Перспективы создания высокотемпературных жаропрочных сплавов на основе тугоплавких матриц и естественных композитов

Рассмотрены научно-технические и технологические аспекты в области создания новых высокотемпературных материалов для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД) с рабочими температурами, превышающими существующие в ГТД. Исследованы наиболее тугоплавкие металлические материалы для создания новых высокожаропрочных сплавов, используемых для изготовления рабочих и сопловых лопаток и других деталей перспективных ГТД на основе систем NiAl-Ni₃Al, Co-Cr-Re, Pt-Al, Nb-Si, Mo-Si-B. В сплавах системы NiAl-Ni3Al в качестве упрочняющей фазы выступает интерметаллид NiAl(β), обладающий высокой температурой плавления (1638°С) и низкой плотностью (р ~ 5,7 г/см³), что обеспечивает высокую жаростойкость материала вплоть до 1300°С. В сплавах системы Co-Cr-Re жаропрочность обеспечивается в основном за счет упрочнения Со-матрицы, в том числе дисперсными выделениями карбидной фазы ТаС, боридной фазы Cr₂В, в сплавах системы Pt-Al - за счет легирования Cr, Al, Ti, Re... и выделений когерентно внедренной фазы Pt₃Al, в эвтектических сплавах системы Nb-Si - за счет комплексного упрочнения твердого раствора Nb и силицида Nb₅Si₃, а также естественно-композиционной структуры. В сплавах Mo-Si-B высокая прочность достигается за счет легирования α-Мо твердого раствора и образования интерметаллидных фаз Mo₃Si, Mo₅SiB₂, карбидов Мо₂С, TiC. Были выбраны композиции, проведен анализ методов их выплавки, включая направленную кристаллизацию, обеспечивающую получение естественнокомпозиционной структуры, оценены механические свойства при комнатной и высокой температурах, стойкость к окислению, исследованы особенности структуры, дана информация о технологическом оборудовании и о возможности получения деталей различными способами. Показано, что в зависимости от состава выбранной матрицы рабочая температура жаропрочных сплавов может возрасти до 1300-1500°С, что существенно превышает рабочие температура существующих никелевых жаропрочных сплавов. Сделан вывод о перспективности исследуемых материалов для использования в авиационном двигателестроении и аэрокосмической промышленности.

1. Бабкин В. Н. Роль науки в решении практических задач авиационного двигателестроения // Двигатель. - 2013. - № 3 (87). - С.2-6.

2. История авиационного материаловедения: ВИАМ - 80 лет: годы и люди / Под общ. ред. Е. Н. Каблова. - М.: ВИАМ, 2012. - 520 с.

3. Reed R. C. The Superalloys: Fundamentals and Applications. - Cambridge University Press, Cambridge, 2006. - 372 p.

4. Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. - 2015. - № 1 (34). - С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-01-3-33.

5. Каблов Е. Н., Бондаренко Ю. А., Ечин А. Б. Развитие технологии направленной кристаллизации литейных высокожаропрочных сплавов с переменным управляемым температурным градиентом // Авиационные материалы и технологии. - 2017. - № S. - С.24-38. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-24-38.

6. Каблов Е. Н., Петрушин Н. В., Светлов И. Л., Демонис И. М. Литейные жаропрочные никелевые сплавы для перспективных авиационных ГТД // Технология легких сплавов. - 2007. -№ 2. - С . 6-16.

7. Каблов Е. Н., Петрушин Н. В., Светлов И. Л., Демонис И. М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения // Авиационные материалы и технологии. - 2012. - № S. -C. 36-52.

8. Walston S., Cetel A., MacKay R., O' Hara K., Duhl D., Dreshfield R. Joint development of a fourth generation single crystal superalloys. // Superalloys 2004, Seven Springs Mountain Resort, Champion (Pennsylvania). - Minerals, Metals & Materials Society, 2004. - P. 15-24.

9. Koizumi Y., Kobayashi T., Yokokawa T., Zhang J., Osawa M., Harada H., Aoki Y., Arai M. Development of next-generation Ni-base single crystal superalloys // Superalloys 2004, Seven Springs Mountain Resort, Champion (Pennsylvania). - Minerals, Metals & Materials Society, 2004. -P. 35-43.

10. Development of an Oxidation-Resistant high-strength sixth-Generation Single-Crystal Superalloy TSM-238 / K. Kawagishi et al. // Superalloys 2012, TMS. - 2012. - P. 189-195.

