Жаропрочные сплавы для лопаток газовых турбин

В авиационных двигателях основные требования к материалам для лопаток турбин обусловлены самим развитием конструкции двигателя – 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, которое является в настоящее время основным. Опасность разрушения усугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границ зерен.

Для изготовления лопаток турбин используют деформируемые и литейные сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностями обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легирование ведет к практически полной потере ими технологической пластичности при деформировании. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейным, а также новым направленно-кристаллизованным и монокристаллическим сплавам, которые широко применяют в современных высокотемпературных двигателях. Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легирования обеспечило существенное увеличение рабочей температуры сплавов, причем направленные и монокристаллические сплавы группы ЖС стали более пластичными (рис. 5.2). Предельные рабочие температуры нагрева деформируемых сплавов не превышают 1000 °С.

Рис. 5.2. Повышение рабочей температуры (сплошная линия) и пластичности (штриховая линия) литейных жаропрочных никелевых сплавов для лопаток турбин

Широкое распространение получили деформируемые сплавы ХН56ВМКЮ (ЭП109), ЖС6КП и литейные сплавы ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС26, ЖС30, ЖС32 и др. Сплавы обладают высокими механическими свойствами (табл. 5.2).

Деформируемые сплавы ХН56ВМКЮ и ЖС6КП применяют при температурах не выше 950 °С. Сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеют более высокие допустимые значения температур в эксплуатации – 1000 °С для ЖС6У и ВЖЛ12У и 1050 °С для ЖС6ФНК.

Таблица 5.2

Механические свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток газовых турбин

Сплав ЖС6У без высокотемпературной термической обработки менее склонен к фазовым превращениям при длительных нагревах (900... 1050 °С). Отсутствие поперечных границ зерен, более низкий модуль упругости и более высокая пластичность сообщают сплаву ЖС6ФНК повышенную долговечность при воздействии высоких температур и циклических термомеханических нагрузок. Температурные ограничения применения жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловлены растворением и быстрой коагуляцией упрочняющей γ'-фазы и падением жаропрочности.

Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистую структуру, которая обеспечивает им повышенное сопротивление усталости, тогда как литейные сплавы с равноосной структурой характеризуются более высокой жаропрочностью.

Наиболее высокие механические свойства приобретают сплавы с монокристаллической структурой: ЖС32МОНО, ЖС36МОНО, ЖС40МОНО, ЖС47МОНО и др. Уменьшение содержания углерода в сплавах ЖС36, ЖС40 существенно снижает склонность к образованию микропор при кристаллизации отливок и повышает долговечность.

Для рабочих и сопловых лопаток газовых турбин применяют новые сплавы с низким содержанием углерода и повышенным содержанием рения и тантала. Сплавы такого типа обладают высоким уровнем жаропрочности, технологичны при получении отливок методом направленной кристаллизации, не склонны к образованию дефектов типа струйной ликвации и не подвержены рекристаллизации при термической обработке.

Направленная кристаллизация обеспечивает повышение пределов выносливости и длительной прочности, пластичности. Ниже приведены данные, характеризующие влияние кристаллизации на механические свойства сплавов:

Развитие направленной кристаллизации позволило решить задачу 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. При высоких температурах основным упрочнителем жаропрочных композиционных сплавов системы γ/γ' – МеС являются волокна МеС, которые обладают высокой температурной стабильностью.