ИСТИНА

Актуальность темы Важнейшей задачей авиационного двигателестроения является повышение рабочей температуры газа перед турбиной, ресурса и экономичности двигателя. Одним из эффективных способов решения данной задачи является применение в газотурбинных двигателях рабочих лопаток с монокристаллической структурой. С этой целью в ВИАМе под руководством академика Е.Н. Каблова разработано новое поколение монокристаллических рений- и рений-рутенийсодержащих ни- келевых жаропрочных сплавов (МНЖС), которые позволяют улучшить тактико- технические характеристики двигателей, их надежность и ресурс. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, получить высококаче- ственные лопатки с монокристаллической структурой возможно только при ис- пользовании для их отливки сплавов с минимальным содержанием в них вредных примесей, в частности серы, фосфора, кремния и неметаллических включений (НВ). Это обусловлено тем, что данные примеси являются одними из наиболее вредных, отрицательно влияющих на структуру и свойства сплавов. Сера образу- ет НВ на основе сульфидов с компонентами сплавов, которые являются концен- тратами напряжений, инициирующими зарождение трещин при эксплуатации лопаток. Кроме того, сера имеет низкую растворимость в никеле и образует лег- коплавкую эвтектику с никелем с температурой плавления около 650 °С. Крем- ний увеличивает количество эвтектической у'- фазы и способствует образованию пластинчатых карбидов, что негативно влияет на длительную прочность сплавов при повышенных температурах. Кроме того, кремний, при его повышенном со- держании (свыше 0,3 %) в никелевых жаропрочных сплавах (НЖС) обогащает границы зерен, способствуя выделению на них карбидов МбС пластинчатой фор- мы, образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз, что приводит к снижению прочностных и пластических свойств. В отличие от серы и кремния, фосфор является малоизученной примесью в литейных НЖС. В литературе, име- ются противоречивые сведения о влиянии фосфора на свойства жаропрочных сплавов. Основные результаты, связанные с влиянием примесей серы, фосфора и кремния на структуру и свойства НЖС, выполнены при изучении поликристал- лических НЖС. С развитием технологий направленной кристаллизации, для МНЖС вводили ограничения по содержанию вредных примесей на основании опыта производства НЖС с равноосной структурой, при этом специальные ис- следования, как правило, не проводились. Изучение влияния серы, фосфора и кремния на структуру и свойства мо- нокристаллов НЖС и разработка эффективных приемов их рафинирования или нейтрализации вредного влияния позволит получать монокристаллические ло- патки с высоким уровнем эксплуатационных свойств. Цель работы: Установление закономерностей влияния примесей серы, фосфора и кремния на структуру и свойства монокристаллов НЖС и разработка эффективных способов их рафинирования в вакууме. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Анализ источников поступления примесей серы, фосфора и кремния и их поведения при выплавке и литье монокристаллов НЖС. 2. Оценка влияния переменного содержания этих примесей на структуру и свойства монокристаллов НЖС. 3. Выбор эффективных редкоземельных металлов (РЭМ) и проведение экспериментальных исследований по разработке способов рафинирования МНЖС от этих примесей или нейтрализации их вредного влияния в условиях ва- куумной индукционной плавки (ЗИП). Научная новизна 1. Установлено, что примеси серы и фосфора, сегрегируя при направлен- ной кристаллизации в междендритные участки монокристаллов никелевых жа- ропрочных сплавов, концентрируются в прослойках у-твердого раствора, обра- зуя локальные участки с их повышенным содержанием. 2. Установлено, что эффект отрицательного влияния серы и фосфора на длительную прочность монокристаллов жаропрочных рений- и рений- рутеиийсодержащих никелевых сплавов с интерметаллидным у'-упрочнением при температурах 1000-1100 °С проявляется на базе испытаний свыше 500 часов. 3. Установлено отрицательное влияние серы на сопротивление высоко- температурному окислению монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов с жаростойким зашитным покрытием, состоящее в преждевременном разруше- нии жаростойкого покрытия, вызванного диффузией серы из объема монокри- сталла в покрытие. Практическая ценность работы 1. Разработана технология вакуумной выплавки жаропрочных никелевых рений- и рений-рутенийсодержащих сплавах нового поколения, используемых для литья турбинных лопаток с монокристаллической структурой. Технология включает микролегирование лантаном и иттрием при плавке и фильтрацию расплава через пенокерамический фильтр при разливке. Технология обеспечи- вает понижение содержания в сплавах примеси серы до ультранизких концен- траций (не более 0,0005 % масс.), нейтрализацию вредного влияния примеси фосфора и достижение повышенных характеристик длительной прочности, ма- лоцикловой усталости и жаростойкости монокристаллов из этих сплавов. 2. Экспериментально показано, что при многократном переплаве жаропроч- ных никелевых сплавов в процессе отливки монокристаллов понижается содер- жание в них макро- и микролегирующих элементов, происходит насыщение спла- вов кремнием, и, как следствие, снижается длительная прочность монокристаллов. 3. Отработаны рекомендации по применению разработанной технологии вакуумной выплавки для переработки литейных отходов, образующихся при производстве монокристаллических отливок из жаропрочных никелевых спла- вов, и получения качественных щихтовых заготовок жаропрочных никелевых сплавов для их последующего применения в промыщленном производстве. Положения, выносимые на защиту 1. Закономерности поведения примесей серы, фосфора и кремния при по- лучении монокристаллов НЖС и их влияние на структуру и механические свойства сплавов. 2. Влияние примеси серы на стойкость к высокотемпературному окисле- нию монокристаллов НЖС без покрытия и с жаростойким защитным покрытием. 3. Обоснование выбора РЭМ для рафинирования МНЖС от примесей се- ры, фосфора и кремния или нейтрализации их вредного влияния. 4. Обоснование подходов к удалению примеси серы из расплавов МНЖС и нейтрализации вредного влияния фосфора за счет присадки лантана при ва- куумной индукционной плавки.