5 ВПЛИВ УМОВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ НА ВИБІР МАТЕРІАЛІВ

Схема легування сплавів повинна враховувати умови подальшої експлуатації виробів. Наприклад, у випадку сплавів, призначених для виготовлення литих робочих лопаток авіаційної газової турбіни, матеріал має забезпечити високий рівень жароміцності та помірну жаростійкість (авіаційний гас має меншу кількість шкідливих домішок, порівняно з важкими паливами та газом). Таке поєднання може бути досягнуто за рахунок зменшення вмісту хрому (приблизно до 10%), при одночасному збільшені вмісту алюмінію. Алюміній має компенсувати зменшений вміст хрому та забезпечити достатній рівень опору корозії (-6%).

Для високої жароміцності треба загальмувати дифузійну рухомість, тобто сплав повинен містити вольфрам та молібден (приблизно по 5-6%). Сплав повинен містити /-утворювачі (сума титану та алюмінію підвищена, порівняно з деформовними сплавами, та становить 9%), має виконуватися співвідношення Ті/АІ < 1. В цьому випадку зменшується імовірність переходу при термообробці або експлуатації від оптимальної /-фази до несприятливої та крихкої Т|-фази на основі сполуки №3Ті З метою зменшення зерномежової повзучості слід забезпечити виділення на межах зерен карбідів (вміст вуглецю - 0,1-0,2%) у вигляді сфероїдизованих, відокремлених одна від одної частинок. Для забезпечення оптимального стану меж зерен в сплави додають церій, бор.

Після лиття структура сплавів складається з у-твердого розчину, /-фази, карбідів (карбонітридів), боридів (рис. 5.1, а) Характерною рисою литої структури є ліквація. Легувальні елементи розподілені в об'ємі неоднорідно, існують ділянки, в яких містяться великі за розміром частинки у'-фази евтектичного походження. Відповідно, така структура не забезпечує високого рівня експлуатаційних властивостей. З метою поліпшення жароміцності та механічних властивостей, зокрема підвищення пластичності, проводять гомогенізацію литих сплавів при температурі вище температури повного розчинення інтерметалідів, з подальшим прискореним охолодженням (в потоці аргону). Структура сплаву ЖС6К після гомогенізації наведена на рис. 5.1, б. Для забезпечення остаточного рівня властивостей проводять старіння, після цієї операції відбувається виділення всіх надлишкових фаз, що передбачені діаграмою стану, частинки мають певні розміри, розподілта об' ємну кількість. Структура сплаву ЖС6К, що утворюється при повільному охолодженні з температури гомогенізації, наведена на рис. 5.1, в.

 

а - литий стан (х200);

б - гомогенізація при 1220°С (4 год.), охолодження -повітря (х1000);

в - гомогенізація при 1220°С (4 год.), охолодження у печі

(х1000).

Рисунок 5.1 - Мікроструктура сплаву ЖС6К

Легування сплавів, що використовують при виготовленні деталей газових турбін, призначених для стаціонарного турбобудування, має певні особливості. В газотурбінних установкахвикористовуються палива, що містять сірку, натр. В гарячому тракті установки можуть бути присутні хлор та ванадій, тобто речовини, що за певних температурних умов, викликають інтенсивний розвиток корозії деталей. Деталі зазнають дію відцентрових, згинаючих, динамічних напружень у поєднанні з корозійним впливом, до матеріалів висувається вимога забезпечення тривалого ресурсу. Рівень напружень нижче, порівняно з авіаційними турбінами, проте корозійно-активне середовище є причиною прискореного руйнування деталей. Наприклад, при використанні робочої лопатки з сплаву ЖС6К в авіаційному двигуні АИ-24 ресурс деталі складає 20 тисяч годин, при використанні лопатки з цього матеріалу у складі суднової ГТУ (морські умови) ресурс скорочується до 0,5 тисяч годин.

