УДК 621.74: 669.018.44

ЛИТЕЙНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИДА НИКЕЛЯ

ФГУП "ВИАМ":
Евгений Николаевич Каблов, генеральный директор, академик РАН
Ольга Геннадьевна Оспенникова, зам. генерального директора, д.т.н.
Ольга Анатольевна Базылева, начальник сектора, к.т.н.

 

В статье обсуждаются особенности интерметаллического соединения Ni₃Al и сплавов на основе алюминидов никеля. Установлены закономерности между составом, структурой и свойствами интерметаллидных композиций, что позволило разработать во ФГУП "ВИАМ" серию сплавов на основе алюминидов никеля марки ВКНА. Приведены их физико-механические, коррозионные, технологические свойства и рекомендуемые области применения, а также результаты опробования и внедрения.

Features of intermetallic composition of Ni3AL and nickel aluminide base alloys are discussed the present article. Dependence on composition, structure and properties of intermetallic composition is determined. It allowed developing a set of nickel aluminide base alloys of VKNA type at FSUE "VIAM". Physical-mechanical, corrosive and technological properties and recommended field of application and also testing and commercialization results are given.

Ключевые слова: интерметаллиды, алюминиды, жаропрочность, жаростойкость, монокристалл, кристаллографическая ориентация.

Keywords: intermetallides, aluminides, high-temperature strength, heat resistance, crystallographic orientation.

Разработка конструкционных материалов с более высокой жаропрочностью и жаростойкостью при температурах до 1200°С, отличающихся пониженной плотностью и экономичным химическим составом, является весьма актуальной задачей для повышения технических и экономических показателей серийных и перспективных авиационных ГТД.

В современных высокотемпературных авиационных турбинах ответственные детали двигателей и горячего тракта изготавливают из жаропрочных никелевых сплавов. Это обусловлено их высокой жаропрочностью, термической стабильностью и надежностью в эксплуатации при температурах до 900…1100°С. Дальнейшее повышение уровня жаропрочности никелевых сплавов, независимо от условий их получения и структуры, осуществляется путем увеличения в их составе суммарного содержания тугоплавких легирующих элементов, замедляющих диффузионные процессы, таких как вольфрам, рений, тантал, молибден, рутений, что приводит к росту их стоимости и плотности (8,4…9 г/см³). В свою очередь, утяжеление двигателя ведет к уменьшению отношения тяги к весу, увеличению нагрузки на ротор (на диски и лопатки) и, следовательно, снижению срока службы изделия. В современных никелевых суперсплавах содержание тугоплавких легирующих элементов близко к предельно допустимому значению, определяемому величиной растворимости легирующих элементов в твердом растворе на основе никеля и в γ'-Ni₃Al, что может вызвать появление в сплавах, при определенных условиях их обработки и эксплуатации, богатых тугоплавкими элементами избыточных топологически плотноупакованных фаз, что приводит к противоположному результату - снижению жаропрочности и термической стабильности.

Интерметаллид γ'-Ni3Al (γ'-фаза) привлекает внимание исследователей и разработчиков материалов как основа при создании нового класса литейных конструкционных материалов, поскольку γ-фаза является упрочняющей фазой в никелевых суперсплавах, и существует большая информация о ее свойствах. В силу особенностей связи атомов в кристаллической решетке и их упорядоченного распределения интерметаллическое соединение Ni₃Al обладает высокой температурой плавления (1385°С), пониженной плотностью (7530 кг/м³) и термической стабильностью структуры до температуры плавления [1]. Особенностью интерметаллидного соединения Ni₃Al и сплавов на основе интерметаллида Ni₃Al является повышение предела текучести в интервале температур 800…900°С. Так, например для сплава ВКНА-1В при 20°С предел текучести составляет σ_0,2 =380 МПа, такой же, как и у сплава КНА-4. При 1200°С  предел текучести равен σ_0,2 =185 МПа, в то время как у КНА-4 σ_0,2 =115 МПа. Аномальное повышение предела текучести проявляется в сплавах с дальним атомным порядком и сильнее всего со сверхструктурой L1₂ [2].

При исследовании физико-механических свойств сплавов на основе алюминида никеля (Ni3Al) установлены некоторые закономерности между составом, структурой и свойствами:

- наиболее высоким сопротивлением окислению при температурах 1200…1250°С обладает интерметаллическое соединение Ni₃Al, в котором часть атомов никеля и алюминия замещены хромом, титаном, молибденом и вольфрамом. В системе сплавов Ni-Al-Cr-Ti-Mo-W разработана композиция, которая в литом состоянии отличается высокой жаростойкостью (привес при окислении на воздухе за 100 ч при температуре 1250°С не превышает 24…25 г/м²);

- оптимальной жаропрочностью в интервале температур 900…1200°С отличаются сплавы на основе алюминида никеля вышеуказанной системы, фазовый состав которых расположен на границе раздела γ' и γ -фаз;

- небольшие добавки кобальта (4…5%) к оптимальной композиции значительно повышают жидкотекучесть при литье в вакууме и снижают склонность сплава к образованию горячих трещин.

На рисунке 1 в качестве примера показана псевдобинарная диаграмма состояния сплавов системы Ni-Al-Cr-Ti-Mo-W, которая показывает особенности кристаллизации этого класса материалов и область существования жаропрочных сплавов, в нашем случае точка С. Анализ диаграммы состояния сплавов на основе соединения Ni₃Al позволяет понять и особенности их структуры - на первом этапе кристаллизуется первичная γ'₁-фаза, образующаяся по перитектической реакции, затем кристаллизуется эвтектика (γ'₂ + γ )-фаз. В структуре могут также присутствовать частицы метастабильных фаз NiAl и Ni₂Al, отличающиеся более высокой температурой плавления по сравнению с Ni₃Al. На рисунке 2 приведена типичная микроструктура интерметаллидного сплава на основе алюминида никеля в литом состоянии и после отжига при температуре 1200 °С в течение двух и десяти часов. Белые крупные включения являются первичными частицами γ'₁-фазы, основа представляет собой эвтектику (γ'₂ + γ), включения внутри первичной γ'₁-фазы - метастабильная фаза переменного состава типа NiAl, окантованная темной прослойкой γ'-фазы. Суммарное содержание γ'-фазы составляет 92…95%.

При исследовании интерметаллидного сплава на основе алюминида никеля заданного химического состава с поликристаллической, дендритной столбчатой и монокристаллической структурами, а также после деформации и отжига установлено, что жаропрочность при температуре 1100°С повышается в зависимости от макроструктуры и технологии получения заготовок образцов в следующей последовательности: деформированная - деформированная + рекристаллизованная - литая поликристаллическая - литая столбчатая - литая монокристаллическая с кристаллографической ориентацией (КГО) <111> с отклонением от направления роста ≤10° и по блочности ≤6° [3].

Выявленные закономерности позволили разработать, паспортизовать, опробовать и внедрить в серийном и перспективном производстве авиационных ГТД интерметаллидные сплавы типа ВКНА для повышения срока службы деталей горячего тракта и снижения их веса.

В связи с тем, что сплавы имеют термически стабильную структуру, их состав оптимизирован к методу получения отливок. Так, например, сплав ВКНА-4 рекомендуется для получения отливок методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой на установках типа УППФ; сплав ВКНА-1В оптимизирован для литья деталей методом направленной кристаллизации с дендритной столбчатой структурой на установках типа УВНЭС-4 и УВНС-5; сплав ВКНА-1ВУ - для литья деталей с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией (КГО) <111> c температурным градиентом кристаллизации 100…150°/см; сплавы ВКНА-4У и ВКНА-25 - на установках типа УВНК-9 с монокристаллической структурой с КГО <111> c температурным градиентом кристаллизации 60…80°/см.

В таблице 2 приведены марка сплава; номер паспорта; плотность сплава; кратковременная прочность и пластичность при комнатной температуре; пределы длительной прочности на базе 100 ч при температурах 900, 1100 и 1200°С, а также пределы выносливости на базе 2х10⁷ при температурах 20, 900 и 1100°С. Видно, что сплавы обладают высоким уровнем жаропрочности при температурах 1100 и 1200°С при относительно низкой плотности 7840…8105 кг/м³. При окислении в воздушной среде из-за повышенного содержания алюминия и присутствия хрома сплавы отличаются высокой жаростойкостью. Например, у сплава ВКНА-4 привес при температуре 1100°С за 100 часов составляет 20 г/м². У сплава ВКНА-1В такой же привес получается при температуре 1200°С.

