История развития порошковой металлургии жаропрочных сплавов

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

История развития порошковой металлургии жаропрочных сплавов

28.01.2020

История развития и современное состояние порошковой металлургии жаропрочных сплавов описаны рядом авторов.

В первых опытах по порошковой металлургии жаропрочных сплавов использовались технологические приемы, подобные тем, которые были разработаны и усовершенствованы в порошковой металлургии материалов на основе железа. При таком подходе смесь порошков элементов или лигатур подвергают холодному компактированию и спеканию в соответствующей атмосфере до плотности более 90% от теоретической. К порошковой металлургии жаропрочных сплавов впервые обратились в связи с необходимостью разработки новых способов охлаждения турбинных лопаток: порошковая металлургия должна была обеспечить практическую реализацию предсказанных теорий преимуществ транспирационного охлаждения. Эта технология, однако, не получила развития вследствие недостаточной прочности пористого материала и зарастания пор. В ранних исследованиях, проведенных в лаборатории фирмы «General Electric Co» в Уэмбли, было показано, что применение смесей легированных порошков, полученных вакуумным плавлением и размолом в шаровой мельнице сплава Co—Cr—W типа Vitallium (подобного сплаву Stellite 23), позволяет получить спеченные сплавы, близкие к литым по кратковременной прочности, но уступающие им по характеристикам ползучести, главным образом вследствие остаточной пористости. Каналы для охлаждающей жидкости в детали создавали путем совместного прессования порошка и соответствующим образом расположенных кадмиевых проволочек. Кадмий легко удалялся возгонкой перед операцией спекания. По приведенным оценкам применение охлаждаемых спеченных лопаток позволило повысить T газа на входе в турбину на 270° по сравнению с Т, достигаемой при использовании неохлаждаемых лопаток. Однако, хотя эта технология явилась важным шагом вперед, она была дорогой и сложной.

В середине 50-х годов в Великобритании, в отличие от США, не прекращались попытки создания спеченных сплавов. Основной причиной такой настойчивости было то, что английские конструкторы авиационных двигателей очень неохотно шли на применение высокопрочных литых сплавов, предпочитая им более однородные по составу и структуре деформируемые сплавы, обладающие более высокими характеристиками вязкости разрушения и сопротивления усталостному разрушению. Кроме того, благодаря готовности американских конструкторов использовать литые сплавы, требование деформируемости перестало быть непреодолимым препятствием на пути дальнейшего усовершенствования сплавов. Возникали надежды, что порошковая металлургия позволит перебросить мост от литых сплавов к деформируемым, ибо представлялось возможным с ее помощью получить однородную структуру, избежать образования зон с хрупкой эвтектикой, а также разнозернистости.

Успешная разработка метода распыления расплава водой в «BSA Group Research Centre» впервые дала возможность получить легированные порошки, пригодные для производства спеченных высокотемпературных сплавов

Легированные порошки, соответствующие сплавам Nimonic 90 и Nimomc 100, были подвергнуты холодному прессованию и вакуумному спеканию, в результате чего были получены сплавы с повышенным сопротивлением ползучести, но с низкими усталостными свойствами по сравнению с традиционными деформируемыми сплавами Предполагалось, что дальнейшего увеличения сопротивления усталости удастся достичь путем замены открытого плавления вакуумной плавкой и за счет увеличения содержания легирующих элементов Дальнейшее совершенствование состава привело к созданию сплава Cosint 1000, который по величине сопротивления ползучести был сопоставим с любым промышленно освоенным деформируемым сплавом, хотя и не достигал уровня лучших литых сплавов.

При такой технологии основная проблема заключалась в загрязнении металла оксидами при распылении водой и связанной с этим мелкозернистости сплава. Дальнейшие разработки были сосредоточены на использовании изостатического прессования перед спеканием в вакууме и жидкофазного спекания. Сплав, близкий по составу к сплаву Nimonic 115, обладал хорошими прочностными свойствами по сравнению с обычными деформируемыми сплавами, но его пластичность и ударные характеристики были неудовлетворительными.

Логически очередным шагом должно было стать получение более чистых порошков, пригодных для вакуумного спекания. Этот шаг, однако, не был сделан из-за значительных достижений в вакуумной плавке, которые привели к созданию сплавов с очень низким содержанием кислорода и улучшенными высокотемпературными свойствами вследствие более высокого содержания легирующих элементов.

Дальнейшее развитие методов порошковой металлургии происходило в США. Были усовершенствованы способы получения чистых распыленных порошков с существенно пониженным содержанием элементов внедрения. Исследования английских ученых показали, что даже сплавы литейных составов, будучи получены методами порошковой металлургии, проявляют повышенную технологичность при горячей обработке давлением. Теперь главным направлением развития стало получение спеченных в вакууме заготовок, которые подвергались дальнейшему уплотнению и формованию методами штамповки. Наилучшие результаты были достигнуты на штампованных плотных лопатках для компрессора авиационного двигателя из сплава IN718, где удалось удовлетворить всем предъявляемым требованиям, включая улучшенные усталостные свойства. Это развитие, однако, было вновь приостановлено, по-видимому, из-за неэкономичности процессов. Другой причиной была более настоятельная необходимость в применении методов порошковой металлургии для производства дисков авиационных турбин.

Разработки фирмы «Pratt and Whitney Aircraft» показали, что литые и деформированные дисковые сплавы типа Waspaloy и Rene 41 не обладают необходимым для дисков уровнем высокотемпературной прочности. С другой стороны, в новых, более прочных сплавах, таких как Astroloy, наблюдался большой разброс в значениях механических свойств, обусловленный дендритной ликвацией и отсутствием однородности. Ликвация проявлялась в грубой столбчатой структуре слитков. Использование легированных порошков позволило бы преодолеть эти трудности.

В середине 60-х годов фирма «Pratt and Whitney» начала осуществлять программу разработки «нейтральной» технологии получения и переработки порошка. Первоначально порошок получали в среде инертного газа на установке фирмы «Universal Cyclops». «Нейтральная» технология получения и обработки легированных порошков позволила получить материалы с минимальной ликвацией, повышенной технологичностью при теплой и горячей деформации и высокими механическими свойствами. Деформация порошковых заготовок в условиях сверхпластичности открыла новые перспективы в горячей обработке давлением жаропрочных сплавов.

Порошковая металлургия не только позволяет решить проблему получения жаропрочных сплавов с высоким содержанием легирующих элементов, но и обладает, благодаря наличию методов формования заготовок, близких по конфигурации к готовому изделию, большими возможностями с точки зрения снижения стоимости сплавов. При традиционном производстве деталей из жаропрочных сплавов масса исходной заготовки нередко в 15 раз превышает массу готового изделия. Это означает, что в процессе механической обработки образуется большое количество дорогой стружки, требующей дополнительной переработки.

Еще одним стимулом для развития порошковой металлургии, приобретающим в последние годы все более важное значение, служит необходимость увеличения коэффициента использования металла и экономии стратегических материалов. Применение порошковой металлургии позволяет уменьшить расход шихтовых материалов и сократить цикл переработки скрапа.

Хотя главной движущей силой в развитии новой технологии было стремление применить легированные порошки для создания дисков реактивных двигателей, тем не менее, существовали еще два важнейших направления, которые необходимо упомянуть.

Одно из них состоит в появлении технологии быстрозакаленных порошков (порошков ускоренной кристаллизации типа RSR), при которой за счет принудительной конвекции достигаются скорости охлаждения до 10в6 К/с. Эта область исследований, начало которой было положено в 1974 году программой, выполненной по инициативе DARPA фирмой «Pratt and Whitney Aircraft» (на оборудовании, установленном в филиале фирмы во Флориде), к моменту написания этой книги превратилась в одно из важнейших направлений порошковой металлургии жаропрочных сплавов. По сравнению с технологией дисковых сплавов технологию сплавов ускоренной кристаллизации следует пока рассматривать как перспективную разработку, представляющую большой интерес, но еще не нашедшую своей настоящей области применения. Полагают, однако, что одним из применений процесса RSR в технологии жаропрочных сплавов станет создание нового поколения материалов для турбинных лопаток.

Другим оригинальным направлением, получившим развитие в последние годы, явилась разработка дисперсноупрочненных металлов и сплавов, которые способны сохранять значительную длительную прочность до температур, близких к Tm, когда остальные механизмы упрочнения теряют свою эффективность. Дисперсноупрочненные материалы получают почти исключительно методами порошковой металлургии. Первым когда-либо полученным дисперсноупрочненным сплавом был, вероятно, «пластичный вольфрам», который был впервые изготовлен фирмой «General Electric» в 1910 г. Однако лишь с изобретением в 1949 году дисперсноупрочненного алюминия (спеченный алюминиевый порошок, САП) были вполне оценены возможности дисперсного упрочнения в применении к сплавам других систем и предложены теории дисперсного упрочнения. Ранние попытки получить дисперсноупрочненный никель путем размола в шаровой мельнице были не очень успешными из-за невозможности обеспечить достаточно тонкое и равномерное распределение дисперсных частиц. Никель, упрочненный оксидом тория (TD-никель), первый промышленно освоенный дисперсноупрочненный сплав на основе никеля, а вместе с тем и первый порошковый жаропрочный сплав, был получен химическими методами и производится с 1963 года. За ним последовали другие сплавы марки TD. Были разработаны различные процессы избирательного восстановления, которые преследовали цель дальнейшего увеличения уровня легирования сплавов. Все эти разработки были резко приостановлены после опубликования сведений об открытом Бенджамином процессе механического легирования. Этот процесс сделал возможным производство дисперсноупрочненных жаропрочных сплавов, в которых сочетается упрочнение выделениями у'-фазы, обеспечивающее свойства, необходимые для применения сплавов при низких и средних температурах, и упрочнение частицами Y2O3, что делает их работоспособными при повышенных температурах. Хотя при появлении процесс был воспринят как важнейшее научное достижение, его дальнейшее развитие поначалу было довольно медленным. В настоящий момент действует большое число научно-исследовательских программ как в США, так и в Европе, в рамках программы COST.

Развитие порошковой металлургии жаропрочных сплавов стимулировало разработку принципиально новых технологических процессов получения и обработки материалов, как это показано на рис. 1.3. Как можно видеть, порошки находятся в ряду основных исходных материалов при производстве полуфабрикатов. Предложены различные сочетания технологических процессов компактирования и обработки давлением для производства полуфабрикатов и готовых изделий с широким диапазоном микроструктур и механических свойств.

По сравнению с технологией прессования-спекания, характерной для традиционной порошковой металлургии, современные технологические приемы порошковой металлургии жаропрочных сплавов в целом более тесно связаны с методами обработки металлов давлением. В технологии жаропрочных сплавов пока не реализовано основное преимущество порошковой металлургии, которое является определяющим при производстве спеченных конструкционных деталей на железной основе, т. е. не создана экономичная технология, позволяющая получать изделия окончательной формы и размеров.

Тенденции, характерные для порошковой металлургии жаропрочных сплавов, наблюдаются также в производстве титановых сплавов, инструментальных и нержавеющих сталей.

Внедрение новой технологии никогда не бывает изолированным процессом, поскольку оно связано с вытеснением других, конкурирующих методов, препятствует их внедрению и от них зависит. Параллельно с порошковой металлургией жаропрочных сплавов для турбинных дисков развиваются методы литья, обеспечивающие мелкозернистую структуру металла, такие как метод вакуумного дугового переплава двойного электрода.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: