Изготовление лопаток турбины из монокристаллов для газотурбинных двигателей иностранного и Российского производства.

Монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы для лопаток газотурбинных двигателей – создание технологии отливки и производства лопаток газогенератора газовых турбин большой мощности ГТБМ производства Siemens SGT5-2000E SGT5-4000F и GE 9F (9FA, 9FB, 9F.04) 9HA.02. Импорт новых технологий для импортозамещение производства монокристаллических жаропрочных турбинных лопаток, камеры сгорания, горелок, силовой турбины, с использованием сплава из рения и рутения.

Для создания авиационных и промышленных энергетических газотурбинных двигателей (ГТД) требуются новые жаропрочные материалы с повышенными характеристиками длительной прочности при рабочих температурах вплоть до 1200 °С. Это прежде всего жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС) для деталей горячего тракта двигателя (рабочие и сопловые лопатки турбины, камера сгорания и др.), определяющие его основные тактико-технические характеристики. По мере повышения требований к ЖНС усложнялись их композиции и режимы термической обработки, применялись новые технологии вакуумной выплавки и литья. Наиболее ответственными деталями ГТД являются лопатки газовой турбины, определяющие максимальную температуру рабочего газа на входе в турбину и, следовательно, удельную мощность, экономичность и ресурс двигателя. Максимальная температура газа перед турбиной увеличилась с 1300…1450 К в двигателях III поколения до 1800…1950 К в двигателях V поколения. Такой рост температуры рабочего газа был достигнут за счет повышения эффективности систем охлаждения и применения лопаток из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками. Большее повышение рабочей температуры газа перед турбиной (до 2000…2200 К в перспективных двигателях) может быть достигнуто только за счет применения в газовой турбине лопаток монокристаллических из рений-рутений-содержащих ЖНС нового поколения. Эти сплавы имеют рекордные показатели длительной прочности и высокую технологичность при направленной кристаллизации, что позволяет использовать их для получения монокристаллических турбинных лопаток с высокоэффективными системами охлаждением. При этом долговечность таких лопаток может быть повышена за счет применения специально разработанных защитных покрытий и оборудования для их нанесения методом ионно-плазменного напыления в вакууме.

Основное преимущество монокристаллических лопаток по сравнению с обычными поликристаллическими заключается в значительно более высоком сопротивлении высокотемпературной ползучести, обусловленном отсутствием в сплаве границ зерен, поскольку их структура сформирована ветвями одного дендрита, развившегося от монокристаллической затравки. Этот дендрит пронизывает весь монокристалл множеством ветвей первого и второго порядков. Оси первого порядка дендрита растут вдоль направленного теплового потока, который создается в печи для направленной кристаллизации и совпадает с продольной осью монокристаллической лопатки. На микроскопическом уровне структура монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов представлена только двумя фазами: частицами γ′-фазы (формирующейся на основе интерметаллического соединения Ni3Al – упорядоченная ГЦК-структура типа L12), рассеянными в матрице из γ-твердого раствора легирующих элементов в никеле (неупорядоченная ГЦК-структура). В свою очередь частицы интерметаллидной γ′-фазы различаются размерами и состоят из кубоидных микрочастиц со средним размером ~500 нм (объемная доля ~70 %), которые разделены нанопрослойками γ-фазы с поперечным размером 50…90 нм; в γ-прослойках присутствуют квазикубоиды нанокристаллов размером 30…50 нм. Основные легирующие элементы (вольфрам, молибден, рений и рутений) преимущественно распределяются в кристаллической решетке γ-фазы, тогда как в γ′-фазе атомы этих элементов замещают в кристаллической решетке интерметаллического соединения Ni3Al позиции атомов алюминия. С 60-х годов прошлого столетия основной тенденцией в разработке ЖНС для литья турбинных лопаток стало повышение в матричном γ-растворе содержания упрочняющей γ′-фазы (до 60…70 %). В то же время разработчики сплавов стремились к повышению температуры полного растворения γ′-фазы в матричном γ-твердом растворе путем увеличения концентрации Al, снижения содержания Cr и дополнительного легирования тугоплавкими переходными металлами (Mo, W, Nb, Ta, Hf ), а также введения микродобавок B, Zr, Y, La и Ce.

