Фото и видео

Новости (архив)


Контакты

contact@forca.ru

Содержание материала

Сплавы на никелевой основе


Рис. 1. Изменение температуры t, отвечающей пределу длительной прочности σ100=200 МПа, для сплавов на никелевой основе в зависимости от содержания титана и алюминия: 1 — сплавы, содержащие Ti и А1( 1); 2 —  сплавы, содержащие только А1(2)

В качестве материалов для деталей газовых турбин широко применяются сплавы на никелевой основе, упрочненные дисперсной интерметаллидной гамма — штрих (γ') фазой Ni3TiAl, выделяющейся в процессе технологического старения. При дополнительном легировании сплавов кобальтом упрочняющей фазой является (NiCo)3TiAl. Как гамма — штрих фаза (γ'), так и матричный твердый раствор никелевых сплавов (γ) имеют решетку гранецентрированного куба с весьма близкими параметрами решетки. В зависимости от количества гамма штрих фазы (содержания Ti + Al) и характера легирования твердого раствора сплавы на никелевой основе обладают различной жаропрочностью (см. рис. 1) и сопротивлением термической усталости.
Повышение жаропрочности сплавов системы Ni—Сr—Ti—А1 достигается при их легировании молибденом. Положительное влияние на длительную прочность оказывают также добавки бора, щелочноземельных и редкоземельных элементов.
В связи с уменьшением растворимости Ti и А1 в твердом растворе при понижении температуры в процессе технологической термической обработки не удается сплавы переводить в стабильное состояние полностью. Поэтому длительная эксплуатация при пониженных по сравнению с температурой отпуска температурах приводит к дополнительным выделениям гамма штрих фазы; эксплуатация же при температурах, превышающих температуру отпуска, вызывает растворение некоторого количества дисперсной фазы.
В ГОСТ 23705-79 приведены химический состав, области применения, характеристики длительной прочности, значения коэффициентов линейного расширения и теплопроводности отечественных деформированных сплавов на никелевой основе. В связи с тем, что некоторые сплавы не обладают структурной стабильностью и их свойства резко меняются в процессе эксплуатации, то, согласно указанному ГОСТу они применяются для ограниченных сроков службы.
Наиболее распространенными деформируемыми отечественными жаропрочными сплавами, применяемыми для лопаток газовых турбин, являются сплавы марок ЭИ607, ЭИ765, ЭИ893, ЭИ929.
К числу литых отечественных жаропрочных сплавов, из которых изготавливают лопатки стационарных ГТУ, относятся: ЭИ893Л, ЧС70, ЦНК7, ЗМИ3, ЭП539ЛМУ, а для авиационных ГТУ: ЖС6К, ЖС26, ЖС32, ЖС6У, ВЖЛ12У, ЖС6Ф, ЖС36, ЖС40. Для повышения пластичности применяют литые сплавы со столбчатой и монокристаллической структурами, полученными методом направленной кристаллизации металла отливок. Из сплавов ЖС32, ЖС36, ЖС40 изготавливают монокристаллические лопатки.
За рубежом наибольшее распространение для изготовления турбинных лопаток получили литые сплавы обычной и направленной кристаллизации инконель 738 (IN738 LC), GTD111, IN792, а также монокристаллические сплавы CMSX4, PWA1484, SRR99.
Все эти сплавы отличаются содержанием Cr, Со, W, Mo, Nb, Hf, Ti, Al, C, Y, V, Ta, Re, характеристиками жаропрочности и жаростойкости.
Для изготовления монокристаллических лопаток используются две промышленные технологии их получения:

  1. Технология, разработанная фирмой Pratt—Whitney основана на росте столбчатых зерен, при котором монокристаллическая структура лопатки формируется от одного столбчатого зерна ориентации [001], выбранного из множества зародившихся на холодильнике зерен с помощью кристаллоотборника специальной конструкции.
  2. Технология, разработанная в России в ВИАМ, основана на том, что монокристальная структура передается к телу лопатки от специально подготовленной затравки практически любой требуемой аксиальной ориентации. Азимутальная ориентация при этом может быть задана в пределах, допустимыми законами кристаллографии.

