Цветные сплавы, применяемые в энергомашиностроении

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

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

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

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

  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.