МІНІСТЕРСТВО ТРАНСПОРТУ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ
ДЕРЖАВНА СЛУЖБА цивільної авіації
Московський державний технічний університет цивільної авіації
Реферат з дисципліни
«МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО »на тему:
« Жаростійкі і жароміцні нікелеві сплави, застосовувані в авіаційних двигунах, і їх термічна обробка »
2001
У авіаційних двигунах широке застосування знайшли жаростійкі і жароміцнінікелеві сплави. Як жаростійких застосовують сплави ХН60ВТ (ВЖ98,
ЕІ868), ХН50ВМТЮБ (ЕП648), ХН68ВМТЮК (ЕП693), ХН56ВМТЮ (ЕП199) та ін
Термічна обробка сплавів значною мірою визначається вибраноїсистемою легування. Так, наприклад, сплав ХН60ВТ має низьку концентрацію
((-утворюючих елементів, тому не містить у своїй структурі ((-фазу,відрізняється підвищеною пластичністю і не вимагає термічної обробкипісля зварювання. Структура сплаву складається з нікелевого (-твердого розчину, вякому міститься невелика кількість часток (-W і карбідової фази Ni3W3Cі Cr23C6. проте інші сплави, у яких підвищення жаропрочноезабезпечується шляхом зміцнення (-твердого розчину і виділення дисперснихчастинок зміцнюючої ((-фази (сплави ХН50ВМТЮБ, ХН68ВМТЮК, ХН56ВМТЮ),піддаються зміцнення при термічній обробці, що складається з гарту істаріння.
Температура загартування вибирається з умови отримання однорідного твердогорозчину. Так, наприклад, сплав ХН50ВМТЮБ піддають гарту на повітрі відтемператури 1140 (С і подальшого старіння при температурі 900 (С протягом
5 год, а сплав ХН68ВМТЮК гартують від температури 1100 (С з подальшимстарінням при температурі 900 (С протягом 5 ч. При старінні зпересичені твердого розчину виділяються дисперсні частинки зміцнюючої
((-фази і сплави зміцнюється.
Наявність ((-фази підвищує жаропрочное і одночасно повідомляє сплавівсхильність до утворення гарячих тріщин при зварюванні і термічній обробці,необхідність у термічній обробці деталей після зварювання або підваркитехнологічних, а також експлуатаційних дефектів.
Властивості жароміцних нікелевих сплавів для лопаток і дисків газовихтурбін визначаються термічну стабільність структури, розмірами, формоюі кількістю зміцнюючої ((-фази, характеристиками міцності (-твердогорозчину, оптимальним співвідношенням параметрів кристалічних граток (- і
((-фаз, розподілом карбідової фази та іншими факторами. Зазвичайжароміцні сплави зміцнюється шляхом цілеспрямованого багатокомпонентноголегування. Суть багатокомпонентного легування полягає в забезпеченніжаропрочное шляхом вдосконалення гетерофазної будови, що включаєконтрольоване виділення часток зміцнюючої ((-фази, забезпечення їїтермічної стабільності, цілеспрямованому зміну морфології, параметрівкристалічних граток (- і ((-фаз, їх впливу на дислокаційну структурусплавів, а також на протікання дифузійних процесів.
Основні вимоги до матеріалів для лопаток турбін обумовлені самимрозвитком конструкції двигунів, безперервним підвищенням жароміцних,пластичності, опору термічної і малоцікловой втоми, стійкостідо впливу газового середовища. Матеріали для лопаток турбін сучаснихдвигунів повинні володіти високим опором руйнуванню притермічної і малоцікловой втоми, яка є в даний часосновним видом руйнування. Небезпека руйнування посилюється поверхневимиреакціями, пов'язаними з газовою корозією, знеміцнення межі зерен.
Для виготовлення лопаток турбін ісползуют деформуються і ливарнісплави. Деформуючі сплави мають обмеженими можливостямизабезпечення необхідної жароміцних, оскільки подальше їх легуванняведе до практично повної втрати їх технологічної пластичності придеформації. Провідне місце серед жароміцних сплавів належить ливарнимсплавів, новим направлено крісталізованним і монокрісталізованним сплавів,які широко застосовуються в сучасних високотемпературних двигунах.
Вдосконалення технології лиття і багатокомпонентного легуваннязабезпечило суттєве збільшення робочої температури сплавів, причому іспрямовані і монокристалічні сплави групи ЖС стали більшепластичними. Граничні робочі температури нагріву деформівних сплавівне перевищують 1000 (С.