Для запобігання прискореному виходу з ладу деталей через корозію було запропоновано нову групу ВТК-стійких жароміцних ливарних нікелевих сплавів. Висока корозійна стійкість таких сплавів досягається збільшенням вмісту хрому, мінімальна кількість елемента, що забезпечує достатній рівень стійкості, 14-16%. Змінюється, порівняно з авіаційними матеріалами, співвідношення у -утворювачів. ВТК-стійкість сплавів системи „нікель-хром-алюміній-титан" поліпшується при співвідношенні Ті/АІ > 1. В цьому випадку в підшарі утворюються стабільні хром-титанові сульфіди, зменшується збіднення на хром поверхні, формується щільна окисна плівка, що перешкоджає дифузії сірки в сплав. До складу ВТК-стійких сплавів мають входити вольфрам та молібден. Ці елементи стабілізують у'-фазу та перешкоджають її перетворенню на Т -фазу, проте вміст цих елементів обмежують через імовірність утворення топологічно щільноупакованих фаз та окрихчення матеріалу. Оптимальним вважається    кількість    тугоплавких    елементів,    що відповідає

співвідношенню §[Мо]2 + 2\\¥]2 < 69 . Надлишок молібдену (понад 2%) сприяє утворенню в процесі ВТК прошарку з молібдату нікелю, що сприяє відшаруванню окисних плівок, опір корозії погіршується.

На підставі цих рекомендацій розроблені сплави ЗМИ-3, ЗМИ-3У, ЧС-104ВИ, ЧС70ВИ. Сплав ЗМИ-3, що містить 12,5-14% хрому та має відносно низький вміст кобальту (5-6%) може бути рекомендований для виготовлення робочих лопаток стаціонарних газоперекачувальних установок. Сплав ЧС-70ВИ з тривалої міцністю

= 250 МПа має підвищений вміст хрому (16,5%)  і може

використовуватися для виготовлення робочих лопаток суднових ГТУ, експлуатація яких передбачає наявність солей морської води та використання низькосортних палив. Для виготовлення спрямовуючих лопаток потрібний матеріал з високим рівнем корозійної стійкості при температурі газу 900°С, робота не передбачає значних напружень, тобто можно використати матеріал з меншим рівнем жароміцності ніж для робочих лопаток. Таким вимогам відповідає сплав ЧС-104ВИ, що містить більшу кількість хрому, титану, виконується співвідношення Ті/АІ > 1,5, проте сума титану та алюмінію не перевищує 6%.

Диски турбін. При призначенні матеріалів для виготовлення дисків турбін необхідно враховувати особливості експлуатації цих деталей. На диски останніх ступеней компресорів та диски турбін діють високі напруження та нерівномірне температурне поле. Так, наприклад, ободи дисків розігріваються до температури 550-800°С, температура ступиці дисків турбіни не перевищує 300-500°С. Диски мають значну кількість концентраторів напружень, тому до матеріалів висуваються вимоги:

- висока міцність та жароміцність в усьому діапазоні робочих температур;

- низька чутливість до концентраторів напружень;

- висока пластичність при тривалих та короткочасних навантаженнях;

- високій опір малоцикловій втомі;

- стабільність структури та фазового складу сплаву;

- висока технологічність.

Для забезпечення цих вимог легування сплавів, передбачає зміцнення твердого розчину, підвищення вмісту у -фази, контрольоване виділення карбідів та у - фази на межах зерен, запобігання утворення крихких сполук. Дискові сплави на основі нікелю є складнолегованими композиціями, що важко обробляються тиском. В сплавах не припускаються виділення типу а-, |і- фаз, великі за розміром частинки карбідів, зональні лікваційні неоднорідності. В дискових матеріалах використовується принцип багатокомпонентного легування, що є характерним для матеріалів лопаток турбін.

Найбільш широко в конструкціях сучасних турбін при виготовленні дисків використовують деформовні сплави ХН77ТЮР

 (ЗИ437БУ), ХН73МБТЮ (ЗИ698), ХН62БМКТЮ (ЗП742), ЗП741 (табл. 5.1).

Таблиця 5.1 - Хімічний склад сплавів для дисків ГТД.

