Вы здесь

Разработка и исследование нового жаропрочного никелевого сплава для дисков газотурбинных двигателей и установок

С применением компьютерного метода оптимизации жаропрочных сплавов (КМО ЖС) разработан новый сплав для дисков газотурбинных двигателей и установок, предназначенный для эксплуатации при температурах до 850°С. Сплав отличается высоким структурным совершенством и стабильностью. По уровню жаропрочности при 650°С сплав соответствует лучшим отечественным материалам этого класса, при этом его прочностные характеристики в области 20°С значительно превышают российские аналоги и отвечают соответствующим показателям перспективных зарубежных сплавов (> 1700 МПа).

В настоящее время газотурбинное двигателестроение претерпе­вает этап интенсивного развития, что обусловлено рядом причин, в том числе:

  • значительным усилением роли авиационного транспорта, обеспечивающего перевозки пассажиров и перемещение грузов на боль­шие расстояния в течение нескольких часов;    
  • требованиями создания нового поколения авиационной и мор­ской техники оборонного, военно-транспортного и специального назначения;
  • резко возросшей ролью газотурбинных установок в энергетике, при развитии и освоении богатых полезными ископаемыми терри­торий;
  • ролью газотурбинного двигателестроения в качестве основного локомотива при получении принципиально новых конструктор­ских, технологических и материаловедческих решений, обеспечива­ющих эффективное развитие ряда важнейших отраслей экономики, определяя тем самым современный уровень производства, техноло­гическую и экономическую независимость государства.

Перспективные газотурбинные двигатели предполагают повы­шенные нагрузки на каждую ступень турбомашины и, соответствен­но, на диски газовых турбин.

Прогнозируемое увеличение удельной тяги ГТД с 7—8 (4-е поколе­ние — АЛ 31Ф, РД 33) до 9—10 (5-е поколение) и 15—16 (6-е поколе­ние) кгс/кг связано, в первую очередь, с повышением термодинами­ческих параметров теплового процесса — увеличением температуры газа перед турбиной с 1700 К до 1900—2100 К, получением гораздо более легких и жестких конструкций, способных при этом работать в условиях воздействия более высоких температур и напряжений.

Одними из наиболее критичных элементов газотурбинных двига­телей являются диски турбин и последних ступеней компрессоров, изготавливаемые из никелевых жаропрочных сплавов.

 

Высочайшие требования к этим сплавам определяются тем, что:

  • они работают в условиях одновременного действия растягиваю­щих, термоциклических и циклических нагрузок [1—3], при этом в разных элементах дисков (обод, полотно и ступица) температура, величина и соотношение различных видов нагрузок существенно отличаются;
  • конструктивно диски выполнены таким образом, что в них возникают значительные концентраторы напряжений (вблизи отверстий, галтелей, шлицевых пазов, пазов для замков лопаток и т.д.):
  • значительным объемом их применения в двигателях. В частно­сти, в турбовентиляторном двигателе Trent-800 доля дисков турбины составляет примерно 20% массы деталей, а их стоимость равна 10% стоимости двигателя после ввода его в эксплуатацию. Для двигателя EJ200, используемого на военных самолетах, эти показатели равны 5% и 25% соответственно [4];
  • разрушение диска, как правило, приводит к разрушению двигате­ля и в ряде случаев — к гибели самолета.

 

Указанные проблемы и перспективы развития ГТД определяют новые требования к сплавам для дисков газовых турбин, которые можно сформулировать следующим образом:

  • улучшение прочностных показателей длительной и кратковре­менной прочности, как при обычных, так и при существенно более высоких по сравнению с реализуемыми в настоящее время рабочи­ми температурами;
  • наличие у материала значительного уровня вязкости разрушения, низкой чувствительности к концентраторам напряжения и высокой пластичности, а также высокого сопротивления переменным на­грузкам в условиях малоциклового и многоциклового нагружения;
  • повышение структурной стабильности материала — основы уве­личения надежности, работоспособности и ресурса при высоких температурах;
  • получение различного (оптимального) комплекса свойств в раз­ных частях диска, каждая из которых подвергается особому воздей­ствию возникающих в процессе эксплуатации напряжений.

