5.3. Жаропрочные сплавы для лопаток газовых турбин

В авиационных двигателях основные требования к материалам для лопаток турбин обусловлены самим развитием конструкции двигателя – непрерывным повышением жаропрочности, пластичности, сопротивления термической и малоцикловой усталости, стойкости к воздействию газовой среды. Материалы для лопаток турбин современных двигателей должны обладать высокой сопротивляемостью разрушению при термической и малоцикловой усталости, которое является в настоящее время основным. Опасность разрушения усугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границ зерен.

Для изготовления лопаток турбин используют деформируемые и литейные сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностями обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легирование ведет к практически полной потере ими технологической пластичности при деформировании. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейным, а также новым направленно-кристаллизованным и монокристаллическим сплавам, которые широко применяют в современных высокотемпературных двигателях. Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легирования обеспечило существенное увеличение рабочей температуры сплавов, причем направленные и монокристаллические сплавы группы ЖС стали более пластичными (рис. 5.2). Предельные рабочие температуры нагрева деформируемых сплавов не превышают 1000 °С.

Рис. 5.2. Повышение рабочей температуры (сплошная линия) и пластичности (штриховая линия) литейных жаропрочных никелевых сплавов для лопаток турбин

Широкое распространение получили деформируемые сплавы ХН56ВМКЮ (ЭП109), ЖС6КП и литейные сплавы ЖС6К, ЖС6У, ЖС6Ф, ВЖЛ12У, ЖС26, ЖС30, ЖС32 и др. Сплавы обладают высокими механическими свойствами (табл. 5.2).

Деформируемые сплавы ХН56ВМКЮ и ЖС6КП применяют при температурах не выше 950 °С. Сплавы ЖС6У, ВЖЛ12У и ЖС6ФНК имеют более высокие допустимые значения температур в эксплуатации – 1000 °С для ЖС6У и ВЖЛ12У и 1050 °С для ЖС6ФНК.

Таблица 5.2

Механические свойства жаропрочных никелевых сплавов для лопаток газовых турбин

Марка сплава	Термическая обработка	σв900, МПа	σ1001000, МПа	σ100900, МПа	δ,%
ХН56ВМКЮ ЖС6КП ЖС6У ВЖЛ12У ЖС6ФНК ЖС32МОНО ЖС26ВСНК < 001 > ЖС36МОНО <001> ЖС36МОНО <001>	Закалка с 1220 °С, 5 ч и старение при 950 °С, 2 ч Закалка с 1220 °С, 4 ч и старение при 900 °С, 16 ч Закалка с 1230 °С, 3 ч и старение при 950 °С, 2 ч То же » Закалка с 1280 °С, 4 ч и старение при 950 °С, 2 ч Закалка с 1265 °С, 3 ч и старение при 950 °С, 2 ч Закалка с 1280 °С, 4 ч и старение при 950 °С, 2 ч Закалка с 1280 °С, 4 ч и старение при 950 °С, 2 ч	650 750 800 780 850 940 880 950 950	60 120 165 150 180 250 200 255 255	270 290 330 320 450 475 410 480 480	6 6 5 5 12 15 16 14 14

Сплав ЖС6У без высокотемпературной термической обработки менее склонен к фазовым превращениям при длительных нагревах (900... 1050 °С). Отсутствие поперечных границ зерен, более низкий модуль упругости и более высокая пластичность сообщают сплаву ЖС6ФНК повышенную долговечность при воздействии высоких температур и циклических термомеханических нагрузок. Температурные ограничения применения жаропрочных сплавов с дисперсионным упрочнением обусловлены растворением и быстрой коагуляцией упрочняющей γ'-фазы и падением жаропрочности.

Деформируемые сплавы имеют более мелкозернистую структуру, которая обеспечивает им повышенное сопротивление усталости, тогда как литейные сплавы с равноосной структурой характеризуются более высокой жаропрочностью.

Наиболее высокие механические свойства приобретают сплавы с монокристаллической структурой: ЖС32МОНО, ЖС36МОНО, ЖС40МОНО, ЖС47МОНО и др. Уменьшение содержания углерода в сплавах ЖС36, ЖС40 существенно снижает склонность к образованию микропор при кристаллизации отливок и повышает долговечность.

Для рабочих и сопловых лопаток газовых турбин применяют новые сплавы с низким содержанием углерода и повышенным содержанием рения и тантала. Сплавы такого типа обладают высоким уровнем жаропрочности, технологичны при получении отливок методом направленной кристаллизации, не склонны к образованию дефектов типа струйной ликвации и не подвержены рекристаллизации при термической обработке.

Направленная кристаллизация обеспечивает повышение пределов выносливости и длительной прочности, пластичности. Ниже приведены данные, характеризующие влияние кристаллизации на механические свойства сплавов:

Марка сплава	ЖС6У	ЖС6Ф	ЖС6УНК	ЖС6ФНК	ЖС32МОНО
σ-1900, МПа	290	260	310	350	380
σ1001000, МПа	170	180	185	190	250
δ, %	6	6	8	9…12	16…18

Развитие направленной кристаллизации позволило решить задачу получения эвтектик с ориентированной структурой, представляющих собой естественные композиционные жаропрочные сплавы. Температурный уровень их работы существенно выше, чем у сплавов с равноосной и направленной структурами. При высоких температурах основным упрочнителем жаропрочных композиционных сплавов системы γ/γ' – МеС являются волокна МеС, которые обладают высокой температурной стабильностью.