Подписка
Автор: 
Александр Константинович Николаев, профессор, д. т. н.; e-mail: nikolaevak1937@gmail.com

Успешное решение проблемы создания ракетного двигателя многократного применения во многом зависит от подбора соответствующих надежных и высококачественных материалов. Медным жаропрочным теплопроводным сплавам в этой связи отводится особая роль.

 

 

Развитие современной ракетной и космической техники, и в частности жидкостных реактивных двигателей (ЖРД) требует значительного увеличения общего ресурса надежной работы его основной части — первой ступени. Надежная работоспособность ЖРД в течение нескольких часов открывает известную перспективу его многоразового использования. Решение такой важнейшей проблемы позволит успешно реализовать ряд народнохозяйственных экономических и технических задач как обороны страны, так и мирного исследования космоса, позволит создать новые более совершенные конструкции ракетной техники.

 

 

В этой связи особая роль отводится медным жаропрочным теплопроводным сплавам, так как из них изготавливаются все напряженные в тепловом отношении детали и элементы конструкций ракетного двигателя, которые во многом выполняются биметаллическими [1]. Таким образом, теплопроводность — основное свойство медных жаропрочных сплавов, но далеко не единственно требуемое. Большое значение имеют и механические свойства в интервале температур 20–600°С. Естественно также, что с увеличением общего ресурса работы двигателя существенно возрастут требования к показателям жаропрочности (длительная прочность, ползучесть и т. д.).

 

 

При этом необходимо учитывать, что биметаллические конструкции элементов двигателя должны практически бездефектно свариваться с нержавеющей сталью и, главное, паяться с ней высокотемпературным припоем по оребренной огневой стенке из медного жаропрочного сплава. Давление, которое испытывают материалы при работе двигателя, составляет много сотен атмосфер.

 

 

Необходимость выполнения паяных соединений требует от медного жаропрочного сплава не только воспринимать высокотемпературный припой, но, что самое главное, диктует необходимость нагрева сплава и его охлаждения по заранее заданной программе. Последнее значительно усложняет задачу разработки, что связано со специфическими особенностями сплавов этой группы. Все они относятся к особой группе так называемых дисперсионно твердеющих сплавов, которые упрочняются в результате строго определенных параметров термической обработки: закалки от предплавильной температуры с предельно возможной скоростью охлаждения и старения в течение нескольких часов в зависимости от температуры 440–500°С [2]. Как следует из особенностей реализации паяных соединений деталей конструкции ЖРД, они далеко не соответствуют оптимальной термообработке таких сплавов (см. ТУ 48–21–588–87 и ТУ 1844–435–74667731–2014).

 

 

Однако эффект дисперсионного твердения паяных конструкций из всех применяемых в ЖРД медных сплавов оставляет относительно слабое, но все же влияние на механические свойства (они почти в два раза превосходят свойства нелегированной меди в отожженном состоянии, оставляя теплопроводность на неожиданно высоком уровне).

 

 

Синтезируя новый сплав, решили назвать его «сплавом 50» в ознаменование пятидесятилетнего юбилея образования предприятия «ГДЛ-ОКБ», которое возглавил В. П. Глушко [1]. При этом было решено использовать более чем двадцатилетний опыт создания медных жаропрочных тепло- и электропроводных сплавов самого разнообразного назначения. За этот период времени были разработаны и внедрены в народное хозяйство кристаллизаторы полунепрерывного и непрерывного литья самого разнообразного назначения, монтажные и обмоточные проводники электрического тока, успешно используемые до сих пор в атомной промышленности, электроды контактной макро- и микросварки в машиностроении и электронике, троллейные провода на железнодорожном транспорте и Московской монорельсовой дороге, пружинящие контакты штепсельных разъемов ответственного назначения, различные пресс-формы и штампы литья под давлением и еще многие изделия, требующие необычного сочетания таких противоречивых свойств, как электро- и теплопроводность и жаропрочность.