Особенностью сплавов на никелевой основе являются их сравнительно низкая коррозионная стойкость в контакте с продуктами сгорания сернистых сортов топлива, возможность охрупчивания при длительной эксплуатации, наличие различных металлургических дефектов в отливках. Для резкого уменьшения пористости литых сплавов с равноосной структурой используют газостатическое прессование заготовок.
Для дисков ГТУ с различными сроками службы наибольшее применение в России получили следующие деформируемые жаропрочные сплавы на никелевой основе: ЭИ607А, ЭИ765, ЭИ437Б, ЭИ698, ЭП742, ЭП741. В последние годы широкое применение для изготовления дисков из материалов с высокой жаропрочностью получил метод горячего прессования (ГИП) из порошков. Этим методом изготовляют диски из сплавов ЭИ741П, ЭИ698П, IN100, Astralloy и др. Перспективными материалами являются разработанные в последние годы сплавы для дисков марок ЭК79, ЭК151, ЭК152, ЭП975, свойства которых приведены в табл. 1.

Таблица 1
Свойства новых сплавов для турбинных дисков


Сплав

Температура, °C

σ100, МПа

Малоцикловая усталость, σа при 1000 циклов, МПа

ЭК79

650
750

900
600

940

ЭК151

650
750

1030
650

1150

ЭК152

650
750

1050
830

1200

ЭП975

750
975

750
190

1000

Сплавы на никелевой основе, применяемые для камер сгорания и корпусных деталей газовых турбин, содержат повышенное содержание хрома (ЭИ435-ХН78Т, ЭИ868-ХН60ВТ, ВЖ85 — ХН70В, ЭП99-ХН50МВКТЮР, ЭИ602-ХН75МБТЮ, ЭИ559- ХН60Ю, ЭИ652-ХН70Ю), обеспечивающее повышенную жаростойкость в воздушной атмосфере. Эти сплавы являются достаточно пластичными для холодной деформации и имеют сравнительно невысокие длительную прочность и кратковременные механические свойства после технологической термической обработки. Однако они обеспечивают существенно более высокую работоспособность деталей по сравнению с аустенитными сталями. В большинстве из этих сплавов содержатся лишь небольшие количества элементов, образующих “гамма — штрих” фазу. Наибольшее распространение для изготовления статорных деталей в транспортных и стационарных ГТУ получил сплав ЭИ868 с 16 % W. Жаровые трубы из этого материала успешно эксплуатируются в течение 50000 часов и более.
Различные марки сплавов нимоник, инконель, рене и др. являются зарубежными жаропрочными и жаростойкими никелевыми сплавами.

Титановые сплавы

Титан и его сплавы имеют две аллотропические модификации: α-низкотемпературную с плотноупакованной гексагональной решеткой и p-высокотемпературную с кубической объемно-центрированной решеткой.
Для чистого титана температура перехода α↔β равна 882 °C. Как и в сталях у титановых сплавов превращения высокотемпературной модификации в низкотемпературную происходят диффузионным и бездиффузионным (с образованием мартенсита) путями. Легирующие элементы (Та, Nb, W, V, Мо,Сr, Мn и Fe) снижают температуру начала мартенситного превращения. Особенностью титана и его сплавов является пониженная, по сравнению со сталями и сплавами на никелевой основе, плотность (γ=4,5 г/см3).
Титановые сплавы применяются для корпусных деталей, дисков и лопаток компрессоров газовых турбин, а также для лопаток последних ступеней паровых турбин. Их химический состав регламентируется ОСТ 1.90013-71. Они имеют повышенную коррозионную стойкость, в том числе и в морской воде (морском тумане), и тот же уровень механических свойств, что и нержавеющие стали, используемые для того же назначения. Удельная же прочность титановых сплавов выше, чем у сталей. Титановые сплавы применяются в деформированном и литом состояниях для деталей и различных сварных узлов, работающих, в зависимости от состава и срока службы, при температурах 300—500 °C (см. табл. 2).
При термической обработке в воздушной атмосфере и при эксплуатации в условиях повышенных температур титановые сплавы взаимодействуют с кислородом, образуя твердые растворы. Кислород диффундирует от поверхности, образуя хрупкий альфированный слой. Проникающее окисление титановых сплавов является главным препятствием против повышения температуры эксплуатации даже в тех случаях, когда характеристики длительной прочности достаточны для обеспечения прочности деталей.

