Прочные, лёгкие и жаростойкие — вот главные требования к материалам, из которых делают лопатки турбин. Лопатки — важнейшие детали газотурбинных двигателей. Именно они воспринимают усилие от потока раскалённого газа и заставляют турбину вращаться. И чем выше температура газа перед турбиной — то есть перед лопатками, тем мощнее и экономичнее двигатель, тем в конечном итоге большую скорость и грузоподъёмность самолёта он может обеспечить. Это заставляет создателей материалов искать возможности повышения жаростойкости готовых лопаток, чего добиваются и за счёт улучшения свойств и кристаллической структуры сплавов, и за счёт использования специальных многослойных керамических покрытий.

Монокристалл, в отличие от поликристалла, не содержит границ зёрен, на которых могут скапливаться нежелательные легкоплавкие примеси, понижающие жаропрочность сплава, и где возникают дополнительные механические напряжения.

Структура рений-рутений никелевого сплава ВЖМ4. Сплав содержит две фазы: матрицу на основе никеля и частицы интерметаллида, которые, в свою очередь, разделены нанопрослойками из квазикубоидов.

Характерная микроструктура керамического слоя теплозащитного покрытия. Видно столбчатое строение керамики. Столбцы имеют разные поперечные размеры и пористость, что обеспечивает снижение коэффициента теплопроводности керамики.

О проблемах, которые приходится решать современным материаловедам, нашему корреспонденту рассказала заместитель генерального директора Всероссийского института авиационных материалов кандидат технических наук Ольга Оспенникова.

Долгие годы жаропрочными сплавами номер один в авиастроении были литейные сплавы на основе никеля. По мере повышения требований к газотурбинным двигателям химический состав, структура и технологии получения сплавов и лопаток становились всё сложнее. Сплавы легировали алюминием, углеродом, вольфрамом, хромом, кобальтом, титаном — всего использовали 12—15 легирующих и микролегирующих элементов.

Повышение жаропрочности литейных никелевых сплавов достигалось, главным образом, благодаря введению элементов, образующих в никелевой матрице упрочняющие фазы: чем больше объёмная доля и стабильность упрочняющих фаз при высоких температурах, тем выше жаропрочность. Специальная термообработка формирует требуемую микроструктуру сплавов, именно она определяет важнейшую их характеристику — длительную прочность.

К 1970-м годам стало ясно, что одним совершенствованием химического состава и микроструктуры сплавов нельзя достичь дальнейшего повышения жаропрочности и увеличения ресурса рабочих лопаток двигателя. И тогда в ВИАМе разработали технологию получения монокристаллических лопаток. Такая лопатка, выращенная методом направленной кристаллизации, состоит из одного зерна. В отличие от многозёренной (поликристаллической) лопатки она имеет более совершенную ростовую структуру, более высокие механические свойства и способность сопротивляться действию термических напряжений. А главное, она благодаря отсутствию границ зёрен обладает значительно большей длительной прочностью при повышенных температурах и, следовательно, служит дольше.

Одновременно авиаконструкторы начали разрабатывать охлаждаемые лопатки газовых турбин. Охлаждение лопаток позволяет резко поднять рабочую температуру газа перед турбиной и даёт возможность строить новые, более эффективные газотурбинные двигатели.

От эмпирики к компьютерным моделям

С появлением охлаждаемых лопаток работа над созданием новых жаропрочных сплавов в ВИАМе не закончилась. Следующим этапом стали сплавы, содержащие значительную долю (до 70%) упрочняющей интерметаллидной фазы. В качестве легирующих добавок для подобных сплавов выбраны тугоплавкие рений и рутений. Новые многокомпонентные сплавы требуют жёстко сбалансированного химического состава, строгого контроля за содержанием вредных примесей и могут быть реализованы лишь на основе чрезвычайно сложной структурной организации. Ясно, что эмпирический метод для создания подобных сплавов не годится. Для их разработки создали специальную компьютерную программу, призванную увязать химический состав сплава с его микроструктурой, свойствами и фазовыми превращениями, которые могут иметь место в процессе эксплуатации в условиях высоких температур. Такие фазовые превращения весьма нежелательны — микроструктура и фазовый состав сплава должны оставаться стабильными при рабочих температурах не менее 2000—3000 часов. Сейчас никелевые сплавы, содержащие рений и рутений, уже созданы и успешно прошли испытания. Монокристаллические лопатки из этих сплавов способны работать при температурах до 1200^оС. Жаропрочные рений-рутений никелевые сплавы состоят только из двух фаз — никелевой матрицы и частиц интерметаллида. Частицы интерметаллида кубовидной формы размером 0,4—0,5 мкм разделены наноразмерными прослойками шириной 50—90 нм, в которых, в свою очередь, присутствуют интерметаллидные нанокристаллы размером примерно 30 нм. При такой структуре сплава микро- и наночастицы создают сопротивление движению дислокаций (линейных дефектов кристалла), обеспечивая высокую длительную прочность. Благодаря особенностям химического состава сплава скорость диффузии атомов легирующих элементов снижается, что поддерживает стабильность микроструктуры и свойств при высоких температурах.

