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

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Реферат по дисциплине

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» на тему:

«Жаростойкиеи жаропрочные никелевые сплавы, применяемые в авиационных двигателях, и ихтермическая обработка»

2001 год

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

Термическая обработка сплавов в значительной мереопределяется выбранной системой легирования. Так, например, сплав ХН60ВТ имеетнизкую концентрацию g¢-образующих элементов, поэтому не содержит в своей структуреg¢-фазу, отличается повышенной пластичностью и нетребует термической обработки после сварки. Структура сплава состоит изникелевого g-твёрдого раствора, в котором содержится небольшоеколичество частиц a-W и карбидной фазы Ni3W3C и Cr23C6. однако другие сплавы, у которых повышениежаропрочности обеспечивается путём упрочнения g-твёрдогораствора и выделения дисперсных частиц упрочняющей g¢-фазы(сплавы ХН50ВМТЮБ, ХН68ВМТЮК, ХН56ВМТЮ), подвергаются упрочнению притермической обработке, состоящей из закалки и старения.

Температура закалки выбирается из условия полученияоднородного твёрдого раствора. Так, например, сплав ХН50ВМТЮБ подвергаютзакалке на воздухе от температуры 1140°С и последующемустарению при температуре 900°С в течение 5 ч, а сплав ХН68ВМТЮКзакаливают от температуры 1100°С с последующим старением притемпературе 900°С в течение 5 ч. При старении из пересыщенноготвёрдого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющей g¢-фазы исплавы упрочняются.

Наличиеg¢-фазыповышает жаропрочность и одновременно сообщает сплавам склонность к образованиюгорячих трещин при сварке и термической обработке, необходимость в термическойобработке деталей после сварки или подварки технологических, а такжеэксплуатационных дефектов.

Свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток идисков газовых турбин определяются термической стабильностью структуры,размерами, формой и количеством упрочняющей g¢-фазы, прочностными характеристиками g-твёрдого раствора, оптимальным соотношением параметров кристаллическихрешёток g- и g¢-фаз, распределением карбидной фазы и другимифакторами. Обычно жаропрочные сплавы упрочняются путём целенаправленногомногокомпонентного легирования. Суть многокомпонентного легирования состоит вобеспечении 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, ихвлияния на дислокационную структуру сплавов, а также на протекание диффузионныхпроцессов.

Основные требования кматериалам для лопаток турбин обусловлены самим развитием конструкциидвигателей, непрерывным повышением жаропрочности, пластичности, сопротивлениятермической и малоцикловой усталости, стойкости к воздействию газовой среды.Материалы для лопаток турбин современных двигателей должны обладать высокойсопротивляемостью разрушению при термической и малоцикловой усталости, котораяявляется в настоящее время основным видом разрушения. Опасность разрушенияусугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией,разупрочнением границы зёрен.

Для изготовления лопаток турбин исползуютдеформируемые и литейные сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченнымивозможностями обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее ихлегирование ведёт к практически полной потере их технологической пластичностипри деформации. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейнымсплавам, новым направленно кристализованным и монокристализованным сплавам,которые широко применяются в современных высокотемпературных двигателях.Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легирования обеспечилосущественное увеличение рабочей температуры сплавов, причём и направленные имонокристаллические сплавы группы ЖС стали более пластичными. Предельныерабочие температуры нагрева деформируемых сплавов не превышают 1000°С.

Широкое распространение нашли деформируемые сплавыЭП109, ЭП220, ЖС6КП и литейные ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30, ЖС26, ЖС32 и др.

Термическая обработка сплавов состоит из закалки истарения. Закалка производится при температурах 1220-1280°С в течение 3-5 ч. Отливки деталей получают методом точного литья повыплавляемым моделям и закаливают в вакууме. Упрочняющая g¢-фазавыделяется в основном в процессе охлаждения. В процессе старения притемпературе 950°С в течение 2 ч происходит дополнительноенезначительное выделение частиц g¢-фазы и упрочнение сплавов.

Окончательная структура сплавов состоит излегированного твёрдого раствора на никелевой основе, g¢-фазы икарбидов. Макроструктура сплава ЖС6ФНК содержит поперечных границ зёрен, а самизёрна обычно ориентированы по длине лопатки в направлении ребрагранецентрированной решётки.

