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

Номер контракта: 14.575.21.0042

Руководитель: Картавых Андрей Валентинович

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

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
металлургия, интерметаллиды, алюминиды титана, кристаллизация, бестигельная зонная плавка, тепломассоперенос, легирование, структурообразование, преципитация, геттерирование, фазовая сегрегация, жаропрочность, математическое моделирование, турбостроение

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. В соответствии с ТЗ 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)Е-5
2.12 Микротвёрдость 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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 турбины низкого давления (ТНД) высокоэффективных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), при температурах 700-900 град.С.
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 экспертной оценке ВИАМ, проведённой для отечественных авиатурбин, применение гамма-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. 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.
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 направлениям исследований и разработок Технологических платформ «Материалы и технологии металлургии» и «Авиационная мобильность и авиационные технологии». Поставленные цели, объект исследований и высокотехнологичных разработок 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.
2. 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 применяется впервые для получения наноструктурированных алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием и низким содержанием кислорода. С помощью БЗП и математического моделирования впервые получены результаты наноструктурной инженерии новых сплавов. В управляемых термодинамических режимах впервые установлены механизмы и особенности структурно-фазовой сегрегации в экспериментальных слитках TiAl(Nb,Cr,Zr)B,La, высокочистых по кислороду. В результате механических испытаний 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). В 2016 г. будут впервые определены стационарные коэффициенты трения сплавов алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием по эталонам высокопрочной конструкционной хромистой стали, установлены физико-химические механизмы износа и влияние на них абразивных боридных микрочастиц, содержащихся в матрице.
3. 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.
4. При выполнении проекта получено 6 экспериментальных сплавов гамма-алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием. После БЗП образцы TiAl(Nb,Cr,Zr)B,La подвергаются структурному, фазовому, элементному микроанализу, дилатометрии и физико-механическим испытаниям при температурах до 900 град.С. Используются методы металлографии/оптической микроскопии, растровой электронной микроскопии РЭМ на рассеяние и на просвет, рентгено- и электронно-фазового микроанализа, а также электронно-зондового микроанализа состава. Образцы алюминидов титана с комплексным многокомпонентным легированием подвергаются механическим испытаниям на одноосное растяжение и высокотемпературное сжатие (осадку) при температурах до 900 град.С. Наиболее перспективные образцы экспериментальных материалов испытываются при высоких температурах с целью определения физико-механических свойств, наиболее критичных для применения в двигателестроении, а именно:
- теплопроводности и удельной теплоёмкости;
- динамо-механических характеристик (температурной зависимости модуля Юнга);
- температурной зависимости теплового коэффициента линейного расширения;
- 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 исполнителей 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:
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 турбины низкого давления (ТНД) высокоэффективных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), при температурах 700-900 град.С.
Разрабатываемый материал является перспективным для широкомасштабных 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. Поставленные цели, объект исследований и высокотехнологичных разработок 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.
Среди предприятий и организаций, которые могут быть заинтересованы в проведении последующей ОТР, технико-экономической оценке её результатов и последующем трансфере технологий, предполагаются следующие, входящие в Технологические платформы (ТП) «Авиационная мобильность и авиационные технологии» и «Материалы и технологии металлургии»:
- ОАО «Авиадвигатель»;
- ОАО «Пермский моторный завод»;
- ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» (ФГУП «ЦИАМ»);
- ГК Ростехнологии;
- ОАО «Управляющая компания «Объединенная двигателестроительная корпорация»;
- ОАО «Объединенная авиастроительная корпорация»;
- ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов», ГНЦ РФ (ФГУП «ВИАМ») и другие.
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. Планируемые и уже достигнутые в 2014-15 гг. результаты выполнения проекта являются конкурентноспособными в мировом масштабе и экспонировались, в частности, на Международном авиакосмическом салоне МАКС-2015.

Текущие результаты проекта:
В 2014 г. методом индукционной бестигельной зонной плавки впервые получены экспериментальные лёгкие жаропрочные интерметаллические сплавы следующих составов (в ат. %) : 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.
В 2015 г. проведены их натурные исследовательские испытания:
- на одноосное растяжение в части определения пределов прочности, текучести и относительного удлинения при температурах 20, 700 и 900 град.С;
- на одноосное сжатие (осадку) в части определения пределов прочности, текучести и максимальной деформации на сжатие при температурах 20, 700 и 900 град.С;
- в части определения микротвёрдости в диапазоне температур 20 - 400 град.С;
- в части определения удельной теплоёмкости и теплопроводности в диапазоне температур 20 - 400 град.С;
- проведены исследования структуры и механизмов разрушения экспериментальных образцов после механических испытаний;
- выполнен анализ соответствия объектов испытаний требованиям ТЗ по критериям устойчивости к «холодной» и «горячей» деформации, параметрам микротвёрдости, теплоёмкости и теплопроводности.
Разработанный материал соответствует (превосходя по параметрам жаропрочности) лучшим зарубежным образцам аналогичных сплавов, полученных Консорциумом 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).
Публикации и РИД в 2015 г.:
1. A.V. Kartavykh, E.A. Asnis, N.V. Piskun, I.I. Statkevich, M.V. Gorshenkov. Microstructure and Mechanical Properties Control of γ-TiAl(Nb,Cr,Zr) Intermetallic Alloy by Induction Float Zone Processing // Journal of Alloys and Compounds. 2015. V.643. P.S182-S186. doi: 10.1016/j.jallcom.2014.12.210
2. A.V. Kartavykh, E.A. Asnis, N.V. Piskun, I.I. Statkevich, M.V. Gorshenkov, A.V. Korotitskiy. A promising microstructure/deformability adjustment of β-stabilized γ-TiAl intermetallics // Materials Letters. 2016. V.162. P. 180-184. doi: 10.1016/j.matlet.2015.09.139
3. А.В. Картавых, С.Д. Калошкин, М.Г. Горшенков, А.В. Коротицкий (МИСиС). Способ обработки интерметаллических сплавов на основе гамма-алюминида титана // Заявка на патент РФ № 2015149049 от 17.11.2015 г.