Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow ЛИТЕЙНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Посмотреть оригинал

Никелевые жаропрочные сплавы для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

Установлено, что исключение поперечных границ зерен в структуре лопатки путем направленной кристаллизации позволяет одновременно повысить их жаропрочность, пластичность и термостойкость.

Процесс направленной кристаллизации организуется таким образом, чтобы зерна росли в направлении продольной оси лопатки. Первое время для направленной кристаллизации использовали жаропрочные сплавы, созданные для равноосного литья. Отсутствие в лопатке поперечных границ зерен привело к 3...5-кратному превосходству по долговечности в условиях термической усталости над обычными отливками (с равноосным зерном) из литейных лопаточных жаропрочных сплавов типа ЖС6У, В-1900, Rene-80, Маг-М247. Однако низкая поперечная прочность отливок со столбчатой структурой послужила толчком к некоторой корректировке состава жаропрочных сплавов, в частности к легированию сплава гафнием. Например, появились сплавы ЖС6Ф, ЖСЗО, Mar-M200+Hf, PWA-1422 или CM247LC. Гафний модифицирует игольчатые карбиды типа МеС, которые упрочняют продольные границы зерен, повышая тем самым поперечную прочность.

Следующим шагом в совершенствовании направленной кристаллизации было устранение всех границ зерен. Преимуществом единственного направленно закристаллизованного зерна над поликристалличе- ской направленно закристаллизованной отливкой явилось отсутствие потребности в таких средствах, как пластифицирование и упрочнение границ зерен за счет введения в расплав С, В, Zr, Hf. Примером таких сплавов являются ЖС30М,ЖС40, Rene-N4, CMSX-3, Р?А-1480идр. Хотя в ЖС для получения отливок с равноосной структурой концентрация этих легирующих элементов невелика, исключение их из состава сплава привело к существенному изменению структуры и свойств, в частности, характеристических точек и механических свойств. Установлено, что С, В, Zr, Hf значительно снижают температуру солидус жаропрочных сплавов и в этом случае гомогенизацию монокристаль- ных изделий можно проводить при температурах на 40...95 °С выше. Повышение температуры гомогенизации до 1260... 1320 °С позволило более эффективно использовать упрочняющее влияние легирования, поскольку при этих температурах можно перевести в твердый раствор всю у'-фазу. Кроме того, большинство жаропрочных сплавов для мо- нокристального литья, особенно ренийсодержащие сплавы, имеют более узкий интервал кристаллизации за счет повышения температуры солидус.

Исключение углерода из состава жаропрочных сплавов для моно- кристального литья означает также отсутствие карбидов, которые являются источниками зарождения микротрещин, особенно при циклических испытаниях на усталость, термоусталость и малоцикловую усталость. В результате безуглеродистые жаропрочные сплавы состоят только из сложнолегированного у-твердого раствора с решеткой ГЦК, упрочненного частицами у'-фазы на основе интерметаллида (Ni, Со), (Al, Ti, Та, Nb), т. е. являются простой системой у+у'.

Стремление повысить жаропрочные свойства за счет легирования привело к появлению в конце 80-х годов жаропрочных сплавов второго поколения, содержащих до 3% рения (ЖС36, CMSX-4, Rene-N5H PWA-1484). В 90-х годах были разработаны ренийсодержащие сплавы третьего поколения — ЖС50, CMSX-10 и Rcne-N6, в которых концентрация рения увеличена до 6 %. Однако в этих сплавах обнаружено выделение топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз, что значительно понижает длительную прочность монокристаллов в интервале рабочих температур 1050... 1100 °С. Для избежания этого в монокристальных жаропрочных сплавах четвертого поколения типа ЖС55, содержащих около 9 % рения, ограничивают суммарное содержание вольфрама и рения до 12... 14% при ограничении концентрации хрома до 2...2,5% и исключении молибдена.

При анализе химических составов монокристальных лопаток из жаропрочных сплавов первого, второго и третьего поколений следует обратить внимание на то, что жаропрочные сплавы типа Rene содержат небольшое количество углерода и бора. По мнению разработчиков этих сплавов введение добавок углерода и бора необходимо для упрочнения малоугловых границ субзерен и снижения вероятности поверхностной рекристаллизации отливок при механической обработке.

В связи с тем, что стоимость монокристальных лопаток во много раз выше, чем лопаток со столбчатой структурой, продолжается совершенствование составов жаропрочных сплавов для направленной кристаллизации. В частности, ренийсодержащие жаропрочные сплавы для направленной кристаллизации второго поколения ЖС32, СМ- 186LC, PWA-1426, Rene-142 по ряду характеристик не уступают жаропрочным сплавам для монокристального литья первого поколения типа CMSX-2 и PWA-1480. Разработаны также безрениевые жаропрочные сплавы — ЖС40, SC-84 и TMS-64, не уступающие по длительной высокотемпературной прочности на больших базах испытания жаропрочных сплавов с рением. В этих сплавах концентрация молибдена повышена соответственно до 4,0; 4,3 и 8%. Молибден растворяется в у-твердом растворе и в этом смысле является некоторым аналогом рения. В результате плотность сплава стала меньше, а жаростойкость сплавов ухудшилась (особенно сплава TMS-64). На рис. 3.1 и 3.2 представлена зависимость длительной прочности жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов.

Сравнительные данные по 100-часовой и 1000-часовой длительной прочности жаропрочных кобальтовых и никелевых сплавов

Рис. 3.1. Сравнительные данные по 100-часовой и 1000-часовой длительной прочности жаропрочных кобальтовых и никелевых сплавов

Зависимость 100-часовой длительной прочности никелевых сплавов

Рис. 3.2. Зависимость 100-часовой длительной прочности никелевых сплавов

от температуры

В последнее время работы специалистов направлены на совершенствование составов и режимов термической обработки сплавов с целью повышения их прочностных характеристик, жаростойкости, коррозионной стойкости, улучшение механических свойств. В прил. 4 приведен химический состав промышленных и экспериментальных жаропрочных сплавов для направленной кристаллизации и монокристального литья.

Среди всех возможных кристаллографических ориентаций (КГО) монокристаллов и направленно закристаллизованных зерен, соответствующих продольной оси лопатки, наибольшее распространение получила ориентация <001 >. Это связано с тем, что в ГЦК-решетке направлению [001] соответствует минимальное значение модуля Юнга, что приводит к максимальному сопротивлению мало- и многоцикловой термической усталости таких кристаллов. Кроме того, в ряде случаев используется КГО <111>, соответствующая максимальному значению модуля Юнга и, как следствие, обеспечивающая высокую кратковременную и длительную прочность при температурах до 950... 1000 °С, а также для некоторых сплавов и температур до 900 °С лучшую многоцикловую усталостную прочность.

Следует отметить, что присутствующие в шихтовых материалах примеси могут привести к появлению нежелательных фаз, поэтому при производстве жаропрочных монокристаллов предъявляются высокие требования к чистоте сплавов, особенно в отношении неметаллических включений и карбидов. Содержание углерода в ЖС ограничивается концентрацией (2...4)10_3%, серы — (5...7)10_4%, а содержание газообразных примесей 02 и N2 должно быть меньше предела их растворимости в никеле ~10_4%. Достичь столь малых содержаний примесей можно только специальными и дорогостоящими видами рафинирования. Кроме того, дорогостоящим является и технологическое оборудование, обеспечивающее направленный характер кристаллизации отливки.

Температурный уровень жаропрочности применяемых ЖС продолжает повышаться, однако темп повышения постепенно замедляется в связи с ограниченными возможностями их основы — никеля.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы