Повышение физико-механических и эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов лопаток ГТД

Проблема высокотемпературных покрытий весьма важна для машиностроения, в частности для обеспечения большой долговечности высокотемпературных узлов и деталей газовых турбин, особенно в авиационных двигателях. Прежде всего, к ней следует отнести обеспечение высокой коррозионной стойкости, прочности и пластичности покрытий.

Главным признаком развития современных авиационных двигателей является непрерывное увеличение температуры газа перед турбиной, снижение удельной массы, повышение степени сжатия воздуха в компрессоре. Это ведёт к существенному увеличению напряжённости лопаток турбин и компрессоров, к усложнению конструкции и увеличению стоимости авиационных двигателей.

Из-за высокой термомеханической напряжённости лопатки турбин имеют малые ресурсы и в значительной мере ограничивают межремонтный ресурс двигателей в целом. Поэтому задача разработки и внедрения новых высокоэффективных методов увеличения прочностных свойств, коррозионной стойкости металлов, сплавов, покрытий и изделий является важнейшей в решении проблемы повышения долговечности лопаточных элементов газотурбинных двигателей.

Комплексное решение этих задач привело к созданию и практическому применению многочисленных жаростойких защитных покрытий. В настоящее время разработано большое число различных композиций покрытий, методов их нанесения на детали, найдены десятки способов интенсификации технологических процессов формирования покрытий.

Развитие высокотемпературных покрытий непосредственно связано с разработкой жаропрочных сплавов для газовых турбин и с решением проблемы сохранения несущих свойств высокотемпературных деталей в течение заданного ресурса. Если на низкотемпературных деталях из деформируемых сплавов, а также сравнительно малонагруженных деталях из литейных никелевых или кобальтовых сплавов достаточно высокую работоспособность имеют диффузионные покрытия с высоким содержанием алюминия, то на деталях из высокотемпературных литейных сплавов весьма широкое промышленное применение нашли многокомпонентные алюминидные покрытия, а в последние годы ведутся интенсивные исследования теплозащитных керамических покрытий, прежде всего на основе оксидных систем с низкой теплопроводностью.

Развитие покрытий опирается на разработку теории переноса элементов при насыщении ими поверхностных слоёв металлов и сплавов, глубокое изучение механизмов формирования покрытий и исчерпания их защитных функций, исследование химического и фазового состава, структуры и механических свойств покрытий.

Большое практическое значение имеют результаты, полученные при изучении физико-химических и механических свойств системы сплав – покрытие, учитывающих взаимное влияние элементов покрытия и сплава на характеристики долговечности нагруженных высокотемпературных деталей. Появился ряд новых методов доставки элементов покрытия к поверхности деталей (электродуговое плазменно-катодное распыление в вакууме, ионная имплантация, лазерное осаждение), совершенствуется метод электроннолучевого испарения и конденсации покрытий в вакууме, быстро развиваются комбинированные методы нанесения многофункциональных защитных покрытий. На рисунке 1 показаны возможные методы повышения физико-механических свойств жаропрочных сплавов.

Рисунок 1. Методы повышения физико-механических свойств жаропрочных сплавов

Легирование на структуру и жаропрочные свойства сплава

Важную роль в формировании механических свойств и жаропрочности сплавов играет легирование теми элементами, которые образуют упрочняющие фазы: алюминием, титаном и углеродом. В современных высоколегированных литых и деформированных сплавах на никель хромовой основе суммарное содержание алюминия и титана достигает 7 – 10% (по массе). Количество этих элементов в сплаве обуславливает не только количество γ'-фазы, но и степень ее дисперсности, состав и количество карбидных фаз. С увеличением содержания этих элементов повышаются количество фазы и размер ее частиц, причем содержание титана в меньшей мере сказывается на увеличении размеров γ'-фазы.

Так, с изменением содержания алюминия от 4 до 7,0% при постоянном легировании твердого раствора и одинаковом содержании титана, равном 3,0%, структура литого сплава ЖС6У-ВИ в термически обработанном состоянии изменяется. Размер частиц γ'-фазы при повышении содержания алюминия от 4 до 7% (по массе) возрастает более чем на порядок. Меняется также и форма этих частиц — от правильных кубиков при 4,0 % Аl до кристаллов неправильной геометрической конфигурации при 7 – 7,5% (по массе). Изменение содержания титана от 0 до 3,4% (по массе) при количестве алюминия, равном 4,5% (по массе) также привело к увеличению размера частиц γ'-фазы, однако в значительно меньшей степени. Площадь поперечного сечения частиц γ'-фазы возросла от 0,07 мкм2при 1,8% до 0,3 мкм2при 3,4% Ti (по массе). Превышение суммарного содержания алюминия и титана сверх 8% (по массе) приводит к образованию грубых избыточных выделений γ'-фазы, которые не удается устранить с помощью термической обработки. Методом микрорентгеноспектрального анализа в работах А. Н. Соколова показано, что эти выделения обогащены титаном. Массивные избыточные выделения, распределяясь в теле и по границам зерен, вызывают снижение жаропрочности и пластичности сплавов.

Оптимальные жаропрочные свойства у сплавов типа ЖС6У достигаются при содержании алюминия, не превышающем 5,5% (по массе), количестве титана, равном — 3%. Существенную роль играет также соотношение между содержанием алюминия и титана, поскольку от этого при прочем равном легировании зависят состав и форма карбидных выделений. При соотношении 1,3 — 1,5 в структуре видно большое количество карбидов титана, а при соотношении ~ 2 появляется значительное количество двойных карбидов игольчатой формы, которые приводят к снижению жаропрочности и пластических свойств (рисунок  2 а, б).

Рисунок 2. Вид карбидных фаз в зависимости от соотношения Al и Ti в сплаве, х500:  а – 4,5 % Al, 3% Ti; б – 7 % Al, 3% Ti

Большое значение для жаропрочных свойств имеет также количество углерода в сплаве и распределение карбидных фаз. Оптимальным для литых жаропрочных сплавов типа ЖС6У является содержание углерода, равное ~ 0,15 %, и распределение карбидов, при котором образуется прерывистая тонкая сетка по границам зерен, что способствует увеличению сопротивления разрушению при повышенных температурах. С повышением содержания углерода до 0,25% увеличивается количество карбидных фаз и утолщаются границы зерен, что приводит к понижению пластичности и жаропрочности.

Ионно-плазменное азотирование.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) – это разновидность химико-термической обработки деталей машин, инструмента, штамповой и литьевой оснастки, обеспечивающая диффузионное насыщение поверхностного слоя стали и чугуна азотом (азотом и углеродом) в азотно-водородной плазме при температуре 400-600ºС, титана и титановых сплавов при температуре 800-950 ºС в азотосодержащей плазме. Принцип действия ИПА заключается в том, что в разряженной (р=150-1000 Па) азотосодержащей газовой среде между катодом – деталями и анодом – стенками вакуумной камеры – возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы), обеспечивающую формирование азотированного слоя, состоящего из внешней – нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны. Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионного азотирования, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси. Температурный диапазон ионного азотирования при упрочнении стали и чугуна шире, чем газового и находится в пределах 400-600 ºС. Обработка при температурах ниже 500 ºС особенно эффективна при упрочнении изделий из инструментальных легированных сталей для холодной обработки, быстрорежущих и мартенситно-стареющих сталей, т.к. значительно повышает их эксплуатационные свойства при сохранении твёрдости сердцевины на уровне 55-60 HRC. ИПА способствует значительному повышению износостойкости и сопротивления задиру и усталости. Варьируя состав газа, давление, температуру и время выдержки можно получать слои заданной структуры и фазового состава. Оптимизация свойств упрочняемой поверхности обеспечивается за счёт необходимого сочетания нитридного и диффузионного слоёв, которые врастают в основной материал. В зависимости от химического состава стали и условий азотирования нитридный слой является либо γ’– фазой (Fe4N) либо ε- фазой (Fe2-3N), причём ε-нитридный слой является корозионно-стойким, а γ’- слой – износостойким и относительно пластичным. При этом, в зависимости от целей обработки, в результате ИПА возможно получение как диффузионного слоя с развитой нитридной зоной, обеспечивающей высокую сопротивляемость коррозии и прирабатываемость трущихся поверхностей – для деталей, работающих на износ, так и диффузионного слоя без нитридной зоны – для режущего и щтампового инструмента и деталей, работающих при знакопеременных нагрузках в условиях изнашивания при высоких давлениях. В результате ионного азотирования могут быть существенно повышены следующие характеристики изделий: - износостойкость, - усталостная выносливость, - антизадирные свойства, - теплостойкость, - коррозийная стойкость. ИПА обеспечивает стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке. Кроме того, по сравнению с газовым азотированием в печи, ИПА обеспечивает: - сокращение продолжительности обработки в 2-5 раз, как за счёт снижения времени нагрева и охлаждения садки, так и за счёт уменьшения времени изотермической выдержки; - снижение хрупкости упрочнённого слоя; - сокращение расхода рабочих газов в 20-100 раз; - сокращение расхода электроэнергии в 1,5-3 раза; - исключение операции депассивации; - снижение деформации настолько, чтобы исключить финишную шлифовку; - простоту и надёжность экранной защиты от азотирования не упрочняемых поверхностей; - улучшение санитарно-гигиенических условий производства; - полное соответствие технологии всем современным требованиям по охране окружающей среды. Применение ИПА вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объёмной или ТВЧ закалки позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред. На рисунке 3 показан характерный вид микроструктуры  азотированного слоя.             

Рисунок 3. Характерный вид микроструктуры азотированного слоя