| |||||
МЕНЮ
| Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы, применяемые в авиационных двигателях, и их термическая обработкаЖаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы, применяемые в авиационных двигателях, и их термическая обработкаМИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ Реферат по дисциплине «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» на тему: «Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы, применяемые в авиационных двигателях, и их термическая обработка» 2001 год В авиационных двигателях широкое применение нашли жаростойкие и жаропрочные
никелевые сплавы. В качестве жаростойких применяют сплавы ХН60ВТ (ВЖ98, Термическая обработка сплавов в значительной мере определяется выбранной
системой легирования. Так, например, сплав ХН60ВТ имеет низкую концентрацию Температура закалки выбирается из условия получения однородного твёрдого
раствора. Так, например, сплав ХН50ВМТЮБ подвергают закалке на воздухе от
температуры 1140(С и последующему старению при температуре 900(С в течение Наличие ((-фазы повышает жаропрочность и одновременно сообщает сплавам склонность к образованию горячих трещин при сварке и термической обработке, необходимость в термической обработке деталей после сварки или подварки технологических, а также эксплуатационных дефектов. Свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток и дисков газовых
турбин определяются термической стабильностью структуры, размерами, формой
и количеством упрочняющей ((-фазы, прочностными характеристиками (-твёрдого
раствора, оптимальным соотношением параметров кристаллических решёток (- и Основные требования к материалам для лопаток турбин обусловлены самим развитием конструкции двигателей, непрерывным повышением жаропрочности, пластичности, сопротивления термической и малоцикловой усталости, стойкости к воздействию газовой среды. Материалы для лопаток турбин современных двигателей должны обладать высокой сопротивляемостью разрушению при термической и малоцикловой усталости, которая является в настоящее время основным видом разрушения. Опасность разрушения усугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границы зёрен. Для изготовления лопаток турбин исползуют деформируемые и литейные
сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностями
обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легирование
ведёт к практически полной потере их технологической пластичности при
деформации. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейным
сплавам, новым направленно кристализованным и монокристализованным сплавам,
которые широко применяются в современных высокотемпературных двигателях. Широкое распространение нашли деформируемые сплавы ЭП109, ЭП220, ЖС6КП и литейные ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30, ЖС26, ЖС32 и др. Термическая обработка сплавов состоит из закалки и старения. Закалка производится при температурах 1220-1280(С в течение 3-5 ч. Отливки деталей получают методом точного литья по выплавляемым моделям и закаливают в вакууме. Упрочняющая ((-фаза выделяется в основном в процессе охлаждения. В процессе старения при температуре 950(С в течение 2 ч происходит дополнительное незначительное выделение частиц ((-фазы и упрочнение сплавов. Окончательная структура сплавов состоит из легированного твёрдого
раствора на никелевой основе, ((-фазы и карбидов. Макроструктура сплава Сплавы обладают высокими механическими свойствами.
Деформируемые сплавы ЭП109 и ЖС6КП применяются при температурах на
металле не более 950(С, а сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеют более высокие
допустимые значения температур в эксплуатации, соответственно 1000(С для Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистую структуру, которая обеспечивает их более высокое сопротивление усталости, тогда как литейные сплавы с равноосной структурой имеют более высокую жаропрочность. Введение гафния в сплав ЖС6ФНК усиливает карбидную ликвацию, способствует
способствует образованию в поверхностном слое карбидов Ме6С, обладающих
низкой жаростойкостью и не покрывающихся при диффузионном алитировании. Сплавы ЖС26 и ЖС32 с направленной и монокристаллической структурой обладают более высокой термической стабильностью, термостойкостью. Для обеспечения однородности состава и структуры по объёму отливки лопаток подвергаются нагреву при закалке в вакууме до более высоких, чем равноосные сплавы, температур. В процессе нагрева и высокотемпературной выдержки происходит растворение ((-фазы и карбидов МеС, Ме23С6, Ме6С в твёрдом растворе на никелевой основе. При охлаждении происходит выделение упрочняющей ((-фазы, которая обеспечивает сплавам высокие механические свойства. Для деталей из литейных никелевых сплавов широко используется гомогенизация. При гомогенизации происходит уменьшение степени ликвации и стабилизация структуры сплавов. Гомогенизация способствует увеличению объёмного содержания дисперсных частиц упрочняющей ((-фазы. Во время высокотемпературной выдержки растворяются грубые выделения ((-фазы, образовавшиеся при кристаллизации. Следует, однако, отметить, что оптимизация режимов термической обработки для достижения оптимальной формы, размеров и распределения частиц упрочняющей ((-фазы не всегда сопровождается улучшением механических свойств. Так, например, образование частиц карбидов Ме6С неблагоприятной пластинчатой формы в процессе гомогенизации и последующего охлаждения сплава ЖС6У практически сводит на нет эффект улучшения свойств путём управления структурой ((-фазы, и в итоге после гомогенизации при температуре 1210(С длительная прочность остаётся на прежнем уровне. Неоднородная структура сплавов образуется также и в случае недогрева до температуры полного растворения упрочняющей ((-фазы в сплавах. Образующиеся скоагулированные частицы ((-фазы снижают характеристики прочности и пластичности. Однако гомогенизирующая термическая обработка деталей из сплавов направленной кристаллизации сопровождается улучшением механических свойств, поскольку упрочняющая фаза после направленной кристаллизации имеет неправильную форму и значительно укрупнена. При скорости кристаллизации 4 мм/мин размеры ((-фазы достигают 1 мкм, тогда как после термической обработки - 0,5-0,6 мкм, причем выделения становятся однородными и равномерно распределенными по объёму. Частицы ((-фазы существенно меньше вырастают в процессе высокоскоростной направленной кристаллизации, они даже меньше, чем у направленно кристаллизованных и затем термообработанных сплавов. При равноосной кристаллизации скорость охлаждения сплавов почти такая же, как и при термической обработке в вакууме, поэтому частицы ('-фазы, выделившиеся во время кристаллизации, мало отличаются по размерам от частиц, выделяющихся в процессе охлаждения при термической обработке, и дальнейшего измельчения частиц не происходит. Термическая обработка стабилизирует структуру сплавов, увеличивает объёмное содержание ('-фазы, уменьшает степень её неоднородности по химическому составу и по размерам, снижает уровень ликвации, что в итоге приводит к существенному повышению характеристик долговечности лопаток турбин. Особое значение приобретает термическая обработка лопаток турбин при ремонте, когда требуется восстановить начальную структуру и свойства сплавов, претерпевших существенные изменения в процессе эксплуатации при длительном воздействии на детали термомеханических нагрузок. Своевременное восстановление тонкой структуры сплавов при ремонте обеспечивает двух- трёхкратное увеличение их ресурса. Направленная кристаллизация сообщает сплавам повышение предела выносливости, длительной прочности и пластичности.
