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

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

В авиационных двигателях широкое применение нашли жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы. В качестве жаростойких применяют сплавы ХН60ВТ (ВЖ98, ЭИ868), ХН50ВМТЮБ (ЭП648), ХН68ВМТЮК (ЭП693), ХН56ВМТЮ (ЭП199) и др.

Термическая обработка сплавов в значительной мере определяется выбранной системой легирования. Так, например, сплав ХН60ВТ имеет низкую концентрацию g¢-образующих элементов, поэтому не содержит в своей структуре g¢-фазу, отличается повышенной пластичностью и не требует термической обработки после сварки. Структура сплава состоит из никелевого g-твёрдого раствора, в котором содержится небольшое количество частиц a-W и карбидной фазы Ni3W3C и Cr23C6. однако другие сплавы, у которых повышение жаропрочности обеспечивается путём упрочнения g-твёрдого раствора и выделения дисперсных частиц упрочняющей g¢-фазы (сплавы ХН50ВМТЮБ, ХН68ВМТЮК, ХН56ВМТЮ), подвергаются упрочнению при термической обработке, состоящей из закалки и старения.

Температура закалки выбирается из условия получения однородного твёрдого раствора. Так, например, сплав ХН50ВМТЮБ подвергают закалке на воздухе от температуры 1140°С и последующему старению при температуре 900°С в течение 5 ч, а сплав ХН68ВМТЮК закаливают от температуры 1100°С с последующим старением при температуре 900°С в течение 5 ч. При старении из пересыщенного твёрдого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющей g¢-фазы и сплавы упрочняются.

Наличие g¢-фазы повышает жаропрочность и одновременно сообщает сплавам склонность к образованию горячих трещин при сварке и термической обработке, необходимость в термической обработке деталей после сварки или подварки технологических, а также эксплуатационных дефектов.

Свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток и дисков газовых турбин определяются термической стабильностью структуры, размерами, формой и количеством упрочняющей g¢-фазы, прочностными характеристиками g-твёрдого раствора, оптимальным соотношением параметров кристаллических решёток g- и g¢-фаз, распределением карбидной фазы и другими факторами. Обычно жаропрочные сплавы упрочняются путём целенаправленного многокомпонентного легирования. Суть многокомпонентного легирования состоит в обеспечении жаропрочности путём совершенствования гетерофазного строения, включающего контролируемое выделение частиц упрочняющей g¢-фазы, обеспечении её термической стабильности, целенаправленном изменении морфологии, параметров кристаллических решёток g- и g¢-фаз, их влияния на дислокационную структуру сплавов, а также на протекание диффузионных процессов.

Основные требования к материалам для лопаток турбин обусловлены самим развитием конструкции двигателей, непрерывным повышением жаропрочности, пластичности, сопротивления термической и малоцикловой усталости, стойкости к воздействию газовой среды. Материалы для лопаток турбин современных двигателей должны обладать высокой сопротивляемостью разрушению при термической и малоцикловой усталости, которая является в настоящее время основным видом разрушения. Опасность разрушения усугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границы зёрен.

Для изготовления лопаток турбин исползуют деформируемые и литейные сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностями обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легирование ведёт к практически полной потере их технологической пластичности при деформации. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейным сплавам, новым направленно кристализованным и монокристализованным сплавам, которые широко применяются в современных высокотемпературных двигателях. Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легирования обеспечило существенное увеличение рабочей температуры сплавов, причём и направленные и монокристаллические сплавы группы ЖС стали более пластичными. Предельные рабочие температуры нагрева деформируемых сплавов не превышают 1000°С.

Широкое распространение нашли деформируемые сплавы ЭП109, ЭП220, ЖС6КП и литейные ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30, ЖС26, ЖС32 и др.

Термическая обработка сплавов состоит из закалки и старения. Закалка производится при температурах 1220-1280°С в течение 3-5 ч. Отливки деталей получают методом точного литья по выплавляемым моделям и закаливают в вакууме. Упрочняющая g¢-фаза выделяется в основном в процессе охлаждения. В процессе старения при температуре 950°С в течение 2 ч происходит дополнительное незначительное выделение частиц g¢-фазы и упрочнение сплавов.

Окончательная структура сплавов состоит из легированного твёрдого раствора на никелевой основе, g¢-фазы и карбидов. Макроструктура сплава ЖС6ФНК содержит поперечных границ зёрен, а сами зёрна обычно ориентированы по длине лопатки в направлении ребра гранецентрированной решётки.

Сплавы обладают высокими механическими свойствами.

Деформируемые сплавы ЭП109 и ЖС6КП применяются при температурах на металле не более 950°С, а сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеют более высокие допустимые значения температур в эксплуатации, соответственно 1000°С для ЖС6У и ВЖЛ12У и до 1050°С для ЖС6ФНК. Отсутствие поперечных границ зёрен, более низкий модуль упругости и более высокая пластичность сообщают сплаву ЖС6ФНК повышенную долговечность при воздействии высоких температур и циклических термомеханических нагрузок. Температурные ограничения применения жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловлены растворением, быстрой коагуляцией упрочняющей g¢-фазы и падением жаропрочности при перегревах деталей в процессе эксплуатации.

Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистую структуру, которая обеспечивает их более высокое сопротивление усталости, тогда как литейные сплавы с равноосной структурой имеют более высокую жаропрочность.

Введение гафния в сплав ЖС6ФНК усиливает карбидную ликвацию, способствует способствует образованию в поверхностном слое карбидов Ме6С, обладающих низкой 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, танталом и небольшой концентрацией хрома обеспечивает сплаву высокую жаростойкость.