 

 

Особо рассматривая и анализируя уже синтезированные к этому времени сплавы, используемые в паяно-сварных конструкциях ЖРД (БрХ, БрНХТ, БрНЦр, БрКоКрХ, БрХЦрТ двух составов), можно было бы обобщить и представить наработанное в следующем виде. Для сплавов, представляющих собой твердые растворы, жаропрочность определяется непосредственно прочностью межатомной связи. Легирующие элементы, повышающие прочность межатомной связи, которая может характеризоваться модулем упругости или температурой плавления, увеличивают и жаропрочность сплавов. К таким элементам относятся Ni, Co, Fe, V, Nb. Для большинства двойных сплавов на основе меди прочность межатомной связи понижается с увеличением концентрации легирующего элемента. Поэтому при значительном повышении рабочих температур (более 0,5 Тпл) максимум жаропрочности смещается в область разбавленных твердых растворов, которые по сравнению с концентрированными имеют более высокую тепло- и электропроводность.

 

 

Все легирующие элементы в той или иной степени повышают температуру начала рекристаллизации, которая характеризует способность сплава противостоять температурным воздействиям, т. е. свойство, с которым непосредственно связана жаропрочность. Малые добавки к меди легирующих элементов, имеющих высокую энергию связи с дефектами рекристаллизации как двойных, так и более сложных сплавов (Zr, Ti).

 

 

В сплавах, в основе которых лежат тройные или более сложные системы, необходимо обращать внимание на образование термически стойких и прочных соединений в результате химического взаимодействия легирующих элементов. Это позволяет обеспечивать высокую прочность и жаропрочность материала. При образовании химических соединений, не содержащих атомов металла-растворителя, значительно замедляются диффузионные процессы и связанное с ними растворение фаз- упрочнителей, их коагуляция с ростом температуры, а, следовательно, и разупрочнение. Примером этого являются сплавы систем Cu-Ni-Be, Cu-Co-Be, Cu-Ni-Al, Cu-Ni-P, Cu-Co-Si, Cu-Cr-Nb и др. Как правило, в таких системах при оптимальном соотношении легирующих элементов резко возрастает тепло- и электропроводность, что объясняется уменьшением растворимости компонентов в меди в твердом состоянии в результате их взаимного влияния. Жаропрочность сплавов можно значительно повысить, усложняя выделяющуюся в процессе старения фазу или вводя в состав сплавов небольшие добавки (как правило, не более сотых долей процента), позволяющие повысить температуру рекристаллизации или «отравить» вакансии и, следовательно, затормозить диффузионные процессы в сплаве. Такое модифицирование обычно замедляет старение и, возможно, несколько уменьшает прочностные свойства при комнатной температуре, но соответственно повышает жаропрочность. В этой связи следует отметить, что замедление диффузионных процессов в дисперсионно твердеющих сплавах этим или иным методом (снижение степени деформации, использование сплавов в литом состоянии, некоторое повышение температуры старения) приводит к качественно тому же результату — повышению жаропрочности.

 

 

Для изделий удлиненной эксплуатации в широком интервале температур (в том числе за пределами температур старения) наиболее эффективно применение многофазных сплавов. В них при кристаллизации и распаде пересыщенного твердого раствора образуются две или более мелкодисперсные фазы, одна из которых обеспечивает необходимый эффект старения, а другие, практически не растворяясь в основе и препятствуя росту зерен, — необходимую жаропрочность и малый темп разупрочнения при нагреве до температур выше температуры старения. К таким сплавам относятся сплавы систем Cu-Ni-Si-Cr и Cu-Co-Si-Cr, в которых фазами-упрочнителями соответственно являются Ni2Si, Co2Si, Co3Si, Cr3Co5Si2.

 

 

Пожалуй, для обоснования состава сплава, намеченного для решения поставленной проблемы, показанной выше, вполне достаточно, если не считать, что физические и механические свойства в широком температурном интервале эксплуатации изделий лимитированы еще и технологическими свойствами. Эти сплавы должны тем или иным способом сварки бездефектно свариваться между собой, а также с металлическими материалами иных основ. Это могут быть различные стали, в том числе нержавеющие, титановые, никелевые и другие сплавы.

 

 

В качестве присадочных материалов при сварке плавлением в тех случаях, где это требуется, используются специальные материалы на медной основе с повышенными сварочно-технологическими свойствами. Пайка теплообменников осуществляется медными или медносеребряными высокотемпературными припоями в течение 5–30 минут. Скорость охлаждения конструкции после пайки лимитируется их габаритами или габаритами контейнеров, где осуществляется, например, пайка в вакууме или атмосфере защитных газов. Она, как правило, сравнительно низкая и составляет в среднем 12–20°С/мин. в интервале критических температур (от температуры пайки, например 960–1000°С, до заданной контрольной температуры 600°С). Для нового сплава не противопоказан еще и отпуск при температуре 500–520°С в течение нескольких часов.

 

 

Синтезирование нового сплава не было связано с перебором легирующих компонентов, как это обычно бывает при определении состава такого сплава, о котором идет речь. За основу разработки был выбран самый прочный и жаропрочный сплав из тех, которые относились к группе сплавов, рекомендованных для паяносварных конструкций, — БрКоКрХ. Недостатком сплава была недостаточная для данного назначения теплопроводность. Было решено, последовательно ограничивая легирование сплава, оставлять при этом такое соотношение легирующих компонентов, которое обеспечивало бы свойства сплава, приближенные к желаемым. Однако все же хотелось определить все, на что способен новый сплав, и обязательно с учетом пределов легирования, необходимых для надежного воспроизводства сплава более или менее стабильного состава от плавки к плавке в условиях промышленного производства. Для этого было необходимо главным образом изменить морфологию выделений фаз Cr3Si и Cr3Co5Si2, уменьшить их размер, увеличить равномерность распределения и замедлить процесс их коагуляции. Подобное воздействие на фазу Co2Si не имело сколько-нибудь заметного влияния на основные свойства, так как процесс старения не определяет в данном случае эксплуатационных свойств сплава данного назначения. Поэтому было решено исследовать влияние на сплав выбранной композиции (система медь-кобальт-кремний-хром) микродобавок поверхностно-активных элементов как одного из путей активного влияния на структуру сплавов [3–7]. При этом рассуждали следующим образом:
а) атомы малых добавок поверхностно-активных элементов, располагаясь в области межфазных границ, могут снижать различие между параметрами решеток фазы выделений и матрицы. При этом возрастают размеры частиц, для которых сохраняется когерентность между этими фазами;
б) можно замедлить диффузионные процессы в системе в результате взаимодействия атомов микродобавки с дефектами кристаллической структуры [3, 7];
в) изменение поверхностной энергии частиц может привести к изменению их формы;
г) за счет снижения скорости самодиффузии меди по границам зерен замедляется коагуляция частиц фазовых составляющих.

 

 

После испытаний образцов, прошедших обработку по режиму пайки, можно сделать вывод о том, что поверхностно-активные добавки к основному составу сплава практически не влияют на температурную зависимость теплопроводности. В зависимости от добавки теплопроводность сплава находится в пределах:

  • при 20°С — 65–69% от теплопроводности меди;
  • при 400°С — 82–84% от теплопроводности меди;
  • при 525°С — 83–85% от теплопроводности меди;
  • при 600°С — 79–82% от теплопроводности меди.

 

 

Влияние добавок на жаропрочность значительно более заметно (рис. 1 — [8]). Она увеличивается практически пропорционально убыванию величины обобщенного статистического момента атомов добавки mc или возрастанию критерия ∆m = mpcmgc, где mpc и mgc — обобщенные моменты атомов соответственно растворителя (меди) и добавки.

