Износостойкие сплавы для контактных поверхностей деталей ГТД

УДК 621.431.75

Г. И. Пейчев, А. К. Шурин, Л. И. Ивщенко, В. Е. Замковой, Н. В. Андрейченко

ИЗНОСОСТОЙКИЕ СПЛАВЫ ДЛЯ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ГТД

На основе предложенных критериев создания износостойких материалов для упрочнения и восстановления контактных поверхностей деталей горячей части ГТД разработаны эвтектические жаропрочные сплавы, обладающие высоким сопротивлением изнашиванию в экстремальных условиях.

Высокие требования к надежности и ресурсу ГТД, а также снижению затрат на их ремонт вызывают необходимость создания износостойких жаропрочных сплавов и антифрикционных покрытий, предназначенных для деталей трибоузлов горячей части двигателя. Разработка материалов для таких деталей осложняется жесткими условиями их эксплуатации: высокими циклически меняющимися температурами, динамическим характером изменения нагрузочных режимов, агрессивностью высокоскоростного газового потока, состоящего из продуктов сгорания топлива. Вместе с тем трение и износ материалов, работающих в этих условиях, исследованы недостаточно.

Критериями выбора материалов для деталей трибосистем горячего тракта ГТД могут служить: высокая жаропрочность, способность сопротивляться действию малоцикловых усталостных деформаций, стойкость к окислению со способностью образовывать тонкие плотно сцепленные с основой пленки, структурную стабильность, совместимость наносимого износостойкого материала с жаропрочной основой, технологичность. Поскольку двигатель на переходных режимах (запуск, опробование, взлет, набор высоты, снижение, посадка, руление на стоянку) имеет максимальную неравномерность температурного поля на контактных поверхностях деталей, то названные выше требования к износостойким материалам следует дополнить таким критерием оценки работоспособности, как равноизносность в рабочем интервале температур.

Поставленные требования могут быть выполнены путем разработки сплавов с металлической матрицей, содержащей кристаллы упрочнителя, которые благодаря микроармирующему эффекту, обеспечивают в литом состоянии достижение высоких прочностных характеристик. В этом плане перспективными являются наплавочные сплавы, совмещающие в себе свойства металлов (электро- и теплопроводность, пластичность и др.) и неметаллов (жаростойкость, коррозионная стойкость, высокая твердость). Для восстановления наплавкой изношенных поверхностей деталей был разработан сплав на железной основе ХТН- 23 [2, 3], а

для упрочнения новых деталей более поздних модификаций двигателей, характеризующихся более жесткими режимами нагружения как по температуре, так и по нагрузке в контакте, разработаны сплавы на кобальтовой основе ХТН-37 и ХТН-61.

В основу разработки износостойкого сплава ХТН-23 для восстановления деталей ГТУ был положен известный принцип гетерогенных антифрикционных материалов, заключающийся в создании структуры с относительно мягкой матрицей и включением кристаллов твердой фазы. В качестве матрицы была выбрана нержавеющая сталь Х18Н9Т (аустенитный твердый раствор хрома и никеля в железе), легированная для придания жаростойкости дополнительно алюминием и кремнием. Упрочнителем служил хромистый диборид титана Т1(СгБ)2, обладающий наиболее высокими твердостью, жаростойкостью и антифрикционностью среди известных бо-ридов и карбидов. Разработка состава сплава базировалась на исследовании фазовых равновесий системы Ре-Сг-Ы1-Т1-Б-Д!-31 в области богатых железом сплавов при соотношениях Т1:Сг:Б, близких к Т10 2Сг0 8Б2, и концентрациях алюминия до 5 % и кремния до 4 %. Сплав содержит 12-13 % (объемных) кристаллов упрочняющей фазы Т1(СгБ)2, что сообщает сплаву высокую износостойкость в условиях контактного взаимодействия при различных температурных режимах и удельных давлениях. Компоненты подобраны таким образом, что при кристаллизации сплава из жидкого состояния обеспечивается получение матричной и упрочняющей фаз с заданным химическим составом и с заданными свойствами. В процессе кристаллизации диборида титана из расплава, содержащего большое количество хрома, последний замещает в дибориде часть титана. В результате образуются кристаллы хромистого диборида титана (Т1, Сг)Б, обладающие большой твердостью (Нц = 38000 МПа). При эвтектической кристаллизации этого сплава формируется структура, удовлетворяющая требованиям композиционного упрочнения матрицы, а именно структура, состоящая из тонких и длинных пластин упрочняющей фазы, достаточно равномерно распределенных в объеме металлической матрицы и образующих замкнутый каркас

© Г. И. Пейчев, А. К. Шурин, Л. И. Ивщенко, В. Е. Замковой, Н. В. Андрейченко 2006 г.

(рис. 1). Такая структура обеспечивает достижение в литом сплаве высоких значений прочности и износостойкости как при комнатных, так и при повышенных температурах. Сохранение длительной прочности и износостойкости при повышенных температурах достигается таким подбором компонентов, который обеспечивает высокотемпературную стабильность структуры благодаря термодинамической совместимости матричной и упрочняющей фаз.

х1000

Рис. 1. Структура эвтектического сплава системы 12Х18Н 10T-TiCrB2

Разработанный сплав по износостойкости на порядок выше жаропрочных сплавов ЖС6К и ХН77ТЮР

Для упрочнения бандажных полок лопаток турбины авиационных двигателей применяются напайки пластин износостойкого материала, что позволяет продлить межремонтный ресурс работы лопаток. Кроме того ремонт будет заключаться не в замене лопаток, а только в замене износостойких напаек новыми. Для этих целей на ряде двигателей использовался сплав ВЖЛ-2. Однако, как показали результаты стендовых испытаний и результаты длительной эксплуатации, лопатки с этим износостойким материалом не могут эксплуатироваться с ресурсом более 1000 часов из-за большой выработки последнего при температурах выше 900 °С, а также низкой температуры начала плавления (1220 °С), в то время как применение на лопатках новых сплавов требует более высоких высокотемпературных технологических нагревов (-1270 °C). Поэтому совместно с институтом металлофизики НАН Украины, ЗМКБ "Прогресс" и ЗНТУ были созданы сплавы [4], превосходящие по износостойкости сплав ВЖЛ-2.

Высокую износостойкость, как известно, имеют

сплавы, у которых высокопрочная фаза достаточно равномерно распределена в относительно пластичной основе. Такие структуры можно получить при кристаллизации эвтектик. Основой разрабатываемых сплавов выбран кобальт, как элемент, образующий эвтектику с карбидами тугоплавких соединений. Упрочняющей фазой выбраны карбиды титана и ниобия как менее дефицитные, образующие более стабильные карбиды, чем молибден и вольфрам, менее активные при литье по сравнению с цирконием.

В результате анализа данных о фазовых равновесиях системы Co-Ti-Nb-C [5] и предварительными испытаниями по методике [6] был предложен сплав ХТН-37. Дальнейшая его доработка проведена по 12 вариантам с различным содержанием элементов.

Оптимизацию сплавов проводили сравнением вариантов по износостойкости, температуре начала плавления, структуре, фазовому составу, стабильности структуры и состава при отжиге 950 °С, по твердости и совокупности свойств. Интенсивность изнашивания сплавов в зависимости от химического состава приведена на рис. 2. В качестве оптимального был выбран следующий состав сплава (в масс %): Co-54,5; Mo-2; W-3; C-2,5; Ti-5; Nb-9; Al-1; Cr- 23. Сплав имеет заэвтектичес-кую структуру с первичными зернами карбида (Ti, Nb)C и эвтектикой Co+(Ti, Nb)C (рис. 3). Сплав двухфазный, одна фаза матричная (твердый раствор на основе кобальта), вторая - карбидная.

Испытания трибологических характеристик сплава ХТН - 37 оптимального состава в условиях, близких к эксплуатационным по составу газовой среды, температурам и нагрузкам, показали его более высокую износостойкость по сравнению со сплавом ВЖЛ2. Следует обратить внимание на то, что интенсивность изнашивания сплава ХТН-37 при температуре 500 °С и Руд = 20 МПа в 5,6 раза меньше, чем у ВЖЛ-2. Кроме того, в отличие от ВЖЛ-2 для сплава ХТН-37 практически выдерживается принцип равноизносности во всем диапазоне температур. Более стабильным в сравнении с ВЖЛ-2 является и коэффициент трения (табл.1), который определялся при динамическом контактном нагру-жении на установке ДКН2 [6] при нагрузке в контакте Р = 546 Н и амплитуде колебаний Ак = 1,5 мм.

Таблица 1 - Коэффициент трения сплавов ХТН -37 и ВЖЛ2

Сплав Коэффициент трения

Температура испытаний, °С

20 500 800

ХТН-37 0,80 0,40 0,11

ВЖЛ-2 0,75 1,10 0,17

ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006

- 189 -

Л'10ь, мм]/цикл

О 10 20 30 Сг.% 0 2^68 Мо %

мм'[/цикл

о 5 10 15 20 ИЬ % 0 2^6 8 у %

Рис. 2. Интенсивность изнашивания сплавов ХТН в зависимости от химсостава: 1 - 20 °С; 2 - 1000 °С

Рис. 3. Структурные составляющие сплава ХТН-37

Сплав ХТН-37 прошел промышленные испытания на гарантийный ресурс 2000, 4000 часов и был принят в производство. Из него изготавливались пластинки в соответствии с конфигурацией контактных полок рабочих лопаток турбины (рис. 4) и припаивались высокотемпературными припоями ВПр24 и ВПр36 вакуумной пайкой.

