Экспериментальная оценка кристаллографической анизотропии термической усталости монокристаллов сплава на основе Ni3Al для высокотемпературных деталей АГТД Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.14.018.44:539.4

Е.Р. Голубовский1, Н.Г. Бычков1, А.Ш. Хамидуллин1, О.А. Базылева2

1ФГУПЦИАМим.П.И. Баранова, Россия 2ФГУПВИАМ, Россия

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАЛОСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ СПЛАВА НА ОСНОВЕ NI3AL ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕТАЛЕЙ АГТД*

Представлены результаты экспериментального исследования термической усталости монокристаллов сплава ВКНА-1В на основе интерметаллида NijAl в условиях термоциклов 100«850 °C, 100«1050 °C и 100«1100 °C с контролируемым напряжением в цикле. На основании результатов испытаний цилиндрических монокристаллических образцов с аксиальными кристаллографическими ориентациями <001>, <011> и <111> получены расчетно- экспериментальные зависимости числа циклов до разрушения от размаха термических напряжений в цикле для каждой исследованной кристаллографической ориентации. Установлено, что на базе N = 103 термоциклов с максимальной температурой цикла 850 и 1050 °С наибольшим сопротивлением термической усталости обладает аксиальная кристаллографическая ориентация <111 >, а при 1100 °С на этой базе монокристаллы всех трех ориентаций практически одинаково сопротивляются термической усталости. На базе N = 104 термоциклов при максимальной температуре цикла 850 °С наибольшее сопротивление имеет ориентация <111>, а при температурах 1050 °С и 1100 °С — ориентация <011>.

Ключевые слова: Термическая усталость, монокристаллы, сплав на основе интерметаллида Ni^l, кристаллографическая ориентация, термоцикл.

Введение

Одним из перспективных направлений развития никелевых жаропрочных сплавов для литья монокристаллических лопаток и иных деталей высокотемпературных турбин, как отмечается в работах ВИАМ, является разработка сплавов на основе интерметаллида №зА1— сплавов семейства ВКНА [1,2] с ГЦК-решеткой. Интер-металлидные сплавы обладают меньшей плотностью (р < 8000 кг/м3), более высокой жаростойкостью и жаропрочностью при температурах Т > 1000 °С, чем никелевые жаропрочные литейные сплавы семейства ЖС (у-у').

Результаты исследований монокристаллов никелевых сплавов свидетельствует о значительной зависимости характеристик упругости и конструкционной прочности от кристаллографической ориентации (КГО). При этом характер этой зависимости не монотонный и может изменяться с температурой и долговечностью [3-5]. Наименее изученными в этом отношении являются характеристики термической усталости, которые в значительной степени зависят от модуля нормальной упругости Е<ш> в кристаллографическом направлении <Щ>. Действительно, уровень термических напряжений при заданной дефор-

мации может определяться соотношением атерм-а*Е*АТ (где а - коэффициент термического растяжения - КТР). Однако известные результаты исследования термической усталости не дают однозначного ответа по преимуществу КГО. Так, например, результаты исследования механической и термической усталости монокристаллов сплава ЖС6Ф [3,4] свидетельствуют о том, что сопротивление термической усталости монокристаллов с аксиальной КГО <111> занимает промежуточное значение между КГО <001> и КГО <011>; при этом значения модуля Е<111> более чем в два раза превышают модуль Е<001> и в 1.3 раза модуль Е<011> (необходимо отметить, что для сплавов с ГЦК-решеткой, КТР — изотропен).

В этой связи в настоящей работе была поставлена задача исследования термической усталости монокристаллов интерметаллидного сплава ВКНА- 1В в диапазоне температур рабочих лопаток ТВД.

1. Материал, образцы и методика испытаний

В качестве объектов исследования использованы цилиндрические образцы из монокристаллических литых заготовок (-016 мм, L -200 мм) сплава ВКНА-1В[1,2]. Монокристаллические об-

© Е.Р. Голубовский, Н.Г. Бычков, А.Ш. Хамидуллин, О.А. Базылева, 2011

- 244 -

разцы имели следующие размеры — общая длина образца Ьобр = 70 мм, диаметр и длина рабочей части соответственно й = 5 мм и I = 36 мм. Было изготовлено три партии образцов (по 30 шт. в каждой партии). Одна партия образцов имела аксиальную КТО - <001>, вторая партия - <011> и третья партия - <111 >. Отклонение оси образца от указанных КТО не превышало 10°. Значения модулей нормальной упругости для КТО <001>, <011> и <001> представлены в табл. 1.