 

 

Марка сплаву

Середній вміст елемента, %

Об'ємна кількість /-фази, %

 

С

Сг

Со

Мо

У

 

А1

Ті

ХН77ТЮР (ЗИ437БУ)

Осн

0,07

21

-

-

-

-

0,8

2,7

10

ХН73МБТЮ (ЗИ698)

Осн

0,08

15

-

3

2

2

1,5

2,5

22

ХН62БМКТЮ (ЗП742)

Осн

0,08

14

10

5

-

2

2,6

2,6

32

Штампування до термічної обробки спричиняє появу в дисках текстури деформації, що пов'язана з дендритним характером кристалізації зливків та неоднаковим ступенем деформації різних ділянок заготовок дисків. Збільшення об'ємної кількості /-фази сприяє формуванню текстури деформації та погіршує технологічність дисків. В сучасних сплавах для дисків вміст /-фази сягає 60%. В цьому випадку зростає неоднорідність її розподілу, виникає глибока різнозереність. Перед гартуванням для підвищення однорідності зерен проводять відпал при температурах 900-1000°С. З метою отримання оптимального рівня властивостей для дисків проводять гартування та старіння (табл. 5.2).

Більший рівень жароміцності сплавів ХН62БМКТЮ (ЗП742) та ЗП975 пояснюється обмеженням вмісту хрому до 8-10%, введенням вольфраму, кобальту, молібдену, та збільшенням кількості /-фази. В сплаві ЗП975 сумарний вміст (\¥+Мо)=10-12%, (А1+Ті)=7,5%. При збільшенні сумарного вмісту /-фази до 60% в структурі з'являється нерівноважна евтектика (у+У), тому нагрів під гартування проводять із сходинками (щоб уникнути плавлення евтектики). Охолодження дисків може проводитися в маслі або у струмені стиснутого повітря. Подвійне гартування проводять для поліпшення в' язкості та пластичності сплавів. Перша стадія забезпечує достатньо повне розчинення фаз зміцнення, гомогенізацію сплаву. На другій стадії високотемпературної обробки на межах зерен виділяються та коагулюють частинки карбідів, відбувається частковий розпад пересиченого твердого розчину з утворенням достатньо крупних частинок У-фази. Карбіди, що виділяються при температурі 1000­

1050°С, рівномірно розподілені в об'ємі сплаву. За відсутності другої стадії нагріву, після старіння на межах зерен формується суцільна крихка сітка карбідів, що є причиною зменшення пластичності. При старінні в сплавах проходить подальше виділення з твердого розчину частинок У-фази та зростає міцність. Одночасне співіснування в структурі невеликої кількості відносно крупних сферичних частинок, що сформувалися на другій стадії, та дрібнодисперсних частинок зміцнювальної фази, що утворилися при старінні, забезпечує максимальну довговічність дисків з сплаву ЭИ698 та ЭП742.

Таблиця 5.2 - Властивості сплавів для дисків після оптимальної термообробки

 

 

Марка сплаву

Режим термічної обробки

Властивості матеріалу

Температура експлуатації,°С

 

-750 а100 ,

МПа

8, %

КОТ, МДж/м2

ХН77ТЮР (ЭИ437БУ)

Гартування: 1080°С (8 год.), охолодження на повітрі; старіння: 750°С (16 год.)

350

15

0,5

700

ХН73МБТЮ (ЭИ698)

Гартування 1: 1120°С (2 год.), охолодження на повітрі, гартування 2: 1000°С (3 год.), охолодження на повітрі; старіння: 800°С (8 год.)

420

17

0,5

750

ХН62БМКТЮ (ЭП742)

Гартування 1: 1150°С (8 год.), охолодження на повітрі, гартування 2: 1050°С (4 год.), охолодження на повітрі; старіння: 850°С (8 год.)

520

20

0,5

800

ЭП975

Гартування: 1200°С (8 год.), охолодження на повітрі; старіння: 900°С (8 год.)

750

14

0,45

850