Сплавы обладают высокими механическими свойствами.

Марка материала Термическая обработка Механические свойства

sВ900, МПа

s1001000, МПа

s100900, МПа

d, % ЭП109 Закалка с 1220°С 5 ч                             и старение при 950°С 2 ч 650 150 270 6 ЖС6КП Закалка с 1220°С 4 ч                            и старение при 900°С 16 ч 770 160 270 6 ЖС6У Закалка с 1230°С 3 ч                           и старение при 950°С 2 ч 800 165 330 5 ВЖЛ12У »  » 780 150 320 5 ЖС6Ф-НК »  » 850 180 450 12 ЖС26 (ВСНК) Закалка с 1260°С 4 ч 880 200 410 8 ЖСЗ2 (монокр) Закалка с 1280°С 4 ч 960 250 475 18

Деформируемые сплавыЭП109 и ЖС6КП применяются при температурах на металле не более 950°С, а сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеютболее высокие допустимые значения температур в эксплуатации, соответственно1000°С для ЖС6У и ВЖЛ12У и до 1050°С для ЖС6ФНК. Отсутствие поперечных границзёрен, более низкий модуль упругости и более высокая пластичность сообщаютсплаву ЖС6ФНК повышенную долговечность при воздействии высоких температур ициклических термомеханических нагрузок. Температурные ограничения примененияжаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловлены растворением,быстрой коагуляцией упрочняющей g¢-фазы и падением жаропрочности приперегревах деталей в процессе эксплуатации.

Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистуюструктуру, которая обеспечивает их более высокое сопротивление усталости, тогдакак 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, обладающихнизкой жаростойкостью и не покрывающихся при диффузионном алитировании. Наличиеванадия и титана в сплаве ЖС26 значительно снижает жаростойкость. Сплав ЖС32 несодержит титана и ванадия, а легирование алюминием, танталом и небольшойконцентрацией хрома обеспечивает сплаву высокую жаростойкость.

Сплавы ЖС26 и ЖС32 с направленной имонокристаллической структурой обладают более высокой термическойстабильностью, термостойкостью. Для обеспечения однородности состава иструктуры по объёму отливки лопаток подвергаются нагреву при закалке в вакуумедо более высоких, чем равноосные сплавы, температур. В процессе нагрева ивысокотемпературной выдержки происходит растворение g¢-фазы икарбидов МеС, Ме23С6, Ме6С в твёрдом растворе на никелевой основе. Приохлаждении происходит выделение упрочняющей g¢-фазы, которая обеспечивает сплавам высокиемеханические свойства.

Для деталей из литейных никелевых сплавов широкоиспользуется гомогенизация. При гомогенизации происходит уменьшение степениликвации и стабилизация структуры сплавов. Гомогенизация способствуетувеличению объёмного содержания дисперсных частиц упрочняющей g¢-фазы.Во время высокотемпературной выдержки растворяются грубые выделения g¢-фазы,образовавшиеся при кристаллизации. Следует, однако, отметить, что оптимизациярежимов термической обработки для достижения оптимальной формы, размеров ираспределения частиц упрочняющей g¢-фазы не всегда сопровождается улучшением механическихсвойств. Так, например, образование частиц карбидов Ме6Снеблагоприятной пластинчатой формы в процессе гомогенизации и последующегоохлаждения сплава ЖС6У практически сводит на нет эффект улучшения свойств путёмуправления структурой g¢-фазы, и в итоге после гомогенизации при температуре1210°С длительная прочность остаётся на прежнем уровне.

Неоднородная структура сплавов образуется также и вслучае недогрева до температуры полного растворения упрочняющей g¢-фазы всплавах. Образующиеся скоагулированные частицы g¢-фазы снижаютхарактеристики прочности и пластичности.

Однако гомогенизирующая термическая обработка деталейиз сплавов направленной кристаллизации сопровождается улучшением механическихсвойств, поскольку упрочняющая фаза после направленной кристаллизации имеетнеправильную форму и значительно укрупнена. При скорости кристаллизации 4мм/мин размеры g¢-фазы достигают 1 мкм, тогда как после термическойобработки — 0,5-0,6 мкм, причем выделения становятся однородными и равномернораспределенными по объёму. Частицы g¢-фазы существенно меньше вырастают в процессевысокоскоростной направленной кристаллизации, они даже меньше, чем унаправленно кристаллизованных и затем термообработанных сплавов.

При равноосной кристаллизации скорость охлаждениясплавов почти такая же, как и при термической обработке в вакууме, поэтомучастицы g'-фазы, выделившиеся во время кристаллизации, малоотличаются по размерам от частиц, выделяющихся в процессе охлаждения притермической обработке, и дальнейшего измельчения частиц не происходит.

Термическая обработка стабилизирует структуру сплавов,увеличивает объёмное содержание g'-фазы, уменьшаетстепень её неоднородности по химическому составу и по размерам, снижает уровеньликвации, что в итоге приводит к существенному повышению характеристикдолговечности лопаток турбин.

Особое значение приобретает термическая обработкалопаток турбин при ремонте, когда требуется восстановить начальную структуру исвойства сплавов, претерпевших существенные изменения в процессе эксплуатациипри длительном воздействии на детали термомеханических нагрузок. Своевременноевосстановление тонкой структуры сплавов при ремонте обеспечиваетдвух-трёхкратное увеличение их ресурса.

Направленная кристаллизация сообщает сплавам повышениепредела 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 направленнойкристаллизации обеспечило решение задачи получения эвтектик с ориентированнойструктурой, представляющих собой естественные композиционные жаропрочныесплавы. Температурный уровень их работы существенно выше, чем у сплавов сравноосной и направленной структурами. При высоких температурах основным упрочнителемжаропрочных композиционных сплавов системы g/g¢-МеСявляются волокна МеС, которые обладают высокой температурной стабильностью.

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

Рассмотрим некоторые марки сплавов, применяемых дляизготовления дисков турбин.

Диски последних ступеней компрессоров и диски турбинавиадвигателей подвержены высоким нагрузкам и неравномерному нагреву. Так,например, обод нагревается до 550-800°С, а ступица дисковтурбин нагревается до 300-500°С. диски содержат большоеколичество концентраторов напряжений, поэтому материалы для дисков турбиндолжны иметь следующие свойства:

1.        Высокую прочность и жаропрочностьво всём диапазоне рабочих температур.

2.        Низкую чувствительность кконцентрации напряжений.

3.        Высокую пластичность придлительном и кратковременном нагружении.

4.        Высокое сопротивление малоцикловойусталости.

5.        Стабильность структуры и фазовогосостава сплава.

6.        Хорошую технологичность.

Выполнение этих требований достигается упрочнениемтвёрдого раствора, увеличением объёмног содержания g¢-фазы,контролем за выделением карбидов и g¢-фазы по границам зёрен, исключением охрупчивающих фази очисткой сплавов от вредных примесей.

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

В современных отечественных авиадвигателях применяютсясплавы для дисков, не уступающие по свойствам лучшим зарубежным дисковымсплавам, а по длительной прочности превосходящие их.

В дисковых сплавах применяется принципмногокомпонентного легирования, развитый при разработке жаропрочных сплавов длялопаток турбин.

В настоящее время для изготовления дисков турбинприменяются деформируемые сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437БУ), ХН73МБТЮ (ЭИ698), ХН62БМКТЮ(ЭП742), ЭП741 и др.

Химический состав сплавовМарка 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

Штамповка дотермической обработки сообщает дискам текстуру деформации, которая связана сдендритным характером кристаллизации слитков и неодинаковой пластическойдеформацией различных участков заготовок дисков. Увеличение количества g'-фазы усиливает текстуру деформации дисков,ухудшает технологичность. Современные сплавы для дисков содержат до 60%упрочняющей g¢-фазы. При высоком содержании g¢-фазы усиливаетсянеоднородность её распределения, возникает глубокая разнозернистость. Поэтомуперед закалкой проводят отжиг при температурах 900-1100°С для повышения однородности зёрен.

Для получения оптимальной структуры и необходимыхсвойств диски подвергаются закалке и старению.

Марка стали Термическая обработка Механические свойства

Tэксп, °С

s100750, МПа

d, %

KCU, МДж/м2

ХН77ТЮР (ЭИ437БУ) Закалка с 1080°С, 8 ч на воздухе. Старение при 750°С, 16 ч. 350 15 0,5 700 ХН73МБТЮ (ЭИ698) Первая закалка с 1120°С, 2 ч на воздухе. Вторая закалка с 1000°С, 3 ч на воздухе. Старение при 800°С, 8 ч. 420 17 0,5 750 ХН62БМКТЮ (ЭП742) Первая закалка с 1150°С, 8 ч на воздухе. Вторая закалка с 1050°С, 4 ч на воздухе. Старение при 850°С, 8 ч. 520 20 0,5 800 ЭП975 Закалка с 1200°С, 8 ч на воздухе. Старение при 900°С, 8 ч. 750 14 0,45 850

Более высокая жаропрочность сплавов  ЭП742 и ЭП975обусловлена снижением содержания хрома до 8-10% и введением вольфрама,молибдена, кобальта, увеличением количества g¢-фазы до 60%. В сплаве ЭП975 суммарное содержание (W+Mo)=10-12%,а (Al+Ti)=7,5%. При увеличении суммарного содержания g¢-фазы до60% в структуре появляется неравновесная (g-g¢)-эвтектика,поэтому нагрев при закалке производится ступенчато, чтобы избежать оплавленияэвтектики. Охлаждение дисков при закалке проводят в масле или сжатым воздухом.

Двойную закалку применяют для улучшения вязкости ипластичности сплавов. При первой закалке обеспечивается достаточно полноерастворение упрочняющих фаз, гомогенизация сплава. При нагреве под повторнуюзакалку по границам зерен выделяются и коагулируют частицы карбидов, происходитчастичный распад пересыщенного твердого раствора с образование достаточнокрупных частиц g¢-фазы. Карбиды выделяющиеся при 1000-1050°С, равномерно распределяются по объёму. При отсутствии второй закалкиоднократная закалка со старением приводит к образованию по границам зеренсплошной карбидной сетки, которая снижает пластичность.

При старении происходит дополнительное выделениечастиц g¢-фазы и упрочнение сплавов. Наличие небольшогоколичества сравнительно крупных сферических частиц g¢-фазы,сформированных во время нагрева под вторую закалку, и мелкодисперсных выделенийчастиц g¢-фазы, выделевшихся при старении, обеспечиваетмаксимальную долговечность дисков из сплавов ЭИ698 и ЭП742.

Окончательная структура сплавов состоит из g-твердого раствора, g¢-фазы и карбидов.

Существенное расширение возможностей дальнейшеголегирования сплавов для дисков обеспечивает использование металлургии гранул,когда подавляется развитие ликвации, уменьшаются размеры выделений первичной g¢-фазы икарбидов, повышается технологичность и экономичность использования металла.Размеры гранул обычно составляют 0,02-0,4 мм.

При распылении сплавов на гранулы достигается оченьвысокая (до 106 °С с-1) скоростькристаллизации, из грубой дендритной она становится зеренной без видимых сувеличением до 40000 частиц выделений g¢-фазы, измельчаются и частицы карбидов.

Компактирование дисков производится при температурезакалки сплавов в газостатах. Технология прессования дисков из порошков требуеттщательной очистки среды от кислорода, паров воды и других примесей. Наличиепленок (Al2O3, TiO2, TiC) на поверхности гранул ускоряет разрушения. Углеродне должен соприкасаться  с атмосферой  на всех этапах технологий получениядисков.

В авиатехнике для изготовления валов, дисков,лабиринтов широко применяется диспергированный сплав ЭП741П. Термическаяобработка дисков из диспергированных сплавов аналогична деформируемым.

Применение в металлургии гранул обеспечивает повышениекоэффициента использования  металла, более высокую прочность и уменьшение массыконструкции.

Следует отметить, что в процессе эксплуатации вступицах и ободе дисков накапливается значительная локальная пластическаядеформация, возникают микротрещины. В ободе происходит дополнительное выделениеg¢-фазы. В итоге снижается сопротивление малоцикловойусталости.