Таблица 1

Значения модуля нормальной упругости Е<ш> для КТО <001>, <011> и <111> в зависимости от температуры Т (по данным ВИАМ)

Т, °С Средние значения модуля Е для КГО, ГПа

<001> <011> <111>

20 126 221 303

800 90 174,5 228,75

900 78,5 157,5 207

1000 70,75 145,5 184,25

Рис. 1. Схема установки П-651 для испытаний на термоусталость (1 — образец, 2 — захваты, 3 — мембраны изменяемой жесткости, 4 —динамометрические стойки, 5 и 6 — электроизолирующие шайбы и втулки соответственно, 7 и 8 — тензодатчик и регистрирующий прибор соответственно, 9 и 10 — термопара и регистрирующий прибор соответственно)

Образец 1 закреплялся в захватах 2 испытательной машины. Сами захваты жестко крепятся к мембранам 3 изменяемой жесткости. Мембраны связаны между собой динамометрическими стойками 4, изолированными от мембран текстолитовыми шайбами 5 и втулками 6. Показания тензодатчиков 7 динамометров передаются на регистрирующий прибор.

Нагрев образцов осуществлялся прямым пропусканием электрического тока плотностью I < 30 А/мм2 . Испытания образцов проводились по стандартной методике при пилообразном цикле изменения температуры без выдержки на Ттш и Ттах (рис. 2).

Т°С

т

тт

/

/

t сек

10

45

Испытания образцов на малоцикловую термоусталость были проведены в соответствии с требованиями стандартов [7-9] по методике Коф-фина, которая реализована на установках ЦИАМ (тип-П651), показанных на рис. 1. Испытания на термоусталость проводились при «мягком» нагружении (при контролируемом напряжении в цикле) на трех установках с различной толщиной мембран (8...60 мм).

Рис. 2. Изменение температуры в цикле в процессе испытаний

Средняя скорость нагрева образцов dT/dt » 80 °С/сек. Управление термоциклом осуществлялось с помощью термопары 9 (рис. 1), приваренной к образцу вблизи зоны с максимальной температурой.

Контроль за величиной температуры в зоне Tmax осуществляется оптическим пирометром фирмы «Mikron» S-770 .

Режим термоциклирования отлаживался на технологическом образце (один образец от каждой партии на каждом температурном режиме) при свободном штоке верхнего захвата. После отладки температурного режима шток верхнего захвата закреплялся при достижении температурой на образце среднего значения равного Тсредн.=0,5 (Tmax + Ттп).3аданный режим изменения нагрузки (напряжений) достигался через 9-10 термоциклов.

Испытания образцов из сплава ВКНА-1В с аксиальными КТО <001>, <011>, <111> проводились по температурным режимам 100«850 °C, 100«1050 °C и 100«1100 °C. На каждом температурном режиме испытания проводились для 3-х уровней размаха напряжений в термоцикле по 3 образца для каждого уровня.

Цилиндрические монокристаллические образцы из сплава ВКНА-1В с КТО <001>, <011> и <111> были испытаны по режимам, представленным в табл. 2. В условиях каждого режима было испытано по три образца с соответствующей аксиальной КТО.

Для построения кривой термоусталости, при заданной аксиальной КТО в условиях одного температурного режима, использовались результаты испытаний 10 образцов (1 технологический + 9 зачетных).

Испытания проводились до момента разрушения (обрыва) образца.

Таблица 2

Режимы испытаний монокристаллических

образцов из сплава ВКНА-1В на термоусталость при границах термоцикла 100«850 °С, 100«1050 °С и 100«1100 °С (значения Ттах, размах напряжений в термоцикле А сттерм , максимальные растягивающие и сжимающие напряжения в термоцикле соответственно

страсг. и стсж')