Широке розповсюдження знайшли деформуючі сплави ЕП109, ЕП220, ЖС6КП іливарні ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30, ЖС26, ЖС32 та ін
Термічна обробка сплавів складається з загартування і старіння. Загартуванняпроводиться при температурах 1220-1280 (С протягом 3-5 ч. Відлиття деталейотримують методом точного лиття по моделях, що виплавляються і гартують ввакуумі. Ущільнюючі ((-фаза виділяється в основному в процесі охолодження. Упроцесі старіння при температурі 950 (С протягом 2 год відбуваєтьсянезначне додаткове виділення часток ((-фази і зміцненнясплавів.
Остаточна структура сплавів складається з легованого твердогорозчину на нікелевої основі, ((-фази та карбідів. макроструктура сплаву
ЖС6ФНК містить поперечних меж зерен, а самі зерна зазвичай орієнтованіпо довжині лопатки в напрямку ребра гранецентрованої решітки.
Сплави мають високі механічні властивості.
| Марка | Термічна обробка | Механічні властивості |
| матеріалу | | |
| | | (В900, | (1001000 | (100900 | (,% |
| | | МПа |, МПа |, МПа | |
| ЕП109 | Загартування з 1220 (З 5 ч | 650 | 150 | 270 | 6 |
| | І старіння при 950 (С 2 ч | | | | |
| ЖС6КП | Загартування з 1220 (З 4 ч | 770 | 160 | 270 | 6 |
| | І старіння при 900 (С 16 ч | | | | |
| ЖС6У | Загартування з 1230 (З 3 ч | 800 | 165 | 330 | 5 |
| | І старіння при 950 (С 2 ч | | | | |
| ВЖЛ12У | »» | 780 | 150 | 320 | 5 |
| ЖС6Ф-НК | »» | 850 | 180 | 450 | 12 |
| ЖС26 (ВСНК) | Загартування з 1260 (З 4 ч | 880 | 200 | 410 | 8 |
| ЖСЗ2 | Загартування з 1280 (З 4 ч | 960 | 250 | 475 | 18 |
| (монокр) | | | | | |
деформуючі сплави ЕП109 і ЖС6КП застосовуються при температурах наметалі не більше 950 (С, а сплави ЖС6У, ВЖЛ12У і ЖС6ФНК мають більш високідопустимі значення температур в експлуатації, відповідно 1000 (С для
ЖС6У і ВЖЛ12У і до 1050 (С для ЖС6ФНК. Відсутність поперечних меж зерен,більш низький модуль пружності і більш висока пластичність повідомляють сплаву
ЖС6ФНК підвищену довговічність при дії високих температур іциклічних термомеханічних навантажень. Температурні обмеженнязастосування жароміцних сплавів з дисперсійним зміцненням обумовленірозчиненням, швидкої коагуляцією зміцнюючої ((-фази і падіннямжаропрочное при перегріву деталей у процесі експлуатації.
деформуючі сплави мають більш дрібнозернисту структуру, яказабезпечує їх більш високий опір втоми, тоді як ливарнісплави з равноосной структурою мають більш високу жаропрочное.
Введення гафнію в сплав ЖС6ФНК посилює карбідним Ліквація, сприяєсприяє утворенню в поверхневому шарі карбідів Ме6С, що володіютьнизькою жаростійкістю і не покриваються при дифузійному алітірованіі.
Наявність ванадію та титану в сплаві ЖС26 значно знижує жаростійкість.
Сплав ЖС32 не містить титану і ванадію, а легування алюмінієм, танталіті невеликий концентрацією хрому забезпечує сплаву високу жаростійкість.
Сплави ЖС26 і ЖС32 з спрямованої і монокристалічні структуроюмають більш високу термічну стабільність, термостійкістю. Длязабезпечення однорідності складу і структури за обсягом виливки лопатокпіддаються нагріву при загартування у вакуумі до більш високих, ніж равноосниесплави, температур. В процесі нагрівання і високотемпературної витримкивідбувається розчинення ((-фази і карбідів мес, Ме23С6, Ме6С в твердомурозчині на нікелевої основі. При охолодженні відбувається виділеннязміцнюючої ((-фази, яка забезпечує сплавів високі механічнівластивості.
Для деталей з ливарних нікелевих сплавів широко використовуєтьсягомогенізація. При гомогенізації відбувається зменшення ступеня ліквації істабілізація структури сплавів. Гомогенізація сприяє збільшеннюоб'ємного вмісту дисперсних частинок зміцнюючої ((-фази. Під часвисокотемпературної витримки розчиняються грубі виділення ((-фази,утворилися при кристалізації. Слід, однак, відзначити, щооптимізація режимів термічної обробки для досягнення оптимальної форми,розмірів і розподілу часток зміцнюючої ((-фази не завждисупроводжується поліпшенням механічних властивостей. Так, наприклад, освітачастинок карбідів Ме6С несприятливою пластинчастої форми в процесігомогенізації і подальшого охолодження сплаву ЖС6У практично зводитьнемає ефект поліпшення властивостей шляхом управління структурою ((-фази, і в підсумкупісля гомогенізації при температурі 1210 (З тривала міцність залишається наколишньому рівні.