Таблица 2
Марки и прочность при 20 °C свариваемых титановых сплавов


Сплав

Тmах, °C

σв, МПа

Сплав

Тmах, °C

σв, МПа

ОТ4-0

300

450-650

ВТ6, ВТ6Л

400

900-1100

ОТ4-1

350

550-800

ВТ9

500

1050-1250

ОТ4

350

700-900

ВТ14, ВТ14Л

500

850-1100

ВТ4

400

850-1050

ВТ15

500

900-1350

ВТ5, ВТ5Л

400

700-950

ВТ20, ВТ20Л

500

900-1200

ВТ5-1

450

750-1000

ВТ21Л

500

более 1050

ВТ6С

450

800-1000

ВТ23

500

1100-1450

Отметим, что литые титановые сплавы существенно уступают деформированным по усталостной прочности и пластичности.
Применение для лопаток получили а и а+β титановые сплавы. У некоторых из них наблюдается склонность к коррозионному растрескиванию. Так например, значения длительной прочности σ1000, полученные на образцах из сплава ВТ3-1 в контакте с NaCl, равны значениям σ1000 на воздухе при температуре до 250 °C, а при 300, 350 и 400 °C меньше в 1,12 , 1,33 и 5,5 раз, соответственно. В связи с отрицательным влиянием хлоридов на прочность применять легированные сплавы титана при температурах выше 300 °C в этих условиях обычно не рекомендуется. В последние годы развитие получило направление по разработке титановых сплавов с интерметаллидным упрочнением.
Особенностью титановых сплавов является способность накапливать при низких температурах необратимые деформации при нагружении в условиях напряжений, меньших предела текучести — развитие процессов ползучести и релаксации напряжений.
Для деталей, работающих в морской воде, накладываются ограничения по химическому составу: А1 менее 5 %, О2 менее 0,1 %, молибден более 0,8—1 %. Цирконий и азот нежелательны.

На деталях из титановых сплавов при интенсивном шлифовании из-за пониженной теплопроводности могут образовываться прижоги, резко снижающие усталостную прочность. Отрицательное влияние на усталостную прочность оказывают также остаточные растягивающие напряжения в поверхностном слое. В связи с изложенным применение титановых сплавов для лопаток оказывается эффективным только при достаточно высокой культуре производства, обеспечивающей выполнение требований технологии. Наиболее распространенными в стационарном турбостроении являются высокопрочные сплавы ВТ5, ВТЗ-1 и ТС5, а для лопаток авиационных ГТД — ВТ6. ВТ8, ВТ9.

Кобальтовые сплавы

Литые и деформируемые кобальтовые жаропрочные сплавы применяются для направляющих лопаток турбин в США (сплавы FSX414, Х40, Х45, MAR-M-509 и др.) в связи с их высокой жаростойкостью, обусловленной повышенным содержанием хрома (20—30 %), а также тем, что при 1100° литые кобальтовые сплавы не уступают по жаропрочности литым сплавам на никелевой основе. Для рабочих лопаток эти сплавы, из-за пониженной по сравнению с никелевыми сплавами жаропрочности при рабочих температурах 800—1000 °C, обычно не применяются. Упрочнение кобальтовых сплавов осуществляется главным образом за счет карбидных фаз, в первую очередь — карбидов вольфрама. Большинство промышленных сплавов содержат, поэтому, от 0,25 до 0,85 % углерода, а также 10, а в ряде случаев 20 % никеля, что позволяет повысить их жаропрочность.

