Введение

Ресурс газотурбинных двигателей в значительной мере определяется надежностью работы газовой турбины, рабочие лопатки которой являются одними из самых нагруженных деталей, которые подвергаются длительному воздействию высокотемпературного газового потока и работают в сложнонапряженных условиях. Поэтому рабочие лопатки изготавливают из наиболее высокожаропрочных, дорогостоящих сплавов на основе никеля и кобальта – суперсплавов. Однако, несмотря на высокую жаропрочность, суперсплавы в условиях работы турбины склонны к коррозии, высокотемпературному окислению и эрозии. Кроме того, рабочие лопатки изнашиваются в результате контактного взаимодействия торцов с элементами статора и постоянного контакта бандажных полок соседних лопаток в колесе.

Лопатки с бандажными полками, имеющими на боковых торцах контактные площадки для обеспечения жесткости связи всех лопаток после их сборки в колеса, широко применяются в современных ГТД. Такое соединение лопаток способствует повышению их вибрационной прочности. В условиях высоких температур и в результате динамического контактного нагружения бандажные полки турбинных лопаток наиболее интенсивно изнашиваются. Кроме того, в диапазоне температур 700–1100°С при виброконтактном динамическом нагружении имеет место процесс высокотемпературной фреттинг-коррозии, который приводит к износу и повреждаемости рабочих поверхностей [1–10].

Эффективным способом увеличения долговечности лопаток является упрочнение бандажных полок износостойкими сплавами на основе никеля, кобальта или интерметаллида Ni₃Al, содержащими в своем составе карбиды, бориды, фазы Лавеса и др. [2–6].

Упрочнение бандажных полок рабочих лопаток износостойкими сплавами производится двумя методами: наплавкой и напайкой. Наплавку можно производить вручную аргоно-дуговым методом в импульсном режиме или в автоматизированном режиме с использованием специального оборудования, обеспечивающего сканирование (или прямое измерение обрабатываемой детали), разработку 3D-модели детали и наплавляемого объема и собственно лазерную адаптивную газопорошковую наплавку.

Для ремонта поврежденных (изношенных) поверхностей лопаток предпочтительным является метод автоматизированной лазерной наплавки [11–17]. В качестве основного расходного материала при лазерной наплавке применяются порошки износостойких сплавов заданного гранулометрического состава.

Материал для упрочнения бандажных полок и ремонта лопаток должен обладать высокой износостойкостью, высокими прочностными характеристиками, стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии, высоким качеством свариваемости и низкой склонностью к трещинообразованию. Всем этим требованиям в большей степени удовлетворяют сплавы на основе кобальта с карбидным и/или интерметаллидным упрочнением [18–20].

Данная работа посвящена исследованию жаропрочных износостойких сплавов на основе кобальта систем Co–Cr–W–C и Co–Cr–Mo–Si. С целью выбора состава износостойкого сплава для получения высокочистой металлопорошковой композиции, предназначенной для ремонта и упрочнения рабочих лопаток турбин высокого давления (ТВД) методом лазерной наплавки, проведены сравнительные исследования свойств экспериментальных сплавов на основе кобальта.

Работа выполнена в рамках реализации комплексных научных направлений 9.7. «Высокотемпературные деформируемые сплавы и композиционные материалы, упрочненные тугоплавкими металлическими волокнами и частицами, истираемые уплотнительные материалы» и 10.3. «Технологии атомизации для получения мелкодисперсных высококачественных порошков сплавов на различной основе для аддитивных технологий и порошков припоев для пайки» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Сплавы, применяемые для упрочнения рабочих лопаток турбины ГТД, отличаются повышенной износостойкостью и прочностью. Обычно это сплавы на основе системы Co–Cr–W, содержащие большое количество углерода.

Хром является обязательным компонентом всех износостойких сплавов на основе кобальта, так как он имеет ключевое значение в образовании карбидов с различным соотношением Cr/C, способствующих твердорастворному упрочнению этих сплавов. Кроме того, хром повышает сопротивление сплава окислению и горячей коррозии. Оптимальным для сплавов на основе системы Co–Cr–W–C является концентрация хрома 20–30%. При бо́льших содержаниях хрома происходит образование топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз, что приводит к охрупчиванию сплава [21].

