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

Страница 2

Сплавы ЖС26 и ЖС32 с направленной и монокристаллической структурой обладают более высокой термической стабильностью, термостойкостью. Для обеспечения однородности состава и структуры по объёму отливки лопаток подвергаются нагреву при закалке в вакууме до более высоких, чем равноосные сплавы, температур. В процессе нагрева и высокотемпературной выдержки происходит растворение g¢-фазы и карбидов МеС, Ме23С6, Ме6С в твёрдом растворе на никелевой основе. При охлаждении происходит выделение упрочняющей g¢-фазы, которая обеспечивает сплавам высокие механические свойства.

Для деталей из литейных никелевых сплавов широко используется гомогенизация. При гомогенизации происходит уменьшение степени ликвации и стабилизация структуры сплавов. Гомогенизация способствует увеличению объёмного содержания дисперсных частиц упрочняющей g¢-фазы. Во время высокотемпературной выдержки растворяются грубые выделения g¢-фазы, образовавшиеся при кристаллизации. Следует, однако, отметить, что оптимизация режимов термической обработки для достижения оптимальной формы, размеров и распределения частиц упрочняющей g¢-фазы не всегда сопровождается улучшением механических свойств. Так, например, образование частиц карбидов Ме6С неблагоприятной пластинчатой формы в процессе гомогенизации и последующего охлаждения сплава ЖС6У практически сводит на нет эффект улучшения свойств путём управления структурой g¢-фазы, и в итоге после гомогенизации при температуре 1210°С длительная прочность остаётся на прежнем уровне.

Неоднородная структура сплавов образуется также и в случае недогрева до температуры полного растворения упрочняющей g¢-фазы в сплавах. Образующиеся скоагулированные частицы g¢-фазы снижают характеристики прочности и пластичности.

Однако гомогенизирующая термическая обработка деталей из сплавов направленной кристаллизации сопровождается улучшением механических свойств, поскольку упрочняющая фаза после направленной кристаллизации имеет неправильную форму и значительно укрупнена. При скорости кристаллизации 4 мм/мин размеры g¢-фазы достигают 1 мкм, тогда как после термической обработки - 0,5-0,6 мкм, причем выделения становятся однородными и равномерно распределенными по объёму. Частицы g¢-фазы существенно меньше вырастают в процессе высокоскоростной направленной кристаллизации, они даже меньше, чем у направленно кристаллизованных и затем термообработанных сплавов.

При равноосной кристаллизации скорость охлаждения сплавов почти такая же, как и при термической обработке в вакууме, поэтому частицы g'-фазы, выделившиеся во время кристаллизации, мало отличаются по размерам от частиц, выделяющихся в процессе охлаждения при термической обработке, и дальнейшего измельчения частиц не происходит.

Термическая обработка стабилизирует структуру сплавов, увеличивает объёмное содержание g'-фазы, уменьшает степень её неоднородности по химическому составу и по размерам, снижает уровень ликвации, что в итоге приводит к существенному повышению характеристик долговечности лопаток турбин.

Особое значение приобретает термическая обработка лопаток турбин при ремонте, когда требуется восстановить начальную структуру и свойства сплавов, претерпевших существенные изменения в процессе эксплуатации при длительном воздействии на детали термомеханических нагрузок. Своевременное восстановление тонкой структуры сплавов при ремонте обеспечивает двух-трёхкратное увеличение их ресурса.

Направленная кристаллизация сообщает сплавам повышение предела выносливости, длительной прочности и пластичности.

Марка сплава	ЖС6К	ЖС6У	ЖС6Ф	ЖС6К-НК	ЖС6У-НК	ЖС6Ф-НК
s-1900	250	290	260	260	310	350
s1001000	160	170	180	175	185	190
d20	5	6	6	6	8	9

Развитие направленной кристаллизации обеспечило решение задачи получения эвтектик с ориентированной структурой, представляющих собой естественные композиционные жаропрочные сплавы. Температурный уровень их работы существенно выше, чем у сплавов с равноосной и направленной структурами. При высоких температурах основным упрочнителем жаропрочных композиционных сплавов системы g/g¢-МеС являются волокна МеС, которые обладают высокой температурной стабильностью.

Весьма перспективными являются керамические материалы на основе Si3N4, SiC, окисленных эвтектик, которые позволяют обеспечить работу лопаток турбин высокотемпературных двигателей при рабочих температурах до 1550-2200°С.

Рассмотрим некоторые марки сплавов, применяемых для изготовления дисков турбин.

Диски последних ступеней компрессоров и диски турбин авиадвигателей подвержены высоким нагрузкам и неравномерному нагреву. Так, например, обод нагревается до 550-800°С, а ступица дисков турбин нагревается до 300-500°С. диски содержат большое количество концентраторов напряжений, поэтому материалы 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 g¢-фазы, контролем за выделением карбидов и g¢-фазы по границам зёрен, исключением охрупчивающих фаз и очисткой сплавов от вредных примесей.

Дисковые сплавы на основе никеля представляют собой сложнолегированные композиции, трудно поддающиеся деформированию. В них недопустимы охрупчивающие фазы типа s, m, c и другие, не должно быть крупных выделений карбидов, зональных ликвационных неоднородностей.

В современных отечественных авиадвигателях применяются сплавы для дисков, не уступающие по свойствам лучшим зарубежным дисковым сплавам, а по длительной 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 применяются деформируемые сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437БУ), ХН73МБТЮ (ЭИ698), ХН62БМКТЮ (ЭП742), ЭП741 и др.

Химический состав сплавов

Марка материала	Ni	C	Cr	Co	Mo	Y	Nb	Al	Ti	Sg¢, %
ХН77ТЮР (ЭИ437БУ)	Основа	0,07	21	-	-	-	-	0,8	2,7	10
ХН73МБТЮ (ЭИ698)	Основа	0,08	15	-	3	2	2	1,5	2,5	22
ХН62БМКТЮ (ЭП742)	Основа	0,08	14	10	5	-	2	2,6	2,6	32