 

Рис. 1. Влияние малых добавок на время до разрушения образцов сплава в зависимости от величины обобщенного статистического момента атомов

Рис. 1. Влияние малых добавок на время до разрушения образцов сплава в зависимости от величины обобщенного статистического момента атомов

 

 

Анализируя результаты этих исследований, а также оценивая стоимость и дефицитность добавок с учетом прогнозов на поведение жаропрочных сплавов при сварке и в промышленном металлургическом производстве, пришли к выводу о целесообразности дополнительного легирования композиции медь-кобальт-кремний-хром магнием.

 

 

Химический состав нового медного жаропрочного теплопроводного сплава № 50 приведен в табл. 1, а технические данные и технологические свойства — в табл. 2.

 

 

 

Таблица 2. Основные технические данные и технологические свойства сплава № 50 промышленного производства
Температура плавления, °С 1075
Плотность, кг/м3 8,9 × 103
Температура литья при полунепрерывном методе, °С 1260 – 1310
Температурный интервал деформирования, °С при ковке 950 – 700; при прессовании 950 – 700; при прокатке 950 – 700
Режим термической обработки холоднокатаных листов 750 °С 1 час
Режим пайки издели Нагрев до температуры 980 ± 10°С, выдержка 30 мин., охлаждение до температуры 600°С
со скоростью 13 – 15°С в минуту, а затем до комнатной температуры на воздухе или в воде,
потом следует отпуск при температуре 510°С – 2 часа.
Температура начала
рекристаллизации
(деформация 50%), °С
500
Холодная штамповка Сплав хорошо штампуется в холодном состоянии при вытяжке до 30 – 40 %.
Штамповка сложных деталей переменного сечения Производится в несколько переходов с промежуточными отжигами при температуре 750°С в течение одного часа.
Свариваемость Способ сварки — аргоно-дуговая. Свариваемость со сталью удовлетворительная (проверена на технологической пробе). В качестве присадочного материала рекомендуется сплав БрНЦрТ.
Паяемость Пайка серебряным припоем. Растекаемость припоя хорошая в вакууме — примерно 1×10–2 мм рт.cт.  При пайке со сталью или Cr-Ni сплавами рекомендуется паяемую поверхность сплава № 50 покрывать медью примерно 10–15 мкм или никелем толщиной примерно 5–7 мкм. Качество паяемых соединений хорошее (паяные швы плотные, эрозии основного металла не наблюдается). На технологических паяных пробах зафиксирована высокая прочность соединений. Сварка по месту пайки и по облуженному металлу не приводит к образованию трещин.

 

 

При пайке со сталью или Cr-Ni сплавами рекомендуется паяемую поверхность сплава № 50 покрывать медью примерно 10–15 мкм или никелем толщиной примерно 5–7 мкм. Качество паяемых соединений хорошее (паяные швы плотные, эрозии основного металла не наблюдается). На технологических паяных пробах зафиксирована высокая прочность соединений. Сварка по месту пайки и по облуженному металлу не приводит к образованию трещин.

 

 

Определены основные схемы промышленного производства листов из сплава (крупногабаритных горячекатаных листов и холоднокатаных отожженных листов обычного размера), прессования, волочения и термической обработки прутков. Естественно, что начало всему было положено с качественной и трудоемкой технологии плавки сплава № 50 и литья слитков. Учитывая довольно сложный состав сплава, его начали плавить в вакуумных печах различных конструкций и массы слитка, затем последовала плавка в открытой печи ИЛК-1,5 с полунепрерывным литьем слитка и электрошлаковый переплав (ЭШП) (расходуемой заготовкой в этом случае служил слиток открытой плавки). Такие же параметры, как температура нагрева слитков под прокатку и прессование, дробность деформации, суммарная степень деформации, параметры и режимы термообработки и некоторые другие могли быть приняты в соответствии с технологией производства полуфабрикатов из других низколегированных медных сплавов, например, из хромовой бронзы.

