Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 [ 52 ] 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

ющая фаза - карбиды Zr - расположена по границам зерен (С = 0,15...0,20 %). В сплаве 90% /-фазы, 8% у-твердого раствора и 1,5...2,0% карбидов, измельченных добавками В и Y. Введение у-фазы повышает пластичность сплава при комнатной температуре по сравнению со сплавом ВКНА-1ЛК (с 2 до 8...10%). При f>1100 °С долговечность сплава ВКНА-4 превышает долговечность сплава ЖС6У, а длительная прочность у него в 1,7-2,0 раза выше, чем у сплава ВКНА-1ЛК.

При этом следует отметить, что при более низких температурах сплавы ВКНА уступают по свойствам традиционным сплавам.

Большим достоинством сплавов ВКНА является их меньшая стоимость по сравнению с традиционными сплавами за счет более высокого содержания дешевого алюминия и меньшего содержания дорогих легирующих элементов и более низкая (на 8...10%) плотность, что дополнительно повышает их удельные свойства.

Направленная многозеренная структура (сплавы НК) впервые бьша получена в 1960 г. Отсутствие границ зерен, перпендикулярных оси внешней нагрузки, повысило прочность материала по сравнению с РК-сплавами. Наряду с традиционными сплавами, в которых можно создавать структуру НК, в России (ВИАМ) применительно к условиям НК разработаны специальные сплавы: ЖС26-НК, ЖС26-ВНК, ЖС32-ВНК. В сплавах ЖС26 по сравнению с традиционными сплавами снижены Сг, Zr и Hf, что сузило интервал кристаллизации и уровень дендритной ликвации, а также повысило температуру растворения у-фазы. Лопатки из сплава ЖС26-ВНК получают при более высокой скорости кристаллизации (до 20 мм/мин). При Г= 900... 1000 °С его свойства выше, чем у сплава ЖС26-НК, а при f = 1100°С - ниже.

В сплав ЖС32-ВНК (скорость кристаллизации 10 мм/мин) введены Та и Re (по 4% каждого). По длительной прочности этот сплав в 1,25-2,0 раза превосходит сплавы ЖС26 и существенно превосходит по ней зарубежные сплавы типа MAR, используемые для рабочих лопаток первой ступени турбин высокого давления.

Монокристаллические (МК) сплавы [2, 3, 4]

Это материал для рабочих лопаток ГТД. В монокристалличесгах отливках фаницы зерен, т. е. места зарождения разрушений, вообще отсутствуют. Это позволяет за счет гомогенизирующей термообработки измельчить частицы у-фазы, улучшить их распределение и тем самым повысить прочность сплавов. Кроме того, создание низкомодульной

структуры <001>, параллельной направлению кристаллизации, повышает сопротивление термической усталости, и хотя по комплексу характеристик жаропрочности это направление уступает направлению <111>, оно часто является предпочтительным.

Поскольку при МК-структуре отливок отсутствует зернофаничное упрочнение, то в сплавах, специально разработанных для таких отливок, как правило, отсутствуют карбидообразующие элементы (Hf, Zr), а углерод сведен к технологически возможному минимуму (0,002...0,004 %). Небольшие добавки Hf или Y могут вводиться для создания защитных пленок HfOj и Y2O3 для компенсации снижения жаростойкости из-за пониженного (до 4...6 %) хрома, что, в свою очередь, связано с высоким суммарным содержанием а-образующих элементов [I (W + Мо + Та + AJ + + Ti) = 20...23 %].

МК-сплавы I поколения (ЖСЗОМ, ЖС40, RENE-4, PWA-1480 и т.п.), не содержавшие рения, имели около 60 % у-фазы (об.) и более высокие по сравнению с НК-сплавами значения температур солидуса и сольвуса у-фазы. В сплавы И поколения бьш введен Re в количестве до 3 %, а объемная доля у-фазы повысилась до 65...74 % (ЖС36, RENE-N5, PWA-1484 и т.п.). В 90-х годах XX в. за рубежом бьши разработаны сплавы Ш поколения (RENE-6, CMSX-10) с рением до 6 %, в которых, однако, возникли проблемы в связи с образованием нежелательных ТПУ фаз, содержащих Re, W, Мо, Сг. Выпадение этих фаз обедняет твердый раствор легирующими элементами и снижает эффект твердофазного упрочнения.

