Анализ тенденций развития зарубежных газотурбинных двигателей для авиационной техники показывает, что при разработке ГТД нового поколения приоритетными целями на ближайшие 10–15 лет (программы VAATE, UEET, Leap-Х) являются: улучшение топливной экономичности, увеличение тяги, снижение массы, уменьшение шума и вредных (NO_x, CO₂) выбросов в атмосферу. В России для создания конкурентоспособной авиационной техники приняты государственные и отраслевые программы, в которых поставлены аналогичные цели и задачи развития на перспективу до 2030 года [1, 2].

С точки зрения материаловедения поставленные задачи можно решать путем разработки новых более эффективных материалов и технологий их производства. Для деталей горячего тракта, в том числе дисков турбины, в соответствии с намеченными целями наиболее важным является увеличение их рабочей температуры и снижение плотности при прочностных свойствах на уровне либо выше уровня этих свойств у существующих материалов.

В области жаропрочных дисковых сплавов за последнее десятилетие разработаны новые высокопрочные сплавы на никелевой основе:

– зарубежные – LHSR, Rene 104, RR 1000, Alloy 10;

– отечественные – деформируемый ВЖ175-ИД, а также гранульные ВВ750П и ВВ751П.

Состав, структура и технология производства таких сплавов постоянно совершенствуются. Например, в сплаве ВЖ175-ИД (разработчик ФГУП «ВИАМ») помимо тщательно сбалансированного состава применены новые подходы к формированию структуры заготовки диска, что позволило реализовать преимущество этого материала по ряду характеристик (МЦУ, кратковременной и длительной прочности) в сравнении с аналогами [3, 4].

Однако, несмотря на значительные успехи в улучшении комплекса прочностных характеристик, рабочие температуры новых дисковых жаропрочных никелевых сплавов не превышают 800°С, за исключением сплава ЭП975-ИД, разработанного для длительной эксплуатации до 850°С.

Существенное увеличение (на 100°С и более) рабочих температур жаропрочных никелевых сплавов возможно путем добавок рения и рутения, стабилизирующих γ-твердый раствор, которые используются в новом поколении литейных сплавов [5, 6]. Подобное дорогостоящее легирование для дисковых сплавов не применимо. В связи с вышесказанным, задача разработки принципиально новых материалов для дисков ГТД становится все более актуальной.

Поиск альтернативы жаропрочным никелевым сплавам ведется много лет. Известны исследования, направленные на разработку материалов дисперсионно-упрочняемых более термически стабильными частицами, чем γ'-фаза [Ni₃(Al, Ti)]. Так, предлагаются сплавы на основе кобальта, упрочняемые фазой Co₃(Al, W) [7, 8]; высокотемпературный сплав на основе тройной эвтектики с высоким содержанием ниобия [9]; сплавы на основе иридия, упрочняемые Ir₃(Al, W), Ir(Al, W) [10]. Однако такие материалы либо имеют высокую плотность, либо чрезвычайной дороги, а в случае легирования большим количеством ниобия требуют обязательного применения защитного покрытия.

Наиболее изученными высокотемпературными материалами являются интерметаллидные сплавы на основе Ni₃Al. Во ФГУП «ВИАМ» разработан ряд сплавов серии ВКНА для лопаток с рабочими температурами 900–1200°С и низкой плотностью [11, 12]. Однако такие материалы не являются деформируемыми и в качестве сплавов для дисков не применяются.

Одной из перспективных для разработки интерметаллидных деформируемых сплавов является система Ni–Al–Co, потенциал которой заключается в возможности широкого выбора различных комбинаций фаз (γ+β; γ'+β; γ+γ'+β; γ+γ'), где за счет интерметаллидов b (Ni, Co)Al и γ' (Ni, Co)₃Al возможно получить сочетание низкой плотности, высокой жаростойкости и прочности, а γ-твердый раствор (Co, Ni) придает пластичность всей композиции. Исследования различных сплавов на основе системы Ni–Al–Co показали, что приемлемую пластичность и прочность можно получить в сплавах со структурой β/γ'/(Co, Ni), модифицированных титаном и бором [13, 14].

Целью данной работы является изучение возможностей композиций на основе системы Ni–Al–Co для создания нового жаропрочного деформируемого интерметаллидного сплава для дисков турбин с плотностью ≤8 г/см³ и рабочей температурой не менее 900°С.

Материалы и методики исследований

Расчетный состав экспериментальных композиций на основе системы Ni–Al–Co приведен в табл. 1. Содержание алюминия в сплавах выбиралось в пределах 15–21% (атомн.), где нижнее значение соответствует максимальной расчетной плотности 8 г/см³, верхнее – ограничивает содержание β-фазы на уровне 40–50%. В составе всех композиций также присутствует титан для легирования γ'-фазы и бор – в количестве 0,02% (по массе).

Таблица 1

Расчетный состав экспериментальных композиций на основе системы Ni–Al–Co

Таблица 2

Механические свойства экспериментальных композиций сплава на основе системы Ni–Al–Co

* Средние значения.

Выплавку проводили вакуумно-индукционным методом с последующим переплавом на установке направленной кристаллизации УВНК-14. Заготовки (диаметром до 250 мм и высотой 30–40 мм) получали деформацией на прессах с усилием 1600 и 630 тс с изотермическими установками нагрева штампов. Испытания для определения механических свойств образцов (табл. 2) проводили на растяжение при комнатной температуре и на длительную прочность – при 900°С. Локальный химический и фазовый состав определяли методом количественного микрорентгеноспектрального анализа, микроструктуру исследовали на растровом электронном микроскопе JSM-6490LV*.

