Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка нового поколения жаропрочных материалов, в том числе наномодифицированных, на основе интерметаллидов, для аддитивных 3d- технологий

Номер контракта: 14.578.21.0040

Руководитель: Левашов Евгений Александрович

Должность: Заведующий кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра СВС

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
Презентация скачать
Ключевые слова:
высокожаропрочные интерметаллидные материалы, алюминид никеля, алюминид титана, наномодифицированные материалы, высокотемпературный синтез, переплав, литье, гранулирование, аддитивные 3d- технологии.

Цель проекта:
Основной задачей проекта является создание интерметаллидных жаропрочных материалов (ЖМ) нового поколения на основе NiAl и TiAl в виде узкофракционных гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости, необходимых для изготовления сложнопрофильных изделий авиационной и ракетно-космической техники (РКТ) с использованием аддитивных 3d технологий. В настоящее время такие материалы в России не производятся, а зарубежные производители поставляют гранулы ограниченных составов, исключающих высокотемпературное применение в интересах РКТ. Цель ПНИ: Разработка технологии получения узкофракционных гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости с максимальным отклонением от среднего значения не более 35 % для аддитивных 3d- технологий производства сложнопрофильных изделий.

Основные планируемые результаты проекта:
Основным планируемым результатом проекта являются гранульные порошки правильной сферической формы и регламентированной зернистости из перспективных жаропрочных материалов (ЖМ) на основе NiAl и TiAl, а также отечественная интегральная технология их получения, включающая: синтез интерметаллидного полуфабриката из оксидного сырья методом центробежного СВС- литья или гидридно-кальциевого восстановления; изготовление электрода вакуумным индукционным переплавом СВС- полуфабриката или прессованием-спеканием гидридно-кальциевого порошка; центробежное распыление электродов на гранулы (включая методики синтеза полуфабриката, индукционного переплава, прессования-спекания, центробежного распыления электрода, лабораторные образцы на каждом этапе технологической цепочки, лабораторные регламенты на процессы получения экспериментальных образцов гранул, экспериментальные образцы гранул из ЖМ на основе NiAl и TiAl).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Экспериментальные образцы гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости до 250 мкм из ЖМ на основе TiAl и NiAl будут обладать узкофракционным гранулометрическим составом с максимальным отклонением от среднего значения не более 35 %, относительной насыпной плотностью не менее 35 %, и низким содержанием примесных кислорода (менее 0,2 %), азота (менее 0,1 %) и углерода (менее 0,1 %).
Преимуществом разработанных способов получения электродов на основе NiAl и TiAl является использование оксидного сырья, которое значительно дешевле, чем чистые металлы. Кроме того, при получении электродов не возникают проблемы ликвации. Способ получения электродов из сплавов на основе NiAl включает в себя: получение полуфабриката методом центробежного СВС- литья с использованием реакционной смеси оксида никеля, алюминия, легирующей добавки и функциональной добавки; двухстадийный переплав полуфабриката с получением на первой стадии рафинированного дегазированного слитка, а на второй стадии - электрода из наномодифицированного сплава, при этом на второй стадии в расплав вводят лигатуру, состоящую из смеси алюминия с наномодификатором; последующее охлаждение и извлечение электрода из кристаллизатора. Способ получения электродов из сплавов на основе TiAl включает в себя: получение полуфабриката методом центробежного СВС- литья с использованием реакционной смеси целевого состава (TiO2, Nb2O5, Cr2O3 и др), энергетической добавки и флюса; последующий вакуумный индукционный переплав полуфабриката в медном водоохлаждаемом тигле, обеспечивающий рафинирование сплава от газовых примесей и модифицирование структуры за счет введения в расплав лигатуры, состоящей из смеси алюминия с наномодификатором; последующее охлаждение и извлечение электрода из кристаллизатора.
Интегральная технология получения электродов является экономически целесообразной и востребованной для центробежного распыления гранул для аддитивного производстве сложнопрофильных изделий. Перспективные ЖМ имеют высокую прочность, коррозионную стойкость, жаростойкость при температурах свыше 650 С для сплавов на основе TiAl и 1300 С для сплавов на основе NiAl. Кроме того, эти ЖМ обладают низким удельным весом ~ 5 г/см3 вместо ~ 8 г/см3 для суперсплавов.
В результате реализации проекта будет создан научный и технологический задел для получения электродов и узкофракционных гранул из высокотемпературных интерметаллидов, что послужит основой развития отечественных 3d- аддитивных технологий производства отечественных деталей и узлов РКТ. Создание таких материалов, изделий и технологий позволит занять лидирующие позиции на внутреннем и внешнем рынках продукции РКТ, снизить закупки более дорогостоящих и менее функционально надежных зарубежных аналогов, что обеспечивает независимость России от внешнего рынка.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Новые ЖМ на интерметаллидной основе в виде узкофракционных гранул правильной сферической формы и регламентированной зернистости предназначены для создания сложнопрофильных изделий авиационной техники и РКТ с формой, приближенной к конечной детали, с использованием аддитивных 3d- технологий. Результаты проекта, в первую очередь, будут востребованы на предприятиях ГК «Роскосмос» и предприятиях авиапрома, а также могут быть использованы при создании силовых установок турбинного типа в интересах отраслей морского двигателестроения, магистрального транспорта нефти и газа, производства электроэнергии, железнодорожного транспорта, получения изделий специального назначения.
Использование разработанных ЖМ и технологий для получения лопаток турбин и компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД) будет способствовать повышению тяговесовых характеристик за счёт снижения массы двигателя. Замена суперсплавов на разрабатываемые материалы приведет к снижению массы лопаток в 2 раза. Это обеспечит: уменьшение действующих центробежных напряжений в компрессоре и турбинах почти в 2 раза; снижение момента инерции турбин и компрессоров, и за счёт этого повышение рабочих характеристик двигателя, включая КПД и приёмистость; уменьшение удельного расхода топлива; уменьшение выбросов в атмосферу парниковых газов; снижение уровня шума. За счёт внедрения полученных результатов могут быть достигнуты эффекты повышения производительности труда, снижения материало- и энергоемкости производства изделий из ЖМ.

Текущие результаты проекта:
Разработаны методики синтеза полуфабрикатов из новых жаропрочных материалов (ЖМ) на основе алюминида никеля (сплавы F-10H-3 и CompoNiAl) и алюминида титана (сплав 4822) в виде слитков методом центробежного СВС- литья из оксидного сырья. Получены лабораторные образцы литых СВС-полуфабрикатов общей массой 65,8 кг. Лабораторные образцы СВС- полуфабриката из сплава F-10H-3 обладают однородной безликвационной композитной структурой, в которой основными структурными составляющими являются дендритные зерна NiAl, межзеренные прослойки τ-борида Ni20Al3B6, вытянутые зерна тугоплавкой фазы (Mo,Cr)B и округлые включения гафния. По результатам химического анализа они имеют незначительный недостаток алюминия (порядка 0,7 %) и немного завышенное содержание кислорода (0,28 %). Лабораторные образцы СВС- полуфабриката из сплава CompoNiAl также имеют однородную безликвационную структуру, состоящую из первичных зерен NiAl, эвтектики NiAl-Сr, в которой игольчатые включения хрома, прореагировав с бором образуют борид хрома СrВх, и небольших округлых включений гафния. По результатам химического анализа они имеют некоторый недостаток алюминия (около 4,5 %). Содержание газовых примесей в СВС- полуфабрикате сплава CompoNiAl не превышает допустимые значения.
Лабораторные образцы СВС- полуфабриката из сплава 4822 на основе алюминида титана обладают однородной структурой представленной ламельными зернами из чередующихся слоев γ-TiAl и α2-Ti3Al фаз. Также в структуре присутствуют высокодисперсные округлые включения сложного комплексного оксида Al2O3+CaO, и слоистые включения МАХ-фазы T2AlC. Наблюдается уменьшенное на 3 % содержание алюминия по сравнению с расчетным значением. Среднее значение концентрации кислорода и азота в СВС- полуфабрикате из ЖМ 4822 составляют 1,349 ± 0,071 % и 0,0711 ± 0,0136 %, соответственно. Использование стадии вакуумного индукционного переплава (ВИП) для получения электрода позволило существенно снизить концентрацию газовых примесей на стадии рафинирования расплава. Недостаток алюминия в лабораторных образцах был скомпенсирован на стадии ВИП путем дошихтовки. Результаты химического анализа показали отсутствие ликвации основных компонентов (Ti, Ni, Al) по объему образцов. Для ЖМ на основе TiAl установлен оптимальный состав реакционной смеси, включающий TiO2/Ti/Al/Nb2O5/Cr2O3/CaO2/CaF2, и оптимальное значение перегрузки (300 g), при которой полнота выхода целевого продукта в процессе центробежного СВС-литья достигает 95 % от расчетного значения. В интервале перегрузок от 100 до 300 g формируется мелкодисперсная ламельная структура, в которой матрица состоит из зерен γ и α2 фаз, а Nb и Cr локализуется на межзеренных границах.
Разработана методика синтеза и получен полуфабрикат из ЖМ на основе TiAl (сплав 4822) в виде порошка методом гидридно-кальциевого восстановления из оксидного сырья. Полученный порошок сплава 4822 обладает высокой чистотой по примесям (содержание кислорода-0,164 %, азота – 0,082 %) и формуется путем одностороннего прессования при давлении более 1200 МПа. Изучено два способа введения наномодифицирующей добавки Y2O3 в порошковый полуфабрикат. Применение ПЦМ приводит к значительному