«Сердце» ракетных и авиационных двигателей составляет турбонасосный агрегат. Он работает при высоких давлениях, оборотах и температурах, поэтому к материалам и технологиям для его производства предъявляют повышенные требования. Ключевые детали турбонасосного агрегата изготавливают методом литья из жаропрочных никелевых сплавов. В их структуре присутствуют карбиды — соединения металлов с углеродом. Они обеспечивают прочность деталей при высоких температурах. Таким образом в сплаве себя ведёт, например, карбид титана. АО «Протон-ПМ» совместно с Пермским Политехом разработал технологию модифицирования сплава с помощью модификатора из порошковых металлических материалов. Это улучшает свойства отливок деталей турбин и повышает их прочность на 10%.
Исследование опубликовано в журнале «Литейное производство» № 2 за 2024 год.
С помощью отливок из жаропрочных никелевых сплавов изготавливают детали турбонасосных агрегатов. Разрушение одной может привести к выходу из строя всего механизма. Обычно это происходит в самых нагруженных местах детали, где механические свойства сплава снижены из-за несовершенства его кристаллического строения.
Когда расплав начинает «затвердевать», в микроструктуре образуются кристаллы разного вида. Те, что принимают округлые очертания, называют зернами, а те, что ветвистой формы — дендритами. Слабые места сплава, как правило, располагаются между осями дендритов и по границам зерен. Именно там, в процессе охлаждения жаропрочного никелевого сплава, углерод связывается с титаном и образует карбиды, которые влияют на прочностные свойства отливок.
Специалисты АО «Протон-ПМ» (входит в интегрированную структуру ракетного двигателестроения АО «НПО Энергомаш» Госкорпорации «Роскосмос») совместно с коллективом Пермского Политеха предлагают вводить в никелевые сплавы модификатор на основе карбонитридов, чтобы повысить прочность деталей, увеличить их качество и «выносливость». При этом важно, чтобы химический состав сплава остался прежним — от него зависят свойства отливок.
— Существующие варианты позволяют сделать деталь прочнее либо с помощью технологических приемов, либо изменяя химическую формулу, что влияет на их характеристики. Наше решение помогло стабилизировать механические свойства жаропрочного никелевого сплава за счет ввода модифицирующего состава. Он повышает показатели прочности на 10–20% по сравнению с уровнем, заявленным конструкторами. Вместе с тем химическая формула сплава остается неизменной, — рассказывает заместитель главного металлурга АО «Протон-ПМ», магистр ПНИПУ Максим Рожков.
Модифицированный состав, который предлагают специалисты «Протон-ПМ» и студенты Пермского Политеха, состоит из 0,25% алюминиевой стружки, 0,25% титановой губки и 0,5% мелкодисперсного порошка карбонитрида титана. Все компоненты перемешивают и спрессовывают в таблетку, а после вводят в расплав при 1520°C с последующим повышением до 1650°C и выдержкой в течение 2 минут. Затем температуру снижают до первоначальной и заливают расплав в керамическую форму.
Полученный сплав специалисты испытали на растяжение при разных температурах, исследовали его ударную вязкость (способность поглощать механическую энергию в процессе деформации).
— Мы установили, что комплексное модифицирование сплава повысило предел прочности на 10% и ударную вязкость на 30% по сравнению с серийным сплавом. Свойства улучшились за счёт равномерного распределения карбидных фаз по всему объему сплава. Такое упрочнение приводит к измельчению кристаллической структуры металла и снижению микропористости, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках деталей и готовых изделий, — объясняет главный металлург АО «Протон-ПМ» Алексей Шумков.
Преобразование сплавов при помощи карбонитрида титана не изменяет химическую формулу, а содержание компонентов соответствует нормативным значениям. Готовый модификатор уменьшает размер зерна сплава, что увеличивает его пластичность, вязкость и устойчивость к деформациям. Применение технологии на производствах повысит прочностные характеристики деталей ракетных и авиационных двигателей. Предложенное решение уже апробировано в АО «Протон-ПМ».