Жаропрочные никелевые сплавы для получения отливок с равноосной структурой

Жаропрочные сплавы (ЖС) на никелевой основе нашли широкое применение в современных ГТД, ГТУ и реактивных двигателях. Первое упоминание о хромоникелевых ЖС относится к 1906 г. В связи с высоким сопротивлением коррозии при повышенных температурах они были применены для изготовления электронагревательных элементов. Позднее было установлено, что небольшие добавки кальция, церия, циркония и кремния сильно повышают защитные свойства образующихся пленок.

В 1925 г. было установлено, что сплав типа Х20Н80 имеет сопротивление ползучести намного больше, чем любые другие существующие в то время материалы. Тщательное исследование этих сплавов показало, что небольшие добавки алюминия или титана делают их восприимчивыми к термической обработке. Первым сплавом этого типа, свойства которого представляли практический интерес, был Nimonic—75: к основе, состоящей из 80% Ni и 20% Сг, было добавлено около 0,3% Ti (при 0,1% С). Величина его ползучести менее 0,1% за 300 часов при напряжении 47,2 МПа и температуре 800 °C удовлетворяла первоначальным требованиям. Однако вскоре было установлено, что ползучесть может быть значительно уменьшена добавлением небольших количеств титана, что привело в 1941 г. к созданию сплава Nimonic-80, содержащего около 2,5% Ti. Этот сплав стал первым из серии ЖС, в которых высокое сопротивление ползучести достигается за счет выделения дисперсных фаз: никель—титановых или никель—алюминиевых соединений, и положил начало созданию других ЖС, в которых упрочнение достигалось введением кобальта, а также различными комбинациями титана и алюминия.

В 1944 г. разработан сплав Nimonic-80A, лучшие свойства которого были достигнуты, благодаря некоторым изменениям в содержании титана и алюминия, а также общему повышению уровня технологии производства. Nimonic-90, содержащий 20% Со взамен никеля, появился в 1945 г. В 1951 г. оказалось возможным увеличить в этом сплаве содержание титана и алюминия, таким образом был создан сплав Nimonic-95. Последний из этой серии, Nimonic-100, появился в 1955 г., его улучшение было достигнуто введением молибдена и дальнейшим совершенствованием состава. Все эти сплавы составляют основную серию деформируемых жаропрочных сплавов, применяемых, главным образом, для изготовления лопаток газовых турбин.

Первыми литейными жаропрочными сплавами на Ni—Сг основе, получившими промышленное применение, были отечественные сплавы ЖСЗ, ВЛ-7−45 Л и АН В-300. Затем в США был создан литейный лопаточный сплав GMR-235D. Литейные жаропрочные сплавы серии Nimocast (Nimocast-75, Nimocast-80, Nimocast-90), разработанные в Великобритании примерно в то же время, что и деформируемые сплавы серии Nimonic (1941 — 1945 гг.), стали использоваться для отливки лопаток значительно позднее.

Создание высокопрочных литейных жаропрочных сплавов существенно облегчилось в середине 50-х годов, когда был усовершенствован метод литья по выплавляемым моделям и получили промышленное применение вакуумная плавка и заливка.

В 80-е годы были разработаны никелевые жаропрочные сплавы с высоким содержанием алюминия, ниобия, тантала — легирующих элементов, стабилизирующих у'-фазу. Это сплавы под названием ЖС6У, Nimocast-739, Jn-935, Jn-939, Jn-597, Jn-738LC и др. Увеличение времени до разрушения было наиболее наглядно показано на никелевых жаропрочных сплавах Маг-М200, Jn-ЮО, В-1900, Маг-М246. Именно эти сплавы обладают наиболее высокой 100-часовой жаропрочностью при 800… 1000 °C. Высокотемпературное разрушение жаропрочных сплавов с равноосной структурой в процессе ползучести происходит чаще всего по границам зерен. Поэтому основным способом повышения механических свойств таких жаропрочных сплавов долгое время были традиционные методы легирования, направленные на упрочнение объема зерен и в особенности их границ. Повышение жаропрочных свойств в этом случае достигалось путем легирования никеля все большим количеством легирующих элементов, совокупное действие которых положительно влияло на то или иное свойство (жаропрочность, пластичность, усталость, сопротивление окислению или газовой коррозии и т. д.). Однако сложное легирование приводит к снижению пластичности жаропрочного сплава, большому разбросу механических свойств и снижению термостойкости.

Поэтому следующим шагом на пути повышения жаропрочности сплавов стало уменьшение протяженности границ зерен (особенно поперечных) путем направленной кристаллизации или создания монокристаллической структуры.

Создание технологии изготовления монокристаллических лопаток послужило основанием для дальнейшего совершенствования составов жаропрочных никелевых сплавов, в частности разработки класса сплавов, не содержащих в своем составе элементов-упрочнителей границ зерен.