Эволюция структуры и механических свойств в монокристаллических сплавах, легированных Re и Ru, после высокотемпературных выдержек

Кузнецов Валерий Павлович; Лесников Владимир Петрович; Конакова Ирина Павловна; Попов Николай Артемьевич

УДК 669.018.28:621.739.6

ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ В МОИОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ Re И Ru, ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЫДЕРЖЕК

1«ТУРБОМЕТ», г. Екатеринбург 2Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,

г. Екатеринбург

Рассмотрены особенности структуры и фазовых превращений в монокристаллических никелевых сплавах ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ после длительных высокотемпературных выдержек. Приведены результаты исследования остаточных механических свойств сплавов после выдержек. Рассмотрено нанофазное упрочнение монокристаллических никелевых сплавов.

Монокристаллический жаропрочный никелевый сплав, структура, фазовый состав, механические свойства.

Введение

Анализ исследований показывает, что достижение максимального уровня жаропрочности рабочих лопаток турбины высокого давления (ТВД) газотурбинных двигателей (ГТД) возможно за счёт применения монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением и рутением. При таком легировании предел длительной прочности может быть существенно повышен, что позволит увеличить тягу двигателя на 15 - 20 % и его ресурс в 1,5 - 2 раза. В этой связи перспективным является применение безуглеродистых монокристаллических сплавов, легированных Яе и Яи для лопаток ТВД современных ГТД с температурой газа на входе в турбину 1580°С [1-4].

Недостаток сведений о структуре и фазовых превращениях в монокристаллических сплавах при высоких температурах обусловил необходимость систематического исследования структурной и фазовой термостабильности сплавов, склонность к образованию топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз в сплавах, а также оценку кратковременных механических свойств сплавов.

Цель настоящей работы - исследование тонкой структуры, химического и фазового состава монокристаллических сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ, размера и состава у- и у'- фаз в сплавах, образование ТПУ - фаз после выдержек в интервале температур 1050... 1300 °С, а также определение

остаточных кратковременных механических свойств сплавов.

Методика проведения исследований

Исследования проводили на монокристаллических образцах из сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ, отлитых в промышленных условиях на установках типа УВНК-8П со скоростью кристаллизации 8-10 мм/мин с кристаллографической ориентацией [001]. Химический состав сплавов и режимы их термической обработки приведены в [4-6].

Отлитые заготовки 014мм после термической обработки были подвергнуты высокотемпературным выдержкам в течение

0,5... 1000 ч в интервале 1050... 1300°С в печной воздушной атмосфере.

Испытания на растяжения проводили на INSTRON - 3382 на стандартных 10-кратных цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 5 мм, изготовленных механической обработкой заготовок диаметром 14 мм после высокотемпературных выдержек. Характеристики кратковременной прочности при растяжении - средние значения Go,2, Он, 5 и \|/ - определяли по результатам испытаний девяти образцов на каждую температуру (25 и 975°С).

Металлографические исследования и анализ химического состава фаз проводили методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) на приборах “Philips SEM 535” с

приставкой для микрорентгеноспектрально-го анализа (МРСА) “Edax Genesis 2000” и “Jeol JSM 6490 LV” с приставкой для МРСА “Oxford Inca Drycool”.

Электронно-микроскопические исследования тонкой структуры сплава осуществляли методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) тонких фольг на приборах “ЭМВ-ЮОЛ” и “Jeol JEV-2100”.

Дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) сплава изучали на приборе синхронного термического анализа “Netzsch STA 449 С”.

Результаты исследований и их обсуждение

После полной термической обработки для сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ типична структура, представленная на (рис. 1). Видно, что в результате такой обработки получена однородная, дисперсная (У + у )-структура с высокой объёмной долей упрочняющей у'- фазы (70-75 об.%) размером 0,3 - 0,4 мкм. В междуосных участках частицы у'- фазы несколько крупнее, а отдельные из них достигают ~ 1 мкм. Частицы у'- фазы имеют характерную кубоидную форму. Электронографический и микроди-фракционный анализы показывают, что частицы у'-фазы выстроены в направлениях типа [100]у монокристалла.

Для высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ при кристаллизации с невысоким термическим градиентом в зоне кристаллизации характерна повышенная ликвация легирующих элементов. После термической обработки не происходит полного устранения ликвационной неоднородности сплавов: оси дендритной ячейки значительно обогащены W, Re, Ru, Mo, Cr по сравнению с междуосным пространством. Требуется несколько десятков часов высокотемпературного отжига, чтобы выровнять концентрацию W, Mo, Ru, Re в осях и междуосных пространствах, что нереально осуществить в промышленных условиях [ 1 -4].

На специальных образцах были исследованы калориметрические эффекты (ДСК) при нагреве и охлаждении со скоростью 20°С/мин в термоанализаторе. На кривых ДСК наблюдается экзо- и эндотермические

пики реакций в образце при нагреве и охлаждении. По кривым ДСК и их производных (¿/ДСК) были определены температуры фазовых переходов в сплавах: начальная, пиковая и конечная (табл.1).

Таблица 1. Температуры фазовых переходов в (у + у ) структуре сплавов при их нагреве и охлаждении

Температура фазового перехода, °С Сплав

ЖС36- ви ВЖМ4- ВИ ВЖМ5- ВИ

Нагрев начала растворения у' 874 818 900

максимальной скорости растворения у' 1260 1250 1272

полного растворения у' 1310 1270 1310

(D S и (D ч X О начала выделения у' 1257 1232 1259

максимального выделения у' 1225 1210 1228

Основной проблемой литейных жаропрочных никелевых сплавов является их термостабильность в процессе эксплуатации лопаток ТВД. При воздействии высоких температур (выше 1050°С) и напряжений происходят процессы коалесценции, сращивания частиц у' и их растворения. Изменение структуры сплавов после нагревов до различных температур должно соответствовать определённым по ДСК температурным интервалам фазовых переходов в сплавах (табл.1).

В процессе длительных высокотемпературных выдержек в интервале температур Ю50...1250°С у'-фаза сплавов теряет свою кубоидную огранку, происходит её сращивание и интенсивный рост в направлении, перпендикулярном [001], т. е. происходит образование рафт-структуры (рис. 2). Формирование такой структуры обусловлено перераспределением легирующих элементов в матрице(у - фазе), обогащением граней ку-боидной у'-фазы у'-образующими элементами сплава. Движущей силой такого изменения морфологии у/у'-структуры сплава под влиянием температуры является несоответствие параметров решёток и модулей упругости у - и у'- фаз.

Рис. 1. Тонкая структура сплавов ЖС36-ВІІ (а, б), ВЖМ4-ВІІ (е) и ВЖМ5-ВІІ (г) после полной термической обработки: а, в- РЭМ, б, г -ПЭМ

а б в г

Рис. 2. Тонкая структура сплавов после высокотемпературных выдержек: а-Т= 1150 °С, 500 ч (сплав ЖС36-ВІІ); б-Т= 1050 °С, 500 ч (сплав ЖС36-ВІІ); в-Т =1100 °С, 500 ч (сплав ВЖМ4-ВІІ); г - Т = 1150 °С, 100 ч (сплав ВЖМ5-ВІІ)

Регулярная рафт-микроструктура

должна оказывать существенное сопротивление пластической деформации сплавов, так как препятствует пересечению пластин у-фазы дислокациями, которые двигаются в прослойках у - фазы.

При высокотемпературных выдержках происходит значительный рост размера первичной у - фазы, её обогащение А1, Тл и значительное уменьшение содержания \У, Яе, Яи в ней. Возрастает толщина прослоек у -твёрдого раствора и существенное обогаще-

ние его тугоплавкими элементами \У, Яе, Яи, Мелкие частицы у'„ - фазы имеют раз-

Сг, Мо. При охлаждении образцов от темпе- меры 20...60 нм, а прослойки ун -фазы между

ратуры выдержки на воздухе происходит частицами у'н имеют толщину порядка

распад у-фазы по схеме у—»Ун + у н и образу- 10...20 нм. Формирование у'н-фазы происхо-

ется ультрамелкодисперсная смесь (ун + у'н) дит на границах крупной у'-фазы со смесью

наноразмерного уровня (рис. 3). (ун + у'н)-

в г

Рис. 3. Темнопольное изображение в сверхструктурном рефлексе [001] уфазы тонкой структуры сплава ЖСЗб-ВП [001] после высокотемпературных выдержек: а - Т=1050°С, 500 ч; б - 1100°С, 500 ч;

в, г-1150°С, 500ч

Таким образом сплавы ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ после высокотемпературных выдержек в интервале температур

1050... 1200°С и охлаждения имеют следующее структурное состояние: крупная

У первичная + мелкодисперсная смесь ун/у'н на-норазмерного уровня. Изменение химического состава у - и у - фаз приводит к значительному изменению параметров кристаллических решёток у - и у' - фаз и возникновению напряжений на межфазных границах. При релаксации этих напряжений возникают дислокации на границе у/у - фаз, а также парные дислокации в крупной у - фазе. Час-

тицы наноразмерного уровня у'н формируются практически без дислокационных сеток, поэтому они находятся в более напряжённом состоянии, чем частицы первичной у'- фазы.

