Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка подходов и способов создания материалов на основе легированных гамма-алюминидов титана с упорядоченной наноструктурой для применения в жаропрочных компонентах газотурбинных двигателей

Докладчик: Картавых Андрей Валентинович

Должность: ведущий научный сотрудник, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
1. Разработка подходов и способов получения жаропрочных лёгких гамма-алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием с использованием литейных технологий (индукционной бестигельной зонной перекристаллизации в направленном градиенте температур), обладающих необходимым комплексом свойств для применения в жаропрочных компонентах высокоэффективных газотурбинных двигателей. 2. Получение нового поколения сверхлёгких материалов на основе гамма-алюминидов титана с функциональным легированием, упорядоченной наноструктурой и комплексом свойств, необходимых для создания ответственных изделий в авиационной технике, работающих при температурах 700-900 град.С.

Основные планируемые результаты проекта:
1. При выполнении проекта будут получены следующие научные и научно-технические результаты:
1.1 Экспериментальные образцы лёгкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе (гамма-алюминид титана с комплексным многокомпонентным легированием).
1.2 Лабораторный технологический регламент изготовления легкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе (гамма-алюминид титана с комплексным многокомпонентным легированием).
1.3 Проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологии изготовления материалов на основе легированных гамма-алюминидов титана с упорядоченной (микро-)наноструктурой методом индукционной бестигельной зонной перекристаллизации».

2. Должны быть достигнуты следующие структурные и технические характеристики экспериментальных образцов материала:
2.1 Размеры слитка, мм: диаметр – не менее 10, длина – не менее 100;
2.2 Плотность, г/см3: не более 4,5;
2.3 Тип фазовой структуры: упорядоченная ламельная структура с чередованием gamma и alfa2 фаз и преобладанием gamma-фазы;
2.4 Усреднённая толщина структурных ламелей интерметаллидных фаз gamma/alfa2, нм: 200-300;
2.5 Предел прочности при комнатной температуре, МПа: не менее 1000;
2.6 Предел текучести при комнатной температуре, МПа: не менее 500;
2.7 Предел прочности при 700 град.С, МПа: не менее 500;
2.8 Предел прочности при 900 град.С, МПа: не менее 200;
2.9 Относительное удлинение при комнатной температуре, %: не менее 0,4;
2.10 Максимальная деформация на сжатие (осадку) при комнатной температуре, %: не менее 20;
2.11 Средний тепловой коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в диапазоне температур 20-900 град.С: (1,0÷1,5)×10-5;
2.12 Микротвердость в диапазоне температур 20-400 град.С, HV : 300÷500;
2.13 Модуль Юнга в диапазоне температур 20-400 град.С, ГПа: не менее 60;
2.14 Удельная теплоёмкость в диапазоне температур 20-400 град.С, Дж/г∙К: 0,6÷0,7;
2.15 Удельная теплопроводность в диапазоне температур 20-400 град.С, Вт/м∙с: 15÷20;
2.16 Трибохимическая стойкость в паре трения с эталоном высоколегированной стали 40Х: стационарный коэффициент трения не более 0,4, интенсивность изнашивания не более 4Е-8.