Карбиды образуются при содержании в составе сплава углерода – обычно до 3%. Как правило, чем выше содержание в сплаве углерода, тем выше его износостойкость, но ниже пластичность и жаропрочность (за счет снижения температуры плавления). При высоком содержании углерода могут образовываться вторичные карбиды (уже при температурах 700–800°С), что отрицательно сказывается на пластичности сплава. Однако отрицательное влияние большого количества углерода можно уменьшить при введении в состав сплава бора и никеля. Бор придает сплаву дополнительную прочность за счет образования карбоборидов и боридов. При введении бора также образуется легкоплавкая боридная эвтектика, способная залечивать горячие трещины (оптимальное содержание – от 0,015 до 0,1% (по массе)). При введении в состав сплава никеля (а также железа) стабилизируется твердый раствор за счет подавления превращений в кобальтовой матрице. Присутствие большого количества никеля позволяет сохранять стабильную аустенитную структуру гранецентрированной кубической решетки кобальтовой матрицы при повышенных температурах и исключает ее превращение в структуру гексагональной плотноупакованной решетки при низких температурах. Это дает возможность применения таких сплавов в цикличных условиях знакопеременных температур. По некоторым данным оптимальное содержание никеля в сплаве на основе Co–Cr–W составляет 8–10%.

Тугоплавкие элементы молибден и вольфрам используют главным образом для твердорастворного упрочнения жаропрочных кобальтовых сплавов. Стойкость к высоким температурам кобальтовым сплавам придает высокое содержание вольфрама. Вольфрам повышает температуру плавления кобальтовых сплавов, прочность твердого раствора и участвует в карбидообразовании. При большом содержании вольфрама происходит образование ТПУ фаз, снижение пластичности и коррозионной стойкости, а также жаростойкости сплава. Оптимальное содержание вольфрама составляет 8–20%.

Молибден, так же как и вольфрам, повышает прочность твердого раствора и участвует в карбидообразовании. Применение молибдена повышает пластичность сплавов, но снижает температуру плавления и жаропрочность.

В особую группу следует выделить сплавы на кобальтовой основе с фазами Лавеса. Эти сплавы характеризуются полным отсутствием вольфрама и бо́льшим содержанием молибдена (22–29% (по массе)). Их используют в особо тяжелых условиях работы – коррозионная среда и высокие температуры. Рабочая температура может находиться в диапазоне значений 800–1000°С. Фазы Лавеса – прочные интерметаллидные фазы, которые выделяются в кобальтовых сплавах вследствие добавления в них молибдена и кремния. Содержание углерода в таких сплавах минимально возможное, поскольку большое количество карбидных выделений в сочетании с наличием фаз Лавеса может привести к охрупчиванию материала.

В качестве карбидообразователей используют такие элементы, как Ta, Nb, Zr и Hf, образующие монокарбиды MC, дополнительно повышающие износостойкость и прочность сплавов.

Дополнительное упрочнение и повышение износостойкости сплавов – стеллитов – в некоторых случаях достигается образованием силицидов. В ГП ЗМКБ «Прогресс», где активно идут исследования износостойких кобальтовых сплавов, в частности разработаны и серийно применяются сплавы марок ХТН-61 и ХТН-62 для рабочих лопаток первой ступени с рабочей температурой на бандажных полках до 1100°С, установлено оптимальное соотношение W/Si, обеспечивающее структурную и фазовую стабильность сплава марки В3К. Установлено, что оптимальное соотношение W/Si достигается при содержании 10% вольфрама и 0,5% кремния, что позволяет повысить температурный уровень работоспособности сплава марки В3К на 200–250°С, который составляет 1000–1050°С. При этом верхняя граница легирования вольфрамом не должна превышать 10,5% (по массе), что может привести к снижению структурной и фазовой стабильности.

Сплавы марок ХТН-61 и ХТН-62 отличаются высоким содержанием ниобия. Повышение износостойкости этих сплавов достигается за счет образования карбидов типа MC на основе ниобия. Сплавы также содержат небольшое количество алюминия, что отличает их от других сплавов.

В составе как отечественных, так и зарубежных сплавов часто встречается ванадий, который применяется в качестве карбидообразующего элемента. Ванадий более сильный, чем W, Mo, Cr, карбидообразующий элемент, который образует высокотвердые, мелкодисперсные карбиды, повышающие износостойкость стеллита.

Значительного улучшения стойкости жаропрочных кобальтовых сплавов к окислению можно достичь путем введения добавок редкоземельных металлов. Введение в состав сплава Y и La в количестве 0,08–0,15% (по массе) заметно повышает стойкость к окислению жаропрочных кобальтовых сплавов.

В табл. 1 представлены выбранные составы экспериментальных сплавов, представляющие интерес для разработки технологии получения из них порошковых композиций методом атомизации.

Таблица 1

Экспериментальные композиции износостойких сплавов на основе кобальта 

Выплавку экспериментальных составов проводили в вакуумной индукционной печи полунепрерывного действия ВИАМ-1НК в магнезитовых тиглях емкостью 40 кг. Масса плавок составляла 34–35 кг. Металл заливали при температуре 1530–1580°С в стальные трубы с внутренним диаметром 90 мм с втулкой и шайбой. Полученные слитки диаметром ~90 мм и длиной 600 мм обтачивали, а стружку брали для определения химического состава. Переплав экспериментальных составовпроводили в вакуумной индукционной печи УППФ-У в магнезитовых тиглях. Масса плавок составляла 7,5–8,5 кг.

Из заготовок, полученных после переплава, изготовлены образцы для исследования износостойкости и коэффициента трения сплавов на лабораторной машине трения И-47 при однонаправленном трении скольжения в соответствии с СТО 1-595-35-515–2016 при температурах 20 и 1100°С, удельной нагрузке на образцы 2 МПа и скорости скольжения 250 об/мин.

Исследование жаростойкости экспериментальных композиций износостойкого сплава на кобальтовой основе проводили на цилиндрических образцах ø10 мм и высотой 20 мм в электропечи. Условия испытаний: температура нагрева 1100°С; продолжительность выдержки 20; 40; 60; 80 и 100 ч. Измерение массы образцов проводили через каждые 20 ч выдержки.

Испытания на твердость по Роквеллу проводили на цилиндрических образцах ø20 мм и высотой 20 мм на универсальном твердомере DuraVision 300.

Исследование микроструктуры экспериментальных композиций износостойкого сплава на кобальтовой основе проводили методом растровой электронной микроскопии по РТМ1.2А-096–2000.

Исследование свариваемости экспериментальных композиций износостойкого сплава на кобальтовой основе проводили на образцах квадратной формы 50×50 мм толщиной 3 мм. Определяющим показателем является критическая скорость деформации при сварке, которая должна быть V_кр≥2,8 мм/мин, в соответствии с чем и выбирали диапазон скоростей при испытании.

Результаты

По результатам газового анализа выплавленных заготовок экспериментальных сплавов на кобальтовой основе установлено, что содержание газовых примесей во всех экспериментальных композициях не превышает 0,004% (по массе) по кислороду и 0,006% (по массе) по азоту, что обусловлено применением вакуумных технологий выплавки как при получении шихтовых заготовок, так и при их переплаве. На рис. 1 представлены структуры экспериментальных сплавов, полученные методом растровой электронной микроскопии.

Рис. 1. Микроструктура экспериментальных композиций сплавов 1 (а), 2 (б), 6 (в) и 4 (г) – см. табл. 1

Рентгенофазовым анализом подтверждено, что все исследованные сплавы имеют гетерофазную структуру. Основой сплавов 1 и 2 является твердый раствор на основе кобальта и никеля, а упрочняющей фазой – карбиды типа TiC и W₂C – для состава 1 и типа Fe₆W₆C и Сr₂₃С₆ – для состава 2, при этом в составе 1 присутствуют и силициды хрома типа CrSi₂. Для композиции сплава 6 основной является фаза Лавеса типа Co₃Mo₂Si, характеризующаяся высокой твердостью, и Co–Ni твердый раствор. Основой сплавов составов 3 и 4 является твердый раствор на основе кобальта, в структуре которого наблюдаются карбиды на основе тугоплавких металлов, а основой композиции сплава 5 является твердый раствор на основе кобальта, упрочненный карбидами на основе ниобия.

По результатам проведенных сравнительных испытаний триботехнических свойств экспериментальных сплавов при комнатной и повышенной температурах (до 1100°С) установлено, что при комнатной температуре характер износа, вид поверхностей трения, наличие продуктов износа для всех испытанных сплавов приблизительно одинаковы. Все сплавы характеризуются высокой износостойкостью в условиях испытаний. Меньший износ и коэффициент трения имеют сплавы с условными обозначениями 4; 5 и 6. Наименьший коэффициент трения (0,25) – у образцов из сплава 5. Наименьшая интенсивность износа (1,93·10^-8) – у образцов из сплава 6.

