10.5 Особливості легування стопів для отримання лопаток спрямованою кристалізацією

Раніше для СК використовували сплави, що розроблялися під рівновісну кристалізацію. Але особливості процесу кристалізації викликали необхідність у корегуванні складів ЖМ сплавів. Найбільш значна ліквація спостерігається для \¥ та Ті, ці елементи сприяють появі дендритів.

При випробуванні на тривалу міцність руйнування зразків з рівновісною структурою спостерігається найчастіше з межами зерен, руйнування у випадку СК відбувається в міжвісних ділянках на межі поділу "Ует^ - матриця" та "карбід - матриця". Титан при СК сприяє збільшенню кількості евтектичної /-фази в ділянках найменшого опору руйнуванню. При СК є важливим забезпечення мінімальної різниці між солідусом та ліквідусом сплавів. Це зменшує ступінь дендритної ліквації.

У випадку сплавів з монокристалічною структурою, за відсутності меж зерен, з хімічного складу слід виключити елементи, що зміцнюють межі: С, Zr, В, Ні. Ці елементи, у випадку СК, сприяють концентрації напружень на карбідах.

Переваги методу СК:

1. Рівень термічних напружень прямо пропорційний модулю пружності (цей показник анізотропний, залежить від орієнтації кристалу до діючих напружень). У випадку СК при певній КГ орієнтації зерен модуль пружності може бути знижений на 40%. Це дозволяє зменшити рівень термічних напружень, підвищити опір термічній втомі сплавів з СК в 2-3 рази, порівняно з рівновісною структурою.

2. Зародження та розвиток мікротріщин в матеріалі лопаток з рівновісною структурою відбувається при експлуатації, переважно за межами зерен, що перпендикулярні до діючих напружень; в лопатках зі СК відсутні поперечні межі зерен, що супроводжується підвищенням жароміцності.

3. Пластичність СК сплавів в продольному напрямку вище ніж в РК, в поперечному - значення приблизно однакові.

4. Швидкість розповсюдження втомної тріщини при підвищені температури в напрямку, перпендикулярному до фронту кристалізації у випадку СК менше, порівняно з рівновісною структурою.

5. Температура роботи металу при СК підвищується на 30­60°С, це зменшує витрати повітря на охолодження до 30%, з економією палива - 1%.

Принципи легування сплавів з СК. Легування сплавів з СК повинно забезпечувати найвищу термічну стабільність фаз в широкому інтервалі температур. Це досягається:

— зниженням рівню вуглецю (довжина меж є меншою, вони не є визначальним фактором при повзучості, отже можна зменшити кількість карбідів на межах);

— зменшенням вмісту бору та цирконію (бор при меншому вмісті забезпечує ефективне зміцнення меж; цирконій є небажаним, оскільки сприяє збільшенню кількості гарячих тріщин у відливках);

— легуванням ренієм та танталом. (До складу сплаву ЖС32 входить 4%Ие, 4%Та, температура експлуатації на 40°С вища за робочу температуру сплаву ЖС26, що не містить цих елементів. Вказані елементи сприяють зменшенню дифузійної проникності, зміцнюють у-твердий розчин та стабілізують /-фазу).

Поруч із сплавами типу ЖС з у/у'-зміцненням, ВИАМ розроблені сплави типу ВКНА - інтерметалідного класу (на основі інтерметаліду №3А1. Ці сплави мають більшу жароміцність при

Т>1100°С, але поступаються у міцності розглянутим раніше сплавам при температурах 800-1050°С. Інтерметаліди мають ковалентний тип зв'язку і є більш стабільними. Ці сплави мають впорядковану структуру до температури плавлення. Цей клас матеріалів використовують при виготовленні литих фасонних деталей газових турбін, камер згорання (жарові труби, стабілізатори полум' я, створки регульованого сопла, теплові екрани, соплові лопатки), що тривало експлуатуються в корозійно-активних середовищах з температурою до 1250°С (без захисних покриттів). Матеріали мають низьку густину р = 7,9 г/см , є жаростійкими до 1250°С, не містять коштовних елементів (ЇЧЬ, Та, Ие), структура є термічно стабільною.

Таблиця 10.7 - Хімічний склад (%) ливарних ЖМ нікелевих сплавів для СК та монокристалічного (МК) лиття.

сплав

 

С

Сг

Со

\У |Мо

Ті | А1

 

НІ

 

Та

В

ЖС6Ф*

СК

0,14

5,6

9,0

213

26,45

1,4

1,3

-

-

20,035

ЖС26У

СК

0,15

5,0

9,0

213

27,10

1,4

0,1

-

-

0,01­0,3

-

ЖС32

СК

0,15

5,0

9,3

2-10

0,5­5,0

-

4,5­8,0

1,5-5,0

-

4,0

4,0

0,01­0,3

-

ЖС40

МК

-

6,0

-

6,0­7,8

3,5­4,8

-

5,0­5,8

0,05-0,5

-

-

6,0­7,8

-

-

ЖС36

МК

-

4,0

5,5

10,5­13,0

1-4

0,7­1,5

5,0­6,2

1,0

-

1-2,6

-

-

-

Примітка. *Сплав ЖС6Ф містить також 1,0%У

Таблиця  10.8 - Тривала міцність ливарних ЖМ нікелевих сплавів зі СК та МК структурою

 

Сплав

Т=900°С

Т=1000°С

о100, МПа    о500, МПа

о100, МПа    о500, МПа

ЖС26У

410 305

200 135

ЖС30

400 315

200 145

ЖС36 (МОНО <001>)

490 390

250 190

ЖС40 (МОНО <001>)

440 350

240 190

Таблиця 10.9 - Хімічний склад (%) ливарних ЖМ сплавів на основі інтерметаліду №3А1

Сплав

А1

Со

Ті

 

Мо

Сг

С

В

Zr

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ВКНА-4

8,5-9,5

6,0-8,0

-

1,0-2,2

2,0-3,0

4,5­5,5

0,15-0,20

0,003

1,0-1,3


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ВКНА-4У

7,8-9,0

3,5-4,5

0,6-1,2

1,8-2,5

4,5-5,5

4,5­5,5

0,007­0,02

-

-

ВКНА-1В

7,8-9,5

-

1,3-2,0

2,7-4,5

3,0-4,3

3,0­4,3

0,001­0,02

-

-

Таблиця 10.10 - Тривала міцність ливарних ЖМ сплавів на основі інтерметаліду №зА1 в залежності від кристалізації

 

Сплав

Т=900°С

Т=1100°С

Т=1200°С

о100, МПа

о500, МПа

о100, МПа

о500, МПа

о100, МПа

о500, МПа

ВКНА-4 (РК)

230

170

55

40

23

10

ВКНА-4У (СК)

280

200

95

70

45

28

ВКНА-4У (МОНО <111>)

380

280

110

80

50

28

ВКНА-1В (СК)

-

-

65

45

43

30

ВКНА-1В (МОНО)

360

290

100

75

-

-