Новости.

 Термостабильность структуры на основе Ni3Al и его применение в рабочих лопатках малоразмерных ГТД (по материалам журнала Металлы №3, 2003г.)

© 2003 г. К.Б. Поварова1, Н.К. Казанская1, В.П. Бунтушкин2, В.Г. Костогрыз3, В.Г. Бахарев3, В.И. Миронов3, О.А. Базылева2, А.А. Дроздов1, И.О. Банных1.

1Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН, Москва.

E-mail: povarova@ultra.imet.ac.ru

2Федеральное государственное унитарное предприятие

"Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов"

(ФГУП "ВИАМ"), Москва

3ОАО Омское Моторостроительное Конструкторское Бюро (ОАО ОМКБ)

Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ (грант 03-03-32463).

Проведена сравнительная оценка стабильности структур рабочих лопаток из опытного сплава ВКНА-4У Моно и серийного сплава ЖС6У после наработки на двигателе за ресурс 480 циклов и 5000 ч с целью определения их работоспособности. Монокристаллические рабочие лопатки из опытного сплава ВКНА-4У Моно на основе интерметаллида y' - Ni3Al сохраняют работоспособность в условиях длительной работы с "забросами" температур по крайней мере до 1150 °С. По составу опытный сплав близок к сложнолегированной эвтектике L - y'+y и практически может рассматриваться как естественный композит, самоорганизующийся при кристаллизации.

Сопловые и рабочие лопатки современных газотурбинных двигателей (ГТД) изготавливают из сложнолегированных жаропрочных никелевых суперсплавов, представляющих собой твердые растворы на основе никеля с ГЦК-структурой, упрочненные вторичными выделениями у'-фазы, являющейся твердым раствором на основе интерметаллида Ni3Al с упорядоченной кристаллической ГЦК-структурой (L12). Высокая жаропрочность как зарубежных, так и отечественных никелевых суперсплавов типа ЖС (ЖС6, ЖС26, ЖС32 и др.) определяется большой объемной долей (до 40 - 60 об.%) и высокой дисперсностью вторичных выделений у'-фазы Ni3Al, образующихся при старении пересыщенного твердого раствора на основе никеля и имеющих кубическую форму, период кристаллической решетки которых по сравнению с Ni-матрицей отличается на 0,3 -0,5% [1]. Потолок рабочих температур этих сплавов (1050-1100 °C) определяется их разупрочнением при указанных температурах прежде всего из-за уменьшения объемной доли вторичных выделений у'-фазы Ni3Al вследствие повышения ее растворимости в y-Ni-матрице, а также огрубления частиц у'-фазы. Одним из наиболее перспективных направлений работ с целью повышения рабочих температур "горячих" деталей ГТД, и прежде всего лопаток, является разработка конструкционных жаропрочных сплавов на основе у'-фазы Ni3Al серии ВКНА (типа ВКНА-4У, ВКНА-1В и др.). Сплавы имеют более высокую температуру плавления, являются более легкими и способны работать в окислительных средах без покрытий благодаря более высокому содержанию в них алюминия по сравнению с традиционными никелевыми суперсплавами [2 - 6]. По основным характеристикам механических свойств новые интерметаллидные литейные (и способные к деформации) сплавы удовлетворяют требованиям, предъявляемым в промышленности к сплавам для литья таких деталей ГТД, как сопловые лопатки, створки регулируемого сопла и элементы камер сгорания, дожигания топлива, а также рабочие лопатки ряда ГТД [6,7]. Настоящая работа посвящена сравнительной оценке стабильности структур рабочих лопаток турбины двигателя ТВД-20, изготовленных из опытного сплава ВКНА-4УМоно и серийного сплава ЖС6У, после наработки на двигателе за ресурс 4800 циклов с целью оценки их работоспособности.

Материалы и методы исследования. Состав опытного сплава ВКНА-4УМоно, мас.%: А1 8,5 - 9,5; Cr 4,5 - 5,5; W <= 2,5; Мо <= 5,0; Со 3,5 - 4,5; Ti 0,6 - 1,2; С <= 0,02. Он имеет двухфазную структуру ~ 90 об.% y'-Ni 3Al+10 об.% y-Ni [7]. Благодаря близким значениям периодов кристаллической решетки обеих фаз при получении сплава методом направленной кристаллизации не происходит нарушения роста кристаллитов и зарождения "паразитных" равноосных зерен, т.е. в результате получают сплав с монокристаллической структурой марки ВКНА-4УМоно, пластичность которого при комнатной температуре достигает 03B4 =30 %, а прочность - 1340 МПа. Методом высокоградиентной направленной кристаллизации на установке УВНК по технологии, разработанной в ВИАМ, из сплава ВКНА-4УМоно изготовили рабочие лопатки турбины двигателя ТВД - 20 для длительных стендовых испытаний в условиях ОАО ОМКБ. В тех же турбинах были испытаны лопатки из серийного сплава ЖС6У (литье, равноосное зерно, упрочнение границ зерен карбидами).

Увеличить Увеличить

Фиг. 1. Микроструктура опытного сплава ВКНА-4УМоно в исходном состоянии.

Для оценки работоспособности монокристаллических рабочих лопаток из опытного сплава ВКНА-4УМоно на основе интерметаллида y'-Ni3Al проведено сравнительное исследование микроструктур пера лопаток из опытного и серийного сплавов, проработавших в турбине двигателя ТВД-20 в течение 5000 ч и за 4800 циклов (более 5000 ч). Микроструктуры исследовали методом растровой микроскопии на приборах "LEO-430" и "Hitachi S-2300" при увеличениях до х 10000.

Результаты и их обсуждение. Микроструктура лопаток из опытного сплава ВКНА-4УМоно. В исходном состоянии сплав является монокристаллическим двухфазным (у'-у), границы зерен отсутствуют (фиг. 1, а, б). Основу сплава составляет легированный интерметаллид у'- Ni 3А1 (до 90 об.%). В у'-матрице равномерно распределены образующие сетку прерывистые прослойки вязкой пластичной структурной составляющей - у-фазы (твердый раствор на основе Ni). Встречаются редкие и равномерно расположенные по сечению участки у'-фазы, свободные от у-прослоек. Все это указывает на то, что сплав по составу близок к составу сложнолегиро-ванной эвтектики L=y'+y и практически может рассматриваться как естественный композит, самоорганизующийся при кристаллизации. Свободные от у-включений участки у'-фазы представляют собой первичные выделения y'-Ni3Al. Единственной термической обработкой, в которой нуждается этот литейный материал, является кратковременный высокотемпературный отжиг для снятия напряжений, возникающих при кристаллизации.

Увеличить Увеличить

Увеличить Увеличить

Фиг. 2. Микроструктура выходной кромки горячего сечения пера рабочей лопатки из опытного сплава ВКНА-4УМоно после наработки в течение 5000 ч (I) и 4800 циклов (II).

После наработки 5000 ч (фиг. 2, I) и 4800 циклов (фиг. 2, II) можно отметить следующие характерные особенности структуры выходной кромки горячего сечения пера лопатки из опытного сплава: сплав сохранил однородную двухфазную (у+у)-структуру; объемная доля у'-фазы практически не изменилась; новые фазы не обнаружены; в прерывистых прослойках у-фазы образовались дисперсные вторичные зерна у'-фазы, выделившиеся из пересыщенного у-твердого раствора на основе никеля под воздействием высоких температур и напряжений (образовавшаяся структура подобна структуре традиционных никелевых жаропрочных сплавов); произошло укрупнение всех структур-ных составляющих (табл. 1), свидетельствующее о том, что материал пера лопатки при наработке подвергался перегреву по крайней мере до 1150°С.

Микроструктура лопаток из серийного сплава ЖС6У. В исходном состоянии сплав имеет крупнозернистую структуру (фиг. 3, а, б) и является многофазным: по границам зерен видны крупные частицы карбидов неправильной формы и их скопления; дендриты являются двухфазными - выделения у'-фазы в у-твердом растворе на основе никеля. Морфология у'-фазы в осях дендритов кубическая (объемная доля фазы ~60%), в межосных участках частицы у'-фазы округлые и в 2 - 6 раз крупнее.

После наработки в течение 5000 ч и за 4800 циклов можно отметить следующие характерные особенности структуры выходной кромки горячего сечения пера лопатки из серийного сплава (фиг. 4, соответственно I и II): структура сплава остается однородной гетерофазной (у+у'+карбиды); зернограничные включения карбидов дробятся и образуют цепочки (фиг. 4, II); за 4800 циклов резко уменьшается объемная доля у'-фазы (<20 об.%),ее выделения сохраняются преимущественно вблизи стабилизированных карбидами границ зерен и в междендритных пространствах в виде прерывистых прослоек в у-матрице (твердый раствор на основе N1) и практически исчезают (1 - 7 об.%) в осях дендритов.

Последнее изменение структуры свидетельствует о том, что в процессе наработки лопатки из серийного сплава ЖС6У также подвергались перегреву по крайней мере до 1150 °С, что вызвало изменения в структуре серийного сплава, ведущие к значительному или полному его разупрочнению.

Следует отметить, что в зоне замка той же лопатки (замок не подвергается перегреву) изменения структуры соответствуют обычным, свойственным данному сплаву изменениям, связанным преимущественно с укрупнением структурных составляющих (фиг. 5 а, б).

Таким образом, проведенное металлографическое исследование горячих зон выходных кромок рабочих лопаток турбины двигателя ТВД-20, изготовленных из опытного сплава ВКНА-4УМоно и серийного сплава ЖСбУ, в исходном состоянии и после наработки на двигателе в течение 5000 ч и за ресурс 4800 циклов позволяет сделать следующие заключения об их работоспособности.

1. Монокристаллические рабочие лопатки из опытного сплава ВКНА-4УМоно на основе интерметаллида y'-Ni3Al сохраняют работоспособность в условиях длительной работы с забросами температур по крайней мере до 1150 °С, что обеспечивается высокойстабильностью структуры сплава, формирующейся при кристаллизации в результате эвтектического превращения L + у'+у. Высокая жаропрочность обусловлена сохранением высокой объемной доли у'-фазы и практически мало меняющимся соотношением долей у'- и у-фаз. Некоторое возможное снижение жаропрочности из-за огрубления обеих структурных составляющих компенсируется упрочнением прослоек у-фазы дисперсными вторичными выделениями у'-фазы, благодаря чему в сплаве дополнительно создаются участки со структурой, свойственной жаропрочным никелевым сплавам.

2. Изменения в структуре лопаток из серийного сплава ЖС6У в тех же условиях показывают, что его структура менее стабильна. При забросах температуры растворяются частицы упрочняющей у'-фазы, уменьшается ее объемная доля, что ведет к разупрочнению серийного сплава, ухудшению его работоспособности.

Наблюдаемые изменения структуры рабочих лопаток из обоих сплавов после наработки за 5000 ч и 4800 циклов полность коррелируют с данными по механическим свойствам интерметаллидного сплава ВКНА-4У и серийного никелевого сплава ЖС26 (более жаропрочный аналог ЖС6У) при длительных испытаниях на более кратковременных базах 100 и 500 ч (фиг. 6, табл. 2) [8 - 10].Видно, что для никелевого сплава термический интервал стабильности жаропрочных свойств ограничен температурами ниже 1100 °С, что обусловлено окислением поверхности или структурными изменениями в объеме металла (огрублением частиц упрочняющей у'-фазы, вызванным ускорением диффузии, и, главным образом, резким уменьшением объемной доли у'-фазы из-за ее растворения в у-матрице). Интерметаллидный сплав ВКНА-4УМоно работоспособен по крайней мере до 1150-1200 °С, так как разупрочня-ется только вследствие неизбежного при повышении температуры развития диффузионных процессов как в у'- и у-фазах, так и на межфазных границах, и связанного с этим некоторого огрубления структурных составляющих. Однако в определенной мере это компенсируется упрочнением у-прослоек вторичными выделениями у'-фазы в том температурном интервале, в котором в сплавах типа ЖС6 и ЖС26 происходит растворение упрочняющих выделений у'-фазы, обусловленное сильной температурной зависимостью ее растворимости в у-матрице.

Комплекс свойств паспортизованного спла-ва ВКНА-4УМоно, полученного высокоградиентной направленной кристаллизацией, обусловлен уникально высокой термической стабильностью структурно-фазового состояния. Это позволяет рекомендовать сплав не только для литых сопловых, но и для рабочих лопаток авиационных ГТД, работающих без защитных покрытий при температурах до 1200 °С в общеклиматических условиях в продуктах сгорания авиационного топлива.

Выводы. Замена промышленных серийных никелевых сплавов типа ЖС6У или ЖС26 интерметаллидным сплавом ВКНА-4УМоно обеспечивает возможность повышения допустимых рабочих температур на рабочих и сопловых лопатках перспективных авиационных ГТД на 50-100 °С, снижения их массы на 7-10%, улучшения жаростойкости и, как следствие, увеличение срока службы в 2-3 раза. В условиях более экономичного легирования можно снизить расход таких дорогостоящих дефицитных металлов, как вольфрам, кобальт и др. Одним из основных преимуществ интерметаллидных сплавов типа ВКНА-4УМоно является то, что сплавы этого класса не нуждаются в упрочняющей термической обработке растворение - старение, как конкурентные никелевые суперсплавы, и в связи с этим являются более простыми и надежными, а также менее трудоемкими в изготовлении.