Статьи

 




УДК 669.018.44:669.017.165:
М. Н. Летников, Б. С. Ломберг, С. В. Овсепян
Исследование композиций системы Ni–Al–Co при разработке нового жаропрочного деформируемого интерметаллидного сплава

Представлены результаты исследований структуры, фазового состава и механических свойств экспериментальных композиций тройной системы Ni–Al–Co с целью разработки на их основе нового интерметаллидного жаропрочного сплава для дисков турбин.

Ключевые слова: интерметаллидный жаропрочный сплав, система Ni–Al–Co, фазовый состав, механические свойства, ГТД.

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 (NOx, 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 NiAlCo

Условный номер состава

Содержание элементов, % (по массе)

Ni

Al

Co

Ti

1

41

19,7

37

2,3

2

35

19,7

43

2,3

3

37

17,7

43

2,3

4

33

14,7

51

2,3

5

44

14,7

40

2,3

 

 

Таблица 2

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

Условный номер
состава

Кратковременная прочность*

при 20°С

Время до разрушения при 900°С
и постоянно приложенном
напряжении 100 МПа, ч

σв

σ0,2

δ

ψ

МПа

%

1

849

623

8

6,9

<1

2

1275

687

17,5

11

1,3

3

1216

628

32

35,5

1,5

4

1069

584

37,75

61,5

31; 22; 26,5

5

1119

648

33,3

50,5

32,5

* 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:

Условный номер состава

Содержание β-фазы, %

1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~40

2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~32

3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ~21.

___________________

* 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 NiAlCo, легированных Ta и Nb

Условный номер состава

Содержание основных элементов, % (по массе)

Соотношение легирующих элементов Ta/Nb

Ni

Al

Co

Ti

6

50,6

8,4

38

2

1/–

7

49,6

8,4

37

2

1/2

8

47,2

7,8

37

2

1/2

9

48,5

7,5

36

2

1/3

 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 69 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

Условный номер состава

Время до разрушения при 900°С и постоянно приложенном напряжении 100 МПа, ч

6

75; 65

7

67; 57; 52; 47

8

118; 108; 114;106; 133

9

63; 50; 64

 

Рисунок 3. Пределы прочности (□) и текучести (■) при 20°С для экспериментальных композиций (69) 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.


ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
2. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.
3. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 52–57.
4. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S.
С. 36–52.
5. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3–8.
6. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Елютин Е.С. Монокристаллические жаропрочные сплавы для газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №SP2. С. 38–52.
7. High temperature resistant cobalt base superalloy: pat. 2010/0061883 US; опубл. 11.03.2010.
8. Cobalt base alloy with high heat resistance and high strength and process for producing the same: pat. 2008/0185078 Japan; опубл. 07.08.2008.
9. Ternary nickel eutectic alloy: pat. 2009/0136381 UK; опубл. 28.05.2008.
10. Irridium-based alloy with high heat resistance and high strength and process for producing the same: pat. 2008/0206090 Japan; опубл. 28.08.2008.
11. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерметаллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57–60.
12. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Материалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №SP2. С. 13–19.
13. Kimura Y., Miura S., Suzuki T., Mishima Y. Microstructure and mechanical properties of two-phase alloys based on the B2-type intermetallic compound CoAl in the Co–Al–Ni ternary system //Materials Transactions. 1994. V. 35. №11. Р. 800–807.
14. Kimura Y., Elmer H. Lee, Liu C.T. Microstructure, phase constitution and tensile properties of Co–Ni–Ti–Al base multi-phase alloys //Materials Transactions. 1995. V. 36. №8. Р. 1031–1040
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.