Схема турбореактивного двигателя. Детали последних ступеней компрессора высокого давления и детали турбины изготавливаются из жаропрочных сплавов на никелевой основе.
— 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 авиациии, связанного с появлением реактивной авиации и газотурбинных двигателей (ГТД).
Жаропрочные сплавы могут быть на , 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].
1. История
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 твердением (Ni3Ti) и карбидным упрочнением. В 1943-44 годах годовое производство Тинидур составляло 1850 тонн. Институтом 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
|
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-004 выпускались с 1942 года с монолитными рабочими и сопловыми лопатками из материала Тинидур. 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 двигателе Jumo-004 применялись охлаждаемые рабочие лопатки из менее дефицитной стали Cromadur.
Griffiths W. T
Основу жаропрочных сплавов, как правило, составляют элементы VIII группы таблицы Менделеева. До 40-х годов XX века 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)
2. Сплавы на основе никеля
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 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].
2.1. Легирование
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 (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:
Элементы, образующие с Ni аустенитную
- матрицу с гранецентрированной кристаллической решёткой — Co, Fe, Cr, Mo и W Элементы, образующие упрочняющую
‘ фазу (Ni3X) — Al, Ti, Nb, Ta, Hf. При этом Ti, Nb и Ta входят в состав фазы и упрочняют её. 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
|
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
|
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 |
2.2. Фазовый состав
К основным фазам жаропрочных сплавов относятся:
Гамма-фаза (
является матрицей с г. ц.к. кристаллической решёткой. В твёрдом растворе этой фазы содержится большое количество Co, Cr, Mo, W 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 Карбиды. Содержание углерода в сплавах относительно невелико (0,05-0,2 %).
Он соединяется с карбидообразующими элементами — Ti, Ta, Hf Зернограничная
‘-фаза. Эта фаза образуется в виде плёнки по границам зёрен в процессе термической обработки. Бориды Выделяются по границам зёрен в виде редких частиц Фазы т. п. у. (топологически плотно упакованные фазы) имеют пластинчатую
- Пример: фазы
и фаза Лавеса. Эти фазы приводят к охрупчиванию материала и являются нежелательными.
2.3. Термическая обработка
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.
3. Жаропрочность
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.
3.1. Длительная прочность
Никелевые жаропрочные сплавы используются при температурах 760—980 °C. Литые жаропрочные сплавы имеют высокоую 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
|
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 |
4. Сплавы на основе кобальта
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 протезирование 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.
4.1. Особенности жаропрочных сплавов на кобальтовой основе
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.
5. Монокристаллические жаропрочные сплавы
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[8]
|
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
|
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 |
— |
6. Диффузионные покрытия
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.
6.1. Процесс пакетной цементации
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.
6.2. Покрытие в газовой фазе
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.
7. Плазменные покрытия
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.
Примечания
^
1 2
Авиация. Энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994, с. 201 Luft.-Forschung, Bd 18(1941), N 8, S. 275—279 Pomp A., Krisch A.: Zur Frage der Dauerstandfestigkeit warmfester Staehle bei 600, 700 und 800 °C. Mitteilungen der KWI fuer Eisenforschung (Abhandl. 400), 1940 Report on Visit to Germany and Austria to investigate Alloys for Use at High Temperature. BIOS Final Report N 396, London, 1946 ^
1 2
Giamei A. F., Pearson D. D., Anton D. L. Materials Research Society Symposium Proc. 1985, v. 39, pp. 293-307 , , П. Авиационное материаловедение. — в кн.: Развитие авиационной науки и техники в СССР. Историко-технические очерки. М.: Наука, 1980, с. 332—334 http://www. msm. cam. ac. uk/phase-trans/2003/nickel. html — www. msm. cam. ac. uk/phase-trans/2003/nickel. html ^
1 2 3 4
Superalloys — www. msm. cam. ac. uk/phase-trans/2003/nickel. html
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/na-temu-jaroprochnyie-splavyi/
Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. — М.: «Металлургия», 1995. Строение и свойства авиационых материалов. — М.: «Металлургия», 1989. Лекции о суперсплавах на сайте университета Кембриджа — www. msm. cam. ac. uk/phase-trans/2003/nickel. html. Ф. Жаропрочные стали и сплавы. — М.: «Металлургия», 1969.