Композиционные материалы

Различают следующие виды композиционных материалов, предназначенных для работы при высоких температурах: волокнистые, слоистые, эвтектические и десперсионно-упрочненные. Армирование матрицы из сплавов на никелевой основе в настоящее время осуществляется практически только волокнами из вольфрамовой проволоки, которые способны длительно работать в контакте с матрицей, не теряя прочности. Для получения композиционных сплавов, упрочненных вольфрамом (40—70 объемных долей в процентах), используют метод вакуумной пропитки с последующим быстрым охлаждением. В качестве матрицы за рубежом опробовали сплавы нимокаст 258 и EPD-16, в России — сплав ЖС6К. При этом были получены характеристики механических свойств, приведенные в табл. 3.

Таблица 3
Свойства литых жаропрочных сплавов
Свойства литых жаропрочных сплавов

Из таблицы видно, что свойства композиционных материалов существенно выше полученных для металла матрицы. Внедрение этих материалов задерживается в связи с их высокой плотностью, необходимостью защиты от окисления при высоких температурах и недостаточностью сведений о конструктивной прочности деталей, из них изготовленных.
Особенностью композиционных материалов, упрочненных волокнами вольфрама, является их склонность к росту при термоциклировании. Установлена возможность влиять на склонность к формоизменению путем проведения термической обработки. Целый ряд характеристик этих материалов (коэффициент линейного расширения, теплопроводность и др.) подчиняется правилу смесей в тех случаях, когда внутренние напряжения не превышают предела текучести матрицы.
Что касается композиций с углеродными волокнами, то они, во-первых, обладают сравнительно невысокой прочностью, во- вторых, при температурах выше 1000 °C неприменимы из-за взаимодействия волокна с матрицей.
Практическое применение в настоящее время получил другой тип композиционных материалов — дисперсионно-упрочненных. Известны два таких сплава, изготовляемых промышленностью России: ВДУ-1 (N1 + 2,5 % ThO2) и ВДУ-2 (N1 + 2,5 % НЮ2). Оба сплава обладают высокой пластичностью и длительной прочностью σ1000 при 1100 °C (50—100 МПа) в зависимости от вида полуфабрикатов (лист, пруток), что в 1,5—2 раза выше, чем у сложнолегированного сплава ЖС6К. При умеренных температурах прочностные свойства этих сплавов находятся на довольно низком уровне (σ0,2 =120—200 МПа).
Одним из наиболее перспективных в газотурбостроении жаропрочных композиционных материалов являются эвтектические сплавы, которые фактически являются естественно-композиционными материалами. Одна из фаз этих сплавов, обычно достаточно пластичная, служит матрицей (Ni, Со), вторая — упрочняющей фазой (ТаС, NbC, Ni3Al, Ni3Nb, Сr7С3). Наиболее перспективными среди эвтектических сплавов в России считаются сплавы ВКЛС со структурой γ/γ'-МеС, в которых МеС — нитевидные кристаллы монокарбида ниобия или тантала. Известны также сплавы этого типа во Франции (СОТАС) и США (NITAC). Ориентированная композитная микроструктура в отливках из эвтектических сплавов формируется в процессе направленной кристаллизации при условии плоского фронта роста фаз, т. е. при отсутствии концентрационного переохлаждения расплава перед фронтом роста фазы, контролирующей кристаллизацию. Высокая длительная  и усталостная прочность этих сплавов позволяет их использовать для рабочих лопаток ГТУ с температурой металла 1100 °C.