КГО, А ^терм? ^раст., sсж,

Т ^ мах, <Ш> МПа МПа МПа

С

850 <001> 1079 549 530

785 392 392

716 373 343

<011> 1177,2 451,3 784,8

1079,1 431,6 647,5

833,9 412,0 421,8

<111> 1245,9 686,7 559,2

1079,1 549,4 529,7

981,0 510,1 470,9

1050 <001> 892,7 441,5 451,3

588,6 353,2 235,4

490,5 363,0 127,5

<011> 833,9 412,0 421,8

735,8 412,0 323,7

686,7 343,4 343,4

<111> 1373,4 882,9 490,5

981,0 706,3 274,7

833,9 490,5 343,4

1100 <001> 784,8 382,6 402,2

637,7 382,6 255,1

539,6 313,9 225,6

<011> 784,8 412,0 421,8

686,7 343,4 343,4

637,7 294,3 343,4

<111> 882,9 313,9 569,0

686,7 343,4 343,4

588,6 313,9 274,7

1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600

200 1000 10000 20000 Число циклов до разрушения N. цикл

я 1700 с 1600 3 1500

-+Ч----(----1---1

□"■-по

—---1—

3

< 1300 1200 = Л ЛПП I 1 I 1100 - 1

Ф 1000 -

900 - ^хх п

- — Ш

20

100 1000 10000 Число циклов до разрушения N. цикл

б

1000 900 800 700 600 500 400 300

1

1 —\—[-

[ [

^ | __1—1-

2

100 1000 10000 Число циклов до разрушения N. цикл

2. Полученные результаты и их обсуждение

Результаты испытаний каждого образца приведены на рис. 3. Полученные экспериментальные данные были обработаны методом наименьших квадратов по степенной и экспоненциальной зависимостям числа циклов до разрушения N от размаха напряжений в цикле Аст:

к<ш> = А*(АСТ<Ш>)-П (1)

= В*ехр(-р*Аст<ш>) (2)

Рис. 3. Термоциклическая долговечность монокристаллов сплава ВКНА-1В в зависимости от кристаллографической ориентации: а - 100«850 °С, б - 100«1050 °С,

в - 100«1100 °С. Кривые, рассчитанные по уравнению (2) с коэффициентами (табл. 2): 1 - <001>, 2 - <011>, 3 - <111>. (Х-<001>, А-<011>, □ -<111> - результаты испытаний образцов)

Результаты обработки экспериментальных данных показали, что для всех рассмотренных КГО более высокие значения коэффициента корреляции имеет зависимость (2). Поэтому кривые термоциклической долговечности были построе-

а

в

ны по уравнению (2) с численными значениями коэффициентов В и р, представленными в табл.3. Кривые термической усталости представлены на рис. 3.

Таблица 3 Численные значения коэффициентов уравнения (2), полученные по результатам испытаний на термическую усталость монокристаллических образцов из сплава ВКНА-1В с аксиальными КТО <001>, <011> и <111>

Термоцикл Т * max? °C КГО, <hkl> lg B b

100 «850 °C 850 <001> 5,40 0,005

<011> 7,33 0,009

<111> 6,05 0,005

100«1050 °C 1050 <001> 5,58 0,010

<011> 8,67 0,018

<111> 5,21 0,005

100 «1100 °C 1100 <001> 5,74 0,010

<011> 6,65 0,013

<111> 4,95 0,007

Анализ кривых и результатов испытаний образцов (рис. 3) свидетельствует об удовлетворительном соответствии расчета и эксперимента.

Заключение

Характер кривых термической усталости, полученных при различных значениях максимальной температуры термоцикла, позволяет утверждать о неоднозначной зависимости сопротивления термической усталости как от КТО, так и от числа циклов до разрушения N. Так, на базе N = 103 термоциклов с максимальной температурой цикла 850 °С и 1050 °С наибольшим сопротивлением термической усталости обладают монокристаллы сплава ВКНА-1В с аксиальной кристаллографической ориентацией <111>, а при 1100°С на этой базе монокристаллы всех трех ори-ентаций практически одинаково сопротивляются термической усталости. На базе N=104 термоциклов при максимальной температуре цикла 850°С наибольшее сопротивление имеет ориентация <111>, а при температурах 1050 °С и 1100 °С — ориентация <011>. Сопротивление термической усталости образцов с аксиальной КТО <011 > занимает промежуточное значений для циклической долговечности на базе 103-104 циклов. Полученные результаты свидетельствуют также об отсутствии явной зависимости сопротивления термической усталости от модуля нормальной упругости Е<ш>.

Перечень ссылок

1. Каблов Е.Н. Жаропрочные сплавы на основе интерметаллида M3AL/ Каблов Е.Н., Бун-тушкин В.П., Базылева О.А., Герасимов В.В., Тимофеева О.Б. -Тр. межд. научно-техн. конф. «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение», 25-26 апреля 2006.- М.: ВИАМ, 2006.- С.71-75.

2. Каблов Е.Н. Новая основа для создания литейных высокотемпературных жаропрочных сплавов / Каблов Е.Н., Базылева О.А., Воронцов М.А.

- Материаловедение и термическая обработка металлов», 2006 г., №8.

3. Дульнев Р.А. Ориентационная зависимость термической усталости монокристаллов никелевого сплава / Р.А.Дульнев, И.Л.Светлов, Н.Г. Бычков, Т.В. Рыбина, Н.Н.Суханов, Т.А. Гордеева, Е.Н. Доброхвалова, А.И.Епишин, А.И. Кривко, М.П. Назарова - Проблемы прочности №11, 1988, С. 3-9.