окислению интерметаллидного порошка, а использование ШВМ уже при 8 ч. смешения позволяет достигнуть равномерного распределения Y2O3, при этом содержание кислорода в интерметаллидном порошке не превышает 0,2 %. Легирование наночастицами Y2O3 улучшает прессуемость порошка. Найден оптимальный режим формования электрода из порошка сплава 4822 методом гидростатического прессования при давлении 180 МПа. Установлены оптимальные режимы спекания порошкового электрода из сплава 4822, обеспечивающие относительную плотность свыше 90%, а применение ГИП позволяет достичь 100 % относительной плотности при формировании гомогенной слоистой структуры. На основании полученных данных разработана методика и получены лабораторные образцы электродов из гидридно-кальциевого порошкового полуфабриката, в том числе с наномодифицированной структурой.
При получении лабораторных образцов электродов проведены экспериментальные исследования процесса переплава слитков СВС- полуфабрикатов из ЖМ на основе NiAl (сплавы F-10H-3 и CompoNiAl) и TiAl (сплав 4822). Для сплава CompoNiAl проведена корректировка состава исходного СВС- полуфабриката в части концентраций элементов Cr, Co и B, что позволило получить сплав CompoNiAl' c повышенной прочностью (при комнатной температуре) на сжатие более, чем в 2 раза, с 790 МПа до 2255 МПа. Для синтеза более качественных полуфабрикатов из сплава 4822 методом центробежного СВС- литья проведена корректировка состава реакционной смеси путем перехода к схеме кальций-алюмотермического восстановления. Это позволило существенно снизить содержание газовых примесей (кислород, азот) и углерода в составе как самих полуфабрикатов, так и электрода. Оптимизация режимов кальций-алюмотермического восстановления позволила достичь 95 % выход целевого продукта (сплав 4822) в слиток. При этом химический и фазовый составы полуфабрикатов в меньшей степени зависят от перегрузки при центробежном СВС- литье. Из исследуемых сплавов изготовлены шихтовые образцы скорректированного состава в количестве необходимом для их последующего индукционного переплава.
Разработаны методики переплава слитков СВС- полуфабрикатов и изготовлены крупногабаритные лабораторные образцы электродов из ЖМ на основе NiAl (сплавы F-10H-3, CompoNiAl, CompoNiAl') и TiAl (сплав 4822) в количестве 2-х штук каждого состава. По сравнению с шихтовыми образцам структура литых электродов характеризуется повышенной химической и фазовой чистотой и однородностью. Лабораторный образец электрода из сплава CompoNiAl состоит из зерен NiAl, эвтектики NiAl-Сr и включений СrВх. Структура электрода из сплава F-10H-3 включает зерна NiAl, межзеренные прослойки τ-борида Ni20Al3B6 и зерна тугоплавкой фазы (Mo,Cr)B. Структура электрода из сплава 4822 состоит из ламельных зерен с чередующимися слоями γ-TiAl и α2-Ti3Al фаз. На примере сплава CompoNiAl показано, что введение в процессе индукционного переплава в ванну расплава наночастиц тугоплавкого оксида циркония ZrO2 приводит к заметному модифицированию структуры электрода. Следует отметить, что индукционный переплав позволил более чем в 2 раза снизить концентрацию примесного кислорода и азота в электродах по сравнению с исходными шихтовыми образцами.