Применение и экономические аспекты производства порошковых жаропрочных сплавов

Перспективы применения порошковых жаропрочных сплавов зависят как от возможностей дальнейшего улучшения их механических свойств, так и от экономической эффективности их производства.

Наиболее важными, с точки зрения металловедения, преимуществами обычных (не дисперсноупрочненных) порошковых жаропрочных сплавов следует считать отсутствие ликвации, однородный размер зерна и возможность его регулирования в широких пределах, простоту осуществления операций горячей обработки давлением. Порошковая металлургия обладает также большими возможностями для дальнейшего усовершенствования состава сплавов. К этому следует добавить высокий предел текучести, хорошее сопротивление усталости и ползучести при средних и/или повышенных температурах. На рис. 9.1 представлено разнообразие микроструктур, которые могут быть получены при различных условиях TMO порошковых жаропрочных сплавов, а также влияние этих структур на статические и динамические свойства при разных температурах. Каждой микроструктуре соответствует определенный температурный интервал, в пределах которого соответствующие этой структуре свойства являются оптимальными и который, поэтому, оптимален для ее практического применения.

Ведущую роль в разработке и применении методов порошковой металлургии жаропрочных сплавов, как и других технологий, относящихся к производству материалов этого класса, играет авиационная промышленность.

В настоящее время порошковые жаропрочные сплавы используются в газовых турбинах авиационных двигателей, рассматривается возможность их применения также и в наземных турбинах. Развитие методов порошковой металлургии мотивировалось, в первую очередь, потребностью в материалах, способных работать при все более высоких температурах.

Впервые необходимость разработки порошковых жаропрочных сплавов возникла в связи с повышенной ликвацией в крупных слитках жаропрочных сплавов сложного состава. В результате порошковые жаропрочные сплавы были использованы для производства дисков турбин авиационных двигателей, что до сих пор остается важнейшей областью их применения. До последнего времени отсутствовали технологии, способные конкурировать с порошковой металлургией в этой области. Однако проблемы, связанные с загрязнением порошка и обусловленного им снижения характеристик высокотемпературной малоцикловой усталости, стали причиной повышения интереса к новым методам литья, таким как процесс VADER. Дисковые порошковые жаропрочные сплавы применяются фирмами «Pratt and Whitney» и «General Electric». Фирма «Rolls-Royce» и другие производители двигателей также предполагают начать их использование. К числу порошковых сплавов, применяемых в производстве дисков, относятся P/M Astroloy (AP1), IN100, MERL76 и Rene95. Приведем конкретные примеры.

Фирма «Pratt and Whitney» применила сплав IN 100, полученный с помощью процесса Геторайзинг, в двигателе F-100-PW (1971 г.); полученный методом ГИП сплав LC Astroloy — в двигателе IT8D (1977 г.); сплав MERL76 (сначала получали методом ГИП, впоследствии по технологии ГИП+Геторайзинг) в двигателе IT9D-7R4 (1980 г.).

Фирма «General Electric Co» применила порошковый сплав Rene95 (ГИП, ГИП + штамповка) в дисках двигателей Т-700 и F404 (в конце 70-х гг.).

В настоящее время существует большое количество различных установок для производства и переработки порошков жаропрочных сплавов. В табл. 9.1 перечислен ряд фирм, официально объявивших о наличии у них такого рода оборудования. Этот список можно было бы значительно расширить, если включить в него оборудование для опытно-промышленных целей. Такая ситуация создает определенные трудности, но в то же время открывает новые возможности. Существующий спрос мог бы быть удовлетворен двумя фирмами-производителями порошка и столькими же фирмами, занятыми его компактированием. С другой стороны, стремление нескольких фирм расширить применение порошковых сплавов должно скоро привести к признанию порошковой металлургии одной из основных технологий, стоящей в одном ряду с такими традиционными методами, как литье и ковка.

Хотя применение обычных порошковых жаропрочных сплавов для изготовления сопловых и рабочих лопаток, работающих в среднем интервале температур, технически возможно и дает некоторые преимущества, в настоящее время оно сдерживается высокой стоимостью распыленных инертным газом порошков и компактных заготовок по сравнению с жаропрочными сплавами традиционных способов производства.

Большие перспективы открывает использование грубозернистых порошковых жаропрочных сплавов на никелевой основе для производства лопаток авиационных турбин, работающих при повышенных температурах. Наиболее выдающимся достижением в этой области стала разработка фирмой «Pratt and Whitney» технологии ускоренной кристаллизации (RSR-процесс), сочетающей новый подход к легированию высокотемпературных материалов с новыми эффективными способами охлаждения лопаток. Метод получения многослойных лопаток состоит в соединении плоских фрагментов, которые могут быть ориентированы как в осевом, так и в радиальном направлении.

В производстве турбинных лопаток и интегральных роторов обычно применяется технология точного литья. Ее преимущество с точки зрения экономики заключается в возможности получения изделий сложной конфигурации. Однако наличие пористости может вызывать резкое падение усталостных свойств литой детали. Методы порошковой металлургии позволяют преодолеть этот недостаток, что и стало основанием для получения из порошка высокопрочных интегральных роторов.

Дисперсноупрочненные сплавы открывают большие, пока еще почти не реализованные возможности при их использовании в самых горячих зонах турбины. Наиболее яркими примерами их применения в авиационном двигателе на сегодняшний день могут служить сопловые лопатки (МА754) двигателя F-100 фирмы «General Electric» (рис. 9.2), рабочие лопатки из сплава МА6000 фирмы «Garrett AiResearch» и элементы «ложных камер сгорания фирмы «Pratt and Whitney». Фирма «Rolls-Royce» и другие производители двигателей проводят эксперименты с турбинными лопатками из сплава МА6000.

Применение порошковых жаропрочных сплавов в наземных газовых турбинах представляется делом более далекого будущего. Общие тенденции здесь должны быть те же, что и в производстве авиационных двигателей, но потребность в порошковых дисковых сплавах невелика, поскольку большинство применяемых конструкций турбин по-прежнему предусматривает воздушное охлаждение, что позволяет использовать гораздо более дешевые ферритные стали.

Имеются сведения об изготовлении методами порошковой металлургии, и, в частности, ГИП, составных (композиционных) деталей. Чтобы преодолеть ограничения, связанные с большими размерами рабочих и сопловых лопаток наземных турбин, планируется освоить производство деталей горячей зоны турбины путем соединения элементов, выполненных из различных сплавов. По заказу Института электроэнергии (EPRI) фирма «General Electric» разрабатывает методы получения гибридных лопаток (рис. 9.3) для больших турбин электростанций. В основу программы положена идея использования различных материалов в разных частях больших турбинных лопаток. Например, замковая часть лопатки может быть изготовлена из мелкозернистого деформируемого порошкового жаропрочного сплава, имеющего высокий предел текучести и большое сопротивление высокоцикловой усталости, тогда как ее перо предполагается получать из сплавов направленной кристаллизации, обладающих максимальной длительной прочностью и сопротивлением малоцикловой усталости. Наконец, снаружи перо лопатки защищается обкладками из коррозионностойкого материала. Все перечисленные элементы соединяются между собой с помощью ГИП.

Перспективы применения дисперсноупрочненных сплавов для сопловых и рабочих лопаток стационарных газовых турбин обсуждались на совещании Inco MAP в 1981 г. При Т>800—900 °C дисперсноупрочненные сплавы обладают наибольшим по сравнению с другими жаропрочными сплавами сопротивлением ползучести. Благодаря малому наклону кривых длительной прочности преимущество дисперсноупрочненных сплавов оказывается тем более значительным, чем больше предполагаемый срок их службы. Поскольку ресурс наземных газовых турбин составляет 50000—100000 ч (для авиационных турбин 5000—20000 ч), именно в этих турбинах должны в наибольшей степени проявляться преимущества дисперсноупрочненных сплавов.

Дисперсноупрочненные ферритные стали состава Fe—13Сr— 3Ti—1,5Мо с добавками 1% Y2O3 или Ti2O3 были впервые разработаны и применены как оболочечные материалы в реакторах на быстрых нейтронах благодаря уникальным особенностям их поведения в реакторе: отсутствию разбухания, ползучести, вызванной облучением, охрупчивания. При этом материал сохраняет высокие механические свойства до Т~750 °C. Эти стали могут также заменить высокотемпературные стали аустенитного класса в среднем интервале температур (600°С), поскольку ферритные сплавы обладают более высокой демпфирующей способностью, чем аустенитные. В изготовленной из такого материала лопатке турбины, испытывающей вибрацию, амплитуда циклических напряжений при заданной величине возмущающей силы оказывается более низкой. При сравнении по долговечности материалов с разной демпфирующей способностью можно использовать величину сопротивления резонансной усталости, на которую влияют как эффекты демпфирования, так и усталостная прочность. На рис. 9.4 показано, что при заданной величине статической нагрузки предел резонансной усталости для ферритных дисперсноупрочненных сталей должен быть существенно выше.

Темпы, с которыми будет происходить внедрение дисперсноупрочненных сплавов в производство авиационных и наземных турбин, в большой степени будут зависеть от того, насколько успешны будут попытки увеличить производительность процесса механического легирования. Помимо этого, они будут также зависеть от степени совершенства и доступности таких технологий, как штамповка в обогреваемых штампах и диффузионная сварка деталей сложной конфигурации.

Одним из существенных достоинств дисперсноупрочненных материалов следует считать универсальность метода механического легирования, возможность его применения практически к любому сплаву. Это позволит наладить производство новых сплавов с повышенной коррозионной стойкостью, поскольку введение дисперсных частиц Y2O3 в никелевую матрицу приводит к повышению стойкости сплава к окислению и коррозии.

Превосходные высокотемпературные свойства дисперсноупрочненных сплавов вызвали интерес у специалистов по нефтехимии. Изучается возможность их использования в качестве материалов для высокотемпературных химических реакторов.

