C %B Zr % др.
элементов
B-1900 64,0 8,0 10,0 6,0 6,0 1,0 - 0,10 0,015 0,1 4,0 % Ta
MAR-M200 60,0 9,0 10,0 - 5,0 2.0 1.0 0,13 0,015 0,05 12,0 % W
Inconel 738 61,0 16,0 8,5 1,7 3,4 3,4 0,9 0,12 0,01 0,10 1,7 % Ta, 3,6 % W
Rene 77 58,0 14,6 15,0 4,2 4,3 3,3 - 0,07 0,016 0,04
Rene 80 60,0 14,0 9,5 4,0 3,0 5,0 - 0,17 0,015 0,03 4,0 %W

Фазовый состав[править | править вики-текст]

К основным фазам жаропрочных сплавов относятся:

  1. Гамма-фаза () является матрицей с г.ц.к. кристаллической решёткой. В твёрдом растворе этой фазы содержится большое количество Co, Cr, Mo, W
  2. Гамма-штрих (') фаза образует частицы преципитата, имеющего также г.ц.к. кристаллическую решётку. В эту фазу входят такие элементы, как Al и Ti. Объёмная доля этой фазы, когерентной аустенитной матрице достаточно велика
  3. Карбиды. Содержание углерода в сплавах относительно невелико (0,05-0,2 %). Он соединяется с карбидообразующими элементами — Ti, Ta, Hf
  4. Зернограничная '-фаза. Эта фаза образуется в виде плёнки по границам зёрен в процессе термической обработки.
  5. Бориды Выделяются по границам зёрен в виде редких частиц
  6. Фазы т. п. у. (топологически плотно упакованные фазы) имеют пластинчатую морфологию. Пример: фазы , и фаза Лавеса. Эти фазы приводят к охрупчиванию материала и являются нежелательными.

Термическая обработка[править | править вики-текст]

Деформируемые никелевые жаропрочные сплавы содержат в матрице дисперсные выделения карбидов типа MC. Гомогенизационный отжиг даёт возможность подготовить матрицу к получению равномерного распределения частиц упрочняющей фазы ' в процессе последующего старения. Для примера, для сплава Inco 718 гомогенизационный отжиг продлится в течение 1 часа при 768 °C, а старение проводится в два этапа: 8 часов при 718 °C и 8 часов при 621 °C. После гомогенизационного отжига важно выдержать скорость охлаждения, чтобы препятствовать выделению нежелательных фаз. Охлаждение между этапами старения проводится плавно в течение 2 часов.

Дисперсноупрочненные суперсплавы[править | править вики-текст]

Важной проблемой в разработке конструкционных материалов с повышенной прочностью и пластичностью является обеспечение их стабильности и однородности физико-механических свойств во всем интервале температур эксплуатации от криогенных и вплоть до предплавильных температур. В настоящее время наиболее перспективным путем решения этой проблемы является упрочнение базового сплава дисперсными наночастицами тугоплавких оксидов. Такие материалы принято называть ODS (oxide dispersion strengthened) сплавами[10]. Базой для ODS-сплавов наиболее часто служат аустенитные суперсплавы на основе Ni, Cr и Fe. В качестве упрочняющих частиц, как правило, используют тугоплавкие оксиды Al2O3, TiO2, ThO2, La2O3, BeO и Y2O3. ODS- суперсплавы получают методом механического легирования, который включает следующие стадии: 1) совместное перемалывание в шаровых мельницах порошков исходных компонент суперсплава с добавлением мелкодисперсных конгломератов тугоплавкого оксида; 2) запайка дегазированного порошка в герметичный стальной контейнер; 3) компактирование экструзией; 4) горячая опрессовка; 5) зонная рекристаллизация. ODS- суперсплав (Inconel MA758) на основе оксида иттрия Y2O3 был разработан в 90-х годах прошлого века.

Жаропрочность[править | править вики-текст]

Одним из факторов, определяющих жаропрочность, является высокое сопротивление ползучести. Жаропрочность сплавов оценивается пределами длительной прочности или ползучести при высоких температурах, и связана, в первую очередь, с их структурой и составом. По структуре жаропрочные сплавы должны быть многофазными с прочными границами зёрен и фаз[1]. В никелевых жаропрочных сплавах сказанное обеспечивается многокомпонентным легированием. При этом жаропрочность сплавов тем выше, чем больше объёмная доля упрочняющих фаз и чем выше их термическая стабильность, то есть устойчивость против растворения и коагуляции при повышении температуры.

Длительная прочность[править | править вики-текст]

Никелевые жаропрочные сплавы используются при температурах 760—980 °C. Литые жаропрочные сплавы имеют высокую длительную прочность при более высоких температурах. Например, сплав MAR-M246 имеет длительную прочность 124 МПа после 1000 часов выдержки при 982 °C.

Жаропрочные сплавы на никелево-железной основе используются при температурах 650—815 °C. Их длительная прочность намного ниже.

Длительная прочность жаропрочных сплавов при трёх температурах, МПа[9]
Сплав 650 °C
100 часов
650 °C
1000 часов
815 °C
100 часов
815 °C
1000 часов
982 °C
100 часов
982 °C
1000 часов
Inconel X-750 552 469 179 110 24
Udimet 700 703 400 296 117 55
Astroloy 772 407 290 103 55
IN-100 503 379 172 103
MAR-M246 565 448 186 124


Уже ранний опыт эксплуатации лопаток газотурбинных двигателей Jumo-004 показал (исследования К. Гебхардт, фирма Крупп, Эссен), что на практике срок службы лопаток определяется усталостной прочностью, и подавляющее число разрушений лопаток являются усталостными[11].

Сплавы на основе кобальта[править | править вики-текст]

Ещё в начале XX века компанией Хэйнс (англ. Haynes) были получены патенты на сплавы системы Co — Cr и Co — Cr — W. Эти сплавы, именуемые «стеллитами» использовались вначале для производства режущего инструмента. и износостойких деталей. В 1930-х годах был разработан литейный Co — Cr — Mo сплав для зубного протезирования Vitallium. Аналогичный по составу сплав HS-21 начал использоваться десятилетие спустя в турбонагревателях и газовых турбинах. Тогда же начали использовать сплав системы Co — Ni — Cr для направляющих лопаток газотурбинных двигателей. В 1943 г. был разработан литейный сплав Co — Ni — Cr — W (X-40) также применяемый при изготовлении лопаток. В 1950—1970 годы были разработаны новые никелевые жаропрочные сплавы, изготовленные путём вакуумной выплавки и упрочняемые за счёт выделения фазы '. Это привело к уменьшению использования сплавов на основе кобальта.

Особенности жаропрочных сплавов на кобальтовой основе[править | править вики-текст]

  • Температура плавления у сплавов на кобальтовой основе — более высокая. По этой причине повышены характеристики длительной прочности. Эти жаропрочные сплавы могут работать при более высоких температурах, по сравнению со сплавами на основе никеля и железа
  • Высокое содержание хрома повышает сопротивление горячей коррозии
  • Сплавы характеризуются повышенным сопротивлением термической усталости и имеют хорошую свариваемость.

Монокристаллические жаропрочные сплавы[править | править вики-текст]

В 1970—1980 годы началось применение литых жаропрочных сплавов, полученных методами направленной кристаллизации и монокристаллических сплавов на никелевой основе. Применение этих материалов (на никелевой основе) позволило увеличить прочность и термическую долговечность лопаток газовых турбин.

Химический состав жаропрочных сплавов,
полученных методами направленной кристаллизации
[9]
Сплав %Cr %Co %W %Mo %Ta %Nb %Ti %Al %Hf %B %Zr %C
MAR-M200+Hf 9,0 10,0 12,0 - - 1,0 2,0 5,0 2,0 0,015 0,08 0,14
MAR-M246+Hf 9,0 10,0 10,0 2,5 1,5 - 1,5 5,5 1,5 0,015 0,05 0,15
MAR-M247 8,4 10,0 10,0 0,6 3,0 - 1,0 5,5 1,4 0,015 0,05 0,15
RENE 80H 14,0 9,5 4,0 4,0 - - 4,8 3,0 0,75 0,015 0,02 0,08
Химический состав монокристаллических жаропрочных сплавов[9]
Сплав %Cr %Co %W %Mo %Ta %Nb %Ti %Al %Hf
Pratt & Whitney № 1 10,0 5,0 4,0 - 12,0 - 1,5 5,0 -
Pratt & Whitney № 2
(3 % Re)
5,0 10,0 6,0 2,0 8,7 - - 5,6 0,1
CMSX-2 8,0 5,0 8,0 0,6 6,0 - 1,0 5,5 -
SRR99 8,5 5,0 9,5 - 2,8 - 2,2 5,5 -

Диффузионные покрытия[править | править вики-текст]

Поскольку турбинные лопатки, изготовленные из литейных жаропрочных сплавов работают при высоких температурах и в агрессивной среде, возникает необходимость в их защите от горячей коррозии. С этой целью используют диффузионные покрытия двух типов, т. н. пакетная цементация и покрытия, наносимые в газовой фазе. В процессе покрытия происходит обогащение поверхностного слоя алюминием и образование алюминида никеля, как матрицы покрытия.

Процесс пакетной цементации[править | править вики-текст]

Процесс происходит при более низкой температуре (около 750 °C). Детали помещаются в коробки со смесью порошков: активный материал, содержащий алюминий и образующий покрытие, активатор (хлорид или фторид) и термический балласт, например, окись алюминия. При высокой температуре образуется газообразный хлорид (или фторид) алюминия, который переносится на поверхность изделия. Затем происходит распад хлорида алюминия и диффузия алюминия вглубь объема. Образуется т. н. «зелёное покрытие», очень хрупкое и тонкое. После этого проводится диффузионный отжиг (несколько часов при температурах около 1080 °C). При этом образуется окончательное покрытие.

Покрытие в газовой фазе[править | править вики-текст]

Процесс идёт при более высокой температуре около 1080 °C. Активный материал, содержащий алюминий, не находится в непосредственном контакте с изделием. Нет необходимости и в термическом балласте. Процесс отличается диффузией вовне. Также требуется диффузионный отжиг.

Плазменные покрытия[править | править вики-текст]

Более современной технологией защиты лопаток является плазменное напыление термобарьерных покрытий. Как правило, термобарьерное покрытие состоит из нескольких слоев — подслой, слой MeCrAlY, слой керамики (часто применяют оксид циркония, стабилизированный иттрием). Для разных двигателей аттестованы вакуумное или атмосферное плазменное напыление, однако все современные разработки выполняются на атмосферной плазме, как более дешевой в эксплуатации.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Авиация. Энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994, с. 201
  2. Luft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275—279
  3. Pomp A., Krisch A.: Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 und 800°C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940
  4. Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for Use at High Temperature. BIOS Final Report N 396, London, 1946
  5. 1 2 Giamei A.F., Pearson D.D., Anton D.L. Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293-307
  6. Туманов А. Т., Шалин Р. Е., Старков Д. П. Авиационное материаловедение. — в кн.: Развитие авиационной науки и техники в СССР. Историко-технические очерки. М.: Наука, 1980, с. 332—334
  7. Суперсплавы II под ред. Симса, Столоффа, Хагеля. Перевод на русский язык. М., Металлургия, 1995, т 1, стр. 29
  8. http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2003/nickel.html
  9. 1 2 3 4 Superalloys
  10. К.А. Ющенко, Ю.А. Семеренко, Е.Д. Табачникова, А.В. Подольский, Л.В. Скибина, С.Н. Смирнов, В.С. Савченко Inconel MA758: новый наноструктурный суперсплав. Акустические и механические свойства в интервале температур 4,2—310 К // Металлофиз. новейшие технол. — 2013. — Т. 35, вып. 2. — С. 225-231.
  11. Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for use at a High Temperatures/ - BIOS Final Report No 396. London 1946, p. 13.

Литература[править | править вики-текст]

  • Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. — М.: «Металлургия», 1995.
  • Строение и свойства авиационных материалов. — М.: «Металлургия», 1989.
  • Лекции о суперсплавах на сайте университета Кембриджа.
  • Химушин Ф. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. — М.: «Металлургия», 1969.