Однако с выпадением ТПУ фаз можно успешно бороться, если создать при кристаллизации условия для подавления процессов ликвации. Созданная в России (ВИАМ) уникальная высокофаниентная технология получения МК-сплавов позволила разработать сплавы для двигателей самолетов V поколения с рением до 10 % типа ЖС50 (6 % Re) и ЖС55 (9 % Re). При соответствующем охлаждении лопатки из такого сплава способны работать при стехиометрической температуре газов до 2200 К. Существенно (в 5 раз) растет ресурс двигателя, что окупает затраты на дорогой рений в сплаве. Сплав ЖС55 имеет длительную прочность (МПа): g°° = 590...600; aj = 350...360; Ym = 180... 190, что выше, чем у лучших зарубежных сплавов, на 30...40 МПа.

Естественно, что к МК-сплавам предъявляются высокие требования по чистоте от вредных примесей. Содержание ютслорода и азота должно быть не выше предела их растворимости в никеле (< 0,0001 %) во избежание образования неметаллических включений, снижающих цик-



мируется в процессе кристаллизации в виде упорядоченно расположенных вдоль оси теплоотвода непрерывных стержней или полос. При доле этой фазы < 32 % образуются стержни, а>32% - полосы (пластины). Такая армирующая фаза сохраняется вплоть до температуры солидуса.

Первое поколение никелевых НЭ представлено сплавами типа тМеС, у 5 и у/у-5, где матрицей являлись либо у-раствор, либо у-фаза, либо у-раствор, упрочненный у-фазой. Армирующими фазами бьши карбиды MeC(NbC, ТаС) или интерметаллид NiзNb(8-фaзa). НЭ отличаются высокой стабильностью при высоких температурах и сохраняют свою прочность вплоть до температур 0,8...0,9 Т. Для рабочих температур газов порядка 2000 К перспективными являются НЭ на основе тугоплавких оксидов.

Второе поколение НЭ - это композиции у/у-МеС и у/у-а, где а - тугоплав1Сий металл (Мо, W). Доля карбидов (NbC, ТаС) в них 5...16%, а а-металла - 20...32 %.

В ВИАМ разработаны сплавы семейства ВКЛС (у/у-NbC), в том числе и сплавы с рением (BKJlC-20Re).

НЭ получают тем же способом направленной кристаллизации с высоким температурным градиентом, что и НК- и МК-сплавы, но со значительно меньшими скоростями кристаллизации - 6...10 мм/ч. С увеличением скорости в этих пределах растет надежность сплава.

Сплавы ВКЛС превосходят сплавы НК и МК по служебным свойствам, ресурсу и надежности как при умеренных, так и при высоких температурах, но при литье охлаждаемых пустотелых лопаток возникают трудности получения НЭ-структур в переходной зоне от пера лопатки к замку.

Для сплавов BFLJ1C характерно явление эффекта памяти длины , когда образец с накопленной деформацией ползучести до 1,5...1,8% в результате термообработки возвращается к своей исходной длине. Эффект имеет практическое значение при ремонте лопаток.

Проницаемые жаропрочные материалы [3]

В последнее время полые монокристаллические лопатки получают с микроканалами и отверстиями в теле пера прямо в процессе кристаллизации. Такие материалы позволяют сократить расход воздуха на охлаждение лопаток на 20...30 % по сравнению с пленочным охлаждением, обеспечив более глубокое охлаждение. Они перспективны для ГТД в. со стехиометрической температурой газа до 2400 К.

лические характеристики сплавов. Сера, образующая сульфиды титана и тантала, должна быть в пределах (5...7) 10 %.

