Сплавы с особыми свойствами

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ,

МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

Сумской Государственный  Университет

Кафедра ПМ и ТКМ

 

 

 

 

 

Обязательное домашнее задание 

по предмету:

Сплавы с особыми  свойствами.

 

 

 

 

 

 

 

 

  Выполнила                                                                            Гончарова В.В.

                                                                                              Группа МТс - 22

  Проверила                                                                               Руденко Л.Ф.

 

 

 

Сумы 2012

 

 

План работы

1. Задание
2. Устройство реактивного двигателя.
3. Материалы, применяемые для изготовления деталей реактивных двигателей.
4. Монокристаллические никелевые сплавы.
5. Свойства сплавов ЖС26 и ЖС32.
6. Влияние легирующих элементов на свойства никелевых сплавов.
7. Способы получения отливок и их дальнейшая термическая обработка.
1. Направленная красталлизация.
2. Гомогенизация.
3. Горячее изостатическое прессование.
8. Список использованной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание

Лопатки и другие детали особенно мощных реактивных двигателей  кратковременного действия работают в сильной окислительной среде при высоких температурах до 1500 °С.

Металл, из которого изготовляют эти детали, должен иметь повышенную коррозионную стойкость и высокие характеристики кратковременной прочности  при указанной температуре. Выбрать металл или сплав для названных изделий, указать его состав и свойства, а также привести способ защиты изделий от окисления.

 

2. Устройство реактивного двигателя. 

 

 

 

 

 

                                                                                      Рисунок 1

Устройство реактивного двигателя  достаточно просто и одновременно крайне сложно. Просто по принципу действия: забортный  воздух (в ракетных двигателях —  жидкий кислород) засасывается в турбину, там смешивается с топливом и сгорая, в конце турбины образует т.н. “рабочее тело” (реактивная струя), которое и двигает машину.

В начале турбины всегда стоит вентилятор, который засасывает воздух из внешней  среды в турбины. Вентилятор обладает большой площадью и огромным количеством  лопастей специальной формы, сделанных  из титана. Основных задач две —  первичный забор воздуха и  охлаждение всего двигателя в  целом, путем прокачивание воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушится.

Сразу за вентилятором стоит мощный компрессор, который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания.

Камера сгорания выполняет еще  и роль карбюратора, смешивая топливо  с воздухом. После образования  топливо воздушной смеси она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв.

Камера сгорания реактивного двигателя  одна из самых горячих его частей  — её необходимо постоянно интенсивное  охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура  в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики.

После камеры сгорания горящая топливо-воздушная смесь направляется непосредственно в турбину.

Турбина состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина  в свою очередь вращает вал, на котором “сидят” вентиллятор и компрессор. Таким образом система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционироваия.

После турбины поток направляется в сопло. Сопло реактивного двигателя  — последняя, но далеко не по значению часть реактивного двигателя. Оно  формирует непосредственно реактивную струю. В сопло направляется холодный воздух, нагнетаемый вентиллятором для охлаждения внутренних деталей двигателя. Этот поток ограничивает манжету сопла от сверхгорячего реактивного потока и ее дает ей расплавится.

 

3. Материалы, применяемые для изготовления деталей реактивных двигателей.

В современных высокотемпературных газотурбинных двигателях широко используются лопатки турбин, отливаемые методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья.

Основные требования к материалам для лопаток турбин ( Рисунок 2)

обусловлены самим развитием конструкции  двигателей, 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, которая является в настоящее  время основным видом разрушения. Опасность разрушения усугубляется поверхностными реакциями, связанными с газовой коррозией, разупрочнением границы зёрен.

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Лопатки               реактивного двигателя.

 

             Для изготовления лопаток турбин используют деформируемые и литейные сплавы. Деформируемые сплавы обладают ограниченными возможностями обеспечения необходимой жаропрочности, поскольку дальнейшее их легирование ведёт к практически полной потере их технологической пластичности при деформации. Ведущее место среди жаропрочных сплавов принадлежит литейным сплавам, новым направленно кристализованным и монокристализованным сплавам, которые широко применяются в современных высокотемпературных двигателях. Совершенствование технологии литья и многокомпонентного легирования обеспечило существенное увеличение рабочей температуры сплавов, причём и направленные и монокристаллические сплавы стали более пластичными.

 

4. Монокристаллические никелевые сплавы.

Монокристаллическая структура лопаток  позволила повысить рабочую температуру  на 80...120°С по сравнению с лопатками, имеющими равноосную структуру. При этом температура газа перед рабочей лопаткой первой ступени на современных газотурбинных двигателях может повышаться до 1800 °С.

Основными достоинствами монокристаллических сплавов являются: увеличенное сопротивление высокотемпературной ползучести за счет исключения границ между зернами, уменьшенная по сравнению с обычными материалами с равноосной структурой величина модуля упругости в кристаллографическом направлении <001>, что значительно уменьшает термические напряжения и увеличивает сопротивление малоцикловой усталости.

Направленная кристаллизация сообщает сплавам повышение предела выносливости, длительной прочности и пластичности.

Развитие направленной кристаллизации обеспечило решение задачи 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.

Кристаллографическая решетка монокристаллических сплавов имеет три взаимно ортогональные плоскости симметрии (рисунок 3). Такие сплавы обладают анизотропией свойств, поэтому ориентация монокристалла по отношению к действующим нагрузкам играет существенную роль.