Интерметаллидные сплавы отличаются высокой термической стойкостью при термоциклических испытаниях. Так например, сплав ВКНА-4 при термоциклировании клиновидных образцов с радиусом кромки 3 мм в интервале температур 200…1100°С со скоростью нагрева и охлаждения 1°С в минуту выдерживает 105 теплосмен до появления первой трещины; сплав ВКНА-1В при термоциклировании в интервале температур 200…1200°С со скоростью нагрева и охлаждения 1 °С в минуту выдерживает 360 теплосмен; сплав ВКНА-4У в условиях испытания аналогичных сплаву ВКНА-1В - 360 теплосмен. При испытании на термоусталость при нагрузке Δσ = 60 МПа в интервале температур 100…1100°С со скоростью нагрева и охлаждения 1,5°С в минуту выдерживает 600 теплосмен до появления первой трещины.

В интервале температур 20…1200°С интерметаллидные сплавы типа ВКНА имеют коэффициент линейного расширения близкий с литейными сплавами на основе никеля, но более высокую теплопроводность. Например, у сплава ВКНА-4 коэффициент линейного расширения при температуре 20…1100°С составляет 16,5 10-6 К-1. У сплава ВКНА-1В коэффициент равен 15,6 10^-6 К^-1.

Сплав ВКНА-4 используется в малоразмерных ГТД для неохлаждаемых сопловых лопаток взамен сплава ВХ-4Л, что позволило повысить рабочую температуру и срок службы лопаток. Для повышения термостойкости и коррозионной стойкости на лопатки из сплава ВКНА-4 наносится алитированное покрытие. Сплав ВКНА-1В опробован с положительным результатом для роторных и сопловых проставок, элементов жаровых труб и других деталей горячего тракта, полученных методом направленной кристаллизации с дендритной столбчатой структурой, методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической структурой и методом монокристального литья с КГО <111>. Сплав ВКНА-4У в монокристаллическом варианте опробован взамен сплава ЖС6У в качестве неохлаждаемых рабочих лопаток турбины. Это позволило повысить рабочую температуру на входе в турбину на 100°С и срок службы лопаток в 1,5…2 раза. Исследования микроструктуры и параметров кристаллических решеток γ'-фазы и γ  - твердого раствора рабочих лопаток из сплава ВКНА-4У после проведенных натурных испытаний в течение 2500 ч и 10000 циклов не выявили заметных изменений. Сплав ВКНА-25 рекомендуется для сопловых лопаток, длительно эксплуатируемых при температурах до 1200°С. Особенностью ренийсодержащего интерметаллидного сплава ВКНА-25 являются высокие предел длительной прочности при температуре 1100°С (σ¹¹⁰⁰₁₀₀ = 130 МПа) и сопротивление ползучести по сравнению со сплавами-аналогами ВКНА-1В и ВКНА-4У. В сравнении жаропрочным никелевым сплавом ЖС32 - при одинаковом уровне 100- и 500-часовой жаропрочности при температуре 1100°С ВКНА-25 содержит в 2 раза меньше тугоплавких "тяжелых" легирующих элементов и имеет плотность ниже на 10%.

На составы интерметаллидных сплавов типа ВКНА, на технологию выплавки и технологию отливки деталей и полуфабрикатов различными методами, режимы термической обработки, методы соединения и заделки литейных дефектов получены патенты Российской Федерации.

Литература

1. Б.А. Гринберг, М.А. Иванов. Интерметаллиды Ni3Al: микроструктура, деформационное поведение  Екатеринбург, 2002.

2. Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением. Под научной редакцией академика РАН, профессора Е.Н. Каблова и доктора физ.-мат. наук, профессора Ю.Р. Колобова. МИСиС издательский дом. Москва, 2008.

3. В.П. Бунтушкин, Е.Н. Каблов, Е.Б. Качанов, Р.Е. Шалин. Высокотемпературные конструкционные материалы на основе интерметаллида Ni3Al. Научно-технический сборник "Авиационные материалы на рубеже ХХ-XXI века", Москва, 1994.

Связь с автором:
Рабочий телефон: (495) 366-7261.