Михаил Александрович Михайлов, Александр Вячеславович Логунов - Обеспечение высокого качества литых заготовок современных сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов

Современные жаропрочные никелевые сплавы, предназначенные для работы в последних ступенях компрессоров, в турбинах авиационных и ракетных двигателей, а также в газотурбинных установках, являются одним из наиболее важных объектов применения, обеспечивающих весьма высокие температурно-скоростные параметры полёта и одновременно энергетическую и экономическую эффективность в процессе эксплуатации в течение всего заданного ресурса.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов последних поколений достигается наиболее высоким и одновременно оптимальным с позиций обеспечения условий отсутствия в структуре охрупчивающих ТПУ-соединений содержанием таких тугоплавких элементов, как вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и др., в сравнении со сплавами предыдущих поколений.

Легирование литейных жаропрочных никелевых сплавов рением и рутением позволило заметно повысить характеристики их длительной прочности, однако при этом весьма важным является получение высококачественных шихтовых заготовок и отливок из них, что гарантирует стабильность структуры и свойств, высокую технологичность и выход годных отливок.

Создание самых современных высокоресурсных авиационных ГТД, а также стационарных ГТУ энергетического и газоперекачивающего назначения невозможно без применения в них лопаток с монокристаллической структурой. Наряду с высокими жаропрочными свойствами такие лопатки отличаются повышенной термостабильностью и более медленным темпом разупрочнения металла при эксплуатации, а также повышенной механической и термической усталостью. Такое уникальное сочетание различных свойств в монокристаллах позволяет их эффективно использовать, прежде всего, в перспективных ГТД в качестве материала лопаток турбины для работы в условиях сверхвысоких температур и напряжений.

В процессе проведения исследований, связанных с созданием двигателей 5-го поколения, разработано новое поколение сверхжаропрочных монокристаллических никелевых сплавов (безуглеродистых, рений- и рутенийсодержащих, интерметаллидных), способных работать при температуре газа 2000–2200 К, что на 100–150 К выше температуры газа в современных ГТД. Такое существенное повышение температуры газа в турбине особенно важно для создания новых авиационных двигателей, поскольку позволяет увеличить тягу двигателя на 15–20 % и ресурс его работы в 2–3 раза, а также скорость и дальность полёта самолёта, его грузоподъёмность.

Для получения высоких и стабильных свойств сплавов важно обеспечить требуемое качество шихтовых заготовок, которые используются для производства лопаток и других деталей из этих сплавов. Качество металла в значительной степени оценивается по наличию газов и неметаллических включений в сплавах.

Свойства жаропрочных сплавов, как указывалось выше, определяются характером и уровнем макро- и микролегирования, а также наличием содержащимися в них вредных примесей, неметаллическими и газовыми включениями и их влиянием на механические, физико-химические и технологические свойства. Наличие неметаллических включений в сплавах очень часто является основной характеристикой, предопределяющей их эксплуатационные параметры и область применения. Неметаллические включения в сплавах обусловливают возникновение дефектов в изделиях и полуфабрикатах, ухудшение механических и физико-химических свойств.

До настоящего времени наиболее надёжным, но не всегда экономически оправданным способом, позволяющим обеспечить низкое содержание неметаллических включений и газов в сложнолегированных сплавах, считается выбор особо чистых шихтовых материалов и строгое соблюдение технологических режимов плавки, предотвращающее загрязнение расплава при взаимодействии с футеровкой тигля и остаточными газами в плавильной камере.

Разработка эффективных методов защиты от проникновения вредных примесей и удаления их в процессе получения и дальнейшей обработки металлов или сплавов является одной из основных проблем современной металлургии вакуумно-индукционной плавки (ВИП).

Примеси в металлических расплавах могут присутствовать в растворённом виде и в виде нерастворённых (взвешенных) частиц. Растворённые примеси представляют собой металлы (Pb, Sn, Ag и др. в сплавах на основе никеля), неметаллы (S, P, Si и др.) и газообразные элементы (H, O, N). Нерастворённые взвешенные частицы являются либо неметаллическими включениями, главным образом оксидного характера, либо включениями металлической природы [1]. Металлические взвешенные частицы представляют собою кристаллы интерметаллидов или других соединений (α-, δ-, β-частицы, σ-, μ-, η-фазы и т. д.).

Примеси, всегда имеющиеся в расплавах, можно разделить на вредные и нейтральные. Вредными считают те, которые отрицательно влияют на свойства литых заготовок, оговорённые установленными требованиями. Поскольку эти требования с течением времени меняются, изменяется общая оценка примесей и допустимые пределы их содержания. Так, сера, считающаяся безусловно вредной примесью в никелевых сплавах, намеренно вводится как легирующий компонент в так называемые автоматные стали. Углерод – важный легирующий компонент никелевых жаропрочных сплавов с равноосной структурой – в монокристальных сплавах на основе никеля является вредной примесью, и его содержание не допускается выше 0,02 %. Свинец и олово, обычно не оговариваемые примеси в сталях и чугунах, в жаропрочных никелевых сплавах строго ограничиваются весьма малыми содержаниями.

При ВИП-процессе основным источником неметаллических включений, попадающих в расплав, являются загрязнённые отходы, используемые в качестве шихтовых материалов. Кроме того, в процессе плавки неметаллические включения образуются в результате взаимодействия компонентов с растворёнными газами и футеровкой тигля.

В таблице 1 показано содержание газов в чистых металлах.

Таблица 1

Среднее содержание газов в некоторых шихтовых материалах, обычно используемых при выплавке жаропрочных сплавов, приведено в таблице 2.

Таблица 2

В жидком металле газы содержатся в виде растворённых ионизированных частиц (катионов и анионов) и атомов в виде химических соединений – нитридов и оксидов, а также молекул.

При растворении газов в металлах и сплавах принципиально возможны следующие процессы:

а) образование раствора в металле;

б) образование прочного химического соединения между газом и металлом;

в) образование химического соединения с высокой степенью диссоциации в расплаве, т. е. когда в расплаве находятся как атомы растворённого газа, так и молекулы химического соединения.