Начиная с 80х годов прошлого века, в России и за рубежом активно ведутся работы, направленные на повышение эксплуатационных характеристик дисковых сплавов. При этом значительное внимание уделяется проблеме улучшения прочностных свойств в диапазоне от комнатной до рабочей температуры. Известно, что увеличение прочностных показателей сплавов при комнатных и невысоких температурах обеспечивает надежную работу ступицы диска и двигателя при запусках и остановах, а более высокие значения прочности при рабочих температурах позволяют существенно улучшить надежность, долговечность и тактико-технические параметры новых изделий.

В частности, в сплавах Alloy 10, LSHR, FGH95, TMW-4, а также в новом сплаве фирмы Honeywell достигнутый уровень предела прочности  составляет (1650-1742) МПа. При этом следует особо отметить китайский сплав FGH95, обладающий рекордным значением предела прочности при комнатной температуре, равным 1742 МПа, и максимальным пределом текучести , составляющим 1469 МПа. Отечественные сплавы, созданные в последние годы, характеризуются несколько более низким уровнем предела прочности при комнатных температурах, который составляет (1560-1650) МПа (сплавы ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П, ЭК152, ВЖ175, ЭП962НП и др.). Примерно так же соотносятся характеристики зарубежных и отечественных новых сплавов по важному показателю - пределу текучести при комнатной температуре. У отечественных сплавов  составляет (1130-1215) МПа, у зарубежных значение этого показателя достигает (1125-1469) МПа.

При температурах порядка 650°С показатели отечественных сплавов соответствуют достигнутому за рубежом уровню. Новые сплавы имеют сточасовую длительную прочность при 650°С в пределах от 1070 МПа (ВЖ175) до 1140 МПа (ВВ752, ВВ753), соответствующие показатели зарубежных сплавов имеют близкие значения; 1115 МПа (сплав LSHR) и 1156 МПа (сплав фирмы GE).       

Таким образом, одной из главных целей совершенствования легирования никелевых жаропрочных сплавов для дисков газовых турбин является обеспечение высоких значений и  при средних температурах, т.к. именно при этих температурах работает ступица диска, испытывающая максимальные радиальные нагрузки.

Настоящая работа связана с получением дискового жаропрочного никелевого сплава, легирование которого осуществлено на основе практической реализации созданного и представленного в ряде работ [5-9] компьютерного метода оптимизации составов жаропрочных сплавов (КМО ЖС), но уже применительно к материалам для дисков газовых турбин.

Сплав разрабатывался с целью обеспечения высокого уровня прочности ( ≥ 1700 МПа) при температурах работы ступицы диска в новых двигателях. Одновременно он должен обеспечивать надежную работу в области температур (650-850)°С, которые отвечают перспективным прогнозам для ободной части этих ответственных узлов ГТД. Одним из таких показателей является наличие жаропрочности при 650°С (  ≥ 100 МПа).

Химический состав нового материала соответствует сплаву ВВ753, отличаясь от него содержанием Со и Re, а также концентрацией W.

Выплавленный методом ВИП слиток сплава рассчитанного состава имевший размеры Ø95x180 мм был подвергнут многократному вакуумнодуговому переплаву, затем предварительной термической обработке, деформации и окончательной термической обработке.

Технология вакуумно-индукционной плавки слитка отработана и реализована А.М.Михайловым (Научно-технический центр «Технологии специальной металлургии» - НТЦ «ТСМ»), технология ВДП, термической обработки, деформации и окончательной термообработки - Ш.Х.Мухтаровым (ИПСМ РАН).

 

Исходная микроструктура сплава

На Рисунке 1 представлена микроструктура слитка сплава после многократного аргоно-дугового переплава на лабораторной установке (в виде слитка весом около 200 г), подвергнутого термической обработке, которая включала в себя:

  1. нагрев и отжиг Т=1100°С (2 ч.);
  2. нагрев до Т=1200°С и отжиг 10 ч.;
  3. нагрев до Т=1240°С и отжиг 20 ч., охлаждение с печью до Т=1210°С;
  4. отжиг при Т=1210°С (4 ч.), охлаждение на воздухе;
  5. старение при Т=860°С (6 ч.), охлаждение на воздухе;
  6. старение при Т=750°С (32 ч.), охлаждение в печи.  

