Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов

Шалин Р.Е., Светличный И.Л. и др.

Машиностроение, 1997 г.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Производство современных ГТД для гражданских и военных самолетов стало возможным благодаря разработке и промышленному освоению новых высокожаропрочных сплавов на никелевой основе. Использование таких сплавов для изготовления деталей горячего тракта позволило повысить температуру газа на входе в турбину и значительно продлить ресурс работы двигателя. За последние 15 лет увеличение температуры рабочего тела (газа) составило примерно 280 °С, причем половина этого прироста (порядка 10 °С в год) была достигнута за счет подбора новых композиций жаропрочных сплавов, улучшения металлурги ческой технологии выплавки и вторичного передела, включая литье лопаток с монокристальной структурой, а другая половина - за счет совершенствования системы воздушного охлаждения лопаток.

Хорошо известно, что повышение температурной способности сплава на 5 °С соответствует приросту температуры газа на 10 °С. Температурная способность сплавов является сравнимым параметром и представляет собой температуру, при. которой заданный ресурс работы сплава, например 100, 1000 или 10 000 ч, достигается при определенном напряжении о. Температурная способность жаропрочных сплавов нового поколения, которые разрабатываются обычно в течение 3...4 лет, должна превосходить на 20...25 °,С температурную Способность сплавов предшествующего поколения. На каждом новом этапе развития жаропрочных сплавов эта задача становится все более трудно разрешимой и требует для своей практической реализаций значительных финансовых затрат. Использование новых легирующих элементов (таких, как рутений, платина, осмий, иридий и других дефицитных металлов) повышает служебные характеристики сплавов, но при этом значительно увеличивает их стоимость. Поэтому промышленное использование таких сплавов будет определяться в первую очередь экономической целесообразностью.

Другой путь повышения температуры рабочего цикла двигателя заключается в совершенствовании способа воздушного охлаждения сопловых и рабочих лопаток. Переход от конвективного к конвективно-пленочному способу охлаждения позволил значительно увеличить температуру газа. Однако при этом существенно усложнилась геометрия внутренней полости охлаждаемых лопаток (лопатки со штырьковой, петлевой, циклонной и циклонно-вихревой конструкциями внутренней полости). Кроме того, с целью повышения эффективности охлаждения на профильной поверхности лопаток прожигают тонкие отверстия для выдува воздуха и создания заградительной пелены.

Наиболее эффективным способом понижения рабочей температуры материала лопатки является проникающее (транспирационное) охлаждение.

Пионером создания конструкционных проницаемых материалов явилась фирма Alisson, которая под торговой маркой "Ламидлой" предложила слоистый материал, изготовленный из листов деформируемого жаропрочного сплава на никелевой основе. На поверхности исходных листов  формируют тонкие канавки методом фототравления. После пайки или диффузионной сварки двух или трех листов образуются внутренние каналы. Воздух поступает в каналы через систему входных отверстий и вытекает на горячую поверхность через выходные отверстия. Из таких листовых проницаемых материалов изготавливают жаровые трубы и газосборники камер сгорания. Однако попытки использовать такие материалы для производства лопаток оказались безрезультатными по двум причинам. Вопервых, листовой материал разрушался в местах изгиба в процессе деформации при формировании входной кромки лопатки. Во-вторых, гири высоких температурах жаропрочность деформируемых сплавов с равноосной структурой значительно ниже, чем у литейных сплавов.

Многочисленные попытки реализовать такой способ охлаждения в пористых жаропрочных материалах оканчивались неудачей. Хорошо известные проницаемые материалы, изготовленные из прокатанных и спеченных сеток, обладали высокоэффективной охлаждающей способностью, но низкая жаропрочность делала их совершенно непригодными для производства деталей горячего тракта ГТД.

Достигнутый за последнее время прогресс в технологии точного литья жаропрочных сплавов позволяет изготавливать монокристальные лопатки с проницаемым охлаждением непосредственно в процессе направленной кристаллизации. В Данном случае проницаемое охлаждение осуществляется путем создания многочисленных, регулярно расположенных в тонкой стенке лопатки микроканалов, в которые воздух поступает из внутренней полости через входные отверстия, а затем вытекает на внешнюю горячую поверхность лопатки через систему наклонных выходных отверстий.