Развитие направленной кристаллизации обеспечило решение задачи получения
эвтектик с ориентированной структурой, представляющих собой естественные
композиционные жаропрочные сплавы. Температурный уровень их работы
существенно выше, чем у сплавов с равноосной и направленной структурами. Весьма перспективными являются керамические материалы на основе Si3N4, Рассмотрим некоторые марки сплавов, применяемых для изготовления дисков турбин. Диски последних ступеней компрессоров и диски турбин авиадвигателей подвержены высоким нагрузкам и неравномерному нагреву. Так, например, обод нагревается до 550-800(С, а ступица дисков турбин нагревается до 300-500(С. диски содержат большое количество концентраторов напряжений, поэтому материалы для дисков турбин должны иметь следующие свойства: 1. Высокую прочность и жаропрочность во всём диапазоне рабочих температур. 2. Низкую чувствительность к концентрации напряжений. 3. Высокую пластичность при длительном и кратковременном нагружении. 4. Высокое сопротивление малоцикловой усталости. 5. Стабильность структуры и фазового состава сплава. 6. Хорошую технологичность. Выполнение этих требований достигается упрочнением твёрдого раствора,
увеличением объёмног содержания ((-фазы, контролем за выделением карбидов и Дисковые сплавы на основе никеля представляют собой сложнолегированные композиции, трудно поддающиеся деформированию. В них недопустимы охрупчивающие фазы типа (, (, ( и другие, не должно быть крупных выделений карбидов, зональных ликвационных неоднородностей. В современных отечественных авиадвигателях применяются сплавы для дисков, не уступающие по свойствам лучшим зарубежным дисковым сплавам, а по длительной прочности превосходящие их. В дисковых сплавах применяется принцип многокомпонентного легирования, развитый при разработке жаропрочных сплавов для лопаток турбин. В настоящее время для изготовления дисков турбин применяются
деформируемые сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437БУ), ХН73МБТЮ (ЭИ698), ХН62БМКТЮ Химический состав сплавов
Более высокая жаропрочность сплавов ЭП742 и ЭП975 обусловлена снижением
содержания хрома до 8-10% и введением вольфрама, молибдена, кобальта,
увеличением количества ((-фазы до 60%. В сплаве ЭП975 суммарное содержание Двойную закалку применяют для улучшения вязкости и пластичности сплавов. При старении происходит дополнительное выделение частиц ((-фазы и
упрочнение сплавов. Наличие небольшого количества сравнительно крупных
сферических частиц ((-фазы, сформированных во время нагрева под вторую
закалку, и мелкодисперсных выделений частиц ((-фазы, выделевшихся при
старении, обеспечивает максимальную долговечность дисков из сплавов ЭИ698 и Окончательная структура сплавов состоит из (-твердого раствора, ((-фазы и карбидов. Существенное расширение возможностей дальнейшего легирования сплавов для
дисков обеспечивает использование металлургии гранул, когда подавляется
развитие ликвации, уменьшаются размеры выделений первичной ((-фазы и
карбидов, повышается технологичность и экономичность использования металла. При распылении сплавов на гранулы достигается очень высокая (до 106 (С с- Компактирование дисков производится при температуре закалки сплавов в
газостатах. Технология прессования дисков из порошков требует тщательной
очистки среды от кислорода, паров воды и других примесей. Наличие пленок В авиатехнике для изготовления валов, дисков, лабиринтов широко применяется диспергированный сплав ЭП741П. Термическая обработка дисков из диспергированных сплавов аналогична деформируемым. Применение в металлургии гранул обеспечивает повышение коэффициента использования металла, более высокую прочность и уменьшение массы конструкции. Следует отметить, что в процессе эксплуатации в ступицах и ободе дисков накапливается значительная локальная пластическая деформация, возникают микротрещины. В ободе происходит дополнительное выделение ((-фазы. В итоге снижается сопротивление малоцикловой усталости.
|
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|