 

Разработка и исследование нового жаропрочного никелевого сплава для дисков газотурбинных двигателей и установок

Рисунок 1 Электронно-микроскопическое изображение многократно переплавленного литого сплава: а - исходное литое состояние, видна цендритная структура, б-г - микроструктура после термической обработки. Микроструктура однородная, неравновесная междендритная эвтектика почти полностью растворилась после термообработки. В структуре также отмечаются карбиды размером (5-7) мкм

 

Видно, что термическая обработка приводит к повышению однородности микроструктуры. Получена крупнозернистая матричная структура с частицами γ'-фазы размером около 0,2 мкм, в которой почти полностью растворена неравновесная эвтектика и отмечается присутствие карбидов размером до (5-7) мкм.

 

Проведение горячей деформации и ее влияние на микроструктуру и механические свойства сплава

Перед горячей деформацией проводилась термическая обработка, которая включала в себя:

Нагрев и отжиг с постепенным повышением температуры от 1100°С до 1240°С. Общее время отжига составило 24 часа. Затем постепенное охлаждение до 1150°С со скоростью ≈ 25°С/час и промежуточными выдержками. Охлаждение с температуры 1150°С до комнатной осуществлялось с печью.

Последующая горячая деформация включала в себя предварительную и окончательную стадию при 1180°С.

На Рисунках 2 и 3 представлены исходные литые заготовки и заготовки, полученные после горячей деформации. Видно, что исходные (до деформации) заготовки, полученные из переплавленного сплава, меньше по размеру. После горячей деформации заготовки из переплавленного сплава показали меньше боковых трещин, что указывает на лучшее качество переплавленного материала.

Разработка и исследование нового жаропрочного никелевого сплава для дисков газотурбинных двигателей и установок

Рисунок 2 Литые заготовки сплава: а - заготовка, вырезанная из исходного   слитка   и   переплавленные   слитки   до   проведения   термической обработки; б, в - заготовки после термической обработки, приготовленные для проведения   горячей  деформации  из  (б)  исходного  литого  материала,  (в) переплавленного материала

Деформированные     заготовки     сплава     подвергали     упрочняющей термической обработке, которая включала в себя:                                    

  1. отжиг при Т=1200°С (4 ч.), охлаждение на воздухе;                                  
  2. старение при Т=860°С (6 ч.), охлаждение на воздухе;                              
  3. старение при Т=750°С (32 ч.), охлаждение в печи.

Из деформированных заготовок были изготовлены плоские образцы на растяжение с размерами рабочей части 8x3,5x1,5 мм, которые перед испытанием шлифовались для снятия напряженного слоя. Кратковременные испытания на растяжение проводили при температуре 20°С.

Разработка и исследование нового жаропрочного никелевого сплава для дисков газотурбинных двигателей и установок

Рисунок 3 Деформированные заготовки сплава, полученные из: 1- исходного материала, 2-переплавленного материала. Видно, что переплавленный материал деформировался лучше - с меньшим количеством боковых трещин

В Таблице 1 представлены механические свойства образцов нового сплава в деформированном состоянии, полученного из металла ВИ и металла (ВИ+ВДП, многократный переплав).

 

Таблица 1

Сравнительные механические свойства при растяжении сплава после горячей деформации и упрочняющей термической обработки

Разработка и исследование нового жаропрочного никелевого сплава для дисков газотурбинных двигателей и установок

На Рисунке 4 приведена диаграмма растяжения образца из металла (ВИ+ВДП) при 20°С. Видно, что предел прочности материала превышает 1700 МПа при высоком уровне пластичности.

Таким образом, созданный новый сплав, полученный двойным вакуумным переплавом (ВИ+ВДП) имеет после деформации и двухступенчатого старения пределы прочности и текучести при 20°С, равные (1708 и 1250) МПа соответственно, а пластичность ≈11%.

При высокотемпературных испытаниях (Т=650°С, нагрузка 1000 МПа) исследуемый образец нового сплава простоял более 100 час. без разрушения.

Разработка и исследование нового жаропрочного никелевого сплава для дисков газотурбинных двигателей и установок

Разработка и исследование нового жаропрочного никелевого сплава для дисков газотурбинных двигателей и установок
Рисунок 4 Зависимость напряжение-деформация при растяжении образца сплава, плавка ИПСМ + ТО + деформация 1180°С + старение двухступенчатое

Такие показатели не имеет ни один отечественный дисковый сплав, а среди зарубежных он соответствует самым высоким параметрам.

Сейчас крайне важным становится доведение этой работы до опытно-промышленного и промышленного освоения, поскольку новый материал позволяет заметно уменьшить размеры и вес ступицы диска, что в свою очередь приведет к улучшению параметров газотурбинных двигателей и установок.