 

 

Далее следует привести краткий обзор важнейших свойств нового сплава, определяющих конструкционную работоспособность и эксплуатационную надежность новейшего изделия.

 

 

При изготовлении изделий, для которых разрабатывается сплав, зачастую применяется многократная штамповка с разовой холодной деформацией в 20% с промежуточными отжигами при 750°С в течение 1 часа каждый. Кроме обычных характеристик по диаграммам растяжения определяли равномерное удлинение и удлинение образца до образования шейки (табл. 3).

 

 

Результаты измерений показали, что режим термической обработки практически не влияет на величину модуля упругости. Величина модуля упругости горячекатаных образцов несколько выше, чем у термически обработанных (режимы пайки), что, по-видимому, определяется наличием текстуры деформации в исследуемых образцах (131520 МПа и 126420 МПа соответственно).

 

 

Длительная прочность — одно из основных требований к сплаву, необходимых потребителю. Поэтому испытания на длительную прочность в настоящей работе проводили наиболее тщательно. Для обработки полученных результатов использовали методы математической статистики. После термической обработки, имитирующей основную высокотемпературную пайку, среднее значение времени до разрушения образцов сплава № 50 составляет 468 мин (7 часов 48 минут).
Скорость ползучести сплава после того же режима пайки при температуре 600°С и напряжении 60 МПа составляет не более 14,6×10–5  %/мин.

 

 

Затем необходимо привести данные по зависимости свойств сплава № 50 в литом состоянии, что практически соответствует свойствам сварных соединений (табл. 4). Также уместно привести данные о влиянии температуры на механические свойства сплава (табл. 5).

 

 

 

В табл. 6 приведены некоторые определяющие работоспособность будущих изделий решающие свойства нового сплава в сравнении с наиболее широко применяемой до сих пор хромовой бронзой БрХ0,8. Сравнительные испытания проводились при заданных критических параметрах — рабочая температура 600°С и рабочая нагрузка 60 МПа (требования конструкторов).

 

 

Приведенные в статье основные свойства сплава № 50 являются вполне достаточными для довольно полного представления о новом совершенном материале для высококачественного изготовления огневых стенок камер сгорания и других ответственнейших деталей ЖРД. Наиболее подробно свойства этого сплава отражены в утвержденном ведущими отраслевыми предприятиями паспорте. Все это вместе с совершенной технологией промышленного производства полуфабрикатов обеспечивает существенно длительный ресурс эксплуатации изделий, их высокое качество и надежность.

 

 

Литература

  1. Глушко В. П. Ракетные двигатели ГДЛ-ОКБ. М.: АПН, 1975. С. 56.
  2. Николаев А. К. Дисперсионное твердение — эффективное направление синтеза конструкционных сплавов // РИТМ. 2011. № 3. С. 31–35.
  3. Николаев А. К., Розенберг В. М. Сплавы для электродов контактной сварки. М.: Металлургия. 1978. С. 96.
  4. Розенберг В. М., Николаев А. К. Совершенствование технологии производства полуфабрикатов из цветных металлов и сплавов. Научные труды института «Гипроцветметобработка». Вып. 50, М.: Металлургия. 1977. С. 50–67.
  5. Архаров В. И. и другие. Ф. Х.М. М. АН СССР, 1972 г. № 5, С. 3–9.
  6. Новиков И. И. Теория термической обработки. М.: Металлургия. 1978. С. 392.
  7. Шевакин Ю. Ф., Розенберг В. М., Николаев А. К. Материалы 15 сессии Научного Совета «Новые процессы получения и обработки металлических материалов». Киев. Изд. ИЭС им. Патона. 1979. С. 36.
  8. Задумкин С. Н. Ж. Н.Х. АН СССР. Т. 5. Вып. 8. 1960. С. 1892–1895.

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 8-2019

 

 

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров