С точки зрения свойств металла, в частности М1ДУ, является размер гранул 40...60 мкм. В настоящее время в России и за рубежом используются гранулы с фракциями < 100 мкм.

Термически дегазированные в вакууме гранулы, помещенные в стальные капсулы, компактируются либо методами горячего изостатического прессования (ГИП) в газостатах или гидростатах, либо горячей изоста-тической штамповкой (ГИШ), либо экструзией.

Для получения комплекса высоких прочностных и вязкостньгх свойств для порошковых суперсплавов используют термомеханическую обработку (ТМО), формирующую в металле ожерельчатую структуру. Это -двойная микроструктура из крупных деформированных зерен, окаймленных мелкими рекристаллизованными зернами. Ее получают при деформации сплавов на 40...50 % при температуре ниже У-сольвуса, рекристаллизации выше у-сольвуса и повторной деформации на 40...50% ниже у-сольвуса.

По сравнению с традиционной технологией трудоемкость изготовления дисков снижается в 1,5-2,0 раза, расход металла снижается в 2-3 раза, коэффициент использования металла растет с 0,2...0,3 до 0,4...0,8, в результате чего диски и валы из сплава ЭП741НП на 15...20 % дешевле аналогичных деталей, полученных традиционным способом из более дешевых деформируемых сплавов (ЭП742-ИД, ЭК79-ИД и т. п.) [5].

В гранульном металле по сравнению с традиционным существенно выше однородность химического состава и свойств, что существенно повышает его надежность. Так, дисперсия 5p(lgXp) для перечисленных выше деформируемых сплавов составляет при 550...650 °С в среднем 0,0673, а для порошковых сплавов ЭП741П, ЭП741-НП, ЭП962П, ЭП975П при 650...750°С она в среднем равна 0,0340, т.е. меньше в 2 раза [2].

Длительная прочность порошковых сплавов на 25...45 % выше, чем у сплава ЭП742-ИД, и на 10...20% выше, чем у сплава ЭК79. По сравнению же со сплавом ЭИ698 она выше в 1,7...1,9 раза. Все это позволяет при переходе на гранульный металл повышать рабочую температуру на 30...50 °С, снижать массу двигателей на 10...25 %, повышать их ресурс в 5-10 раз. Так, на двигателе ГТД-2500 (ОАО Рыбинские моторы ) замена дисков из сплава ЭК79-ИД на диски из сплава ЭП741-НП (после ГИП) повысила ресурс с 3 до 15 тыс. ч [5].

В настоящее время в России наиболее широко используется порошковый сплав ЭП741-НП. С 1981 г. для гражданской и военной техники поставлено 46 тыс. порошковых дисков. В США в эксплуатации нахо-

дится более 100 тыс. таких дисков и других деталей, главным образом,

из сплава Rene 95.

В России ведутся работы над еще более жаропрочными порошковыми сплавами с повышенным содержанием легирующих элементов, в том числе Hf до 2%, с длительной прочностью ofJ = 1200... 1300 МПа, что на 200...250 МПа выше, чем у существующих порошковых сплавов.

Интерметаллиды (алюминиды) титана и железа

Наряду с интерметаллидами (алюминидами) никеля (сплавы ВКНА) весьма перспективными конструкционными материалами являются алюминиды титана и железа, достоинства которых:

- высокий абсолютный уровень служебных свойств и характеристик, сравнимый с уровнем свойств традиционных материалов-конкурентов;

- малая плотность (удельный вес) и высокий уровень удельных свойств, отнесенных к единице плотности (удельного веса), превышающий значения этих свойств у материалов-конкурентов (никелевых и титановых сплавов, сталей);

- относительная дешевизна по сравнению с материалами-конкурентами.

Интерметаллиды титана

Интерметаллиды а2-Т1зА1 [15,8 % (масс.) А1] и у-TiAl [36% (масс.) А1] имеют плотность соответственно 4,2 и 3,8 % г/см. До температур 700...800°С они сохраняют высокие значения Og, Oq2, модуля Юнга Е и хорошую жаростойкость (благодаря высокому содержанию алюминия). Благодаря низкой плотности их удельные свойства (а, а, Е) при этих температурах существенно превосходят свойства традиционных никелевых и титановых сплавов. Алюминиды титана примерно в 3 раза дешевле никелевых сплавов, длительно работающих при температурах до 700 °С, а в расчете на единицу удельной прочности они в 5 раз дешевле соответствующих никелевых сплавов. При 700 °С алюминиды 05 и у имеют = 12 км по сравнению с 8,5 км у никелевых сплавов (ХН55ВМКЮ)и титановых сплавов (ВТ18).

