Елютин Евгений Сергеевич. Разработка жаропрочных никелевых сплавов V и VI поколений с повышенной длительной прочностью для монокристаллических лопаток перспективных авиационных ГТД

brief description

Елютин Евгений Сергеевич. Разработка жаропрочных никелевых сплавов V и VI поколений с повышенной длительной прочностью для монокристаллических лопаток перспективных авиационных ГТД;[Место защиты: ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»], 2023

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
«ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»
НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ЦЕНТРА
«КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ»
На правах рукописи
Елютин Евгений Сергеевич
РАЗРАБОТКА ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
V И VI ПОКОЛЕНИЙ С ПОВЫШЕННОЙ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ
ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ПЕРСПЕКТИВНЫХ
АВИАЦИОННЫХ ГТД
Специальность 2.6.1. «Металловедение и термическая обработка
металлов и сплавов»
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель,
доктор технических наук Петрушин Н.В.
Москва - 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ, ЛЕГИРОВАННЫЕ РЕНИЕМ И РУТЕНИЕМ
(обзор) 17
ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ 38
2.1 Методы изготовления исходных сплавов и отливок образцов для
исследований и испытаний 38
2.1.1 Получение отливок образцов с переменным по длине химическим
составом 41
2.2 Методы проведения исследований физико-химических свойств и
структурно-фазовых характеристик 46
2.3 Методы испытаний для определения механических свойств 49
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НИКЕЛЕВЫХ у/у'-СПЛАВОВ 52
3.1 Растворимость рения и рутения в у'-фазе никелевых сплавов
четверной системы Ni-Al-Re-Ru 52
3.2 Сегрегация легирующих элементов при направленной
кристаллизации с плоским фронтом и ее влияние на физико-химические свойства и структурно-фазовые характеристики рений-рутенийсодержащих у/у'-сплавов 60
3.3 Синергическое влияние рения и рутения на длительную прочность
монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов 72
3.4 Влияние знака у/у'-мисфита на микроструктуру и длительную
прочность монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов 78
3.5 Выводы 89
ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ
РЕНИЙ-РУТЕНИЙСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ 93
4.1 Метод компьютерного конструирования 93
4.2 Применение метода компьютерного конструирования при
разработке монокристаллических жаропрочных никелевых рений-рутенийсодержащих сплавов V и VI поколений с заданным уровнем свойств 99
4.3 Выводы 106
ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И
РАЗРАБОТКА НОВОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА V ПОКОЛЕНИЯ 1 0 7
5.1 Микроструктура и структурно-фазовые характеристики
монокристаллов сконструированного жаропрочного сплава после литья и термической обработки 107
5.2 Оценка длительной прочности монокристаллов экспериментальной
композиции сконструированного сплава 118
5.3 Структурные превращения в монокристаллах сконструированного
сплава при высокотемпературных испытаниях на длительную прочность 122
5.4 Исследование физико-механических свойств монокристаллов из
жаропрочного никелевого сплава ВЖМ8 с заданной КГО 127
5.5 Технологическое опробование сплава ВЖМ8 при литье
монокристаллических рабочих лопаток ТВД перспективного вертолетного двигателя 142
5.6 Выводы 146
ГЛАВА 6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И
РАЗРАБОТКА НОВОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА VI ПОКОЛЕНИЯ 148
6.1 Микроструктура и структурно-фазовые характеристики
монокристаллов сконструированного жаропрочного сплава после литья и термической обработки 148
6.2 Оценка длительной прочности монокристаллов экспериментальной
композиции сконструированного сплава 157