11. Yokokawa T., Harada H., Mori Y., Kawagishi K., Koizumi Y., Kobayashi T., Yuyama M., Suzuki S. Design of Next Generation Ni-Base Single Crystal Superalloys Containing Ir: Towards 1150°C Temperature Capability // Superalloy 2016, TMS. - 2016. - P.123-130.

12. Khan T. Further assessment and improvement of high strength y/y'-NbC composites for advanced turbine blades // Proc. of Conf. on In-Situ Composites 111. - Lexington: Ginn Custom Publishing, 1978. -P. 378-389.

13. Damerval Claire. Contributions a l'etude du comportement mecanique des composites COTAS y/y'-NbC a moyennc et naute temperature // Note technique ONERA. - 1986. - March. - 156 p.

14. Stohr J. F. Stabilite thermique de composites de solidification metal-carbure // Annales de Chimie. - 1980. - V.5, N 2-3. - P. 226-241.

15. Woodford D. A. Creep and rupture of an advanced fiber strengthened eutectic composite superalloy // Metallurgical Transaction. - 1977. - V. 8a, N 4. - P.639-650.

16. Meetnam G. W. Superalloys in gas turbine engines // The Metallurgist and Materials Technologist. - 1982. - V. 14, N 9. - P.387-392.

17. Качанов Е. Б., Петрушин Н. В., Светлов И. Л. Жаропрочные эвтектические сплавы с карбидно-интерметаллидным упрочнением // МИТОМ. - 1995. - № 4. - С.24-29.

18. Бондаренко Ю. А., Каблов Е. Н., Панкратов В. А. Особенности получения рабочих лопаток малогабаритных ГТД из сплава ВКЛС-20 // Авиационная промышленность. - 1993. - № 2. -С.9-10.

19. Бондаренко Ю. А. Тенденции развития высокотемпературных металлических материалов и технологий при создании современных газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии. - 2019. - № 2 (55) . - С. 3-11. DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-2-3-11.

20. Корнилов И. И. Физико-химические основы жаропрочности сплавов. - М.: Изд-во АН СССР. 1961. - 516 с.

21. Корнилов И. И., Минц Р. С. Исследование системы Ni-Cr-NiAl // Неорганическая химия. - 1958. - Т. III, вып. 5. - С. 699-707.

22. Бондаренко Ю. А., Каблов Е. Н. Направленная кристаллизация жаропрочных сплавов с повышенным температурным градиентом // МИТОМ. - 2002. - № 7. - С. 20-23.

23. Бондаренко Ю. А., Кузьмина Н. А., Базылева О. А., Раевских А. Н. Исследование структуры и фазового состава интерметаллидного сплава системы NiAl-Ni3Al, полученного методом высокоградиентной направленной кристаллизации // Вопросы материаловедения. - 2018. - № 2 (94) . -С. 52-60.

24. Gorr B., Burk S., Trindade V.B., Christ H.-J. The Effect of Pre-Oxidation Treatment on the High-Temperature Oxidation of Co-Re-Cr Model Alloys // Oxidation of Metals, 2010. - P. 239-253.

25. Mukherji D., Rosler J., Wehrs J., Strunz P., Beran P., Gilles R., Hofmann M., Hoelzel M., Eckerlebe H., Szentmiklosi L., Macsik Z. Application of In Situ Neutron and X-Ray Measurements at High Temperatures in the Development of Co-Re-Based Alloys for Gas Turbines // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2013. - V. 44A, January. - P. 22-30.

26. Strunz P., Mukherji D., Beran P., Gilles R., Karge L., Hofmann M., Hoelzel M., Rosler J., Farkas G. Matrix Transformation in Boron Containing High-Temperature Co-Re-Cr Alloys // Metals and Materials International. - 2018. - P. 934-944.

27. Wolff I. M., Hill P. J. Platinum Metals-Based Intermetallics for High-Temperature Service // Platinum Metals Review. - 2000. - N 44. - P. 158-166.

28. Hill P. J., Biggs T., Ellis P., Hohls J., Taylor S. S., Wolff I. M. An Assessment of Ternary Precipitation-Strengthened Pt Alloys for Ultra-High Temperature Applications // Materials Science and Engineering: A. - 2001. - Т. 301, N 2. - P.167-179.