3. Для решения задач и достижения целей ПНИ предусматривается поисковое опробование интерметаллидов различных номинальных составов на основа TiAl с содержанием Al в диапазоне 44-46 ат.%;
- упрочняющим легированием Nb в диапазоне 5-8 ат.% ;
- легированием коррозионно-стойкими примесями Cr и Zr в диапазоне 1-3 ат.%;
- легированием структурно-модифицирующей примесью В в диапазоне 0-1 ат.%;
- легированием кислородным геттером La в диапазоне 0-0.2 ат.%.
Микролегирование лантаном впервые предложено для геттерирования фоновой примеси растворённого (межузельного) кислорода с целью повышения пластичности и улучшения эксплуатационных характеристик исследуемых TiAl-сплавов. Инновацией является применение лигатуры гексаборида лантана LaB6 для совместного легирования бором и РЗЭ при создании TiAl-сплавов для экстремальных условий применения, используя двойную эффективность LaB6 как модификатора микроструктуры (благодаря содержанию В) и как кислородного геттера (благодаря содержанию La).
Индукционная зонная плавка без контакта с тиглем (БЗП) в потоке высокочистого аргона будет выполнена впервые для получения наноструктурированных алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием и низким содержанием кислорода.
С помощью БЗП и математического моделирования впервые будут получены результаты наноструктурной инженерии новых сплавов. В управляемых термодинамических режимах будут впервые установлены механизмы и особенности структурно-фазовой сегрегации в экспериментальных слитках TiAl(Nb,Cr,Zr,B,La), высокочистых по кислороду.
В результате дилатометрии и механических испытаний будут впервые определены границы температурного диапазона работоспособности и основные параметры, характеризующие устойчивость исследуемых сплавов к «горячей» и «холодной» деформации - пределы пластичности и прочности как функции температуры, состава и структуры сплава (параметры жаропрочности сплавов).
Будут впервые определены стационарные коэффициенты трения сплавов алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием по эталонам высокопрочной конструкционной хромистой стали в зависимости от нагрузки, установлены физико-химические механизмы износа и влияние на них абразивных боридных микрочастиц, содержащихся в матрице.

4. Разработанный в лабораторных условиях материал как минимум должен соответствовать (превосходя по параметрам жаропрочности) лучшим зарубежным образцам аналогичных сплавов, предназначенных для экстремальных условий применения в составе турбин авиационных двигателей и полученных Консорциумом предприятий стран ЕС в 2009 г. при выполнении Общеевропейского проекта IMPRESS (http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/pdf/the-executive-summary-of-impress-project_en.pdf) в части технических показателей и характеристик, изложенных в ТЗ.

5. Запланировано получить не менее 6 экспериментальных образцов гамма-алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием. После БЗП образцы TiAl(Nb,Cr,Zr,B,La) будут подвергнуты структурному, фазовому, элементному микроанализу, дилатометрии и физико-механическим испытаниям при температурах до 900 град.С.
Будут использованы методы металлографии/оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии РЭМ на рассеяние и на просвет, рентгено- и электронно-фазового микроанализа (включая дифракцию вторичного электронного пучка EBSD), а также электронно-зондового микроанализа состава (энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия EDX и Оже-спектрометрия нанометрового разрешения).
Цилиндрические образцы алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием будут подвергнуты механическим испытаниям на одноосное растяжение и высокотемпературное сжатие (осадку) при температурах до 900 град.С по ГОСТ 8817-82 и ГОСТ 25.503-97 на базе испытательных комплексов INSTRON и «Gleeble System 3800» с целью построения экспериментальных кривых в координатах «нагрузка-деформация» как функций температуры, состава и структуры сплава, и определения основных параметров, характеризующих устойчивость сплавов к «горячей» и «холодной» деформации.
Наиболее перспективные образцы экспериментальных материалов с ультрамелкозернистой микро-/наномасштабной структурой будут испытаны при высоких температурах с целью определения важнейших физико-механических свойств, наиболее критичных для применения в двигателестроении, а именно:
- теплопроводности и удельной теплоёмкости по ГОСТ 8.140-82 и ГОСТ 8.141-75;
- динамо-механических характеристик (температурной зависимости модуля упругости, температурно-частотной и амплитудной зависимостей внутреннего трения от нагрузки при нагреве);
- температурной зависимости теплового коэффициента линейного расширения при температурах вплоть до точки солидус;
- температурной зависимости микротвёрдости;
- трибологическим испытаниям в паре трения с эталонами высокотвёрдой хромистой стали.
Достижимость поставленных целей, возможность получения запланированных результатов и конкурентноспособность Партнёров проекта на мировом уровне определяется:
- высокой квалификацией научно-технического персонала, многолетним опытом работы в области материаловедения TiAl-интерметаллидов и математического моделирования технологических процессов;
- имеющейся в НИТУ МИСиС современной приборно-аналитической базой с сертифицированными методиками исследований;
- возможностью выполнения экспериментальных исследований в НИТУ МИСиС и у Индустриального Партнёра в соответствии со стандартами высокой чистоты (тиглей, оснастки, используемых технологических газов и т.д.), общепринятыми в лабораторных условиях и труднодостижимыми в промышленной металлургии;
- участием, успешной работой авторов заявки в профильном Евроконсорциуме IMPRESS (2004-2009 гг.) и приобретённым при этом международным опытом;
- наличием уникальных методик математического моделирования, разработанных в результате многолетних исследований в смежных областях науки.
Ограничений при выполнении ПНИ в рамках согласованных ТЗ и ПГ нет. Возможные риски определяются только в случае наступления форс-мажорных обстоятельств, независимых от Партнёров.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработанные в ходе выполнения ПНИ экспериментальные образцы лёгкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе (гамма-алюминид титана с комплексным многокомпонентным легированием) должны предназначаться для создания ответственных изделий в авиационной технике, работающих при высоких температурах. В частности, эти материалы могут быть использованы для производства заготовок турбинных лопаток (лопастей), предназначенных для комплектации и работы в составе ступеней компрессоров низкого давления (КНД) высокоэффективных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), при температурах 700-900 град.С.

