МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Реферат по дисциплине

«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» на тему:

«Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы, применяемые в авиационных двигателях, и их термическая обработка»

2001 год

В авиационных двигателях широкое применение нашли жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы. В качестве жаростойких применяют сплавы ХН60ВТ (ВЖ98,
ЭИ868), ХН50ВМТЮБ (ЭП648), ХН68ВМТЮК (ЭП693), ХН56ВМТЮ (ЭП199) и др.

Термическая обработка сплавов в значительной мере определяется выбранной системой легирования. Так, например, сплав ХН60ВТ имеет низкую концентрацию
((-образующих элементов, поэтому не содержит в своей структуре ((-фазу, отличается повышенной пластичностью и не требует термической обработки после сварки. Структура сплава состоит из никелевого (-твёрдого раствора, в котором содержится небольшое количество частиц (-W и карбидной фазы Ni3W3C и Cr23C6. однако другие сплавы, у которых повышение жаропрочности обеспечивается путём упрочнения (-твёрдого раствора и выделения дисперсных частиц упрочняющей ((-фазы (сплавы ХН50ВМТЮБ, ХН68ВМТЮК, ХН56ВМТЮ), подвергаются упрочнению при термической обработке, состоящей из закалки и старения.

Температура закалки выбирается из условия получения однородного твёрдого раствора. Так, например, сплав ХН50ВМТЮБ подвергают закалке на воздухе от температуры 1140(С и последующему старению при температуре 900(С в течение
5 ч, а сплав ХН68ВМТЮК закаливают от температуры 1100(С с последующим старением при температуре 900(С в течение 5 ч. При старении из пересыщенного твёрдого раствора выделяются дисперсные частицы упрочняющей
((-фазы и сплавы упрочняются.

Наличие ((-фазы повышает жаропрочность и одновременно сообщает сплавам склонность к образованию горячих трещин при сварке и термической обработке, необходимость в термической обработке деталей после сварки или подварки технологических, а также эксплуатационных дефектов.

Свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток и дисков газовых турбин определяются термической стабильностью структуры, размерами, формой и количеством упрочняющей ((-фазы, прочностными характеристиками (-твёрдого раствора, оптимальным соотношением параметров кристаллических решёток (- и
((-фаз, распределением карбидной фазы и другими факторами. Обычно жаропрочные сплавы упрочняются путём целенаправленного многокомпонентного легирования. Суть многокомпонентного легирования состоит в обеспечении жаропрочности путём совершенствования гетерофазного строения, включающего контролируемое выделение частиц упрочняющей ((-фазы, обеспечении её термической стабильности, целенаправленном изменении морфологии, параметров кристаллических решёток (- и ((-фаз, их влияния на дислокационную структуру сплавов, а также на протекание диффузионных процессов.

Основные требования к материалам для лопаток турбин обусловлены самим развитием конструкции двигателей, непрерывным повышением жаропрочности, пластичности, сопротивления термической и малоцикловой усталости, стойкости к воздействию газовой среды. Материалы для лопаток турбин современных двигателей должны обладать высокой сопротивляемостью разрушению при термической и малоцикловой усталости, которая является в настоящее время основным видом разрушения. Опасность разрушения усугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границы зёрен.

Для изготовления лопаток турбин исползуют деформируемые и литейные сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностями обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легирование ведёт к практически полной потере их технологической пластичности при деформации. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейным сплавам, новым направленно кристализованным и монокристализованным сплавам, которые широко применяются в современных высокотемпературных двигателях.
Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легирования обеспечило существенное увеличение рабочей температуры сплавов, причём и направленные и монокристаллические сплавы группы ЖС стали более пластичными. Предельные рабочие температуры нагрева деформируемых сплавов не превышают 1000(С.

Широкое распространение нашли деформируемые сплавы ЭП109, ЭП220, ЖС6КП и литейные ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС30, ЖС26, ЖС32 и др.

Термическая обработка сплавов состоит из закалки и старения. Закалка производится при температурах 1220-1280(С в течение 3-5 ч. Отливки деталей получают методом точного литья по выплавляемым моделям и закаливают в вакууме. Упрочняющая ((-фаза выделяется в основном в процессе охлаждения. В процессе старения при температуре 950(С в течение 2 ч происходит дополнительное незначительное выделение частиц ((-фазы и упрочнение сплавов.

Окончательная структура сплавов состоит из легированного твёрдого раствора на никелевой основе, ((-фазы и карбидов. Макроструктура сплава
ЖС6ФНК содержит поперечных границ зёрен, а сами зёрна обычно ориентированы по длине лопатки в направлении ребра гранецентрированной решётки.

Сплавы обладают высокими механическими свойствами.

|Марка |Термическая обработка |Механические свойства |
|материала | | |
| | |(В900, |(1001000|(100900|(, % |
| | |МПа |, МПа |, МПа | |
|ЭП109 |Закалка с 1220(С 5 ч |650 |150 |270 |6 |
| |и старение при 950(С 2 ч | | | | |
|ЖС6КП |Закалка с 1220(С 4 ч |770 |160 |270 |6 |
| |и старение при 900(С 16 ч| | | | |
|ЖС6У |Закалка с 1230(С 3 ч |800 |165 |330 |5 |
| |и старение при 950(С 2 ч | | | | |
|ВЖЛ12У |» » |780 |150 |320 |5 |
|ЖС6Ф-НК |» » |850 |180 |450 |12 |
|ЖС26 (ВСНК) |Закалка с 1260(С 4 ч |880 |200 |410 |8 |
|ЖСЗ2 |Закалка с 1280(С 4 ч |960 |250 |475 |18 |
|(монокр) | | | | | |

Деформируемые сплавы ЭП109 и ЖС6КП применяются при температурах на металле не более 950(С, а сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеют более высокие допустимые значения температур в эксплуатации, соответственно 1000(С для
ЖС6У и ВЖЛ12У и до 1050(С для ЖС6ФНК. Отсутствие поперечных границ зёрен, более низкий модуль упругости и более высокая пластичность сообщают сплаву
ЖС6ФНК повышенную долговечность при воздействии высоких температур и циклических термомеханических нагрузок. Температурные ограничения применения жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловлены растворением, быстрой коагуляцией упрочняющей ((-фазы и падением жаропрочности при перегревах деталей в процессе эксплуатации.

Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистую структуру, которая обеспечивает их более высокое сопротивление усталости, тогда как литейные сплавы с равноосной структурой имеют более высокую жаропрочность.

Введение гафния в сплав ЖС6ФНК усиливает карбидную ликвацию, способствует способствует образованию в поверхностном слое карбидов Ме6С, обладающих низкой жаростойкостью и не покрывающихся при диффузионном алитировании.
Наличие ванадия и титана в сплаве ЖС26 значительно снижает жаростойкость.
Сплав ЖС32 не содержит титана и ванадия, а легирование алюминием, танталом и небольшой концентрацией хрома обеспечивает сплаву высокую жаростойкость.

Сплавы ЖС26 и ЖС32 с направленной и монокристаллической структурой обладают более высокой термической стабильностью, термостойкостью. Для обеспечения однородности состава и структуры по объёму отливки лопаток подвергаются нагреву при закалке в вакууме до более высоких, чем равноосные сплавы, температур. В процессе нагрева и высокотемпературной выдержки происходит растворение ((-фазы и карбидов МеС, Ме23С6, Ме6С в твёрдом растворе на никелевой основе. При охлаждении происходит выделение упрочняющей ((-фазы, которая обеспечивает сплавам высокие механические свойства.

Для деталей из литейных никелевых сплавов широко используется гомогенизация. При гомогенизации происходит уменьшение степени ликвации и стабилизация структуры сплавов. Гомогенизация способствует увеличению объёмного содержания дисперсных частиц упрочняющей ((-фазы. Во время высокотемпературной выдержки растворяются грубые выделения ((-фазы, образовавшиеся при кристаллизации. Следует, однако, отметить, что оптимизация режимов термической обработки для достижения оптимальной формы, размеров и распределения частиц упрочняющей ((-фазы не всегда сопровождается улучшением механических свойств. Так, например, образование частиц карбидов Ме6С неблагоприятной пластинчатой формы в процессе гомогенизации и последующего охлаждения сплава ЖС6У практически сводит на нет эффект улучшения свойств путём управления структурой ((-фазы, и в итоге после гомогенизации при температуре 1210(С длительная прочность остаётся на прежнем уровне.

Неоднородная структура сплавов образуется также и в случае недогрева до температуры полного растворения упрочняющей ((-фазы в сплавах. Образующиеся скоагулированные частицы ((-фазы снижают характеристики прочности и пластичности.