РЗ: Как РЗМ влияют на качественные показатели сплавов?
В качестве первого примера рассмотрим легкие сплавы на основе алюминия. РЗЭ вносят определенный вклад в изменение структуры и свойств алюминиевых сплавов. Так как растворимость РЗЭ в алюминии предельно мала, то в сплавы редко добавляют более 0,5% по массе, но уже и эти малые добавки могут существенно повысить свойства алюминиевых сплавов. Наиболее исследованной легирующей добавкой в алюминиевые сплавы является скандий (Sc). При введении скандия измельчается (модифицируется) литая структура — он лишь немногим уступает по своему модифицирующему действию титану, который традиционно используют в качестве модификатора при литье. Скандий образует с алюминием фазу Al3Sc размером в 10÷30 нм, которая вносит вклад в упрочнение. Это упрочнение может достигать 30÷50% от уровня предела текучести основного материала, что особенно характерно для термически неупрочняемых сплавов системы Al–Mg. Все алюминий-литиевые сплавы последнего поколения имеют в своем составе скандий, что обеспечивает повышение их свойств, при этом скандий не ухудшает коррозионные свойства и свариваемость материалов. Скандий и другие РЗЭ эффективно блокируют процессы рекристаллизации в алюминиевых сплавах. Введение небольшого числа РЗЭ позволяет уменьшить средний размер зерна, а в сплавах некоторых систем полностью сохранить нерекристаллизованную структуру. С этой точки зрения наиболее эффективно вводить скандий совместно с цирконием. Церий (Ce) используется в алюминиевой промышленности в качестве рафинирующей добавки. Многие промышленные сплавы при плавке слитков рафинируются церием или мишметаллом, содержащим церий и другие РЗЭ, что положительно влияет на конечное качество слитка. Одним из перспективных РЗЭ для введения в алюминий является иттрий (Y). Его влияние на алюминий еще не до конца изучено, но на данном этапе ясно, что за счет образования дисперсоидов с алюминием он также является барьером для рекристаллизации, а в жаропрочных сплавах систем Al–Cu Al–Cu–Mg обеспечивает повышение длительных характеристик на 10÷15%. Известно, что наряду с рафинированием металла в процессе выплавки и получением отливок авиационных ГТД имеется другой, не менее эффективный технологический метод повышения свойств литейных жаропрочных сплавов — микролегирование РЗЭ (церием, иттрием, лантаном, скандием). На основании проведенных исследований и полученных экспериментальных данных ВИАМом создана современная технология микролегирования литейных жаропрочных никелевых сплавов редкоземельными элементами при получении отливок с равноосной, направленной и монокристаллической структурой. Данная технология предусматривает выбор наиболее эффективных микродобавок РЗЭ и их оптимальных количеств, а также способа их введения в металл. Необходимо отметить двойную роль легирующих добавок РЗЭ в литейных жаропрочных сплавах. С одной стороны, РЗЭ являются эффективными рафинирующими добавками, поскольку, вследствие своей высокой химической активности, они нейтрализуют вредное влияние примесей кислорода и серы, образуя с ними тугоплавкие химические соединения. С другой стороны, они, как поверхностно-активные элементы, располагаются на поверхностях раздела фаз (границы зерен, границы блоков, межфазные границы γ/γ-фаз и др.), упрочняют эти поверхности и задерживают развитие на них диффузионных процессов. Поэтому РЗЭ оказывают положительное влияние на структурную стабильность сплавов, уменьшают их ликвационную неоднородность, предотвращают образование вредных структурных составляющих (ТПУ фазы, μ-фазы и др.). Введение РЗЭ в литейные жаропрочные сплавы, отливаемые как методом равноосной кристаллизации, так и методом монокристаллического литья, позволяет дополнительно повысить основные характеристики сплавов: долговечность при температурах 1000÷1100°С в 1,5÷2 раза, а для сплавов на основе интерметаллидов в 2÷3 раза. Особенно эффективно влияние РЗЭ на долговечность на больших базах испытаний (1000÷1500 часов). Также разностороннее положительное влияние микродобавок РЗЭ позволяет совершенствовать существующие и создавать новые сплавы для получения рабочих лопаток современных авиационных ГТД с уникальным сочетанием различных свойств. Использование РЗЭ для легирования деформируемых жаропрочных сплавов тоже дает существенное повышение характеристик. Для промышленных деформируемых жаропрочных никелевых сплавов применяют комплексное микролегирование РЗЭ (лантаном, церием, неодимом) и скандием. В экспериментальных сплавах (ВЖ175У) дополнительно используется празеодим (Pr). При выплавке микродобавки измельчают зерно и модифицируют выделения карбидов; удаляют вредные примеси (серу и фосфор и др.) из расплава, с границ зерен и фаз, связывая их в мелкодисперсные соединения. При этом повышается технологичность сплава при последующей обработке давлением. Применение РЗМ привело к революционным преобразованиям в отраслях промышленности, применяющих магниты. Мощные магниты на основе Sm–Co (самарий-кобальт) были разработаны в середине 1960-х годов, при этом использовались сплавы SmCo5 и Sm2Co17. Позже самарий был частично заменен другими редкоземельными элементами. Еще более мощные твердые магниты были введены в употребление в 1984 году и основывались на Nd–Fe–B-сплаве. Они обладают вдвое большей магнитной силой, чем Sm–Co-продукты, и имеют высокую устойчивость к размагничиванию. Диспрозий (Dy) входит в качестве добавки в высокоэнергетические постоянные магниты на основе еще одного редкоземельного элемента — неодима. Магниты на основе РЗМ находят широкое применение в различных областях промышленности, в том числе используются в конструкциях систем наведения. Нарастает потребление РЗМ магнитов в автомобильной промышленности: в каждом современном автомобиле магниты Nd–Fe–B используются в 80 точках (стеклоочистители, опрыскиватели и т.д.), то есть речь идет суммарно о тысячах тонн РЗМ. В металлургии и машиностроении потребляется значительное количество РЗМ. Наибольшая часть потребителей — заводы по производству оптического стекла и оптики. Объем потребления РЗМ на каждом предприятии в этих отраслях колеблется от 1,5 до 40 тонн.