МК-отливки (лопатки) получают методом направленной кристаллизации по двум основным вариантам: методом селекторов (кристалловодов) при котором из множества растущих столбчатых кристаллов выбирается для дальнейщего роста только один, и методом затравок, когда искусственная затравка с нужной кристаллической ориентацией устанавливается в нижней части литейной формы. Каждый из этих методов имеет много технологических вариантов, но в основе каждого из них лежит принцип метода Бррщжмена - охлаждение нижней части формы и подофев ее выше линии фронта кристаллизации металла. При этом установки для получения НК- и МК-сплавов принципиально не отличаются.

Большим шагом в совершенствовании процессов получения НК- и МК-отливок была разработанная в БИАМ под руководством акад. РАН СТ. Кишкина и чл.-кор. РАН Е. Н. Каблова высокоградиентная технология (температурный градиент на фронте кристаллизации на установках тша УВСН-4 составляет > 200 град/см против 20 град/см на зарубежных установках) с погружением литейных форм в жидкометаллический охладитель (Sn, Al). Рабочие скорости кристаллизации составляют при этом 4... 10 мм/мин. Сплавы, получаемые по высокоградиентной технологии, имеют малую (в 8-10 раз меньшую) микропористость (до 0,1 %) и мелкодисперсную однородную структуру (междендритное расстояние 100... 150 мкм), что обеспечивает им повышение прочностных свойств на 10...15% и усталостных свойств на 20...25 % по сравнению с МК-сплава-ми, полученными при обычных градиентах температуры (20...30 град/см). Наилучшие результаты получаются, если расплав предварительно подвергают высокотемпературной обработке (ВТОР), а полученные заготовки -термовакуумной обработке (ТВО). Это обеспечивает минимальные значения дисперсии служебных свойств и максимальную надежность лопаток.

Специально для лопаток со структурой НК и МК <111> разработаны интерметаллидные сплавы серии ВКНА: ВКНА-4У и ВКНА-1В с более низким (до 0,02 %) содержанием углерода, чем у сплава ВКНА-4 (РК). Сплавы ВКНА-4У и ВКНА-1В имеют соответственно аЦ = ПО и 100 МПа, а оЦ = 50 МПа.

Направленные эвтектики (эвтектические композиты) - НЭ [2]

Это перспективные материалы для лопаток, работающих при t= 1100 °С. В отличие от обычных эвтектик здесь та фаза, которой меньше, фоР



Коррозионностойкие сплавы [3, 4]

Эти сплавы предназначены для лопаток, стационарных энергетических ГТУ, в которых температура газа на входе в турбину (750...950 С) значительно ниже, чем в авиационных ГТД, а ресурс должен быть выше (20...50 тыс. ч) в условиях коррозионно-активных сред, т. е. солевой и газовой коррозии. В этих сплавах хром увеличен до 12...16 % при соотношении [Ti]/[A1] = 0,7,..1,0 и сумме (W + Мо + Та) = 6,5... 11,0%. Кислорода в них должно быть не более (8...10) 10 %, серы - до (6...7) 10~ %. Лопатки из этих сплавов получают во всех трех структурных вариантах: РК, НК и МК. В зарубежных сплавах обычно присуг-ствует Та (1,5...5,0 %). В российских сплавах этот дорогой элемент либо отсутствует, либо его не более 0,5 %. В России (ВР1АМ) разработан целый ряд этих сплавов - ЗМИ-ЗУ, ЦНК-21(РК), ЦНК-7, ЖСКС-1(НК), ЦНК-8(МК) и т.п.

Последняя разработка - сплав ЖСКС-2(МК) - содержит до 1,5 % Re, что повышает служебные свойства сплава до значений oqq = 390 МПа и ajoo* = 200 МПа. Поскольку лопатки ГТУ значительно крупнее лопаток ГТД, получение МК-лопаток из этих сплавов является технологически более трудной задачей, чем получение лопаток ГТД из жаропрочных сплавов. Проектируемая в ВИАМ промышленная установка УВНЭС-5 (с высоким градиентом температуры) позволит получать лопатки длиной до 250 мм.