неоднорідна структура сплавів утворюється також і у випадку недогріву дотемператури повного розчинення зміцнюючої ((-фази в сплавах. Утвореніскоагулірованние частки ((-фази знижують характеристики міцності іпластичності.
Однак гомогенізований термічна обробка деталей зі сплавівспрямованої кристалізації супроводжується поліпшенням механічних властивостей,оскільки зміцнюючої фаза після спрямованої кристалізації маєнеправильну форму і значно укрупнено. При швидкості кристалізації 4мм/хв розміри ((-фази досягають 1 мкм, тоді як після термічноїобробки - 0,5-0,6 мкм, причому виділення стають однорідними ірівномірно розподіленими за об'ємом. Частки ((-фази істотно меншевиростають у процесі високошвидкісної спрямованої кристалізації, вони навітьменше, ніж у направлено кристалізованих і потім термообробленихсплавів.
При равноосной кристалізації швидкість охолодження сплавів майже така ж,як і при термічній обробці у вакуумі, тому частки ( '-фази,виділилися під час кристалізації, мало відрізняються за розмірами відчастинок, що виділяються в процесі охолодження при термічній обробці, іподальшого подрібнення часток не відбувається.
Термічна обробка стабілізує структуру сплавів, збільшуєоб'ємне зміст ( '-фази, зменшує ступінь її неоднорідності похімічним складом і за розмірами, знижує рівень ліквації, що в підсумкупризводить до суттєвого підвищення характеристик довговічності лопатоктурбін.
Особливого значення набуває термічна обробка лопаток турбін приремонті, коли потрібно відновити початкову структуру і властивостісплавів, що зазнали істотних змін в процесі експлуатації притривалому впливі на деталі термомеханічних навантажень. Своєчасневідновлення тонкої структури сплавів при ремонті забезпечує дво -трикратне збільшення їх ресурсу.
Спрямована кристалізація повідомляє сплавів підвищення межівитривалості, тривалої міцності і пластичності.
| Марка | ЖС6К | ЖС6У | ЖС6Ф | ЖС6К-НК | ЖС6У-НК | ЖС6Ф-НК |
| сплаву | | | | | | |
| (-1900 | 250 | 290 | 260 | 260 | 310 | 350 |
| (1001000 | 160 | 170 | 180 | 175 | 185 | 190 |
| (20 | 5 | 6 | 6 | 6 | 8 | 9 |
Розвиток спрямованої кристалізації забезпечило рішення задачі одержанняевтектики з орієнтованою структурою, що представляють собою природнікомпозиційні жароміцні сплави. Температурний рівень їх роботиістотно вище, ніж у сплавів з равноосной і спрямованої структурами.
При високих температурах основним упрочнітелем жароміцних композиційнихсплавів системи (/((- МІС є волокна мес, які мають високутемпературної стабільністю.
Дуже перспективними є керамічні матеріали на основі Si3N4,
SiC, окислених евтектики, які дозволяють забезпечити роботу лопатоктурбін високотемпературних двигунів при робочих температурах до 1550 -
2200 (С.
Розглянемо деякі марки сплавів, які використовуються для виготовлення дисківтурбін.
Диски останніх ступенів компресорів та диски турбін авіадвигунівсхильні до високих навантажень і нерівномірного нагрівання. Так, наприклад, обіднагрівається до 550-800 (С, а маточина дисків турбін нагрівається до 300-500 (С.диски містять велику кількість концентраторів напружень, томуматеріали для дисків турбін повинні мати такі властивості:
1. Високу міцність і жароміцних у всьому діапазоні робочих температур.
2. Низьку чутливість до концентрації напружень.
3. Високу пластичність при тривалому і короткочасному навантаженні.
4. Високий опір малоцікловой втоми.
5. Стабільність структури і фазового складу сплаву.
6. Хорошу технологічність.
Виконання цих вимог досягається зміцненням твердого розчину,збільшенням об'емног змісту ((-фази, контролем за виділенням карбідів і
((-фази по межах зерен, винятком охрупчивается фаз і очищенням сплавіввід шкідливих домішок.
Дискові сплави на основі нікелю представляють собою сложнолегірованниекомпозиції, що важко піддаються деформації. У них неприпустиміохрупчивается фази типу (, (, (і інші, не повинно бути великих виділенькарбідів, зональних лікваціонних неоднорідностей.
У сучасних вітчизняних авіадвигуна застосовуються сплави для дисків,за властивостями не поступаються кращим закордонним дисковим сплавів, а потривалої міцності перевершують їх.
В дискових сплавах застосовується принцип багатокомпонентного легування,розвинений при розробці жароміцних сплавів для лопаток турбін.
В даний час для виготовлення дисків турбін застосовуютьсядеформуючі сплави ХН77ТЮР (ЕІ437БУ), ХН73МБТЮ (ЕІ698), ХН62БМКТЮ
(ЕП742), ЕП741 та ін
Хімічний склад сплавів
| | | (100750, | (,% | KCU, | |
| | | МПа | | МДж/м2 | |
| ХН77ТЮР | Загартування з 1080 (С, 8 | 350 | 15 | 0,5 | 700 |
| (ЕІ437БУ) | ч на повітрі. | | | | |
| | Старіння при 750 (С, | | | | |
| | 16 год | | | | |
| ХН73МБТЮ | Перша гартування з | 420 | 17 | 0,5 | 750 |
| (ЕІ698) | 1120 (С, 2 год на | | | | |
| | Повітрі. Друга | | | | |
| | Гартування з 1000 (С, 3 | | | | |
| | Ч на повітрі. | | | | |
| | Старіння при 800 (С, | | | | |
| | 8 год | | | | |
| ХН62БМКТЮ | Перша гартування з | 520 | 20 | 0,5 | 800 |
| (ЕП742) | 1150 (С, 8 год на | | | | |
| | Повітрі. Друга | | | | |
| | Гартування з 1050 (З, 4 | | | | |
| | Ч на повітрі. | | | | |
| | Старіння при 850 (С, | | | | |
| | 8 год | | | | |
| ЕП975 | Загартування з 1200 (С, 8 | 750 | 14 | 0,45 | 850 |
| | Ч на повітрі. | | | | |
| | Старіння при 900 (С, | | | | |
| | 8 год | | | | |
Більш висока жароміцних сплавів ЕП742 і ЕП975 зумовлена зниженнямзмісту хрому до 8-10% і введенням вольфраму, молібдену, кобальту,збільшенням кількості ((-фази до 60%. У сплаві ЕП975 сумарний зміст
(W + Mo) = 10-12%, а (Al + Ti) = 7,5%. При збільшенні сумарного вмісту ((-фазидо 60% у структурі з'являється Нерівноважна ((-(()- евтектика, томунагрів при загартування проводиться поступово, щоб уникнути оплавленняевтектики. Охолодження дисків при загартування проводять в олії або стисненимповітрям.
Подвійну загартування застосовують для поліпшення в'язкості та пластичності сплавів.
При першому загартування забезпечується досить повне розчинення зміцнюючихфаз, гомогенізація сплаву. При нагріванні під повторну загартування по кордонахзерен виділяються і коагулюють частинки карбідів, відбувається частковерозпад пересичені твердого розчину з освіту досить великихчасток ((-фази. карбід що виділяються при 1000-1050 (С, рівномірнорозподіляються за обсягом. При відсутності другого гарту однократна гартзі старінням призводить до утворення по межах зерен суцільний карбідовоїсітки, яка знижує пластичність.
При старінні відбувається додаткове виділення часток ((-фази ізміцнення сплавів. Наявність невеликої кількості порівняно крупнихсферичних часток ((-фази, сформованих під час нагрівання під другугарт, і дрібнодисперсних виділень часток ((-фази, виделевшіхся пристарінні, забезпечує максимальну довговічність дисків із сплавів ЕІ698 і
ЕП742.
Остаточна структура сплавів складається з (-твердого розчину, ((-фази ікарбідів.
Істотне розширення можливостей подальшого легування сплавів длядисків забезпечує використання металургії гранул, коли придушуєтьсярозвиток ліквації, зменшуються розміри виділень первинної ((-фази ікарбідів, підвищується технологічність та економічність використання металу.
Розміри гранул зазвичай складають 0,02-0,4 мм.
При розпиленні сплавів на гранули досягається дуже висока (до 106 (С з-
1) швидкість кристалізації, з грубої дендритних вона стає зеренбез видимих з збільшенням до 40000 часток виділень ((-фази, подрібнюються ічастинки карбідів.
компактування дисків проводиться при температурі загартування сплавів угазостатах. Технологія пресування дисків з порошків вимагає ретельноїочищення середовища від кисню, пари води та інших домішок. Наявність плівок
(Al2O3, TiO2, TiC) на поверхні гранул прискорює руйнування. Вуглецю неповинен стикатися з атмосферою на всіх етапах технологійотриманнядисків.
У авіатехніці для виготовлення валів, дисків, лабіринтів широкозастосовується дисперговані сплав ЕП741П. Термічна обробка дисків здиспергованих сплавів аналогічна деформуються.
Застосування в металургії гранул забезпечує підвищення коефіцієнтавикористання металу, більш високу міцність і зменшення масиконструкції.
Слід зазначити, що в процесі експлуатації в маточинах і ободі дисківнакопичується значна локальна пластична деформація, виникаютьмікротріщини. У ободі відбувається додаткове виділення ((-фази. У підсумкузнижується опір малоцікловой втоми.