Алюминий и его сплавы

Алюминий не имеет аллатропических модификаций. Алюминий и его сплавы обладают малой плотностью (примерно 2,7 г/см3), высокими коррозионной стойкостью, электро — и теплопроводностью. Эти их особенности, а также свариваемость многих алюминиевых сплавов и их хорошая обрабатываемость, в том числе методами холодной и горячей деформации (штамповка, прокатка, прессование, волочение), делают их незаменимым материалом не только для авиационных конструкций, но и для ряда деталей энергомашиностроения, как например, для обшивки, щитов манометров, корпусов регуляторов нагрузки, лопаток опытных компрессоров, лопастей винта и др. Все деформируемые алюминиевые сплавы разделяются на упрочняемые и на неупрочняемые термической обработкой — старением. Многие из них упрочняются нагартовкой. В зависимости от легирования известны несколько групп алюминиевых деформируемых сплавов:
технический алюминий АДО и АД1;
сплавы АМц и АМц1 — система А1—Мn;
сплавы Д1, Д16, Д19, В65 — система Al—Сu—Mg;
сплавы В95, В93, В96Ц1 — система Al—Zn—Mg—Сu (к этой же системе относится самый прочный алюминиевый сплав — порошковый сплав П90),
сплавы АМг6, АМг5, АМг3 — система Al—Mg;
сплавы Д20, Д21, 1201 — система А1—Сu—Мn;
сплавы АК6 и АК8 — система Al—Mg—Si—Сu;
сплав АК4-1 система Al—Сu—Mg—Fe—Ni;
сплавы АД31, АД33, АД35, АВ — система Al—Mg—Si;
сплав 01420 — система Al—Mg—Li,
сплавы АБМ1, АБм3 — система Al—Be.
Процесс упрочнения сплавов А1 с Сu при термической обработке связан с различной растворимостью соединения Сu2А1 в А1 при разных температурах: выделение фазы Сu2А1 приводит к повышению твердости и прочности. Если процесс старения происходит при комнатной температуре, он называется естественным старением. Если при повышении температуры до 120—140 °C —  искусственным старением. К сплавам упрочняющимся в первую очередь относится дюралюминий. В процессе закалки, в отличие от сталей, происходит разупрочнение алюминиевых сплавов, т. к. при этом фиксируется пересыщенный твердый раствор. Сплавы без Си, например, систем Al—Мn, Al—Mg не упрочняются с помощью термической обработки и обладают высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.
Таблица 4
Механические свойства алюминиевых сплавов


Сплав

Состояние

Предел прочности, МПа

Удлинение, %

АМц

М

130

23

П

160

10

Н

220

5

Д1

после старения

490

14

В96

после старения

600

8

  Однако их свойства в отожженном состоянии (М), после небольшого наклепа (П) и после сильного наклепа (Н) существенно отличаются. В зависимости от состава и режима термической обработки алюминиевые сплавы имеют существенно отличающиеся механические свойства (см. например, табл. 4).
Наилучшие литейные свойства имеют сплавы алюминия, легированные кремнием — силумины. Химический состав силуминов регламентируется ГОСТ 2685-75. Из этих сплавов получают плотные отливки. Механические свойства литых сплавов существенно различаются в связи с разным легированием, методом литья (в землю или в кокиль) и режимом термической обработки: сплав пониженной прочности АЛ2 (предел прочности 160—190 МПа); сплавы средней прочности АЛ4, АЛ9, АЛ32(ств=160-230 МПа); сплавы повышенной прочности АЛ9-1, АЛ34Б, АЛ4М (σв=210-340 МПа).
Известен также ряд высоколегированных литейных сплавов —  так называемых высокопрочных и жаропрочных (ВАЛ8, ВАЛ10, ВАЛ14 и др.) с σв=300—400 МПа. Их применение возможно в диапазоне температур до 350 °C, в то время как обычно алюминиевые сплавы используют до 150-200 °C. Жаропрочными является и ряд деформируемых алюминиевых сплавов, таких как АК2 и АК4 с σв=400—430 МПа. Их пластичность, как правило, выше, чем у литейных сплавов.
Дальнейшего повышения рабочих температур (до 500 °C) удается получить при использовании спеченных сплавов алюминия, упрочненных окисью алюминия А12О3 — сплавы САП-1, САП-2 , САП-3. Из них изготавливают противопожарные перегородки, противооблединительные системы, кожуха выхлопных труб авиационных двигателей.
На основе алюминия изготавливают также заготовки из порошковых сплавов (ВКА-1, ВКА-2, ВКУ-1, ВКМ-1) и композиционные материалы.