 

 

 

 

Таким образом, используется такая пространственная ориентация кристаллографической решетки монокристалла в теле лопатки, при которой четыре грани куба монокристалла расположены параллельно действию центробежной нагрузки. В процессе направленной кристаллизации в высоком градиенте температуры формируется монокристаллическая высокодисперсная дендритно-ячеистая структура, в которой оси первого порядка дендритных ячеек размером ~100-200 мкм ориентированы в направлении продольной оси лопатки. Такая структура обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики изделий.

 

5. Свойства сплавов ЖС26 и ЖС32.

Фазовый состав монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов – сложнолегированный γ-твердый раствор на основе никеля и интерметаллидная фаза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Влияние легирующих элементов на свойства никелевых сплавов.

Пониженное содержание хрома в данных сплавах, по сравнению с обычными сплавами на основе никеля, позволило сузить интервал кристаллизации и уровень дендритной ликвации, повысить температуру растворения гамма-фазы.

Снижение содержания углерода и бора позволяет значительно повысить температуру плавления сплавов.

Гафний и цирконий отсутствуют, т.к. они карбидообразующие элементы, а при монокристаллической структуре отливок отсутствует зернограничное упрочнение.

При легировании никеля титаном происходит снижение энергии дефекта упаковки, в результате упругое взаимодействие атомов углерода с полудислокациями уменьшается и, по-видимому, поэтому температурная зависимость микротвердости твердого раствора титана в никеле не имеет аномалии в указанном интервале температур.

Молибден в заметной степени повышает стойкость никелевых сплавов в восстановительных средах.

К монокристаллическим сплавам предъявляются высокие требования по чистоте от вредных примесей. Содержание кислорода и азота должно быть не выше предела их растворимости в никеле (< 0,0001 %) во избежание образования неметаллических включений, снижающих цик лические характеристики сплавов. Сера, образующая сульфиды титана и тантала, должна быть в пределах (5...7) • 10^-4 %.

Сплав ЖС32 не содержит титана и ванадия, а легирование алюминием, танталом и небольшой концентрацией хрома обеспечивает сплаву высокую жаростойкость. Рений вводится для повышения обьемной доли гамма-фазы.

 

 

 

7. Способы получения отливок и их дальнейшая термическая обработка.

7.1 Направленная кристаллизация.

Монокристаллические отливки (лопатки) получают методом направленной кристаллизации по двум основным вариантам: методом селекторов (кристалловодов) при котором из множества растущих столбчатых кристаллов выбирается для дальнейшего роста только один, и методом затравок, когда искусственная затравка с нужной кристаллической ориентацией устанавливается в нижней части литейной формы. Каждый из этих методов имеет много технологических вариантов, но в основе каждого из них лежит принцип метода Бриджмена — охлаждение нижней части формы и подогрев ее выше линии фронта кристаллизации металла.

Большим шагом в совершенствовании  процессов получения монокристаллических отливок была разработанная высокоградиентная технология (температурный градиент на фронте кристаллизации на установках типа УВСН-4 составляет > 200 град/см против 20 град/см на зарубежных установках) с погружением литейных форм в жидкометаллический охладитель (Sn, А1). Рабочие скорости кристаллизации составляют при этом 4... 10 мм/мин. Сплавы, получаемые по высокоградиентной технологии, имеют малую (в 8—10 раз меньшую) микропористость (до 0,1 %) и мелкодисперсную однородную структуру (междендритное расстояние 100... 150 мкм), что обеспечивает им повышение прочностных свойств на 10...15% и усталостных свойств на 20...25 % по сравнению со сплавами, полученными при обычных градиентах температуры (20...30 град/см). Это обеспечивает минимальные значения дисперсии служебных свойств и максимальную надежность лопаток.

Сплавы ЖС26 и ЖС32 с направленной и монокристаллической структурой обладают более высокой термической  стабильностью, термостойкостью. Для  обеспечения однородности состава  и структуры по объёму отливки лопаток подвергаются нагреву при закалке в вакууме до более высоких, чем равноосные сплавы, температур.

 

7.2 Гомогенизация.

 Для деталей из литейных  никелевых сплавов широко используется гомогенизация. При гомогенизации происходит уменьшение степени ликвации и стабилизация структуры сплавов. Гомогенизация способствует увеличению объёмного содержания дисперсных частиц упрочняющей фазы. Во время высокотемпературной выдержки растворяются грубые выделения фазы, образовавшиеся при кристаллизации. Следует, однако, отметить, что оптимизация режимов термической обработки для достижения оптимальной формы, размеров и распределения частиц упрочняющей фазы не всегда сопровождается улучшением механических свойств.

7.3 Горячее изостатическое  прессование.

При термической обработке лопаток, особенно при высокотемпературной гомогенизации, на месте растворившейся в матрице эвтектической фазы остаются микронесплошности округлой формы. В результате, после гомогенизации таких лопаток объемная доля пор в них увеличивается в 3...4 раза, а их средний размер — в 1,5...2 раза . Среди причин, приводящих к разрушению рабочих лопаток в эксплуатации и при проведении усталостных испытаний, не последнее место занимает наличие в приповерхностном слое лопаток (в зоне действия максимальных напряжений) микропор.

Одним из перспективных направлений  уменьшения микропористости отливок ответственного назначения является горячее изостатическое прессование (ГИП), позволяющее повысить усталостную прочность монокристаллических сплавов.

ГИП монокристаллических отливок  позволило получить структуру металла  без микропор и заметно улучшило характеристики механической и усталостной  прочности. ГИП выполняется по режиму: Нагрев до температуры 1235°С в течении4 часов с одновременным повышением давления в установке с 0,1 до 200 Мпа; выдержка при указанной температуре и давлении в течении 3,5 ч; охлаждение до температуры 200°С с одновременным понижением давления до 75 Мпа в течении 3,5ч.