2. Класс материалов, выбранный для проведения исследований, является перспективным для широкомасштабных массовых применений в конструкциях энергогенерирующих газосжигающих турбин передвижных тепловых электростанций и авиационных двигателей. Области дальнейшего возможного применения результатов работ и масштаб их реализации могут быть экономически высокоэффективными, социально-значимыми и экологически выгодными.
Создание материала на основе гамма-TiAl с многокомпонентным легированием, имеющего малый удельный вес (около 4.5 г/см3) и удовлетворяющего требованиям жаропрочности, позволит до 50% увеличить отношение «подъёмная сила/вес» авиационных двигателей по сравнению с лучшими современными аналогами, созданными на основе никелевых спецсплавов (superalloys) с плотностью около 9 г/см3 [D.J. Jarvis, D.Voss // Mater. Sci. Engineering A. 413–414 (2005) 583].
Согласно расчётной экспертной оценке ВИАМ, проведённой для отечественных авиатурбин, применение γ-алюминидов титана только в стационарных деталях КВД, ТНД и ФК (с рабочими температурами Траб<800 град.С) взамен некоторых сталей и сплавов способно снизить их вес до 25% и дополнительно обеспечить пожаробезопасность конструкции двигателя [В.Г. Анташов, Н.А. Ночовная, В.И. Иванов // Технология лёгких сплавов. 2002. №4 (электронная версия, http://viam.ru/public/files/2001/2001-203464.pdf )].
По оценкам экспертов Европейского Космического Агентства и корпорации Rolls-Royce, замена лопаток авиатурбины марки Trent, изготовленных из современного Ni-спецсплава INC713LC, на аналоги из TiAl-интерметаллических сплавов, при прочих равных условиях способна привести к сокращению количества выбросов SO2 в атмосферу на 25-30%, а CO2 – на 35-40% при эксплуатации двигателя из-за уменьшения его массы и улучшения эффективности работы [N.P. Lavery, D.J. Jarvis, D. Voss // Intermetallics 19 (2011) 787]. Двигателями Trent оснащены все современные пассажирские самолёты международного концерна Airbus.
Социально-экономическая значимость реализации предлагаемого проекта обусловливается повышением уровня жизни и снижением объема загрязнений окружающей среды при создании турбин массового применения с более высоким к.п.д. и улучшенными технико-экономическими характеристиками. Цель проекта лежит именно в этом русле и направлена на эту перспективу.

