3.2.1. Взаимодействие никеля с другими элементами

Полный анализ начальных участков двойных диаграмм состояния никеля с другими элементами приведен в работе //.

У никеля богатый выбор основных и вспомогательных легирующих добавок (рис. ). 39 элементов имеют растворимость в никеле более 1 %, в том числе с 8 элементами никель образует непрерывные твердые растворы.

Для жаропрочных никелевых сплавов номенклатура основных легирующих добавок сужается. Необходимо отсеять те элементы, которые имеют низкую температуру превращения с никелем. Таким образом, остаются 10 элементов, пригодных для легирования жаропрочных никелевых сплавов: Cr, Fe, Co, Al, Ti, Nb, Mo, Ta, W, Re. Все эти элементы обладают взаимной растворимостью, поэтому возможно комплексное легирование.

Еще 5 элементов (Sb, C, Te, Zr, Ca) имеющих меньшую растворимость в никеле, могут быть рекомендованы в качестве вспомогательных добавок. Модифицирующий эффект могут оказывать: B, Mg, Y, La, Ba, Hf, Sc.

Вредные примеси для никеля были указаны ранее.

3.2.2. Жаропрочные литейные никелевые сплавы

Создание газотурбинных двигателей (ГТД), без которых немыслимо современное авиастроение, потребовало разработки новых материалов. В первую очередь жаропрочных и жаростойких сплавов, способных работать при высоких температурах и противостоять коррозии в газовом потоке. Если в двигателях внутреннего сгорания материалы работали при температурах до 800 ^оС, то в настоящее время рабочие температуры повысились до 1050 – 1100 ^оС.

Особое внимание уделялось материалу для лопаток ГТД, так как по ответственности назначения и условиям нагружения они выделяются среди других деталей. Условия работы лопаток из литейных жаропрочных сплавов каждом новом двигателе становятся все более напряженнымив связи со значительным повышением газов на входе в турбину, увеличением скорости полета, а также ресурса работы двигателей.

Характеристикой харопрочности является предел длительной прочности (σ_τ^t). Это напряжение, вызывающее разрушение образца при заданной температуре за определенное время. Например, σ₁₀₀¹⁰⁰⁰ –напряжение, которое необходимо для того, чтобы разрушить образец при 1000 ^оС. за 100 часов, или другими словами, это напряжение, при котором образец может работать без разрушения в течение 100 часов при температуре 1000 ^оС.

Задача разработки сплавов для лопаток впервые потребовала системного подхода на основе рассмотрения трех составляющих «состав сплава – конструкция лопатки – технология получения заготовки».

Ранее для изготовления лопаток использовали только деформируемые сплавы. Только после положительных испытаний на двигателях удалось сломить предубеждение конструкторов против использования литых заготовок для деталей ответственного назначения. Кроме того, стало ясно, что дальнейшее повышение параметров ГТД может быть достигнуто только при условии применения охлаждаемых лопаток. Создание литейных жаропрочных сплавов ЖС6 и его модификации ЖС6-К и освоение технологии точного литья по выплавляемым моделям решили проблему охлаждения рабочих лопаток. Только в литых деталях можно получить внутренние полости любой конфигурации. К тому же литейные сплавы обеспечивают более высокий уровень жаропрочности, чем деформируемые сплавы, так как обладают более развитым гетерогенным строением. В итоге во всем мире совершенствование ГТД пошло по пути использования литых охлаждаемых лопаток, а значит и литейных жаропрочных сплавов.

Разрушение жаропрочных сплавов при температурах эксплуатации лопаток происходит по границам зерен. Первые литые лопатки имели равноосную структуру, а значит, имели большую протяженность межзеренных границ. Для частичного устранения этого фактора была разработана технология литья лопаток с направленной структурой, ориентированной параллельно оси лопатки. Это исключило возможность возникновения на границах зерен растягивающих напряжений от центробежных сил при эксплуатации лопаток. Влияние самого слабого места в структуре лопаток – границ зерен удалось полностью устранить при разработке технологии литья монокристаллических лопаток.

В соответствии с этим новые отечественные литейные жаропрочные сплавы создавали с учетом конструкции лопаток и технологии литья, обеспечивающей направленную или монокристаллическую структуру. Составы жаропрочных никелевых сплавов приведены в таблице .

Таблица

Химический состав (среднее значение), % (масс.), литейных жаропрочных сплавов для равноосной кристаллизации

Сплав

C

Cr

Co

W

Mo

Al

Ti

Nb

V

Zr

B

Другие

Не более

ЖС6-К ЖС6У ВЖЛ12У ЖС3ДК ВЖЛ12Э IN100 B1900 MAR M200

0,18 0,18 0,18 0,09 0,18 0,18 0,10 0,15

10,6 9,0 9,5 12,0 9,4 10,0 8,0 9,0

4,5 9,8 14,0 9,5 9,0 15,0 10,0 10,0

5,1 10,3 1,4 4,3 1Ю5 - - 12,5

4,0 1,5 3,1 4,1 3,1 3,0 6,0 -

5,7 5,4 5,4 4,5 5,4 5,5 6,0 5,0

2,8 2,6 4,5 2,9 4,5 4,7 1,0 2,0

- 1,0 0,75 - 0,75 - - 1,8

- - 0,80 - 0,75 1,0 - -

0,04 0,04 0,02 - 0,02 0,06 0,10 0,05

0,015 0,025 0,011 0,012 0,011 0,014 0,015 0,015

- - - - - - Ta-4,0 -