Разработаны различные модификации этих интерметаллидов, в том числе с дисперсным упрочнением частицами -фазы - Tu(Si, А1)з и (Ti, Nb)5(Si, А1)з.

Компактные алюминиды титана получают либо в литом состоянии, используя ВИН в холодном тигле и последующие переплавы (ВДП,

11), либо горячим изостатическим прессованием (ГИП) порошков.

Порояиси получают либо распылением жид1сих интерметаллидов (центро бежным, форсуночным), либо механичесгам легированием. Механически легированные порописи после ГИП имеют наноструктуру и сохраняют ее до 600 °С, что обеспечивает им до этой температуры значения до 2 ГПа и до 50 км. Работы в области этих материалов ведутся как в России (ВИЛС, ВИАМ, МИСиС), так и за рубежом. Сплав а2-орто (ВИАМ) с рабочей температурой 650...700°С, а= 1000 МПа и высокой пластичностью (8 > 6 %) способен прокатываться в лист и фольгу.

Интерметаллиды железа

Во Франции (Центр изучения и исследования материалов - CEREM) разработан дисперсноупрочненный композит FeA140Grade3, представляющий собой матрицу из нестехиометрического интерметаллида FeAl [Al - 40% (ат.), 24% (масс.)], легированного 0,11 % Zr и 0,0025% В, дисперсноупрочненную 1 % наночастиц Y2O3. Материал получен меха-ничесютм легированием порошков с последующей их экструзией. При низкой плотности (5,9 г/см) материал имеет в интервале температур от -196 до 800 °С высоюте механичесюте свойства (Og, aQ2, Ер), высокую износо- и коррозионную стойкость, хорошее сопротивление крипу и хорошую технологическую пластичность.

По износостойкости и стойкости против кислородной и серной коррозии материал при 800...900°С в 3-5 раз превышает сталь 316L (18CrlONi2Mo) и ее аналоги. При 600 °С (числитель) и 700°С (знаменатель) материал имеет = 528/270 МПа, 2 = 467/273 МПа и 8= 15,4/24,5 %. По этим показателям он превосходит зарубежные и рос-сийсюте стали для изделий, работающих до 700 °С. Его удельные свойства превосходят свойства этих сталей в 1,3-3,3 раза. До 400 °С его значения Og выше, чем у железоникелевого сплава IN718.

ЖАРОПРОЧНЫЕ И ВЫСОКОПРОЧНЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Литейные алюминиевые сплавы являются широко распрост раненными, в основном конструкционными, материалами, которые при меняются почти во всех отраслях современной промышленности.

По разным оценкам, от 20 до 30 % всего производимого в мир алюминия (~ 25 млн. т) используется в фасоннолитейном производстве В Советском Союзе в конце 1970-х годов производилось более 1 м - алюминиевых отливок. Это производство бьшо рассредоточено на с

нях заводов различных министерств. Аналогичная ситуация наблюдается и в других промышленно развитых странах. Так, в США сейчас яботают более 400 литейных алюминиевых фабрик. Основные требования к литейным алюминиевым сплавам - высоютй уровень эксплуатационных характеристик (т. е. механических и коррозионных свойств) в сочетании с хорошей технологичностью при литье. Последнее для используемых сейчас в промышленности технологий означает низкую склонность к образованию горячих (кристаллизационных) трещин, хорошую жидкотекучесть, минимальную усадочную пористость, т. е. хорошие литейные свойства. Именно благодаря им силумины -сплавы, в которых основным легирующим элементом [>4 % (масс.)] является кремний и в структуре которых содержится много эвтектиют - уже более 60 лет сохраняют свои лидирующие позиции среди всех известных литейных алюминиевых сплавов. И это несмотря на то, что они существенно уступают по низкотемпературной прочности сплавам на базе систем Al-Cu и А1-Zn-Mg-Cu, а по жаропрочности - сплавам Al-Cu-Mn.