Такие изменения структуры оказывают влияние на деформационное поведение и характеристики прочностных и пластических свойств безуглеродистых монокристалличе-ских никелевых сплавов с (у + у') - структурой.

На рис.4 приведены результаты определения кратковременных механических свойств (оо.г; св; 5) сплава ЖС36-ВИ после

длительных высокотемпературных выдер- высоком уровне. Аналогичные изменения

жек. Величина предела текучести (00.2) спла- (о0.2; ов; 5) наблюдаются и при испытаниях

ва уменьшается, а предел прочности (о,,) на кратковременные механические свойства

значительно возрастает (~ в 1,5 раза), пла- при Т=975°С.

стичность (8) уменьшается, но остаётся на

5,%

30

20

10

Т, час

I, час

5,%

30

20

10

X , час

Т, час

Рис. 4. Изменение предела текучести (<т0_2), предела прочности (ав) и относительного удлинения (3) образцов из сплава ЖС36 - ВП[001] при 25°С после высокотемпературных выдержек: а - при Т=1200°С; б - при Т=1150°С; в - при Т=1100°С; г - при Т=1050°С

Сопротивление деформированию монокристаллов никелевых сплавов после температурных выдержек растёт с изменением состава у' - фазы, увеличением энергии и плотности межфазных у/у' границ (размерный фактор) за счёт образования смеси (ун + у'н) наноразмер но го уровня и повышения уровня внутренних напряжений, величина которых связана с параметром несоответствия кристаллических решёток у - и у - фаз. Действие размерного фактора по физическому смыслу аналогично известному эффекту Холла-Петча [8].

Основная особенность структуры мо-нокристаллических сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ после длительных высокотемпературных выдержек - образование ТПУ-фаз разной морфологии в интервале температур 1050... 1200°С. Из-за ликваци-онной неоднородности монокристалличе-ских сплавов и диффузионных процессов перераспределения элементов \У, Яе, Яи, Сг, Мо, Со, № и А1, Ті, № в у - и у'-фазах происходит образование ТПУ-фаз. При выделении ТПУ-фаз из у - фазы она обедняется тугоплавкими элементами сплава, а ТПУ-фазы

окружены у-фазой. Химический состав и морфология ТПУ-фаз определяются химическим составом монокристаллических сплавов и температурно-временной областью при выдержках [5, 7].

Склонность монокристаллического сплава к образованию ТПУ-фаз в осях денд-ритов ячейки при высокотемпературных выдержках уменьшается в ряду сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ5-ВИ и ВЖМ4-ВИ. Высокой фазо-

вой стабильностью из исследованных сплавов обладает жаропрочный сплав ВЖМ4-ВИ, легированный рением и рутением.

При растяжении образца с ТПУ-фазами различной морфологии, разрушение его происходит за счёт образования и развития трещин по границе раздела у - фаза / ТПУ-фаза (рис. 5). На поверхности излома наблюдаются сколы по «крупной» у' - фазе с выделениями ТПУ-фаз (рис. 5, а).

а б

Рис. 5. Излом (а) и образование трещин (б) в сплаве ЖСЗб-ВП при растяжении образца при 25°С после выдержки при Т= 1100°С в течение 1000 ч

Выводы

1. При высокотемпературных выдержках сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ в интервале температур 1050... 1200°С происходит образование рафт-структуры, рост первичной у' - фазы, её обогащение А1, Т1 и значительное уменьшение содержания \У, Ле, Ли в ней. Возрастает толщина прослоек у - фазы и существенное обогащение её тугоплавкими элементами \У, Ле, Ли, Сг, Мо.

2. При охлаждении образцов после высокотемпературных выдержек происходит распад у - фазы и образуется ультрамелко-дисперсная смесь (ун + у'н) наноразмерного уровня: частицы у'н-фазы имеют размеры

20...60 нм, а прослойки ун -фазы между частицами у'н имеют толщину порядка

10.. .20 нм.

3. Такие значительные структурные изменения в сплавах оказывают влияния на прочностные свойства монокристаллических сплавов: величина предела текучести (00.2) уменьшается, а предел прочности (о,,) значительно возрастает, пластичность (8) уменьшается, но остаётся на высоком уровне.