Результаты исследований

В зависимости от химического состава экспериментальные композиции имели различную микроструктуру. В составах 1, 2 и 3 (Al≥17,7% атомн.) структура металла в литом состоянии представляет собой γ-матрицу с дисперсными частицами γ'-фазы и крупными включениями β-фазы неправильной формы, вокруг и внутри которых присутствуют γ'-частицы (рис. 1). Состав β-фазы неравновесный и при высокотемпературной обработке внутри β-зерен происходит выделение γ′-частиц, при этом исходные фазовые границы β-γ' не изменяются. С помощью металлографического анализа установлено, что количество неравновесной β-фазы в литом состоянии следующее:

___________________

* В работе принимали участие Е.Б. Чабина, Е.В. Филонова, Г.И. Морозова, Е.А. Давыдова.

Микроструктура композиций 4 и 5 (Al≤14,7% атомн.) представляет собой γ-твердый раствор с дисперсными частицами γ'-фазы. В составе 4 выявлены отдельные мелкие частицы (следы) β-фазы, в составе 5 она полностью отсутствовала.

В ходе работы установлено отрицательное влияние β-фазы на деформационную способность композиций. По цилиндрической поверхности слитков, в зоне наибольших растягивающих напряжений на разных стадиях деформации образовывались многочисленные трещины. Исследование микроструктуры таких дефектных областей выявило, что растрескивание в основном происходит по границе раздела фаз β/γ' (рис. 2) и наблюдается для всех исследованных композиций с β-фазой.

 Рисунок 1. Микроструктура (а – ×500; б – ×2500) экспериментальных композиций в литом состоянии

 Рисунок 2. Микроструктура (×500) дефектной зоны композиции 1 после деформации

Результаты испытаний механических свойств подтвердили негативное влияние β-фазы (см. табл. 2). Так, состав 1 с наиболее высоким содержанием β-фазы показал неудовлетворительные свойства как при комнатной температуре, так и при испытаниях на длительную прочность. Составы с меньшей концентрацией β-фазы (2 и 3) показывают более высокие значения предела прочности, относительного удлинения и сужения, однако длительная прочность при 900°С остается крайне низкой. Составы без β-фазы (4 и 5) обладают избыточной пластичностью при несколько меньших значениях прочности, при этом время до разрушения при испытаниях на жаропрочность увеличилось и составило ~30 ч.

С учетом полученных результатов проведены исследования серии дополнительных композиций, не содержащих β-фазу. Расчетное содержание Al снижено до значений 7,2–8,5% (по массе). Учитывая невысокую прочность и избыточную пластичность, экспериментальные композиции дополнительно легировали танталом и совместно танталом и ниобием в соотношениях Ta/Nb, равных 1/2 и 1/3 соответственно (табл. 3).

Таблица 3

Расчетный состав экспериментальных композиций на основе системы Ni–Al–Co, легированных Ta и Nb

 Введение в экспериментальные композиции Ta и Nb привело к значительному увеличению количества γ'-фазы и появлению ее в виде крупных неравномерных выделений. Отжиг при температурах 1220–1240°С позволяет частично растворить эти
γ'-частицы. В отсутствие в структуре β-фазы все композиции продемонстрировали хорошую пластичность при деформации из литого состояния.

Результаты испытаний составов 6–9 показали, что легирование танталом и ниобием не приводит к увеличению кратковременной прочности при 20°С, для всех сплавов она находится приблизительно на одном уровне (рис. 3). При этом сохраняется высокая пластичность (>35%). Однако жаропрочность по сравнению с составами 4 и 5 значительно возрастает (табл. 4). Наиболее заметное влияние на длительную прочность оказывает тантал. Среди всех составов максимальное время до разрушения при 900°С показал состав 8, содержащий в сумме 6% Ta и Nb.

Таблица 4

Длительная прочность экспериментальных композиций на основе системы Ni–Al–Co, легированных Ta и Nb

Рисунок 3. Пределы прочности (□) и текучести (■) при 20°С для экспериментальных композиций (6–9) на основе системы Ni–Al–Co

Исследования структурной и фазовой стабильности этого состава после выдержек при 900°С в течение 100 и 500 ч показали, что фазовый состав сплава не меняется. Структурные изменения в нем связаны с коагуляцией и сращиванием мелкодисперсных частиц γ¢-фазы, которые проявляются уже после 100 ч выдержки (рис. 4).

 Рисунок 4. Морфология (×10000) γ'-фазы до (а) и после (б) выдержки в течение 100 ч при 900°С

Таким образом, проведены исследования экспериментальных композицийна основе тройной системы Ni–Al–Co с добавками титана, тантала, ниобия и бора. Выявлено негативное влияние β-фазы на механические свойства составов с тройной (γ+γ'+β)-структурой. В двухфазных γ/γ' композициях благодаря добавкам тантала и ниобия возможно обеспечить жаропрочность при 900°С на базе 100 ч (s=100 МПа). Для дальнейшего повышения свойств необходимо обеспечить дополнительное упрочнение γ-твердого раствора и повышение стабильности мелкодисперсных γ'-частиц при высоких температурах.

Результаты исследований показывают значительные потенциальные возможности композиций системы Ni–Al–Co, легированных титаном, танталом и ниобием, для создания интерметаллидных деформируемых жаропрочных сплавов нового класса для дисков турбин.