В высокотемпературной области характер изнашивания принципиально изменяется и различен для каждого конкретного сплава. По результатам испытаний тех же образцов (после удаления следов износа с поверхностей трения) при повышенной температуре (1100°С) при той же нагрузке и скорости скольжения установлено:

– сплавы составов 3 и 5 характеризуются значительным разрушением поверхности вследствие воздействия нагрева, их можно считать не износостойкими при температуре 1100°С;

– образцы из композиции сплава 4 после нагрева сохранили свою форму (значительных разрушений визуально не обнаружено), однако при приработке образцов при нагрузке 200 Н наблюдалось значительное разрушение поверхностей трения – в продуктах износа присутствовали частицы размером до 1 мм и более, поэтому дальнейшие испытания этой композиции не проводились;

– коэффициент трения сплава состава 1 уменьшается, повышается его износостойкость, что можно объяснить структурными изменениями поверхностей трения образцов и влиянием образующихся на поверхности сплава продуктов окисления;

– коэффициент трения и износостойкость сплавов составов 2 и 6 при температуре 1100°С изменяются незначительно в сравнении с результатами испытаний при комнатной температуре;

– наименьший коэффициент трения (0,23) и интенсивность износа (7,24·10^-8) при температуре 1100°С имеет композиция сплава 1.

В табл. 2 представлены результатыоценки склонности к образованию горячих трещин при сварке экспериментальных составов.

Как видно из приведенных в табл. 2 данных, все композиции характеризуются достаточно высокой свариваемостью. Отдельно следует отметить, что, кроме композиций сплавов 1 и 5, трещины при увеличении скорости деформации сварного соединения сверх критического уровня образуются не в сварном шве, а в основном материале, что также характеризует высокую свариваемость данных материалов.

В табл. 3 представлены результаты определения твердости шести экспериментальных композиций.

Таблица 2

Результаты оценки склонности к образованию горячих трещин при сварке

экспериментальных составов

Таблица 3

Результаты испытания на твердость экспериментальных композиций

износостойких сплавов на кобальтовой основе 

По результатам испытаний установлено, что наивысшей твердостью обладают образцы сплава состава 3, среднее значение которых равно 53,7 единиц HRC, а твердость образцов остальных композиций (за исключением состава 1) находится на высоком уровне – около или более 50 HRC.

По результатам исследования жаростойкости экспериментальных композиций при температуре 1100°С и выдержке до 100 ч установлено, что наилучшей жаростойкостью по привесу массы обладают образцы сплава состава 6 (0,549 г/(м²·ч)), затем составов 1 (2,191 г/(м²·ч)) и 2 (2,651 г/(м²·ч)). После 40 ч выдержки образцы сплава состава 3 были сняты с испытаний в связи с разрушением. На образцах сплавов составов 4 и 5 после 80 ч выдержки появились следы разрушения. На рис. 2 представлены образцы из сплавов на основе кобальта, характеризующихся наибольшей стойкостью к окислению при 1100°С, после проведенных испытаний.

Рис. 2. Образцы после испытаний на жаростойкость при 1100°С сплавов составов 1 (а), 2 (б) и 6 (г) после 100 ч выдержки и композиции сплава 4 (в) после 80 ч выдержки

Составы оксидов на поверхности сплавов и составы сплавов под оксидами требуют дальнейшего детального изучения.

Обсуждение и заключения

По результатам проведенных исследований экспериментальных композиций износостойких сплавов на кобальтовой основе установлено, что все экспериментальные композиции характеризуются высокой износостойкостью и свариваемостью при комнатной температуре. При повышенных температурах износостойкость сплавов и характер изнашивания принципиально изменяется и различен для каждого конкретного сплава – некоторые композиции не являются износостойкими ввиду их сильного окисления при температуре 1100°С и не могут рассматриваться в качестве материала для разработки порошковой композиции.

Оптимальным сочетанием износостойкости (при температурах 20 и 1100°С), твердости, жаростойкости при 1100°С и свариваемости обладают сплавы композиций 1 и 2 – на основе системы Co–Cr–W–C, содержащие в своем составе ванадий и никель (до 10% (по массе)), а также сплав состава 6 – на основе системы Co–Cr–Mo–Si, износостойкость которого обусловлена значительным образованием в структуре фаз Лавеса типа Co₃Mo₂Si. Эти композиции могут быть использованы для проведения дальнейших исследований и разработки технологии получения из них порошковых композиций методом атомизации, предназначенной для ремонта и упрочнения рабочих лопаток турбин высокого давления методом лазерной наплавки.