В России иногда термин суперсплавы используют в более узком смысле для обозначения только никелевых жаропрочных сплавов по следних поколений, подчеркивая тем самым особую сложность их хи мического состава и повышенный уровень служебных свойств.

В данной работе термин использован в своей исконной трактовке принятой международным техническим сообществом.

Суперсплавы работают в газовых турбинах воздушного, морского автомобильного транспорта, танковых двигателей, газовых турбинах промышленного назначения (газоперекачивающие станции, электростанции) в ракетных двигателях, в космических аппаратах, атомных реакторах нефтехимическом оборудовании и т. п.

В основном, суперсплавы применяются как жаропрочные материалы но около 15...20% этих сплавов применяются в качестве коррозионно-стойких материалов в химической, нефтехимической промышленности, тепловой и ядерной энергетике, при производстве стекла, бумажной пульпы и средств борьбы с загрязнением окружающей среды.

Жаропрочные суперсплавы в 90-е годы XX в. составляли 40,..50% от массы конструкций газовых турбин: газотурбинных установок (ГТУ) и газотурбинных двигателей (ГТД). По прогнозам, к 2010 г. эта доля упадет до 30%, так как около 15% придется на новые классы материалов - интерметаллиды (алюминиды) никеля и титана. В расчете на 1 кВт мощности газовой турбины в ней имеется примерно 100 г суперсплавов. При подъеме температуры на входе турбины рост КПД составляет примерно 3,3...3,8 % (абс.) на каждые 100 градусов, В связи с этим температура рабочих газов на входе в турбину непрерывно повышается. Если на промышленных газотурбинных установках ГТУ-2,5П на основе авиадвигателя Д-30 (год сертификации двигателя - 1967 г.) эта температура была 648...753 °С, то на установках ГТУ-16П и ГТУ-25П на основе двигателя ПС-90А (год сертификации двигателя - 1992 г.) она возросла до 1167...1172°С, а в самом двигателе ПС-90А - до 1367 °С.

Основными узлами газовых турбин, в которых используются суперсплавы, являются: камеры сгорания и переходные узлы, направляющие (сопловые) лопатки, рабочие лопатки, турбинные диски.

Камеры сгорания. В них горит топливно-воздушная смесь, достигая температур выше 1650 °С. Тонкий слой холодного воздуха, продуваемого компрессором через охлаждающие полости, защищает материал камеры сгорания и разница в температуре металла и пламени может превышать 850 °С. Стенки камеры должны выдерживать температурные перепады при пуске и остановке турбины. При этом возникают тер-

ские напряжения и процессы малоцикловой усталости (МЦУ) и чести, вызванные перепадом давления внутри и вне камеры. Т. е. ° псплавы здесь должны обладать низким коэффициентом термического расширения (КТР), хорошим сопротивлением МЦУ и ползучести при температурах 800...1000 °С, хорошей деформируемостью и свариваемостью.

Направляющие (сопловые) стационарные лопатки. Эти лопатки на выходе из камеры сгорания ускоряют горячий рабочий поток газов и разворачивают его под нужным углом для входа в рабочую часть турбины. Так как здесь работы газ не совершает, то его температура снижается только за счет подаваемого компрессором воздуха, а так как температура газов превышает температуру плавления металла лопаток, требуется их охлаждение. Равномерное охлаждение практически неосуществимо, и в лопатках возникают термические напряжения, вызывающие МЦУ и усталостное растрескивание. Давление потока газов вызывает высокотемпературную ползучесть металла, который должен обладать высоким сопротивлением ползучести.

Рабочие лопатки. Эти лопатки служат для превращения кинетической энергии газов в работу турбины - ее силовых устройств и привода компрессора. Они состоят из лопасти (пера) и замка ( ласточкина хвоста ), закрепляющего лопатку в ободе т>рбинного диска. Часто лопатки имеют еще и промежуточный участок - голень . Между голенями помещают устройства для гашения колебаний лопаток. В конструкциях лопаток предусматриваются конвекционное и пленочное охлаждение. Перепад температур между газом и лопатками здесь ниже, чем в случае сопловых лопаток.

Рабочие лопатки, в отличие от сопловых, испытывают сильные центробежные нагрузки. Центробежное ускорение на полувысоте лопатки в 10... 100 тыс. раз превышает ускорение силы тяжести. В промышленных ГТУ центробежные напряжения в лопатках составляют около 70 МПа, а в авиадвигателях - около 250...300 МПа. Эти напряжения вызывают высокотемпературную ползучесть материала лопаток.

Перемещение рабочих лопаток в пространстве с прерывистым газовым потоком в зоне сопловых лопаток может вызвать явление много-Цикловой усталости, а необходимость пуска и остановки авиадвигателя приводит к малоцикловой усталости, при которой в большинстве слу-ев разрушение проходит по телу зерна.