6.3 Структурные превращения в монокристаллах сконструированного
сплава при высокотемпературных испытаниях на длительную прочность 160
6.4 Исследование физико-механических свойств монокристаллов с
КГО <001> из жаропрочного никелевого сплава ВЖМ10 165
6.5 Технологическое опробование сплава ВЖМ10 при литье
монокристаллических рабочих лопаток ТВД перспективного авиационного двигателя большой тяги 173
6.6 Выводы 176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 182
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Впервые получены значимые научно обоснованные технические решения в области разработки нового поколения жаропрочных никелевых рений¬рутенийсодержащих сплавов для монокристаллических рабочих лопаток перспективных авиационных ГТД. С помощью метода компьютерного конструирования и на основе результатов экспериментальных исследований структурно-фазовых характеристик, физико-химических свойств и механических испытаний разработаны монокристаллические жаропрочные рений¬рутенийсодержащие никелевые сплавы нового поколения, обладающие заданными характеристиками длительной прочности и рабочей температуры, следующих марок:
- монокристаллический сплав V поколения ВЖМ8 с рабочей температурой до 1170 °С, с характеристиками длительной прочности 0 = 320 МПа и а^ооо = 140 МПа (средние значения для КГО <001>);
- монокристаллический сплав VI поколения ВЖМ10 с рабочей
температурой до 1200 °С, с характеристиками длительной прочности
aioo = 620 МПа, а^оо 0 = 360 МПа, а^0 = 200 МПа, а^о 0 = 80 МПа (средние значения для КГО <001>);
2. Изготовлены методом направленной кристаллизации с плоским фронтом никелевые у/у'-сплавы систем Ni-Al-Re-Ru и Ni-Al-Cr-Mo-W-Ta-Co-Re-Ru и получены образцы с переменным по длине химическим составом (образцы с макросегрегацией);
3. Показано, что в никелевых сплавах четырехкомпонентной системы Ni-Al-Re-Ru при кристаллизации у'-фаза образуется по перитектической L+y^y' при температуре 1374 °С и эвтектической L^y'+P при температуре 1372 °С реакциях, так как это установлено в новой версии фрагмента диаграммы состояния двойной системы Ni-Al в области составов, соответствующих у'-фазе;
4. Установлено, что в системе Ni-Al-Cr-Mo-W-Ta-Co-Re-Ru, отвечающей монокристаллическим жаропрочным никелевым сплавам IV и
V поколений (типа ВЖМ4), легирование рением приводит к значительному повышению температур солидус и ликвидус, снижению температуры у'-сольвус, а рутением - к небольшому повышению температур этих фазовых превращений;
5. Разработаны и апробированы регрессионные модели, позволяющие прогнозировать температуры у'-сольвус, солидус и ликвидус монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов в зависимости от концентраций алюминия, тантала, рения и рутения в концентрационной области, соответствующей перспективным монокристаллическим жаропрочным никелевым сплавам V и VI поколений;
6. Установлены закономерности влияния знака у/у'-мисфита на микроструктуру и длительную прочность монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов системы Ni-Al-Cr-Mo-W-Ta-Co: наибольшей длительной прочностью при температурах 800 и 1000 °С обладают монокристаллы сплава с отрицательным у/у'-мисфитом (период решетки у'-фазы меньше, чем у-твердого раствора) и образовавшимся У-рафтингом, наименьшую - монокристаллы сплава с нулевым мисфитом (рафт-структура не образуется), промежуточные значения длительной прочности обнаруживают монокристаллы сплава с положительным у/у'-мисфитом (период решетки у'-фазы больше, чем у-твердого раствора) и Р-рафтингом;
7. Исследовано влияние ТПУ фаз на длительную прочность с использованием монокристаллов ренийсодержащего сплава ВЖМ1 и рений-рутенийсодержащего сплава ВЖМ4. Обнаружено, что сплав ВЖМ1 обладает преимуществом при средних (850 °С) и высоких (1000-1150 °С) температурах на малых временных базах. Однако при высоких температурах (1000-1150 °С) и продолжительных временах испытаний, типичных для условий эксплуатации лопаток ГТД, сплав ВЖМ4 по длительной прочности значительно превосходит сплав ВЖМ1. При этом скорость выделения ТПУ фаз при температуре 1100 °С в сплаве ВЖМ1 превышает таковую в сплаве ВЖМ4 в 15 раз;
