Никелевые жаропрочные сплавы для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

Установлено, что исключение поперечных границ зерен в структуре лопатки путем направленной кристаллизации позволяет одновременно повысить их жаропрочность, пластичность и термостойкость.

Процесс направленной кристаллизации организуется таким образом, чтобы зерна росли в направлении продольной оси лопатки. Первое время для направленной кристаллизации использовали жаропрочные сплавы, созданные для равноосного литья. Отсутствие в лопатке поперечных границ зерен привело к 3…5-кратному превосходству по долговечности в условиях термической усталости над обычными отливками (с равноосным зерном) из литейных лопаточных жаропрочных сплавов типа ЖС6У, В-1900, Rene-80, Маг-М247. Однако низкая поперечная прочность отливок со столбчатой структурой послужила толчком к некоторой корректировке состава жаропрочных сплавов, в частности к легированию сплава гафнием. Например, появились сплавы ЖС6Ф, ЖСЗО, Mar-M200+Hf, PWA-1422 или CM247LC. Гафний модифицирует игольчатые карбиды типа МеС, которые упрочняют продольные границы зерен, повышая тем самым поперечную прочность.

Следующим шагом в совершенствовании направленной кристаллизации было устранение всех границ зерен. Преимуществом единственного направленно закристаллизованного зерна над поликристаллической направленно закристаллизованной отливкой явилось отсутствие потребности в таких средствах, как пластифицирование и упрочнение границ зерен за счет введения в расплав С, В, Zr, Hf. Примером таких сплавов являются ЖС30М, ЖС40, Rene-N4, CMSX-3, Р? А-1480идр. Хотя в ЖС для получения отливок с равноосной структурой концентрация этих легирующих элементов невелика, исключение их из состава сплава привело к существенному изменению структуры и свойств, в частности, характеристических точек и механических свойств. Установлено, что С, В, Zr, Hf значительно снижают температуру солидус жаропрочных сплавов и в этом случае гомогенизацию монокристальных изделий можно проводить при температурах на 40…95 °С выше. Повышение температуры гомогенизации до 1260… 1320 °C позволило более эффективно использовать упрочняющее влияние легирования, поскольку при этих температурах можно перевести в твердый раствор всю у'-фазу. Кроме того, большинство жаропрочных сплавов для монокристального литья, особенно ренийсодержащие сплавы, имеют более узкий интервал кристаллизации за счет повышения температуры солидус.

Исключение углерода из состава жаропрочных сплавов для монокристального литья означает также отсутствие карбидов, которые являются источниками зарождения микротрещин, особенно при циклических испытаниях на усталость, термоусталость и малоцикловую усталость. В результате безуглеродистые жаропрочные сплавы состоят только из сложнолегированного у-твердого раствора с решеткой ГЦК, упрочненного частицами у'-фазы на основе интерметаллида (Ni, Со), (Al, Ti, Та, Nb), т. е. являются простой системой у+у'.

Стремление повысить жаропрочные свойства за счет легирования привело к появлению в конце 80-х годов жаропрочных сплавов второго поколения, содержащих до 3% рения (ЖС36, CMSX-4, Rene-N5H PWA-1484). В 90-х годах были разработаны ренийсодержащие сплавы третьего поколения — ЖС50, CMSX-10 и Rcne-N6, в которых концентрация рения увеличена до 6%. Однако в этих сплавах обнаружено выделение топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз, что значительно понижает длительную прочность монокристаллов в интервале рабочих температур 1050… 1100 °C. Для избежания этого в монокристальных жаропрочных сплавах четвертого поколения типа ЖС55, содержащих около 9% рения, ограничивают суммарное содержание вольфрама и рения до 12… 14% при ограничении концентрации хрома до 2…2,5% и исключении молибдена.

При анализе химических составов монокристальных лопаток из жаропрочных сплавов первого, второго и третьего поколений следует обратить внимание на то, что жаропрочные сплавы типа Rene содержат небольшое количество углерода и бора. По мнению разработчиков этих сплавов введение добавок углерода и бора необходимо для упрочнения малоугловых границ субзерен и снижения вероятности поверхностной рекристаллизации отливок при механической обработке.

В связи с тем, что стоимость монокристальных лопаток во много раз выше, чем лопаток со столбчатой структурой, продолжается совершенствование составов жаропрочных сплавов для направленной кристаллизации. В частности, ренийсодержащие жаропрочные сплавы для направленной кристаллизации второго поколения ЖС32, СМ- 186LC, PWA-1426, Rene-142 по ряду характеристик не уступают жаропрочным сплавам для монокристального литья первого поколения типа CMSX-2 и PWA-1480. Разработаны также безрениевые жаропрочные сплавы — ЖС40, SC-84 и TMS-64, не уступающие по длительной высокотемпературной прочности на больших базах испытания жаропрочных сплавов с рением. В этих сплавах концентрация молибдена повышена соответственно до 4,0; 4,3 и 8%. Молибден растворяется в у-твердом растворе и в этом смысле является некоторым аналогом рения. В результате плотность сплава стала меньше, а жаростойкость сплавов ухудшилась (особенно сплава TMS-64). На рис. 3.1 и 3.2 представлена зависимость длительной прочности жаропрочных никелевых и кобальтовых сплавов.

от температуры В последнее время работы специалистов направлены на совершенствование составов и режимов термической обработки сплавов с целью повышения их прочностных характеристик, жаростойкости, коррозионной стойкости, улучшение механических свойств. В прил. 4 приведен химический состав промышленных и экспериментальных жаропрочных сплавов для направленной кристаллизации и монокристального литья.

Среди всех возможных кристаллографических ориентаций (КГО) монокристаллов и направленно закристаллизованных зерен, соответствующих продольной оси лопатки, наибольшее распространение получила ориентация. Это связано с тем, что в ГЦК-решетке направлению [001] соответствует минимальное значение модуля Юнга, что приводит к максимальному сопротивлению малои многоцикловой термической усталости таких кристаллов. Кроме того, в ряде случаев используется КГО, соответствующая максимальному значению модуля Юнга и, как следствие, обеспечивающая высокую кратковременную и длительную прочность при температурах до 950… 1000 °C, а также для некоторых сплавов и температур до 900 °C лучшую многоцикловую усталостную прочность.

Следует отметить, что присутствующие в шихтовых материалах примеси могут привести к появлению нежелательных фаз, поэтому при производстве жаропрочных монокристаллов предъявляются высокие требования к чистоте сплавов, особенно в отношении неметаллических включений и карбидов. Содержание углерода в ЖС ограничивается концентрацией (2…4)10^_3%, серы — (5…7)10^_4%, а содержание газообразных примесей 0₂ и N₂ должно быть меньше предела их растворимости в никеле ~10^_4%. Достичь столь малых содержаний примесей можно только специальными и дорогостоящими видами рафинирования. Кроме того, дорогостоящим является и технологическое оборудование, обеспечивающее направленный характер кристаллизации отливки.

Температурный уровень жаропрочности применяемых ЖС продолжает повышаться, однако темп повышения постепенно замедляется в связи с ограниченными возможностями их основы — никеля.