временные двигатели характеризуются высокой интенсивностью из-я температуры газа при запусках, увеличением частоты вращения

в полете и при сбросах, что резко увеличивает различие в скоростях нагрева и охлаждения лопаток.

Перепады температур в лопатках вызывают при этом термомеханическую усталость, определяющую характер разрушения этих лопаток. Поскольку она проявляется в виде трещин по границам зерен, ориентиро-ванных поперек от нагружения в металле с равноосной микроструктурой, основным направлением повышения долговечности лопаток является переход на лопатки с направленной и монокристаллической структурой

Таким образом, материал для рабочих лопаток должен хорошо сопротивляться ползучести, МЦУ, газовой коррозии и окислению, иметь высокие пределы прочности и текучести, иметь хорошую вязкость.

Турбинные диски. В этих дисках действуют радиальные центробежные и тангенциальные растягивающие усилия. Пусьси и остановки вызывают в дисках явление МЦУ. Число циклов до разрушения определяется при этом как зарождением трещин размером 0,8 мм, так и ростом этих трещин под действием циклических нагрузок. Обозначается это число циклов как A/gg. Работают диски обычно при температурах 650 °С. а в современных авиадвигателях до 750 °С. Разрушаются диски, когда уровень напряжений приближается к 0,9 Og.

Таким образом, материал для дисков должен обладать высокой долговременной прочностью при температурах порядка 650...750°С, иметь высокую вязкость разрушения при этих температурах и хорошее сопротивление МЦУ.

Основными служебными характеристиками жаропрочных сплавов являются: длительная прочность, длительная ползучесть, длительная пластичность, надежность (вероятность неразрушения).

Длительная прочность. Под этим термином понимается либо долговечность (Тр), т. е. время до разрущения в условиях ползучести при данной температуре (7) и данной нагрузке (а), либо предел длительной прочности - напряжение разрущения при данной температуре и данном времени (ofoo ~ предел длительной прочности при 650 °С за 100 ч).

Долговечность (в часах) связана с температурой и нагрузкой [2]:

IgXp а - n-\ga + m-\gT+ b/T- ccs/T. (5.1)

Для суперсплавов т = 0...2; /7 = 3; b= (25...35) 10 К; с = 5...9 К/МПа-В среднем для никелевых суперсплавов 6=31 ООО К и с = 7 К/МПа-величина а для традиционных дисковых сплавов лежит в пределах (-23...-22,5), а для лопаточных и современных дисковых сплавов в пр делах (-20,5...-20).

описывается выражением

Ige = а + п - iga + т - IgT + b/T - со/Т.

(5.2)

Интересно, что при Т = const кривая зависимости от хр проходит через минимум.

Надежность. Надежность, или вероятность неразрушения (/, %) показывает, какой процент неразрушенных образцов данного материала останется к данному моменту времени при данной температуре и данной нафузке образцов.

Надежность материала наряду с так называемым человеческим фактором и рядом других факторов определяет надежность работы ГТУ и ГТД, которая в отечественных ГТД отстает от мирового уровня. Так, надежность вьшетов самолетов ИЛ-96-300 с двигателем ПС-90А составила в 1997 и 1998 гг. соответственно 98,22 и 98,85 %, в то время как в 1997 г. надежность вьшетов самолетов с двигателями CFM-56 (кооперация фирм Snecma - Франция и GE - США) составила 99,97%.

Надежность материала логнормально зависит от его долговечности и при среднем значении логарифма долговечности (ig тр ) составляет всего 50%. Значения />50% обеспечиваются при lgxp< igxp , когда надежность оценивается из выражения

/= 50-[1 + Ф(А/],%,

(5.3)

где ф -

интефал Гаусса; А= Igip - Igx ; S = (IgXp) - среднее квадратичное отклонение.

Чем меньше величина (IgXp), тем при данном значении А надежнее материал. А величина S, в свою очередь, определяется физической

Ллительная ползучесть. Ее характеризуют либо временем (х) накоп-заданной величины деформации е (%) при данной температуре и ной нагрузке, либо пределом ползучести - напряжением, при котором при данной температуре за данное время достигается заданная деформация (agioo - предел длительной ползучести при 650 °С и деформация 0,2% за 100 ч).

Зависимость от Г и а так же, как и для хр, описывается выражением (5.1), имея те же значения коэффициентов b н с. Величина коэффициента а для xg меньше, чем для хр. Так, при е = 0,5 % величина а для Хп. примерно на 0,3...1,0 меньше, чем для х.

Длительная пластичность. Она характеризует деформацию разрушения (е , %) при заданных температуре и нагрузке. Связь этих величин

и химической однородностью материала. Отсюда одной из важнейщщ задач металлургии суперсплавов является повышение их физической и химической однородности: при А/5 = 1 надежность /=84,13%; при А/5=2-/= 97,73 %; при А/5= 399,87 %; а при Л/5 = 4 - U 99,997 % Для каждого материала дисперсия логарифма долговечности 5(lgx ) имеет минимум при определенной температуре и определенной долговечности, т. е. каждый материал имеет рациональный с точки зрения надежности режим работы.