4. После длительных высокотемпературных выдержек в сплавах происходит образование ТПУ-фаз разной морфологии. Склонность монокристаллического сплава к образованию ТПУ-фаз уменьшается в ряду сплавов ЖС36-ВИ, ВЖМ5-ВИ и ВЖМ4-ВИ.

5. При растяжении образцов с ТПУ-фазами разрушение его происходит за счёт образования и развития трещин по границе раздела у'-фаза / ТПУ-фаза.

Библиографический список

1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов [Текст] / P.E. Шалин, П.П. Светлов, Е.Б. Качанов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с.

2. Каблов, Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технологии, покрытия [Текст] / Е.Н. Каблов. - М.: МИСиС, 2001.-632 с.

3. Литейные жаропрочные сплавы нового поколения [Текст] / Е.Н. Каблов, Н.В. Петрушин, И.Л. Светлов [и др.]. // 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Сб. - М.: ВИАМ. - 2007. - С. 27-44.

4. Структура и прочностные свойства мо-нокристаллических сплавов на никелевой основе, легированных танталом и рением [Текст] / В.П. Кузнецов, В.П. Лесников, В.Е. Замковой [и др.]. - Екатеринбург: Квист, 2010. - 140 с.

5. Высокотемпературные фазовые и структурные превращения в монокристаллах жаропрочного никелевого сплава, содержащего рений и рутений [Текст] / Н.В. Петрушин, И.Л. Светлов, А.И. Самойлов [и др.]. // Материаловедение. - 2008. - №10 - С. 13-26.

6. Структура и фазовый состав монокри-сталлического сплава ВЖМ-4 с газоциркуляционным защитным покрытием [Текст] /

В.П. Кузнецов, В.П. Лесников, И.П. Конакова [и др.]. // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2011. - №3. - С. 28-32.

7. Структурные и фазовые превращения в монокристаллическом сплаве ЖС36-ВИ [001] после выдержек в интервале температур 1050-1300°С [Текст] / В.П. Кузнецов, В.П. Лесников, М.С. Хадыев [и др.] //Металловедение и термическая обработка металлов. -2012. - №2.-С. 38-44.

8. Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением [Текст] / Ю.Р. Колобов, Е.Н. Каблов, Э.В. Козлов [и др.]. - М.: МИСиС, 2008.-328 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

EVOLUTION OF STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES IN THE SINGLE-CRYSTAL ALLOYS ALLOYED BY Re AND Ru,

AFTER HIGH-TEMPERATURE EXCERPTS

1«TURBOMET», Yekaterinburg 2Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin, Yekaterinburg

Changes thin (y +y') structures of single-crystal nickel alloys ZhS36-VX VZhM4-VL VZhM5-VI and residual proclmostny properties of these alloys after excerpts in the range of temperatures 1050 ... 1300°C are investigated.

Single-crystal nickel-base alloys, structure, phase composition, properties, mechanical properties.

Информация об авторах

Кузнецов Валерий Павлович, доктор технических наук, заместитель директора, «ТУРБОМЕТ», г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы и покрытия для газотурбинных двигателей.

Лесников Владимир Петрович, доктор технических наук, директор, «ТУРБОМЕТ», г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы и покрытия для газотурбинных двигателей.

Конакова Ирина Павловна, кандидат технических наук, доцент кафедр «Инженерная графика» и «Обработка металлов давлением», Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы для газотурбинных двигателей.

Попов Николай Артемьевич, аспирант кафедры термообработки и физики металлов, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург. E-mail: [email protected]. Область научных интересов: жаропрочные сплавы для газотурбинных двигателей.

Kuznetsov Valeriy Pavlovich, doctor of technical sciences, deputy director, «TURBOMET», Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys and coatings for heat-cooled turbine blades.

Lesnikov Vladimir Petrovich, doctor of technical sciences, director, «TURBOMET», Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys and coatings for heat-cooled turbine blades.

Konakova Irina Pavlovna, candidate of technical science, associate professor of the department «Engineering graphics» and «Metal forming», Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys for heat-cooled turbine blades.

Popov Nikolay Artemyevich, graduate of the department «Heat treatment and metal physics», Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg. E-mail: [email protected]. Area of research: single-crystal nickel-base alloys for heat-cooled turbine blades.

EVOLUTION OF STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES IN THE SINGLE-CRYSTAL ALLOYS ALLOYED BY Re AND Ru, AFTER HIGH-TEMPERATURE EXCERPTS1«TURBOMET», Yekaterinburg

Текст научной работы на тему «Эволюция структуры и механических свойств в монокристаллических сплавах, легированных Re и Ru, после высокотемпературных выдержек»