4. Kablov E.N. Anisotropy of low cycle and thermal fatigue of single-crystal as cast nickel-base superalloy GS6F / Kablov E.N., E.R. Golubovskiy, A.I. Epishin, I.L. Svetlov - В кн. «Proceeding of the Fifth International Conference on Low Cycle Fatigue

— LCF-5», Berlin, Germany, September 9-11, 2003, изд. DVM, 2004, Berlin, Germany, Р.153-158.

5. Голубовский Е.Р. Влияние кристаллографической ориентации на прочностные характеристики монокристаллов никелевого жаропрочного сплава / Голубовский Е.Р., И.Л Светлов, А.И. Епишин - Научные труды МАТИ. Вып. 8(80), 2005, М., РГТУ-МАТИ им. К.Э Циолковского, С.22-27.

6. Голубовский Е.Р. Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов / Голубовский Е.Р. Светлов И.Л. - Проблемы прочности, 2002, №2, С. 5-19.

7. ОСТ 10970-80 «Методика испытаний на термоусталость», М., Госстандарт, 1980 г.

8. ГОСТ 25505-85 «Методы испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении», М., Госстандарт, 1985 г.

9. «Машины и установки для испытаний при термомеханическом малоцикловом нагружении», Методические указания для стран — членов СЭВ, М., Госстандарт, 1988 г.

Поступила в редакцию 01.06.2011

6.Р. Голубовьский, Н.Г. Бичков, А.Ш. Хамщуллш, О.А. Базилева. Експериментальна ощнка кристалограф1чноТ ашзотропп терм1чноТ втоми монокриста.мв сплава на ochobî №зА1 для високотемпературних деталей АГТД

Представлено результаты експериментального досл^дження mepMi4Hoï втоми монокристалле сплаву ВКНА-1В на oснoвi iнmepмemалiда NijAl в умовах термоци^в 100«850 °C, 100«1050°C i 100«1100°C з контрольованим напруженням у цикли Засновуючись на результатах випробувань цилтдричних мoнoкpисmалiчних зраз^в з акаальними кристалог-pафiчними opieнmацiями <001>, <011> i <111> отримано розрахунково-експериментальш залeжнoсmi кiлькoсmi ци^в до руйнування вiд розмаху mepмiчнoï напружень в ци^i для кoжнoï дoслiджуванoï кpисmалoгpафiчнoï opieнmацiï. Встановлено, що на базi N = 103 термоци^в з максимальною температурою циклу 850 i 1050 °С найбыьший спротив до mepмiчнoï втоми мае акаальна кpисmалoгpафiчна opieнmацiя <111>, а при 1100 °С на цш базi монокристали усх трьох opieнmацiй практично однаково опираються mepмiчнiй вmoмi. На базi N = 104 термоци^в при максимальнш meмпepаmуpi циклу 850 °С найбыьший супротив мае opieнmацiя <111>, а при температурах 1050 °С i 1100 °С — opieнmацiя <011>.

Ключов1 слова: Tepмiчна втома, монокристали, сплав на oснoвi iнmepмemалiда Ni^Al, кpисmалoгpафiчна opieнmацiя, термоцикл.

E.R. Golubovskiy, N.G. Bychkov, A.S. Khamidullin, O.A. Bazyleva. Experimental estimation crystallographic anisotropies of thermal fatique of single-crystals of the alloy on basis NI3AL for high-temperature details of aviation gas turbine engines

Results of an experimental research of thermal fatigue of single crystals of alloy ВКНА-1В (on the basis of intermetallic NiAl) in conditions thermo-cycles 100«850 °C, 100«1050 °C and 100«1100 °C with a controlled stress in a cycle. On the basis of results of tests of cylindrical monocrystals samples with axial crystallographic orientations <001>, <011> and <111> are received it settlement experimental dependences of number of cycles before destruction from scope of thermal stresses in a cycle for everyone investigated crystallographic orientations. It is established, that on baseline N = 103 thermo-cycles with the maximum temperature of a cycle 850 and 1050 °С the greatest resistance of thermal fatigue has axial crystallographic orientation <111>, and at 1100 °С on this baseline monocrystals of all three orientations practically equally oppose to thermal fatigue. On baseline N = 104 thermo-cycles в at the maximum temperature of a cycle 850°С orientation <111> has the greatest resistance, and at temperatures 1050 °С and 1100 °С — orientation <011>.

Key words: Thermal fatigue, single crystals, alloy on the basis of intermetallic Ni3Al, crystallographic orientation, thermo-cycle.