Современные продвинутые дисковые никелевые сплавы [2, 5]

Дисковые сплавы делятся на две основные группы - деформируемые и порошковые.

В современных отечественных ГТУ и ГТД для дисков используют, в основном, такие деформируемые и труднодеформируемые сплавы, как ЭИ698-ВД (ХН73МБТЮ), ЭИ698У-ВД (ХН73МБТЮФ), ЭП742-ИД (ХН62БМКТЮ), ЭК79 (ЭП742У-ИД с повышенным содержанием W), ЭК79У-ИД (ЭП151-ИД), ЭП152-ИД, ЭП962-ИД, ЭП975-ИД. Если в сплаве ЭИ698 содержится всего 11...15% Y-фазы, то в других сплавах ее содержание может достигать 50 %, что затрудняет их деформацию при традиционном методе изготовления дисков штамповкой заготовки из слитка ВДП или ЭШП. Сплавы ЭШ52У-ИД, ЭП151У-ИД и ЭП975-ИД предназначены для работы при температурах соответственно до 700, 850 и 975 °С.

Проблема получения дисков из сплавов с более высоким (около 60 %) содержанием /-фазы и более высокими свойствами в мире и России решена переходом к так называемой гранульной технологии , позволившей разработать применительно к ней ряд специальных порошковых сплавов- ЭП741П (ХН60КМВТЮБ), ЭП741-НП (ЭП741П с 0,25% НО, ЭП962П (ХН60КМЮБВТФ с 0,7% Hf), ЭП975Д (ХН50КМВТЮБ с

0 7 % НО- Bee эти сплавы характеризуются высоким твердорастворным упрочнением за счет высокой (И...20%) суммы (W + Мо + Nb), высокой суммой (А] + Ti) = 6,5...8,0 %, наличием ниобия (1,4...3,5 %), гафния и пониженным (<0,06%) содержанием углерода. За рубежом (США) в качестве порошковых используют сплавы Rene 95 (С < 0,08 %), модифицированный MAR-M432 (0,7 % Та; 1,9% Nb; 0,7% НО, MERL 76 (1,2% Nb; 0,3% НО, AF 115 (1,7% Nb; 0,7% НО, NASA ПВ (10% Та;

1 % НО и т. п. Принципы их легирования аналогичны российским.

Особенность легирования порошковых (гранульных) сплавов Nb, Та, Hf связана, в частности, с необходимостью предотвратить образование на поверхности гранул пленок из карбидов титана, ухудшающих процессы компактирования. Эти пленки возникают в связи с тем, что титан, как и углерод, является в никеле поверхностно-активным элементом. Поэтому в порошковые сплавы вводят поверхностно-неактивные элементы - блокаторы, образующие карбиды в объеме гранул. Одновременно в сплавах понижают содержание углерода.

Спецификой гранул распьшенного металла является их крайне высокая удельная поверхность, в связи с чем основная масса неметаллических включений (AI2O3, TiN) формируется на поверхности гранул и может быть механически отделена от металла. Это создает уникальную возможность получения металла, ультрачистого по включениям. Технология гранульного адьюстажа, разработанная ВИЛС, предусматривает, во-первых, отделение керамики от металла при соударении гранул во встречных потоках аргона, а затем разделение керамики и металла в электростатических сепараторах. Трехступенчатый сепаратор позволяет получать 3...6 шт. включений на 1 кг металла. Четырехступенчатый позволит получать 1...3 шт. Для сравнения: в металле ВИП, ВИП + ВДП, ВИП + ЭШП и ВИП + ЭЛП соответственно содержатся 153...328, 140...360, 60...81 и 32...38 шт. включений [5].

Гранулы в России получают центробежным распылением металла ВИП-методом вращающегося электрода, и ведутся работы по переходу на более экономичный процесс распыления струи вращающейся тарелкой с охлаждением гранул струями гелия (процесс RSR). Рациональным



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 [ 52 ] 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка