Статья:

Повышение физико-механических и эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов лопаток ГТД

Конференция: XVII Студенческая международная научно-практическая конференция «Технические и математические науки. Студенческий научный форум»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Маркова Е.В. Повышение физико-механических и эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов лопаток ГТД // Технические и математические науки. Студенческий научный форум: электр. сб. ст. по мат. XVII междунар. студ. науч.-практ. конф. № 6(17). URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF_tech/6(17).pdf (дата обращения: 22.09.2021)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Повышение физико-механических и эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов лопаток ГТД

Маркова Екатерина Владимировна
магистрант, Рыбинский Государственный Авиационный Технический Университет имени П.А. Соловьева, РФ, г. Рыбинск
Фоменко Роман Николаевич
научный руководитель, Рыбинский Государственный Авиационный Технический Университет имени П.А. Соловьева, РФ, г. Рыбинск

 

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

 

Список литературы:
1. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей(сплавы, технологии, покрытия) [Текст] / Е. Н. Каблов – М.: ·МИСИС·, 2001. – 632 с.
2. Шатульский А.А. Прогрессивные материалы и технологии при производстве ГТД: Учебное пособие [Текст] / Шатульский А.А. – РГАТА им. П.А. Соловьева, ОАО «НПО «САТУРН». – Рыбинск, 2005. – 177с. 
3. Кишкин С.Т. Электронномикроскопические исследования структуры жаропрочных сплавов и сталей [Текст] / С.Т. Кишкин,Э.В. Поляк – М.: «Металлургия», 1969. – 181 с.
4. Симс Ч. Жаропрочные сплавы [Текст] / Ч. Симс, В. Хагель – М.: «Металлургия», 1976. – 567 с. 
5. Абраимов Н.В. Химико-термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов [Текст] / Н.В. Абраимов, Ю.С. Елисеев – М.: Интермет Инжиниринг, 2001. – 622 с.
6. Замятин А.Ю. Основы обеспечения качества металлических изделий с неорганическими покрытиями: Учеб.пособие для вузов [Текст] / А.Ю. Замятин, Ю.П. Замятин, В.Ф. Безъязычный, В.Ю. Замятин. – М.: Машиностроение, 2005. – 608 с.
7. Бахрунов К.К. Разработка процессов диффузионного насыщения поверхностей охлаждаемых лопаток газовых турбин. V Международная научно-техническая конференция: [Текст] / К. К. Бахрунов УГТУ УПИ им. Первого президента Б. Н. Ельцина. Екатеренбург, 2009 Т. 1 С. 43-48.