Было предложено применять дисперсноупрочненный сплав МА956 на основе железа в производстве высокотемпературных теплообменников охлаждаемых газом ядерных реакторов. При этом реализуются такие свойства сплава, как высокое сопротивление ползучести, стойкость к окислению и науглероживанию при 1000 °C в среде загрязненного гелия. Перспективно также применение этого сплава в устройствах для сжигания нефти (рис. 9.5) в паровых котлах мощностью 500 МВт с нефтяным или смешанным (уголь/нефть) обогревом, где рабочие температуры металла могут достигать 1300 °C.

Трудность достаточно точной оценки экономических показателей, характеризующих производство и применение порошковых жаропрочных сплавов, заключается в большом различии между стоимостью небольших опытных партий материала и его стоимостью при промышленном производстве. При существующих объемах производства затраты на передел при получении распыленного порошка составляют 3—5 долларов на фунт. Стоимость порошка сплава IN100 крупностью — 80 меш равна ~22 долларам за фунт, а полученных методом ГИП компактных заготовок 32 долларам за фунт. С уменьшением крупности порошка его стоимость возрастает за счет уменьшения выхода годного материала, который для порошка крупностью — 325 меш может составлять менее 20%.

Хотя стоимость порошка в сравнении со стоимостью литого и деформированного сплава является важным показателем, еще большее значение имеет стоимость готового изделия. Она будет зависеть от расхода металла на одно изделие (на который влияют возможности методов ультразвуковой дефектоскопии и т. п.). Наглядным примером влияния экономических показателей на развитие порошковой металлургии жаропрочных сплавов может служить разработка технологии производства порошкового сплава Rene95 фирмой «General Electric Co». Сплав IN718, ранее применявшийся в производстве дисков и стоивший около 8 долларов за фунт, был заменен сплавом Rene95, имевшим повышенные механические свойства. Стоимость литого и деформированного сплава Rene95 равнялась ~12 долларам за фунт. Порошковый сплав после изотермической штамповки стоит около 30 долларов за фунт. Предполагаемая стоимость материала, полученного с помощью процесса VADER составляет ~20 долларов за фунт. Поскольку расход металла при традиционной технологии значительно выше, применение изотермической штамповки порошкового сплава позволит существенно снизить стоимость изделия. Внедрение процесса VADER, который находится пока на стадии опытной разработки, может привести к дальнейшему снижению стоимости.

Выбор наиболее экономичной технологии зависит от окончательной формы изделия, как показано в табл. 9.2 на примере дисков трех наиболее широко применяемых конфигураций. Рассматриваются конкурирующие технологии. Традиционная технология, основанная на использовании литого и деформированного металла, как правило, является наиболее дорогой. Компактирование порошка путем экструзии с последующей изотермической штамповкой может применяться при получении как сплошных, так и полых дисков. Этот метод (процесс Геторайзинг), разработанный фирмой «Pratt and Whitney», обеспечивает наиболее высокие механические свойства, но дает минимальную экономию вследствие высокой стоимости процесса компактирования. Более экономична технология ГИП с последующей изотермической штамповкой, при которой затраты на компактирование меньше. Механические свойства зависят от степени сдвиговой деформации, которую испытывает материал при штамповке. Наиболее значительное снижение стоимости обеспечивает технология ГИП изделий требуемой конфигурации. Только ГИП позволяет получать изделия трубчатой формы без последующей механической обработки. Однако низкие характеристики малоцикловой усталости материала после ГИП препятствуют промышленному применению этой технологии. Еще труднее анализировать экономические аспекты производства и применения дисперсноупрочненных сплавов. Поскольку исходными материалами при механическом легировании служат смеси порошков металлов и лигатур, следует ожидать, что такие порошки будут дороже распыленных. Стоимость собственно процесса размола при его осуществлении в мельницах большого объема будет, по-видимому, весьма низкой. Остается пока нерешенной проблема воспроизводимости микроструктуры экструдированных прутков большого сечения, что также будет сказываться на стоимости материала. Типичная цена на сплав МА754 составляет ~50 долларов за фунт, а более высоколегированный сплав МА6000 стоит 300 долларов за фунт, что связано, главным образом, с опытно-промышленными масштабами его производства. Широкое применение сплавов такого типа станет возможным, если их стоимость будет снижена примерно до 100 долларов за фунт, что представляется технически достижимым.

Какие-либо сведения о себестоимости и ценах на порошки типа RSR отсутствуют, но они должны быть близки к стоимости распыленных порошков крупностью — 325 меш. Затраты на последующий передел сопоставимы с таковыми для других порошков жаропрочных сплавов. Заметный вклад в стоимость как дисперсноупрочненных сплавов, так и сплавов ускоренной кристаллизации будут вносить затраты на зонный отжиг, необходимый для создания микроструктуры с вытянутой формой зерна. Поскольку скорость перемещения горячей зоны при обработке сплавов сложного состава может быть <10 см/ч, на уменьшение этой статьи затрат должно быть обращено особое внимание.