CC BY
30
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 621.74.045:669.24:621.981
Н. А. Лысенко1, В. В. Клочихин1, д-р техн. наук В. В. Наумик2 1АО «Мотор Сич», 2Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЗАГОТОВКИ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЛИТЬЯ CMSX-4PLUS (США)
Качество материала прутковой заготовки из жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS (США) соответствует требованиям ISO 17025 и технических условий фирмы-производителя. В материале исследованной заготовки грубые загрязнения металла в виде плен, крупных частиц шлаковых включений и их скоплений не обнаружены. Оксидные включения встречаются практически только в периферийной зоне верхней части заготовки. Микроструктура фрагментов прутковой заготовки из сплава CMSX-4 PLUS характерна для литого состояния высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, химический состав, макроструктура, кристаллизационные зоны, ликвация, микропористость, неметаллические включения, микроструктура.
Состояние вопроса
Современные жаропрочные никелевые сплавы для ответственных отливок авиационного машиностроения должны обеспечивать необходимую прочность при всё более высоких рабочих температурах, они характеризуются чрезвычайно сложной системой легирования и высокой стоимостью.
Стоимость современных газотурбинных двигателей составляет 1,5...2,0 тыс. USD за 1 кг, таким образом, удельная стоимость сплавов стала соизмеримой с ней [1].
Главное направление развития системы легирования современных жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для литья монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей, связано с введением тантала и рения, а в последние годы - рутения [2, 3].
Рений входит в основном в у- твердый раствор (содержание его в у'- фазе невелико - около 0,2 %), способствуя при этом вытеснению из твердого раствора в у'- фазу таких эффективно стабилизирующих ее элементов, как алюминий и тантал. Таким образом он повышает термостабильность не только матрицы, но и у'-фазы [4].
Количество рения в сплаве ЖС 47 достигло 9 % [5], элемента платиновой группы рутения - 6 % [6], что привело к резкому повышению стоимости жаропрочных сплавов. Последние сплавы российской разработки легированы существенными количествами рения и рутения (сумма Re + Ru в сплаве ВЖМ-4-10 % и
© Н. А. Лысенко, В. В. Клочихин, В. В. Наумик, 2017
ВЖМ-6-11 %). В Японии, США и Европе проблема создания газотурбинных двигателей для авиационной техники новых поколений также тесно связана с разработкой никелевых жаропрочных сплавов, легированных рением, или рением и рутением.
Современные экономические и политические условиями делают поставки, как легирующих элементов, так и готовых современных жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья из России практически не возможными.
Альтернативой указанным сплавам для изготовления монокристаллических лопаток современных авиационных двигателей являются американские жаропрочные никелевые сплавы типа CMSX-4 PLUS.
Основной материал исследований
На базе АО «Мотор Сич» провели исследование фрагментов (0 75 мм, h 20 мм), вырезанных из верхней, средней и нижней частей прутковой заготовки никелевого жаропрочного сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» (США).
Данные литые прутковые (шихтовые) заготовки из сплава CMSX-4 PLUS (ISO 17025) были получены методом вакуумно-индукционной плавки, рафинированы и предназначены для дальнейшего изготовления отливок с монокристаллической макроструктурой.
Анализ химического состава фрагментов жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS подтвердил их соответствие требованиям стандарта ISO 17025 (табл. 1).
Таблица 1 - Химический состав жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Место отбора проб Содержание элементов, % по массе
C Cr Co W Mo Al Nb Ta Re Ti
верх 0,05 3,44 9,54 5,66 0,58 5,74 <0,05 8,10 4,90 0,80
середина 0,04 3,44 9,53 5,53 0,60 5,75 <0,05 8,15 4,81 0,82
низ 0,04 3,45 9,55 5,56 0,60 5,71 <0,05 8,10 4,80 0,82
Нормы ISO 17025 <0,075 3,2...3,5 9,3.9,9 5,3.5,7 0,5.0,7 5,6.5,8 <0,1 8,1.8,3 4,7.4,9 0,8.0,9
Fe Si S Р В Pb Bi O2 n2
верх <0,02 <0,04 0,002 0,002 <0,02 0,0001 0,0002 0,00107 0,00045
середина <0,02 <0,04 0,002 0,002 <0,02 0,0002 0,0002 0,00070 0,00045
низ <0,02 <0,04 0,002 0,002 <0,02 0,0002 0,0002 0,00100 0,00046
Нормы ISO 17025 <0,15 <0,04 <0,004 <0,020 <0,03 <0,001 <0,0002 <0,004 <0,005
На поверхности исследованных фрагментов заготовки видимых дефектов не обнаружено.