Изотермическая штамповка жаропрочных сплавов на воздухе

РЗ: Россия исторически — один из мировых лидеров в технологиях спецсплавов, однако постсоветский период не мог не сказаться на состоянии научной школы. Насколько велики потери, удается ли их компенсировать? В чем мы по-прежнему опережаем соперников, в чем наше отставание тревожно?
ВИАМ сохранил научные школы и является лидером в области создания нового поколения материалов. В рамках создания научно-технического задела ВИАМ разработаны высокожаропрочные сплавы нового поколения, по своим характеристикам превосходящие зарубежные аналоги. Это такие материалы, как: супержаропрочные монокристаллические никелевые сплавы для рабочих и сопловых лопаток ВЖМ4, ВЖМ5, ВЖМ7, ВЖМ8 с высокоресурсными жаростойкими и комплексными теплозащитными покрытиями, жаропрочные сплавы для лопаток с поликристаллической структурой (ВЖЛ21 и др.), высокопрочные мартенситностареющие стали (ВКС170, ВКС180), высокопрочные стали для редукторов (ВКС10-Ш), теплостойкая сталь нового поколения для подшипников ВКС241, деформируемые никелевые и титановые сплавы нового поколения для валов, дисков и корпусов (ВЖ175, ВЖ172, ВТ8-1, ВТИ4 и др.), перспективные полимерные композиционные материалы нового поколения, керамические композиционные материалы для элементов камеры сгорания и другие, которые позволят реализовать весовую эффективность и основные параметры двигателя.

РЗ: Насколько ваша отрасль определяет характеристики двигателя? Западные двигатели для коммерческих машин с 80-х годов оторвались от советских по экономическим показателям, с чем это было связано? Каковы причины того, что в военных двигателях мы при этом оставались на мировом уровне (создание АЛ-31Ф)?
Реализация основных инновационных идей, на решение которых направлены мероприятия «Стратегических направлений развития материалов и технологий их производства на период до 2030 года» предусматривает проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ для создания 10 перспективных концептов, определяющих основные решения для изделий вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ), техники нового поколения гражданского и двойного назначения, в том числе по двигателестроению — это «Перспективный двигатель», который предполагает создание двигательной установки с соотношением тяги к весу 20:1, в том числе за счет применения новой генерации супержаропрочных материалов и покрытий, а также снижение стоимости жизненного цикла на 10–20%. Только применение перспективных материалов нового поколения позволит обеспечить конкурентоспособность современных двигателей для гражданской и военной авиации.



РЗ: Одно из важнейших направлений совершенствования летательных аппаратов — увеличение ресурса, снижение стоимости и трудоемкости технического обслуживания, переход к эксплуатации по фактическому состоянию узлов и агрегатов. Что делает для этого ВИАМ?
Одним из основных мероприятий по снижению стоимости двигателя является повышение выхода годного при литье лопаток, для повышения которого в ВИАМ разработана технология высокоградиентной направленной кристаллизации для изготовления лопаток, включая универсальную затравочную технологию, позволяющую получать при отливке рабочих лопаток ТВД и ТНД монокристаллическую высокой степени совершенства структуру заданной кристаллографической ориентации, как в аксиальном, так и в азимутальном направлении, с выходом годного > 90%. Универсальная затравочная технология основана на применении затравочных кристаллов (затравок) из сплавов с температурой плавления выше, чем у сплава отливки. Передача структуры от затравки к отливке осуществляется как в режиме оплавления, так и за счет растворения торца затравки сплавом отливки. Применение универсальной затравочной технологии обеспечивает получение заданной пространственной ориентации с высокой степенью точности. Небольшие размеры затравок данного типа, широкий температурный интервал работы, относительная простота изготовления позволяют применять их в установках направленной кристаллизации практически любого типа. Применение универсальной затравочной технологии позволяет получать монокристаллы отливок турбинных лопаток любой заданной кристаллографической ориентации (как аксиальной, так и азимутальной), высокого структурного совершенства, с величиной разориентации не более 1–1,5 град. Необходимыми условиями обеспечения высоких и стабильных свойств сплавов нового поколения являются минимальное содержание вредных примесей и сбалансированные оптимальные интервалы легирования. Жаропрочный сплав для литых лопаток с монокристаллической структурой должен иметь минимальные значения по азоту, кислороду, сере и углероду. На основании термодинамических расчетов и экспериментальных исследований ВИАМ разработаны и реализованы уникальные эффективные способы рафинирования металла от примесей в вакууме, которые позволяют обеспечить получение химического состава в узких пределах легирования, практически в 3 раза уже, чем при серийных условиях выплавки, а также получение ультрачистого металла. Разработанные нами уникальные серийные технологии выплавки обеспечивают получение в монокристаллических сплавах нового поколения: кислорода, азота, серы < 0,001% каждого, углерода < 0,005%. В сравнении с металлом серийных заводов (ОАО «Ступинский металлургический комбинат», ОАО «Челябинский металлургический комбинат» и др.) содержание примесей понижено: по кислороду и азоту в 2–2,5 раза, по сере — в 2–3 раза, что обеспечивает повышение механических свойств сплавов, увеличение ресурса их работы и выхода годного по монокристаллической структуре отливок. Учитывая очень высокую стоимость жаропрочных никелевых сплавов, успешно решена задача комплексной переработки всех отходов, образующихся при производстве сплавов в металлургическом и литейном производстве. Была разработана серийная ресурсосберегающая технология переплава отходов в вакууме, которая позволяет из 100% литейных отходов получать шихтовые заготовки, которые по химическому составу, чистоте и свойствам полностью соответствуют требованиям действующих технических условий на поставку. При этом их стоимость снижена для сплавов, содержащих рений (ЖС32), на 40–50%, для сплавов без рения (ЖС6У) — на 20–30%. Наряду с рафинированием металла в процессе выплавки и получения отливок существует очень эффективный способ повышения свойств литейных жаропрочных сплавов, в частности микролегирование РЗМ. В данном случае — церием, иттрием, лантаном, скандием. Современное автоматизированное оборудование, которым оснащены сертифицированный производственный участок и исследовательские лаборатории ВИАМ, позволяет обеспечить проведение химического анализа с высокой точностью (до 1 части на миллион — ppm — и выше), а также экспресс-анализа металла в процессе плавки для последующей корректировки химического состава до оптимального. Применение фильтрации расплава при разливке позволяет улавливать мельчайшие неметаллические и шлаковые включения и тем самым является дополнительной гарантией получения ультрачистого металла. В качестве итога хотелось бы отметить, что применение РЗМ в научной и производственной деятельности ВИАМ является одним из главных стратегических направлений. Ведь без создания, применения и внедрения материалов нового поколения, в том числе с использованием РЗМ, невозможно построить будущее России и войти нашей стране в новый технологический уклад.

Текст: Илья Крамник, Евгений Легостаев