Как известно, на характеристики работоспособ-

Рис. 5. Микроструктура сплава ХТН-61

Ус 10 ? мм '/цикл

Рис.4. Бандажная полка рабочей лопатки турбины с напаянной пластинкой

ности износостойкого материала, его физико-механические свойства существенно влияют технологические факторы, такие как способ получения заготовки, способ нанесения покрытия. Правильно выбранная технология получения литой заготовки обеспечивает заданный химсостав, минимальный уровень остаточных напряжений, бездефектную структуру. На свойства сплава ХТН-37 большое отрицательное влияние оказывает потеря титана, ниобия и углерода, поскольку в состав сплава задается строго определенное количество этих элементов. Кроме того в процессе плавки в результате взаимодействия расплава с огнеупорной футеровкой тигля могут образоваться оксиды и окси-карбиды, способствующие появлению плен и ухудшению литейных свойств сплава.

Для получения сплава с более высокими три-бологическими характеристиками были исследованы шесть вариантов сплава, в которых уменьшение содержания титана компенсировалось увеличением карбидообразующего элемента ниобия. Эти сплавы заэвтектические по структуре с фазами типа (ЫЬ, И)С или ЫЬС, однако в некоторых вариантах образуется и третья фаза С^Сб и участки более легкоплавкой эвтектики.

Испытания изностойкости этих сплавов при давлении в контакте Руд = 47 МПа, амплитуде взаимного перемещения образцов Ап = 0,169 мм и при температурах 20, 500, 900 и 1000 °С показали, что наибольшей износостойкостью обладает сплав ХТН-61. Его структура показана на рис. 5. Интенсивность изнашивания ХТН-61 (рис. 6) ~ в 4 раза ниже по сравнению со сплавом ВЖЛ-2.

1.2 1.0 08

0.6 ОЛ

0.2

V

2

У

200 100

600 800

/ 'С

Рис. 6. Интенсивность изнашивания сплавов ВЖЛ-2 (1), ХТН-37 (2), ХТН-61(3) в зависимости от температуры

Сплавы ХТН-37 и ХТН-61 сертифицированы и защищены патентом. Лопатки турбины двигателя Д-18Т с упрочненными бандажными полками пластинами из этих сплавов имеют наработки в эксплуатации около 6000 часов.

Поскольку сплавы ХТН достаточно хорошо наплавляются без образования сварочных трещин и других дефектов, то был освоен метод восстановления изношенных поверхностей аргонодуговой наплавкой с присадочным материалом ХТН в виде литых прутков.

Проведенными исследованиями закономерностей изнашивания жаропрочных сплавов показано, что сплавы системы Со-ТЮ-ЫЬС с заэвтекти-ческой структурой обладают наиболее высокой износостойкостью в условиях сухого трения, динамического контактного нагружения, высокоскоростного газового потока продуктов сгорания топлива и циклически меняющихся температур. Лопатки с упрочнением контактных поверхностей сплавом ХТН-61 используются во многих изделиях, разработанных ГП " Ивченко-Прогресс", имеют высокую надежность в эксплуатации при длительной наработке.

/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006

- 191 -

Сприсок литературы

1. Исследования наплавочных сплавов на основе тугоплавких соединений / Под ред. А.М. Озерова. - Волгоград: 1970. - 64с.

2. Шурин А.К., Панарин В.Е., Киндрачук М.В., Лабунец В.Ф., Ивщенко Л.И. Новый эвтектический наплавочный сплав // Теоретические и технологические основы наплавки. Наплавленный металл. - К.: 1977. - С.162-165.

3. А.с. 674458 СССР МКИ5 с38/54. Сплав на основе железа/ А.К. Шурин, В.Е. Панарин, Л.И. Ивщенко, В.С. Попов (СССР). - Ы25Б099/22-02; Заявлено 10.02.78; опубл. 22.03.79, Т - 3 с.

4. Патент УкраГни ИА 8240А, с22с19/07. Сплав на основi кобальта/ А.К. Шурин, Г.П. Дмитрн

ева, Т. В. Черепова, Н. В. Андрейченко, Л.Й. 1вщенко - N93006979, опубл. 29.03.96, Бюл. №1.

5. Черепова Т.С. Фазовые равновесия в сплавах кобальта с карбидами и разработка износостойкого при высоких температурах материала. Автореферат дис. канд. техн. наук 05.16.01/ Инт металлофизики АН Украины. - К.: 1994. - 16с.

6. 1вщенко Л .Й., Ан^енко А.Г. Метод триболоп-чних випробувань за умов циклчного силового i температурного навантаження / Металоз-навство та обробка металiв, 1996. - №3. - С. 62-65.

Поступила в редакцию 02.06.2006 г.

На основ1 запропонованих критерИ'в створення зносост1йких матер1ал1в для зм1цнення та в1дновлення контактних поверхонь гарячо! частини ГТД, розроблено евтектичн1 жа-ром1цн1 сплави, як мають високий опр зношуванню за екстремальних умов.

On the basis of the offered criteria of creation of wearproof materials for work-hardening and renewal of contact surfaces of details of hot part of GTE the heatproof alloys of eutecticums, possessing high resistance a wear in extreme terms, are developed.