29. Odusote J. K., Cornish L. A., Papo J. M. Assessment of the Oxidation Behavior of a Pt-Based Alloy for High Temperature Applications // Journal of Materials Engineering and Performance. - 2013. -V. 22(11). - P. 3466-3475.

30. Vorberg S., Wenderoth M., Fischer B., Glatzel U., Volkl R. A TEM Investigation of the y/y' Phase Boundary in Pt-Based Superalloys // Journal of the Minerals. - 2005. - P .49-51.

31. Huller M., Wenderoth S., Vorberg S., Fischer B., Glatzel U., Volkl R. Optimization of Composition and Heat Treatment of Age-Hardened Pt-Al-Cr-Ni Alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2005 V. 36(13) . - P. 681-689.

32. Wenderoth M., Volkl R., Vorberg S., Yamabe-Mitarai Y., Harada H., Glatzel U. Microstructure, Oxidation Resistance and High-Temperature Strength of Gamma Prime Hardened Pt-Base Alloy // International Journal of Materials Research. - 2007. - N 98(6). - P. 463-467.

33. Fairbank G. B., Humphreys C. J., Kelly A., Jones C. N. Ultra-High Temperature Intermetallic for the Third Millennium // Intermetallics. - 2000. - N 8. - P. 1091-1100.

34. Cornish L. A., Fischer B., Volkl R. Development of Platinum-Group-Metal Superalloys for High-Temperature Use // A Publication of the Materials Research Society (MRS BULLETIN). - 2003. -N 28(9). - P. 632-638.

35. Оспенникова О. Г, Подъячев В. Н., Столянков Ю. В. Тугоплавкие сплавы для новой техники // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. - 2016. - № 10. Ст. 05. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 06.02.2017 г.). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-10-5-5.

36. Solidification processing of high temperature intermetallic eutectic-based alloys / B. P. Bewlay, M. R. Jackson, J. A. Sutliffe et al. // Material Science and Engineering. Part 2. - 1995. - N 192/193. -P. 534-543.

37. Bewlay B. P., Jackson M. R., Lipsitt H. A. The Balance of Mechanical and Environmental Properties of a Multielement Niobium-Niobium Silicide-Based In-Situ Composite // Metallurgical and Materials Transactions А. - 1996. - V. 27A, N 12. - P. 3801-3808.

38. Bewlay B. P., Jackson M. R., Subramanian P. R. Processing high temperature refractory metal-silicide in situ composites // Journal of Metals (JOM) . - 1999. - V. 51, N 4. - P. 32-36.

39. Tanaka R., Kasama A., Fujikura M., Iwanaga I., Tanaka H., Motsumuro Y. Research and development of niobium-based superalloys for hot components of gas turbines // Proceeding of the International Gas Turbine Congress, 2003. - P. 1-5.

40. Guo X. P., Guan P., Ding X., Zhang J., Kusabiraki K., Fu H. Z. Unidirectional Solidification of a Nbss/Nb5Si3 in-situ Composite // Materials Science Forum. - 2005. - V. 475-479. - P. 745-748.

41. Bewlay B. P., Jackson M. R., Zhao J. C., Subramanian P. R., Mendiratta M. G., Lewandowski J. Ultra-high temperature Nb-Silicide-based composites // MRS Bulletin. - 2003. - V. 28, N 9. - P. 646-653.

42. Bewlay B. P., Jackson M. R., Zhao J. C., Subramanian P. R. A review of very high-temperature Nb-silicide based composites // Metallurgical & Materials Transactions A. - 2003. - V. 34A, N 10. - P. 2043-2052.

43. Patent № CN 102703971, заявл. 01.06.2012 г., опубл. 03.10.2012 г.

44. Patent № US 8307881, заявл. 06.01.2009 г., опубл. 13.11.2012 г.

45. Patent № CN 102051669, заявл. 04.11.2010 г., опубл. 25.07.2012 г.

46. Patent № US 2006130996, заявл. 22.12.2004 г., опубл. 22.06.2006 г.

47. Patent № US 7610945, заявл. 29.09.2006 г., опубл. 03.11.2009 г.

48. Patent № ЕР 2322684, заявл. 16.10.2009 г., опубл. 18.05.2011 г.

49. Patent № ЕР 1743729, заявл. 29.06.2006 г., опубл. 18.04.2007 г.

50. Светлов И. Л. Высокотемпературные Nb-Si композиты - замена монокристаллическим никелевым жаропрочным сплавам // Двигатель. - 2010. - № 5 (71). - С. 36-37.

