УДК 669.018.44:669.245
жаропрочный деформируемый свариваемый сплав для деталей гтд с низким температурным коэффициентом линейного расширения
© Овсепян Сергей Вячеславович, канд. техн. наук; Ломберг Борис Самуилович, д-р техн. наук; Григорьева Татьяна Ильинична; Бакрадзе Михаил Михайлович, канд. техн. наук
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Россия, Москва. Е-mail: admin@viam.ru
Статья поступила 18.03.2013 г.
Изучены закономерности влияния легирующих элементов на температурный коэффициент линейного расширения деформируемых жаропрочных сплавов на основе системы №-Бе. Проведено моделирование кратковременной и длительной прочности при 600 °С, в качестве эквивалента химического состава сплава успешно применены параметры, рассчитанные по системе уравнений неполяри-зованных ионных радиусов.
Разработан новый деформируемый свариваемый сплав на М-Бе-Со-основе с рабочей температурой до 650 °С, с ав20 = 1400 МПа, ав600 = 1200 МПа и СТ1600 = 950 МПа, с низким температурным коэффициентом линейного расширения (а = 11,8x10 6 К 1 в диапазоне температур 20-600 °С). Сплав структурно стабильный, технологичный при обработке давлением и сварке и по комплексу свойств превосходит серийные сплавы аналогичного назначения. Описаны структура, фазовый состав и свойства нового сплава.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав; структура; химический состав; легирование; физико-химическое моделирование; упрочняющая фаза; температурный коэффициент линейного расширения; прочность; жаропрочность.
Применение в ответственных деталях горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) новых материалов с более высоким комплексом свойств - важное условие развития отечественного двигателестроения. В связи с этим, одной из основных задач материаловедения остаётся создание свариваемых и технологичных в производстве жаропрочных материалов с высокой кратковременной и длительной прочностью [1, 2]. К корпусным деталям и узлам сопряжения горячего тракта ГТД наряду с механическими характеристиками предъявляются требования максимального сохранения геометрических размеров в условиях изменения температур, т.е. снижение температурного коэффициента линейного расширения материала (ТКЛР).
За рубежом для различных деталей ГТД применяются свариваемые жаропрочные деформируемые сплавы на никелевой и железо-никелевой основах с низким ТКЛР, ведутся разработки новых материалов. Сочетание физических и механических свойств обеспечивается разными системами легирования.
Широко известны марки 1псо1оу 903, 907 и 909 на Бе-М-Со-основе. Их особенность - наиболее низкий среди материалов данного класса ТКЛР -а « 10-10-6 К-1 в диапазоне температур 20-600 °С, что примерно на 30% ниже, чем для наиболее распространенного зарубежного сплава 1псопе1 718 и российского ЭП718 [3]. Для образования упроч-
няющей фазы сплавы легированы ЫЬ и И: 3-4,7 и 1,5 мас. % соответственно.
Для лучшей жаростойкости в сплавы добавляют ограниченное количество Сг и А1, несмотря на то, что эти элементы способствуют повышению ТКЛР. Сплав ^егшо-Брап системы М-Бе-Со содержит около 5% ЫЬ и порядка 1,3% алюминия с титаном, до 6% Сг [4], есть также составы с 8% Сг [5]. Сплав Иаупе8 242 и более высокотемпературный Иаупе8 244 на основе М-Сг упрочняют молибденом (до 25%) и вольфрамом [6]. В сплаве 1псопе1 783 основа Со-№-Бе легирована 5,3% А1, 3% (ЫЬ+Та) и хромом, что обеспечивает высокое сопротивление окислению по границам зерен [7]. ТКЛР для всех этих сплавов выше, чем у 1псо1оу 903, 907 и 909 и находится в интервале (п,8-12,5)-10-6 К-1 при 20-600 °С.
Механические свойства сплавов всех приведенных выше марок близки. Прочность и жаропрочность составляют: ав20 = 1210-1310 МПа, а1000 = 750-800 МПа. Это ниже, чем для сплавов, разработанных без требований к ТКЛР.
Цель данного исследования - создание свариваемого жаропрочного сплава, работоспособного ^ до 650 °С, обладающего более высокими по срав- ™ нению с серийными материалами аналогичного ^ назначения (ЭП718, 1псопе1 718,) характеристиками длительной и кратковременной прочности и £ температурным коэффициентом линейного рас- 5 ширения в интервале 20-600 °С ниже 13-10-6 К-1.
За основу сплава была выбрана система М-(18-25)% Со-(22-30)% Бе. Для упрочнения вводились до 5,5% ЫЬ, до 2,7% И, молибдена, вольфрама и тантала - до 2% каждого, а также примерно до 1% хрома и алюминия. Кроме этого, сплав содержит бор, углерод и РЗМ.
Для исследования состава фаз применяли микрорентгеноспектральный анализ (МРСА) и рентгеноструктурный анализ на установке Rigaku Э/МАХ-2500. ТКЛР измеряли на дилатометре ЫЕТ7БСИ ТМА-402.
Образцы сплава оптимального состава выплавляли в вакуумной индукционной печи, затем ковали на сутунку и катали листы толщиной 1,5 мм. Далее проводили термическую обработку и исследовали физические и механические свойства, а также свариваемость и коррозионную стойкость.
Результаты исследований. Для выбора сплава с высокими механическими свойствами были проанализированы данные 77 жаропрочных никелевых и никель-железных серийных и экспериментальных сплавов [3, 8-11], на базе которых провели регрессионный анализ влияния химического состава на термическое расширение. В табл. 1 представлены коэффициенты А, уравнения, описывающего ТКЛР20-боо -с с достоверностью Я2 = 0,78:
ТКЛР20-600 -с = £(ЛС), где С - концентрация легирующего элемента в сплаве, мас. %.
При определении влияния компонентов на ТКЛР сплава сравнивали значения А, их и никеля. Видно, что Сг, V, Т1, 7г, И и С наиболее сильно повышают коэффициент линейного расширения сплава, Со, ЫЬ и А1 влияют слабо, а Бе, Ж и Мо снижают его.
Аналогичные результаты получены в работе [12], где проанализированы 262 жаропрочных никелевых сплава. На базовом составе 80% N1-20% Сг установлена зависимость ТКЛР при 538 и 650 °С от степени легирования. Так же, как и в данной работе, выявлено, что повышает тепловое расширение хром, снижают: вольфрам и в большей степени молибден. Расходится с установленными нами результатами влияние железа, которое, по мнению авторов, повышает ТКЛР, а также алюминия, ниобия и титана, снижающих его.
Если принимать во внимание только 28 сплавов с высоким содержанием железа (от 18 до 42,5%), то и на нашей базе данных добавки ниобия также снижают ТКЛР. На рис. 1 показана зависимость между экспериментальными (по литературным данным) и рассчитанными значениями ТКЛР для составов на основе М-Бе (квадратные маркеры). Достоверность аппроксимации Я2 = 0,94.
В связи с тем, что разрабатываемый сплав должен сочетать высокие прочностные характеристики и жаропрочность, быть технологичным при обработке давлением и при сварке, а также иметь низкий ТКЛР и стабильный структурно-фазовый состав при температуре до 650 °С, выбор содержания компонентов осуществлялся на основе анализа многих критериев.
В качестве физико-химического эквивалента многокомпонентного никелевого сплава могут успешно использоваться параметры, рассчитанные по системе уравнений не-поляризованных ионных радиусов (СНИР) [13, 14]. Сплав сложного химического состава можно представить одним или двумя значениями, что удобно при выборе или оптимизации легирующих добавок. Соотношение значений среднего расстояния между атомами компонентов А и среднего заряда связи между атомами Z, рассчитанных по составу сплава, определяет его механические свойства, а для его твердого раствора - стабильность структуры и фазового состава [15]. На рис. 2 представлена зависимость при 600 °С предела прочности и жаропрочности при выдержке 100 ч от параметра Р = /(А, Z), рассчитанного для 46 жаропрочных никелевых сплавов. Видна хорошая корреляция между величинами: Я2 > 0,8.
Химический состав нового сплава на основе никеля выбирали с учетом установленных зависимостей.
N
-о
г
о о
\0 I
о гч о.
I-
я а ф
Е
г
ф
I-
ф ^
я ш а ф
I-
ш
а. ^
а
со о а я
и
х
х
у
о а с о а я
П к
я ш о а
н я
0)
0) <
СТ5
о
и
0) №
Я
м
•й
I-
§
£
т Ф
а
та
ю .та
а.
н
0)
т а. т С
ТКЛР 10-6К-1 в интервале 20-600 °С
17,
е
ы н 16-
ан
да 15-
е
ы 14-
< 13-
та
н е 12-
я
и р 11-
е
= 10-
си 9^
в
ла
с
вы
« ч
У »
9 10 11 12 13 14 15 16 Рассчитанные данные
• Измеренные в данной работе ■ Справочные значения
Рис. 1. Сравнение рассчитанных и измеренных значений ТКЛР жаропрочных сплавов, легированных Бе (18,0-42,5)
100 150 р = / (а, г)
250
Рис. 2. Зависимость механических свойств жаропрочных деформируемых сплавов от параметра Р = /(А, Z)
Для обеспечения более низкого ТКЛР сплав легировали железом - от 22,0 до 30%. Для упрочнения твердого раствора были добавлены тугоплавкие элементы - молибден и вольфрам в количестве до 2% каждого. Содержание кобальта, снижающего диффузионную подвижность компонентов сплава и повышающего технологичность при обработке давлением, - до 25%.
Для формирования упрочняющей фазы типа М3ЫЬ использовали до 5,5% ЫЬ, до 2,7% И и до 2% Та. При выборе тантала учитывали результаты работы [12] где показано, что он, так же, как и ниобий, снижает ТКЛР. Для упрочнения границ зерен карбидами и боридами сплав содержит бор и углерод; для повышения коррозионной стойкости содержание алюминия и хрома в сумме составляло до ~2%. Для снижения влияния вредных примесей (Б, О, Ы, Р и др.) и для повышения коррозионной стойкости в сплав введены лантан, церий, магний и скандий, в сумме не более 0,12%.
На рис. 1 и 2 вертикальными линиями ограничены области, в которые укладывается состав нового сплава в соответствующих параметрах. Видно, что можно прогнозировать высокие значения прочности, жаропрочности и низкий ТКЛР такой химической композиции.
Также были рассчитаны параметры СНИР для у-твердого раствора нового сплава в диапазоне концентраций легирующих элементов. Установлено, что твердый раствор предельно легирован - средний состав находится на границе стабильности и области выделения топологических плотноупакованных фаз. В
связи с этим максимальная рабочая температура нового сплава должна быть не выше 650 °С.
Для определения свойств были изготовлены опытные образцы н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.