В области технологии производства турбинных лопаток наметился устойчивый переход от равноосного литья к направленной и монокристаллической кристаллизации. Для реализации потенциальных возможностей монокристаллической структуры материала турбинной лопатки созданы специальные ЖНС. Это многокомпонентные системы, содержащие до 15 легирующих и микролегирующих элементов Периодической системы Д.И. Менделеева, включая такие тугоплавкие элементы, как вольфрам, тантал, молибден, редкий элемент рений и относящийся к платиновой группе элемент рутений. Из них методом направленной кристаллизации отливают монокристаллические охлаждаемые лопатки перспективных авиационных газотурбинных двигателей. Отсутствие в монокристаллах большеугловых границ зерен исключило потребность во введении C, B, Zr в целях упрочнения межзеренных границ. При отсутствии углерода и бора удалось существенно повысить температуру солидуса, сопротивление механической и термической усталости монокристаллов благодаря устранению возможности образования карбидов и боридов, являющихся концентраторами напряжений и очагами зарождения микротрещин. Значительное повышение жаропрочных свойств и эксплуатационных характеристик монокристаллических рений-рутений-содержащих ЖНС достигнуто за счет кардинального улучшения методов вакуумной выплавки, применения шихтовых материалов повышенной чистоты по примесям, использования технологии высокоградиентной направленной кристаллизации и специальных режимов многоступенчатой термической обработки. Упрочнение γ′-фазой обеспечивает длительное сохранение высокой температурной работоспособности сплавов данного класса в широком интервале температур, вплоть до 1150 °С. Исследования показали, что одним из наиболее эффективных легирующих элементов является рений. Положительное влияние рения на жаропрочность никелевых сплавов обусловлено увеличением температуры солидуса, повышенной растворимостью рения в никелевом γ-твердом растворе и увеличением периода его кристаллической решетки, снижением коэффициентов диффузии легирующих элементов. Концентрация рения в монокристаллических ЖНС 2-го поколения достигает 2–4 % масс., в сплавах 3-го поколения его концентрация доведена до 5–6 % масс. (табл. 1). В настоящее время разработаны монокристаллические ЖНС, содержащие 9–12 % Re. Разработка высокорениевых жаропрочных сплавов монокристаллического строения проводилась с помощью метода компьютерного конструирования. Поиск оптимального легирования осуществляли путем одновременного улучшения физико-химических (температуры γ′-солвуса и солидуса) и структурно-фазовых (периоды кристаллических решеток γ- и γ′-фаз, γ/ γ′-мисфит, объемная доля γ′-фазы) характеристик сплавов путем добавок все большего количества рения как основного твердорастворного упрочнителя γ-фазы, а также сбалансированного увеличения суммарного содержания тугоплавких (Re, Mo, Ta, W) и γ′-образующих (Al, Ta) металлов, снижения концентраций Cr, Ti и исключения из систем легирования Nb и V. В результате были получены монокристаллические рений содержащие сплавы с высоким уровнем оптимизируемых параметров. Однако при длительном воздействии высоких температур в рений-содержащих ЖНС образуются топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы, которые могут отрицательно влиять на механические свойства. Для стабилизации фазового состава и снижения вероятности выделения ТПУ-фаз высокорениевые ЖНС легируют рутением в количестве 2–6 %.

В настоящее время разработано несколько поколений монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов для литья лопаток газовых турбин. Наиболее высоко-температурными являются жаропрочные сплавы последних поколений, легированные рением и рутением. Рений-рутений-содержащие жаропрочные сплавы имеют наибольшую высокотемпературную длительную прочность и термическую стабильность; по сравнению с традиционно легированными сплавами (CMSX-2, PWA-1480) их температурная работоспособность на 50…60 °С выше. В настоящей работе представлены результаты авторов по конструированию и экспериментальному исследованию рений-рутений-содержащего жаропрочного сплава 5-го поколения, которые отражают основные представления о физико-химических принципах разработки литейных ЖНС для изготовления лопаток авиационных газотурбинных двигателей. Конструирование сплава. В течение длительного времени эмпирический метод «проб и ошибок» был основным при разработке конструкционных материалов. Совершенно очевидно, что для жаропрочных никелевых сплавов, легированных более чем 15 элементами, нахождение оптимальных состава и комплекса свойств является трудоемкой задачей, требующей больших временных и финансовых затрат. Особенно это касается сплавов, легированных дорогостоящими элементами – рением, рутением и т.п. В связи с этим формальные методы компьютерного проектирования современных жаропрочных сплавов становятся необходимым инструментом. По существу, традиционный метод «проб и ошибок» заменяется экспрессным и экономичным методом «делай правильно с первого раза», который позволяет не только оптимизировать химический состав уже имеющихся промышленных сплавов, но и разрабатывать новые сплавы.

Газовые турбины в России копирование и реверс-инжиниринг лопатки турбинные газогенератора производство в России, финансирование копирование реверс-инжиниринга запасных частей для ГТУ, услуги строительства электростанций, аренда лизинг газотурбинные установки Solar Ansaldo Siemens GE Kawasaki, турбины работающие на водороде и попутном нефтяном газе (ПНГ), импорт и услуги ВЭД и логистики ГТУ электростанций, лизинг и кредитование, поставка запчастей.

Наш телеграмм канал

info@euronato.ru
+7 (495) 979-05-44
+7 (901) 514-24-84