В макроструктуре поперечных сечений верхней, средней и нижней частей заготовки из сплава CMSX-4 PLUS (рис. 1) наблюдаются зоны мелких подкорковых, столбчатых и равноосных кристаллов.
В центральной зоне средней части заготовки обнаружена осевая усадочная пористость диаметром до ~ 15 мм (рис. 16); в нижней части - ликвационная неоднородность (рис. 1г).
в
Анализ макроструктуры исследованных фрагментов показал, что величина макрозерна по высоте заготовки из сплава CMSX-4 PLUS отличается:
- верхняя часть отличается мелкокристаллическим строением с размером зерен ~ 0,2.. .0,4 мм (см. рис. 1а);
- в средней части размер макрозёрен составляет ~ 1.7мм (см. рис. 16);
- в нижней части - около 0,5.1,5 мм (см. рис. 1е). Результаты замера параметров макроструктуры
приведены в таблице 2.
г
Рис. 1. Макроструктура в поперечном сечении различных частей заготовки Ш 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства
фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»:
а - верхняя часть; б - средняя часть; в - нижняя часть; г - ликвационная неоднородность в нижней части
При осмотре нетравленых микрошлифов, вырезанных из периферийной и центральной зон исследованных фрагментов заготовки из сплава CMSX-4 PLUS, обнаружены чистые микропоры усадочного характера, а также усадочная рыхлота - максимальная в центральной зоне средней части заготовки (рис. 2, табл. 3). Размер рассредоточенных микропор не превышает 20 мкм.
В материале исследованной заготовки грубые загрязнения металла в виде плен, крупных частиц шлаковых включений и их скоплений не обнаружены. При этом следует отметить, что в периферийной зоне исследованного фрагмента верхней части заготовки имеются оксидные включения размером до 55 мкм (рис. 3). Далее по сечению заготовки, а также в средней и нижней её частях оксидные включения практически отсутствуют, размер редко встречающихся включений не превышает 8 мкм (см. табл. 3).
Таблица 2 - Параметры макроструктуры заготовок 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Место замера Размер кристаллизационных зон, мм Размер макрозерна, мм
зона мелких подкорковых кристаллов зона столбчатых кристаллов зона равноосных кристаллов
верх 3...4 67.69 0,2.0,4
середина ~2 9...11 53.57 1.7
низ ~2 9.12 51.57 0,5.1,5 (единичные до 5)
Периферийная зона
верх
середина Центральная зона
низ
верх
середина
низ
Рис. 2. Микропористость и рыхлота в заготовке0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION», х50
Таблица 3 - Параметры структурных составляющих заготовки Ш 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
а х 200 б х 1000
Рис. 3. Оксидные включения в верхней части заготовки 075 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»: а - край; б - центр
Место замера Размеры структурных составляющих, мкм
карбиды типа МС эвтектика типа (yV) оксиды микропоры расстояние между осями чго дендритов 2 порядка
верх край до 2 3.30 до 55(редко) до 30 10.25
центр до 2 5.45 до 6 до 35 30.50
середина край до 1 7.30 до 8 до 20 18.35
центр до 1 10.90 до 5 до 50 50.90
низ край до 1 8.30 до 6 до 20 15.30
центр до 1 10.90 до 5 до 50 50.90
Карбиды в материале исследованных фрагментов практически отсутствуют, размер выявленных редко встречающихся мелких карбидных частиц составляет ~ 1.2 мкм (см. табл. 3), что характерно для структуры низкоуглеродистого сплава CMSX-4 PLUS (С < 0,075 %).
Параметры структурных составляющих в материале заготовки 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS представлены в таблице 3.
Микроструктура фрагментов прутковой заготовки 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS характерна для литого состояния никелевых высоколегированных жаропрочных сплавов и представляет собой у- твердый раствор с наличием интерметаллидной у'- фазы, эвтектической фазы типа (у-у') (рис. 4-6).
В литой структуре наблюдается размерная и морфологическая неоднородность частиц у'- фазы. При этом размер и форма у'- частиц в осях и междендритных областях значительно различаются - в межосях частицы у ' - фазы значительно крупнее. Размеры эвтектической (у-у' )- фазы в центральной зоне заготовки составляют ~ 45.90 мкм и уменьшаются от центра к периферии (см. рис. 4-6; табл. 3).
Установлено, что в краевой зоне (столбчатых кристаллов) расстояние между осями дендритов примерно в ~ 3 раза меньше чем в центре исследуемых заготовок. Расстояние между осями дендритов второго порядка в краевой зоне составляет 10.35 мкм, в центральной -30.90 мкм (см. табл. 3).
Металлографическими исследованиями центральной зоны нижней части заготовки установлено, что ликвационная неоднородность материала (рис. 1в) обусловлена образованием зональных выделений эвтектики типа (у-у') в виде скоплений нескольких частиц размером -55.90 мкм с наличием усадочной пористости (рис. 7).
Выводы
Качество материала прутковой заготовки 0 75 мм из жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» (США) соответствует требованиям ISO 17025 для сплава CMSX-4 PLUS и технических условий фирмы-производителя.
В материале исследуемой заготовки 0 75 мм грубые загрязнения металла в виде плен, крупных частиц шлаковых включений и их скоплений не обнаружены. При этом следует отметить, что в периферийной зоне верхней части исследованного фрагмента заготовки имеются оксидные включения размером до 55 мкм. Далее по сечению заготовки, а также в средней и нижней её частях оксидные включения практически отсутствуют, размер редко встречающихся включений не превышает 8 мкм.
Микроструктура фрагментов прутковой заготовки 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS характерна для литого состояния никелевых высоколегированных жаропрочных сплавов.
Периферийная зона
X 50
х 200 Центральная зона
х 1000
х 50 х 200 х 1000
Рис. 4. Микроструктура фрагмента верхней части заготовки 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы
«CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Периферийная зона
х 50
х 200 Центральная зона
х 1000
х 50
х 200
х 1000
Рис. 5. Микроструктура фрагмента средней части заготовки 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы
«CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Периферийная зона
X 50
х 200 Центральная зона
х 1000
X 50
х 200
х 1000
Рис. 6. Микроструктура фрагмента нижней части заготовки 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы
«CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
X 50
х 200
Рис. 7. Микроструктура ликвационной неоднородности в нижней части заготовки 0 75 мм из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Список литературы
Логунов А. В. Методологические основы автоматизированного проектирования жаропрочных сплавов на никелевой основе (часть 2) / А. В. Логунов, Ю. Н. Шмо-тин, Д. В. Данилов // Технология металлов. - № 7. -2014. - С. 3-11.
Жаропрочные никелевые сплавы, получаемые методом монокристаллического литья / А. В. Логунов, И. М. Разумовский, В. Н. Ларионов и др. // Перспективные материалы. - 2008. - № 2. - С. 10-18. Reed R.C. The superalloys. Fundamentals and Applications / R.C. Reed. - Cambridge, University Press. - 2006. - 372 p.
4. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления / Патон Б. Е., Строганов Г. Б., Кишкин С. Т. и др. - К. : Наук. думка, 1987. - 256 с.
5. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С. Т. Кишки -на. - Научно-техн. сб. - М. : Наука, 2006. - 272 с.
6. Логунов А. В. Тенденции разработки и применения №-суперсплавов для лопаток ГТД в современных и перспективных силовых установках авиационного назначения / А. В. Логунов, Ю.Н. Шамотин // ТЛС. - 2011. -№ 4. - С. 11-17.
Одержано 16.06.2017
3
Лисенко Н.А., Клочихiн В.В., Наумик В.В. Досл1дження якост1 заготовки з жаромщного н1келевого сплаву для монокристал1чного лиття CMSX-4PLUS (США)
Яюсть матерiалу прутково'1' заготовки з жаромщного нiкелевого сплаву CMSX-4 PL US (США) eidnoeidae вимогам ISO 17025 та mexHi4Huxумов фiрми-вирoбникa. Умaтерiaлi до^джено'1' заготовки грубi забруднення металу у виглядi nлiвoк, великих частинок шлакових вкраплень i ïx скупчень не виявлет. Оксиднi включення зустрiчaються практично тшьки в перифершнш зот верхньо'1' частини заготовки. Мжроструктура фрaгментiв прутково'1' заготовки зi сплаву CMSX-4 PLUS характерна для литого стану високолегованих жаромщних нiкелевиx сnлaвiв.
Ключовi слова: жаромщний ткелевий сплав, xiмiчний склад, макроструктура, кристaлiзaцiйнi зони, iзoляцiя, мжропористкть, неметaлевi вкраплення, мжроструктура.
Lysenko N., Klochikhin V., Naumyk V. Investigation of the high-temperature nickel alloy for single-crystal casting CMSX-4PLUS (USA) billet quality
The quality of the bar billet material from the heat-resistant nickel alloy CMSX-4 PLUS (USA) complies with the requirements of ISO 17025 and the technical conditions of the manufacturer. In the material of the investigated billet, gross contamination of the metal in the form of a captive, large particles ofslag inclusions and their clusters was not detected. Oxide inclusions are found practically only in the peripheral zone of the upper part of the billet. The microstructure of the fragments of the bar stockfrom the alloy CMSX-4 PL US is typical for the cast state of high-alloy, high-temperature nickel alloys.
Key words: heat-resistant nickel alloy, chemical composition, macrostructure, crystallization zones, liquation, microporosity, non-metallic inclusions, microstructure.