Наряду с указанными характеристиками для суперсплавов имеют важное значение и такие свойства, как кратковременный предел прочности (временное сопротивление) - а, физический и условный предел текучести - а, Oq 2, предел выносливости при симметричном повторном изгибе при вращении образца - а . Уровень всех этих свойств за время развития металлургии суперсплавов непрерывно увеличивается.

История суперсплавов началась с 1929 г., когда впервые в известный нихром 80/20 были добавлены Ti и А1 (Бедфорд, Пиллинг, Мерика), но основной толчок к развитию этих сплавов бьш дан с появлением реактивной авиации. На первых реактивных двигателях стояли лопатки из аустенитных нержавеющих сталей с очень малым ресурсом долговечности. К 1941 г. в Англии для двигателя Бритиш Уиттл бьш разработан сплав на основе никеля Nimonic 75 (нихром 80/20 + 0,4 % Ti + 0,10 % С). Через год появился сплав Nimonic 80 с более высоким содержанием титана, а затем и Nimonic 80А с 2,4 % Ti и 1,4% А1, впервые диспер-сноупрочненный выделениями у-фазы - Ni3(Al, Ti). Этот сплав явился прототипом первого российского жаропрочного сплава ХН77ТЮ (ЭИ437).

За разработку сплавов Nimonic инженер Гриффит бьш удостоен в Англии рыцарского титула.

Особенность /-фазы в том, что она, во-первых, по типу решетки (ГЦК) и еб размерам близка к у-матрице твердого раствора, во-вторых, ее прочность увеличивается с ростом температуры, в-третьих, имея в чистом виде состав NijAl, она может быть легирована Ti, Hf, Та, Nb, Мо, W и т. д., что повышает ее прочность. С тех пор все суперсплавы на никелевой основе упрочняются /-фазой. В современных сплавах содержание /-фазы достигает 60 % и выше. В 1970 г. бьш открыт гаф-ниевый эффект : повышение прочности и пластичности сплавов за счет увеличения доли /-фазы и закручивания границ зерен.

Другим направлением повышения качества никелевых сплавов была стабилизация карбида МС тугоплавкими металлами (W, Та), что затруД

няло формирование карбида СГ23С4, удерживало Сг в растворе и обеспечивало защиту сплава от высокотемпературной коррозии.

Наряду с совершенствованием состава сплавов шел и быстрый про-R технологии их получения. Очень быстро (с начала 50-х годов XX в) на смену открытой плавке для большинства сплавов пришли процессы спецэлектрометаллургии: выплавка в вакуумных индукционных печах (ВИП) или в плазменных печах с керамическим тиглем (ППКТ) с последующими рафинирующими переплавами - ВДП, ЭЛП, ЭШП, ПДП. В 1981 г. в США бьш разработан процесс вакуумного дугового двухэлектродного переплава (VADER-процесс), позволивший получать металлы с высокой степенью химической и физической однородности, мелким равноосным зерном и высокой степенью технологической пластичности. Ко второй половине 60-х годов XX в. технологическая пластичность стала лимитирующим звеном разработки новых сплавов. Легирование сплавов с целью повышения их эксплуатационных характеристик достигло такой степени, что из-за очень низкой пластичности и узкого диапазона температур деформации слитков, включая слитки ВДП, ЭЛП, ЭШП и ПДП, их уже практически невозможно бьшо деформировать. Кроме того, в этих слитках новых высоколегированных сплавов с фубой столбчатой структурой наблюдалась сильная дендритная ликвация и большой разброс в механических свойствах.

В связи с этим за рубежом уже в конце 60-х годов ( Pratt and Whitney Aircraft , Канада), a в России с начала 70-х годов (ВИЛС) начались работы по порошковой (гранульной) технологии получения заготовок и изделий из этих сплавов.

Основные системы суперсплавов и природа их упрочнения

Из пяти основньЕх механизмов упрочнения суперсплавов -твердорастворного, дисперсного (дисперсионного), зернограничного, деформационного и текстурного - от природы сплава зависят первые три. В двух первых случаях упрочнение объясняется действием внутренних напряжений, возникающих в результате внедрения в упругую матрицу либо растворенных атомов (твердорастворное упрочнение), либо частиц второй фазы. Если частицы второй фазы вьщеляются из твердого раствора при старении, то они называются преципитатами , а упрочнение - дисперсионным. Если же дисперсные частицы искусственно вво-т:ся в сплав, то они называются дисперсоидами*, а упрочнение -дисперсным. В этом втором случае речь идет об искусственных компо-