3. Цели, задачи и планируемые результаты проекта соответствуют приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Индустрия наносистем» по критической технологии «Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов». Проект направлен как на создание новых видов продукции – сверхлёгких жаропрочных наноструктурных материалов для экстремальных условий применения, так и на создание новых технологий их обработки.
Цели, задачи и планируемые результаты проекта соответствуют также направлениям исследований и разработок Технологической платформы (ТП) «Материалы и технологии металлургии», в том числе перспективному направлению 6 «Формирование научно-технического задела в области материалов и технологий металлургии» Меморандума о формировании ТП в кратко- и среднесрочной перспективе (до 2016 г.) в части разработки «…нового поколения сверхлегких, высокожаропрочных (в том числе интерметаллидных, эвтектических, композиционных и естественно-композиционных) … титановых, алюминиевых сплавов с улучшенными до 25% характеристиками прочности, усталости, трещиностойкости, усталостной долговечности» (цитируется по тексту Меморандума на http://tpmtm.ru/files/mem.pdf ). Избранный для достижения целей проекта способ получения интерметаллидного сплава (бестигельная зонная кристаллизация) соответствует перспективному направлению 3 «Разработка ресурсосберегающих энергоэффективных металлургических технологий» Меморандума, где в качестве одного из приоритетов развития отмечены «ресурсосберегающие (повышение КИМ в 3 - 5 раз) и энергоэффективные (экономия электроэнергии в 5 - 10 раз) технологии изготовления заготовок деталей перспективных летательных аппаратов и двигателей различного назначения, включая высокоградиентную (в т.ч. с управляемым градиентом) направленную кристаллизацию».
Разработка материалов и создание структур и систем на их основе для нового поколения инновационных высокоэффективных авиационных технологий осуществляются также в соответствии со следующими важнейшими направлениями технологического развития, поддерживаемыми в рамках ТП «Авиационная мобильность и авиационные технологии» согласно Меморандуму ТП:
- «Топливосберегающие технологии двигателя»;
- «Технологии снижения техногенного влияния технических средств на окружающую среду».
Поставленные цели, объект исследований и высокотехнологичных разработок, предполагаемые в настоящем проекте, находятся, в частности, в русле задач Национального проекта «Самолет-2020, МС-21» в части создания новых лёгких материалов со специальной микроструктурой для жаропрочных компонентов высокоэффективного авиационного двигателя.
Новые результаты технологических разработок по теме НИР будут опубликованы в 6 статьях в высокорейтинговых международных журналах, имеющих суммарный импакт-фактор (по версии Thomson Reuters) не менее 12.
Новые результаты технологических разработок по теме НИР будут представлены в 2014-16 гг. на трёх конференциях, симпозиумах, конгрессах международного уровня с докладами, демонстрацией и популяризацией исследований и разработок, ведущихся в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения 1 этапа НИР собраны и систематизированы данные, выполнен аналитический обзор современной научно-технической литературы, интернет-источников и доступной технической документации по принципам, подходам получения высокотемпературных материалов с контролируемой микроструктурой (включая интерметаллиды на основе TiAl), и современному технологическому оборудованию ведущих зарубежных исследовательских центров. Рассмотрены следующие методы получения высокотехнологичных микроструктурированых материалов: горизонтальный и вертикальный метод Бриджмена, в том числе с МГД-воздействиями на расплав, метод индукционной направленной кристаллизации в «холодном» тигле и бестигельная зонная плавка (БЗП). Отмечены преимущества метода направленной кристаллизации применительно к разработке технологии изготовления лопаток турбин.
Проведены патентные исследования в области жаропрочных материалов на основе легированных сплавов системы Ti-Al, и составлен патентный отчёт.
Произведён выбор направления исследований, методов и средств изучения структуры и свойств интерметаллидных сплавов на основе алюминидов титана со специальным легированием, полученных с использованием литейных технологий (в частности, бестигельной направленной зонной перекристаллизацией, БЗП).
Разработаны технические принципы бестигельной направленной перекристаллизации микро- и наноструктурированных слитков легированных гамма-алюминидов титана.
Проведено численное моделирование процессов гидродинамики и тепломассопереноса при направленной перекристаллизации слитков легированных гамма-алюминидов титана.
Разработаны программа и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов лёгкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе (гамма-алюминид титана с комплексным многокомпонентным легированием).
Разработан проект лабораторного технологического регламента на процесс получения экспериментальных образцов лёгкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе (гамма-алюминид титана с комплексным многокомпонентным легированием).
Изготовлены экспериментальные образцы лёгкого жаропрочного материала на интерметаллидной основе в количестве 6 шт. со следующими номинальными составами (в атомных %): Ti-46Al-8Nb; Ti-44Al-7Nb-2B; Ti-44Al-7.5Nb-2.7B; Ti-44Al-5Nb-3Cr-1.5Zr; Ti-44Al-5Nb-2Cr-1.5Zr-0.4B-0.07La; Ti-44Al-5Nb-1Cr-1.5Zr-1B-0.17La.
Проведены исследования фазового, химического состава и структуры экспериментальных образцов.