Подобные сплавы и лопатки из них изготавливают по разработанным в ВИАМе технологиям. Например, литьё монокристаллических лопаток проводят методом высокоградиентной направленной кристаллизации с использованием специально созданного оборудования. На этом оборудовании инженерам института удалось достичь рекордного (200—220^оС/см) градиента температур в зоне кристаллизации сплава. Как результат сплав имеет высокую чистоту по вредным примесям, выход годной продукции достигает 95%, а ресурс лопаток при рабочих температурах 1000—1100^оС увеличился на 35%.

Одежда для лопаток

Наряду с конструированием новых сплавов и систем охлаждения для лопаток газотурбинных двигателей в ВИАМе с середины 1970-х годов разрабатывают жаростойкие покрытия. Ведь лопатки газотурбинных двигателей новых поколений работают при температуре на несколько сотен градусов выше температуры плавления сплавов, да ещё в агрессивной среде. Первые покрытия, созданные в институте, представляли собой многокомпонентные металлические слои, осаждённые электронно-лучевым методом. Позже, вслед за Институтом электросварки им. Е. О. Патона (Украина), специалисты ВИАМа сконструировали ионно-плазменную установку для нанесения жаростойких покрытий методом конденсации металлов из вакуумно-дуговой плазмы. Покрытия, полученные на новой установке, позволили увеличить ресурс лопаток двигателей в 4 раза.

Следующим шагом стало создание градиентных по строению покрытий: на разных участках пера лопаток осаждаются разные типы покрытия в зависимости от температурных условий и напряжённого состояния. Подобные покрытия не имели аналогов в мире.

Газотурбинные двигатели пятого поколения потребовали многослойных покрытий, содержащих теплоизолирующий барьерный слой. Этот слой призван предотвращать диффузионное взаимодействие элементов жаростойкого покрытия со сплавом лопатки, развивающееся при высоких температурах. В результате подобного диффузионного взаимодействия жаропрочный сплав на границе с покрытием теряет свои прочностные свойства, одновременно снижается стабильность самогó жаростойкого покрытия. Проведённые испытания показали, что покрытия с барьерным слоем значительно улучшают рабочие характеристики лопаток и увеличивают их ресурс.

В числе последних разработок института — многокомпонентные, многослойные покрытия, проявляющие одновременно жаростойкие и теплозащитные свойства. Внешний слой таких покрытий с низким коэффициентом теплопроводности — керамический. Его основу составляет диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия. Столбчатая слоисто-пористая структура этого слоя, режимы получения которой были тщательно отработаны, обеспечивает необходимую термическую стойкость на границе с соединительным жаростойким слоем при быстрых изменениях температуры на поверхности рабочих лопаток. При тепловых потоках, имеющих место в современных газотурбинных двигателях, наличие подобного керамического слоя с коэффициентом теплопроводности менее 1,6 Вт/м•К даёт снижение температуры в теле лопатки на 100^оС, то есть позволяет увеличивать температуру рабочих газов двигателя и улучшать его удельные характеристики.

Многослойные теплозащитные покрытия с внешним керамическим слоем получают последовательным чередованием различных технологий, основанных на химических и физических методах осаждения. В ВИАМе построена установка для магнетронного распыления металлических мишеней. Разработанные мишени изготовлены из сплавов системы цирконий — иттрий — редкоземельный металл. Это первая подобная установка в России. Магнетронный процесс по сравнению с традиционным электронно-лучевым методом имеет преимущества, главные из которых — снижение потребления электроэнергии примерно в 20 раз и уменьшение массы и габаритов технологического оборудования в 5 раз.

Успех специалистов ВИАМа в области создания жаропрочных сплавов и теплозащитных покрытий во многом определяется комплексным подходом к созданию инновационных продуктов. Каждый из них проходит путь от идеи до серийного производства. Разрабатываются не только сам сплав или покрытие и технологии их получения, но и производственные установки, многие из которых уникальны.

№7, 2012