Вы здесь

Жаропрочный сплав для лопаток газотурбинных установок

В современном мире повсеместно осуществляется переход к новым этапам освоения месторождений углеводородов, расположенных на шельфе морского побережья Российской Федерации, а также создание, строительство и эксплуатация перспективных тепловых электростанций, в которых реализуется одновременная совместная работа газовой и паровой турбин.

Стойкий, жаропрочный сплав СЛЖС5. График. Технологии Специальной Металлургии

Коэффициент использования энергии в таких установках достигает 0,55 – 0,58, вместо традиционных 0,28 – 0,36.

Одной из основных проблем, решение которых обеспечить выход на передовые позиции в указанном наукоёмком и инновационном направлении, является развитие научной базы и создание на её основе нового поколения литейных никелевых жаропрочных сплавов с монокристальной структурой для охлаждаемых рабочих сопловых лопаток перспективных газотурбинных двигателей и установок.

Сложность решаемой задачи заключается в том, что необходимо найти оптимальное решение, одновременно удовлетворяющее двум главным, казалось бы противоречащим друг другу требованиям, а именно:

  • сплав должен обладать повышенной стойкостью к сульфидной коррозии, а, следовательно, содержание хрома в нём должно быть достаточно велико (на рисунке 1 видно, что удовлетворительная стойкость никелевых сплавов к сульфидной коррозии начинает проявляться при содержании в них хрома на уровне 12 мас. % и более);Стойкий, жаропрочный сплав СЛЖС5. График. Технологии Специальной Металлургии 
    Влияние хрома на сопротивление газовой коррозии в атмосфере сероводорода

 

  • сплав должен обладать высокой жаропрочностью, а это связано с повышенным легированием его такими эффективными при высоких температурах элементами, как вольфрам, молибден, рений.

 

Однако при высоком содержании в сплаве хрома он начинает образовывать с этими элементами охрупчивающие топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы, имеющие пластинчатую форму.

Кроме того, жаропрочность и повышенная стойкость к сульфидной коррозии связаны с необходимостью увеличения в сплаве содержания тантала, в этом случае увеличение его концентрации сверх определенного предела приводит к тому, что из кубических выделений (являющихся главным упрочнителем никелевых сплавов при высоких температурах) γ - фазы типа Ni3(Al,Ti) начинают выделяться пластинчатые образования η-фазы типа Ni3Ti, которые также резко разупрочняют сплав.

Таким образом, успешное решение задачи создания нового сплава, одновременно обладающего высокой жаропрочностью и повышенной стойкостью к горячей солевой и сульфитной коррозии требует проведения значительных научных изысканий, разработки расчетных моделей сплава «состав-свойства» и разработки технологий выплавки шихтовых заготовок, обеспечивающих минимальные отклонения концентраций легирующих элементов от расчетного состава.

Уже более двадцати лет за рубежом ведутся работы по созданию и внедрению в конструкцию ГТУ монокристаллических сплавов нового поколения, обладающих повышенным содержанием хрома и высоким уровнем жаропрочности. В результате этого появилась целая линейка новых сплавов, превосходящих отечественные, среди которых прежде можно отметить, CMSX-11B, CMSX-11C, SCA425, STAL-15 и другие. Все эти сплавы обладают удовлетворительной стойкостью к сульфидной коррозии и достаточно высоким уровнем жаропрочности, сопоставим с материалами, используемыми в авиационных двигателях, при этом наибольшим уровнем жаропрочности среди них обладает сплав CMSX-11B (Стойкий, жаропрочный сплав СЛЖС5. График. Технологии Специальной Металлургии), применение которого ограничивается исключительно предприятиями патентообладателя (GE) и он не может быть использован конкурентами.

Стоит отметить, что в России работы в этом направлении долгое время не проводились.

Для устранения этого отставания ОАО «НПО «Сатурн» была инициирована разработка нового коррозионностойкого сплава, обладающего уровнем жаропрочности сопоставимым с авиационными сплавами, и получившего в итоге имя собственное СЛЖС-5. Разработкой технологии выплавки шихтовых заготовок нового сплава занялось ООО «НТЦ «ТСМ».

В процессе разработки опытные составы сплава проходили коррозионные испытания в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» и ОАО «НПО ЦКТИ», согласно которым ни один из опытных составов не имеет склонности к катастрофической коррозии.

Кроме того, оценка стойкости сплава СЛЖС-5 к высокотемпературной солевой коррозии была выполнена на специально спроектированной установке в ОАО «НПО «Сатурн». Испытания проводились в течение 260 часов при температуре 900°С в расплаве солей 10%NaCl + 90% Na2SO4. В качестве эталонов при испытаниях были использованы широко применяемые отечественные коррозионностойкие жаропрочные сплавы ЧС-70 и ЧС-88.

Полученные результаты указывают на высокие характеристики сплава СЛЖС-5. На поверхности металла идет образование плотной защитной пленки, в результате чего масса образца несколько увеличивается, как видно на рисунке.

Стойкий, жаропрочный сплав СЛЖС5. График. Технологии Специальной Металлургии

Изменение массы образцов опытного сплава СЛЖС5 и серийных сплавов ЧС70 и ЧС88У

 

У сплавов типа ЧС, напротив происходит уменьшение массы, что связанно с потерей металла с поверхности образца из-за образования рыхлой и мене эффективной защитной пленки.

Об этом же свидетельствуют результаты микроструктурного анализа на следующем рисунке.

 

Стойкий, жаропрочный сплав СЛЖС5. График. Технологии Специальной Металлургии

Макроструктура (X150) образцов сплавов СЛЖС-5 (а) и ЧС-88У (б) после
испытаний в расплаве солей в течение 260 часов
 

 

Благодаря монокристаллической структуре образцы сплава СЛЖС-5, в отличие от сплавов ЧС с равноосной структурой, не склонны к межкристаллитной коррозии, на их поверхности формируется равномерная и плотная окисная плена, а комплекс тугоплавких элементов эффективно снижает скорость диффузионных процессов, что препятствует «выгоранию» легирующих элементов с их поверхности. Диффузионная зона свободна от вредных фаз, в том числе ТПУ.

Испытания на длительную прочность сплава СЛЖС-5 проводились при температурах 900°С и 1000°С. Результаты испытаний нового сплава и сравнение его жаропрочности с промышленными отечественными и зарубежными аналогами, а также со сплавами авиационного назначения, обобщены с использованием параметра Ларсона-Миллера (LMP) и представлены на рисунке ниже, что позволило выполнить комплексную оценку длительной работоспособности материала с учетом температуры и времени испытаний, на основании которой был определен уровень жаропрочности сплава СЛЖС-5 при температурах 900, 950 и 1000°С для временных интервалов равных 100, 500 и 1000 часам.

Cравнение уровня жаропрочности сплава СЛЖС5 с аналогами

 

Результаты анализа кривой параметра Ларсона-Миллера обобщены и представлены в таблице ниже.

 

Значения длительной прочности σTτ (МПа) сплава СЛЖС-5 для стандартных температур испытаний.

T,°C

τ, час

100

500

1000

900

348

285

259

950

265

208

188

1000

195

144

122

1050

138

90

Н.д.

 

На рисунке выше видна четкая граница, разделяющая авиационные и коррозионностойкие сплавы, предназначенные для морских и наземных ГТУ, при этом СЛЖС5 превосходит все существующие коррозионностойкие сплавы и располагается в области значений длительной прочности авиационных сплавов.

Кроме испытаний на длительную прочность сплава СЛЖС-5, были проведены контрольные испытания на кратковременную прочность. Сравнительные результаты испытаний представлены в таблице ниже.

 

Сравнение характеристик кратковременной прочности сплава СЛЖС-5 с аналогами при 20°С

Сплав

E, ГПа

σВ, МПа

σ0,2, МПа

Ψ, %

δ, %

ЖСКС-2

13,7

1240

1100

15

11

ЧС-88У

21

940

784

4

3

ЧС-70

21

880

735

5

3

IN738

Н. д.

1100

955

5,5

5

IN792-A

Н. д.

1029

881

10,7

5,8

СЛЖС-5

15,2

1245

1000

14,7

7,2

 

Установлено, что СЛЖС-5 превосходит по пределу прочности отечественные и зарубежные сплавы, информация о результатах разрывных испытаний которых опубликована в литературе. При этом, он обладает достаточно высоким уровнем пластичности, что является показателем высокой эксплуатационной надежности разработанного сплава.

Выводы

1.  Созданный высокожаропрочный коррозионностойкий сплав СЛЖС5, не уступающий по коррозионной стойкости широко применяемым отечественным сплавам и превосходящий по уровню жаропрочности все существующие аналоги.
2.  Разработана технология получения качественных шихтовых заготовок СЛЖС-5, обеспечивающая минимальные отклонения химического состава от номинального, что обуславливает высокую стабильность структуры и свойств сплава.
3.  Сплав обладает характеристиками жаропрочности, соответствующими авиационным материалам, что позволяет использовать его не только в конструкции наземных и морских ГТУ, но также и в газотурбинных двигателях самолетов-амфибий и экранопланов.

 

Стойкий, жаропрочный сплав СЛЖС5. График. Технологии Специальной Металлургии