Файл: лекции СОВ МАТ И ТЕХ.docx

В рассматриваемых сплавах, как правило, содержится 0,050,2% С, который, взаимодействуя с легирующими элементами, образует карбиды типа МеС. Во время термообработки и в процессе эксплуатации они распадаются на карбиды Ме₂₃С₂₆ и МеС, выделяющиеся часто по границамзерен. В некоторых жаропрочных сплавах наблюдали образование интерметаллидных фаз типа электронных соединений.

К первой группе легирующих элементов относятся элементы, упрочняющие твердый раствор на основе никеля, через изменение электронной структуры твердого раствора. К ним относятся хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, гафний. Помимо упрочнения твердого раствора хром играет активную роль в защите сплавов от окисления; молибден, вольфрам, ванадий образуют в сочетании с хромом различные карбидные фазы.

Ко второй группе легирующих элементов относятся алюминий, титан, ниобий и тантал. Эти элементы, помимо упрочнения твердого раствора, образуют с никелем интерметаллидное соединение типа Ni₃Al часто сложного состава Ni₃(Ti,Al,Nb), являющейся основной упрочняющей фазой жаропрочных сплавов на никелевой основе, прочность дисперсионно-твердеющих сплавов зависит от расстояния между частицами, их размера и объемной доли. Помимо интерметаллидной фазы, карбидообразующие элементы этой группы образуют карбиды типа МеС. Алюминий, так же как и хром, образует защитные оксидные пленки, что также повышает окалиностойкость сплавов.

К третьей группе легирующих элементов можно отнести углерод, бор, цирконий и элементы из группы лантаноидов – лантан, церий, неодим и другие, которые вводятся в малых количествах, составляющих десятые и сотые доли процента. Цель введения этих элементов – образование фаз внедрения, а также упрочнения границ зерен за счет сегрегации по границам зерен, образование специальных фаз, рафинирование металла от вредных примесей, влияние на кинетику фазовых превращений, изменение морфологии выделяющихся фаз.

Жаропрочность сплавов также находится в прямой зависимости от количества упрочняющей фазы, т.к. высокая степень легирования твердого раствора -фазы вызывает искажения решетки и замедляет диффузионные процессы. Однако основной фактор, влияющий на высокую жаропрочность сплавов – это дисперсионное твердение за счет выделения при старении после закалки частиц -фазы. При этом когерентность решетки частиц -фазы и матрицы сохраняется до высоких температур и приводит к появлению значительных упругих напряжений, препятствующих перемещению дислокаций, а также задержке укрупнения частиц. Жаропрочные свойства никелевых сплавов зависят от размера зерен: влияние увеличения размера зерен на повышение долговечности и сопротивление ползучести – надежно установленный факт. В последнее время большое внимание уделяется исследованиям влияния границ зерен матрицы на жаропрочность сплавов. Установлено, что малые добавки бора могут увеличивать долговечность в 13 раз, а длительную прочность до 2 раз. Такое влияние связывают с сегрегацией этого элемента на границах зерен и замедлением диффузии по ним.

Установлено, что чем больше объемная доля -фазы, тем выше рабочая температура сплава. В связи с тем, что наибольшее влияние на растворимость титана, алюминия, ниобия, тантала оказывает хром, для повышения их количества содержание хрома в жаропрочных сплавах постепенно снижается. Это способствует повышению рабочей температуры сплавов до 10001050С. По существу, последние композиции жаропрочных сплавов уже не базируются на системе никель-хром, а являются комплексно легированными системами, в которых содержание хрома находится на уровне других легирующих элементов. Объемная доля упрочняющей фазы в таких сплавах доходит до 60%.

Поэтому при использовании жаропрочных сплавов возникает противоречие между целью – обеспечением в изделиях высоких эксплуатационных свойств – и средствами получения таких изделий. Жаропрочные сплавы при эксплуатации должны иметь большое сопротивление деформации, но в технологии требуется их высокая пластичность. Решение проблемы заключается в комплексном подходе, включающем обеспечение достаточной технологической пластичности и последующее восстановление необходимых служебных свойств, которое проводят, как правило, методами термического воздействия.

3.3Характеристика сплава эп975ид

Жаропрочный никелевый сплав ЭП975ИД является деформируемой модификацией литейного сплава ЖС6У-ВИ. Сплавы типа ЭП975 отличаются от сплавов типа ЖС6, главным образом большим содержанием кобальта, который улучшает технологическую пластичность жаропрочных никелевых сплавов без снижения характеристик жаропрочности. Содержание -фазы в этих сплавах в термически упрочненном состоянии доходит до 5557%, карбидов и боридов до 1%. -фаза имеет довольно сложный химический состав (Ni,Co,Cr)₃(Al,Ti,Nb,W,Mo), в структуре сплава присутствуют также карбиды MeC и Me₆C, а также бориды Me₃B₂.

Техническими условиями предусмотрено три модификации сплава ЭП975 [10]: ЭП975 (ВДС-75) – обычной выплавки; ЭП975ИД – вакуумно-индукционной выплавки + вакуумно-дуговой переплав (в целях обеспечения высокой чистоты: без примесей, газов, неметаллических включений и минимальной ликвационной неоднородности выплавки), ЭП975П – порошковый сплав.

Сплав ЭП975ИД применяется для изготовления дисков газовых турбин двигателей с рабочей температурой до 850С. Сплав обладает удовлетворительной жаростойкостью при температурах до 950С [10]. Сплав поставляется заводом «Электросталь» по техническим условиям ТУ 14-131-780-89 «Прутки-прессизделия, полученные методом горячего прессования (выдавливания) из сплава ЭП975ИД». Химический состав приведен в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав сплава ЭП975ИД (% по массе)

Плотность сплава 8,51 г/см³. Сплав обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью во всеклиматических условиях; не склонен к коррозии под напряжением. [10]

Требования к дискам из жаропрочных никелевых сплавов. На турбинные диски действуют радиальные центробежные растягивающие усилия. В результате вращения диска они возникают непосредственно в его теле, от центробежных сил массы самого диска, а также в результате передачи усилий от массы вращающихся лопаток. Дополнительные напряжения возникают из-за колебаний температуры диска. Температурные и силовые режимы авиационных ГТД изменяются также в пределах одного полетного цикла. Температурный режим диска определяется действием охлаждающего воздуха и движущегося потока рабочих газов.

Прогресс в развитии газотурбинных авиационных двигателей определяется уровнем их рабочих параметров. Он невозможен без постоянного повышения уровня температур и нагруженности ответственных деталей турбины с одновременным повышением требований к надежности и ресурсу изделий. Выполнение этих условий определяется прежде всего, работоспособностью материала дисков и лопаток турбины высокого давления. К основным критериям работоспособности сплава такого назначения относятся характеристики жаропрочности (длительная прочность, сопротивление ползучести, длительная пластичность). В отечественной практике основной характеристикой жаропрочности считают длительную прочность, а в зарубежных – сопротивление ползучести. Эти характеристики снижаются с увеличением длительности нагружения и с повышением температуры. Длительную прочность используют в качестве расчетных параметров при проектировании двигателей при комплексном подходе, включающем обеспечение достаточной технологичности и последующее получение необходимых служебных свойств.

3.4 Выбор температурных интервалов горячей деформации жаропрочных никелевых сплавов

Существует два основных подхода к обработке давлением жаропрочных никелевых сплавов. Первый из них заключается в получении штампованных заготовок требуемой геометрической формы любыми возможными способами (обычно наиболее экономичными), оставляя на последующую термическую обработку достижение необходимых механических свойств. Другой подход предполагает создание в процессе обработки давлением заданной микроструктуры и соответствующих механических свойств при безусловных ограничениях по температуре, степени и скорости деформации, даже если это не обеспечивает геометрию получаемых заготовок за один переход. Именно на этом основываются способы обработки, применяемые в технологии изготовления заготовок дисков из жаропрочных никелевых сплавов. Получение заданной микроструктуры путем сочетания деформации и термической обработки составляет задачу термомеханической обработки: установление количественных связей между структурой и свойствами с одной стороны и технологией обработки давлением – с другой.

Горячая деформация высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов имеет следующие характерные особенности:

• малую пластичность при температурах деформации;

• высокое сопротивление деформированию, включая и однофаз­ную область твердого раствора;

• узкий температурный интервал деформации, доходящий до 80100°С;

• высокую чувствительность к перегреву.

Характерной особенностью жаропрочных сплавов на основе никеля является сильное химическое взаимодействие компонентов, проявляющееся уже в жидком состоянии, что приводит к значительному развитию ликвации при кристаллизации. Следствием ликвации являются пониженная пластичность литого металла и анизотропия механических свойств поковок.

Жаропрочные сплавы обладают высокой температурой рекристаллизации, поэтому отклонение от режима деформации способствует появлению в металле полугорячего наклепа, что при последующей термообработке приводит к разнозернистости. Это часто объясняется деформацией металла в области критических степеней деформации. [16]

Температура рекристаллизации сплавов зависит от легирования, предварительной деформации и режимов термической обработки. Чем выше степень легирования, тем выше температура рекристаллизации. Поскольку жаропрочные сплавы чувствительны к режимам термической обработки, необходимо строго выдерживать температуру и однородность распределения температуры по объему печи. Так как термическая обработка сплава связана с длительными нагревами, следует предварительно определять глубину слоя с измененным химическим составом для правильного выбора припуска на механическую обработку.