8. Разработаны специальные режимы термической обработки, совмещенной с горячим изостатическим прессованием, монокристаллических отливок образцов и рабочих лопаток из новых жаропрочных никелевых рений-рутенийсодержащих сплавов ВЖМ8 и ВЖМ10, обеспечивающие снижение ликвационной химической неоднородности (коэффициент ликвации рения KRe = -1,3), формирование в осях дендритов и междендритных областях кубоидных частиц у'-фазы заданного размера (~0,3 мкм) и низкую объемную микропористость;
9. Исследована анизотропия механических свойств монокристаллов жаропрочного рений-рутенийсодержащего никелевого сплава ВЖМ8 с КГО <001>, <011> и <111>. Установлено, по пределам прочности и текучести в области температур 20-800 °С монокристаллы с КГО <111> имеют значительное преимущество перед монокристаллами с КГО <001> и <011>. При более высоких температурах анизотропия кратковременной прочности практически вырождается. Наибольшую длительную прочность в интервале температур 900-1170 °С имеют монокристаллы сплава ВЖМ8 с КГО <111>, наименьшую - с КГО <011>. Наиболее предпочтительной КГО, оказывающей повышенное сопротивление усталости при испытаниях на МЦУ при температурах 500 и 850 °С, является ориентация <001>, при испытаниях на МнЦУ при температурах 20 и 1000 °С - ориентация <111>;
10. Разработанные технологии выплавки, литья методом направленной кристаллизации и термической обработки, совмещенной с горячим изостатическим прессованием, монокристаллических отливок образцов и рабочих лопаток из новых жаропрочных никелевых рений-рутенийсодержащих сплавов ВЖМ8 и ВЖМ10 внедрены в опытно-промышленное производство НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ. Разработаны технические условия на прутковую (шихтовую) заготовку. Выпущен атлас эталонных структур сплава ВЖМ8;
11. Проведена общая квалификация новых жаропрочных никелевых рений-рутенийсодержащих сплавов ВЖМ8 и ВЖМ10 с монокристаллической структурой, в рамках которой исследованы механические свойства при растяжении, длительная прочность, ползучесть, многоцикловая и малоцикловая усталость, теплофизические свойства, жаростойкость и коррозионная стойкость изготовленных по разработанным технологиям монокристаллических образцов. Выпущен паспорт № 2011 на жаропрочный монокристаллический сплав марки ВЖМ10;
12. Выполнено технологическое опробование сплава ВЖМ8 при литье монокристаллических рабочих лопаток ТВД перспективного вертолетного двигателя и сплава ВЖМ10 при литье монокристаллических рабочих лопаток ТВД перспективного авиационного двигателя большой тяги. Исследование изготовленных по разработанным технологиям литья отливок рабочих лопаток показало высокий выход годного по монокристаллической структуре с КГО <001> с отклонением не более 10 град, который для сплава ВЖМ8 составил 88 %, для сплава ВЖМ10 - 87 %;
13. Разработанные сплавы ВЖМ8 и ВЖМ10 внесены в перечень- ограничитель ПО 2-2011 «Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы, рекомендуемые для применения в изделиях авиационной техники» в качестве перспективных литейных сплавов для рабочих лопаток;
14. Применение сплава ВЖМ8 для производства монокристаллических рабочих лопаток ТВД перспективного вертолетного двигателя (ВК-2500П и др.) взамен серийного сплава ЖС32 обеспечит повышение надежности работы вертолетных ГТД и увеличение в 2-3 раза ресурса работы турбинных лопаток. Применение сплава ВЖМ10 для производства монокристаллических рабочих лопаток ТВД перспективного двигателя большой тяги ПД-35 обеспечит увеличение рабочей температуры материала лопаток длительно до 1200 °С и кратковременно до 1250 °С.