51. Мин П. Г., Вадеев В. Е., Крамер В. В. Технология выплавки высокотемпературного композиционного материала на основе системы Nb-Si в вакуумной индукционной печи // Металлург. -2019. - № 8. - С. 91-96.

52. Бондаренко Ю. А., Ечин А. Б., Колодяжный М. Ю., Сурова В. А. Формирование структуры эвтектического сплава системы Nb-Si при направленной кристаллизации в жидкометаллическом охладителе // МИТОМ. - 2017. - № 8 (746) . - С. 41-45.

53. Бондаренко Ю. А., Колодяжный М. Ю., Ечин А. Б., Раевских А. Н. Исследование микроструктуры и свойств ниобийкремниевого эвтектического композита, полученного при направленной кристаллизации в жидкометаллическом охладителе // Вопросы материаловедения. - 2017. - № 2 (90). - С. 68-75.

54. Бондаренко Ю. А., Ечин А. Б., Колодяжный М. Ю., Нарский А. Р. Направленная кристаллизация, структура и механические свойства эвтектического сплава системы Nb-Si с естественно-композиционной структурой для лопаток ГТД // Электрометаллургия. - 2017. - № 8. - С. 2-9.

55. Бондаренко Ю. А., Колодяжный М. Ю., Ечин А. Б., Нарский А. Р. Направленная кристаллизация, структура и свойства естественного композита на основе эвтектики Nb-Si на рабочие температуры до 1350°С для лопаток ГТД // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. - 2018. - № 1 (61). - С. 1-9. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 04.03.2019). DOI: 10.18577/2307-60462018-0-1-1-1.

56. Perepezko J. H., Sossaman T. A., Taylor M. Environmentally Resistant Mo-Si-B-Based Coating // Journal Thermal Spray Technology. - 2017. - V. 26. - P. 929-940.

57. Schneibel J. H., Tortorelli P. F., Ritchie R. O., Kruzic J. J. Optimization of Mo-Si-B intermetallic alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2005. - V. 36. - P. 525-531.

58. Seong-Ho H., Kyosuke Y., Kouichi M., Rong T., Takashi G. Phase Formation and Solidification Routes Near Mo-Mo5SiB2 Eutectic Point in Mo-Si-B System // Materials Transactions. - 2010. -V. 51, N 9. - P. 1699-1704.

59. Kamata S. Y., Kanekon D., Lu Y., Sekido N., Maruyama K., Eggeler G., Yoshimi K. Ultrahigh-temperature tensile creep of TiC-reinforced Mo-Si-B-based alloy // Scientific Reports. - 2018. -N 8:10487. - P. 1-14.

60. Jain P., Kumar K. S. Tensile creep of Mo-Si-B alloys // Acta Materialia. - 2010. - N 58. -P. 2124-2142.

61. Uemura S., Yamamuro T., Kim J.W., Morizono Y., Tsurekawa S., Yoshimi K. Quantitative Evaluation of Microstructure in Mo-Si-B-TiC Alloy Produced by Melting and Tilt Casting Methods // Materials Transactions. - 2018. - V.59, N 1. - P. 136-145.

62. Takata N., Sekido N., Takeyama M., Perepezko J. H. Crystallography of Bcc/T1/T2 Three-Phase Microstructure in the Directionally Solidified Mo-Nb-Si-B Alloy. // Proceedings “Materials Research Society Symposium”. - 2015. - V. 1760.

63. Matsunoshita H., Sasai Y., Fujiwara K., Kishida K., Inui H. Plastic deformation of directionally solidified ingots of binary and some ternary MoSi2/Mo5Si3 eutectic composites // Science and Technology of Advanced Materials. - 2016. - V. 17, N 1. - P. 517-529.

64. Jehanno P., Heilmaier M., Kestler H. Characterization of an industrially processed Mobased silicide alloy // Intermetallics. - 2004. - V. 12. - P.1005-1009.

65. Kamata S. Y., Kanekon D., Lu Y., Sekido N., Maruyama K., Eggeler G., Yoshimi K. Ultrahigh-temperature tensile creep of TiC-reinforced Mo-Si-B-based alloy // Scientific Reports. - 2018. -V. 8. - P. 1-14.