В то же время высокопрочные и жаропрочные алюминиевые сплавы остро необходимы в таютх отраслях промышленности, как авиакосмическая, автомобильная, оборонная и др., для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях действия высоютх напряжений и температур.

Высокопрочными считают литейные алюминиевые сплавы с пределом текучести при растяжении Oq 2 > 300...350 МПа и пределом прочности Од > 400 МПа при комнатной температуре. К жаропрочным относят сплавы, способные работать до температур 250...300°С и имеющие предел длительной прочности oqq при 300 °С не менее 45 МПа. У силуминов такой уровень механичесютх свойств получить трудно.

В табл. 5.1 сопоставляются важнейшие механичесгае свойства наибо-тем и жаропрочных промышленных сплавов разных сис-

, используемых сейчас в производстве алюминиевого литья в России fj Z О что максимальные характеристики прочности при комнатной температуре имеют сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, а учшее сочетание прочности при комнатной и повышенной темпера-ные ГАюГ* ° алюминиевомедных сплавов. Самые высокопроч-пашт ) и жаропрочные (АК12М2МгН) силумины заметно уст>-

пают

ОДН;

им по прочностным свойствам.

низкие сплавы на базе систем Al-Cu и Al-Zn-Mg-Cu имеют очень литейные свойства. Это обусловлено их широютм эффективным

т о а с о а

1 I т о о. с

о и 2 ю

г о о.

ге ш

о и то

&

СП- г-

н и о

iri I/-)

гч о

о о ON о On

Р1£

о о чо

м-

- ч

--5 3

Щ < -

&

>>

S во

ё g -

S S а

Q. о. о

я с x

g й я I ж S 3

-ооо о

алом кристаллизации - диапазоном между температурой образова-интерв р g отливке и неравновесным солидусом спла-

Промышленные литейные сплавы систем AI-Cu и Al-Zn-Mg-Cu т состав и структуру в литом состоянии, близкую к деформируемым миниевым сплавам. Она характеризуется относительно небольшим ко-дачеством эвтектических составляющих [обычно не более 10% (об.)], а основной их структурной составляющей является алюминиевый твердый раствор (А1), легированный Си, Zn и Mg. После закалки и старения (А1) может быть существенно упрочнен дисперсными продуктами его распада с получением гораздо более высокой прочности, чем в силуминах. В последних эвтектики намного больше (до 100 %), а (А1) легирован относительно небольшими количествами Mg, Si и Си. Его дисперсионное упрочнение при термообработке дает меньший эффект, особенно по сравнению со сплавами системы Al-Zn-Mg-Cu.

Проблему повышения литейных свойств стандартных высокопрочных и жаропрочных сплавов ранее пытались решать введением малых добавок, малорастворимых в (А1) и образующих дополнительное количество эвтектики. Например, в ВИАМ сплавы системы А1-Си легировали 0,5...2% Si (сплав ВАЛ 15), действительно добиваясь некоторого уменьшения склонности к образованию горячих трещин. Однако при этом происходило заметное снижение характеристик пластичности из-за образования Si-содержащих фаз с неблагоприятной морфологией, а также жаропрочности из-за высокой диффузионной подвижности кремния.

Лучшего результата удалось добиться введением относительно небольших количеств никеля в сплав типа АМ5 [7]. Сплавы АЛЗЗ и ВАЛ 18 с 0,6...1,2% Ni, разработанные в ВИАМ, имеют неплохую жаропрочность, однако их технологичность при литье остается недостаточной.

Для кардинального решения проблемы создания нового поколения литейных алюминиевых сплавов, сочетающих более высокую по сравнению с известными прочность, жаропрочность и одновременно хорошую технологичность при литье, в МИСиС разработаны принципы легирования для получения таких сплавов [8]. Эти принципы в обобщенном виде сводятся к следующему:

1) система легирования должна быть эвтектического типа, состав сплава - близок к чисто эвтектическому, это обеспечит минимальный интервал кристаллизации;

) матричный (AI) должен быть легирован элементами, способными печить значительный эффект дисперсионного твердения после закалки и старения;

21 -

6928