Исследование методом calphad влияния отношения вольфрама к кремнию на фазовый состав и характеристические температуры кобальтового сплава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.245.018.044:620.193.53

Т.В. ТИХОМИРОВА, С.В. ГАЙДУК

Государственное предприятие Запорожское машиностроительное конструкционное бюро «Прогресс» им. академика А.Г. Ивченко, Украина Запорожский национальный технический

университет, Украина

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ CALPHAD ВЛИЯНИЯ ОТНОШЕНИЯ ВОЛЬФРАМА К КРЕМНИЮ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ КОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА

Представлено обоснование перспективы изучения кобальтовых сплавов и краткое сравнение существующих марок материалов. Представлены результаты расчета фазового состава промышленных сплавов ХТН-61 и В3К и опытных составов сплава на кобальтовой основе методом CALPHAD. Проанализированы результаты полученных расчетов и оценена эффективность данного метода. Расчетным CALPHAD-методом оценено влияние соотношения вольфрама к кремнию на фазовый состав и основные температурные характеристики кобальтового сплава В3К. Выполнен сравнительный металлографический анализ микроструктуры опытного сплава с микроструктурой существующих материалов.

Ключевые слова: износостойкие сплавы, жаропрочные кобальтовые сплавы; система легирования; фазовый состав; карбиды; характеристические температуры.

1. Введение

Сплавы на кобальтовой основе широко применяются для деталей авиационных двигателей европейских и американских компаний. Номенклатура разработанных сплавов достаточно широкая. При этом, по области применения кобальтовые сплавы можно условно разделить на две группы:

— группа конструкционных материалов. Кобальтовые сплавы этой группы используются для изготовления деталей горячего тракта, таких как лопатки сопловые и рабочие, про-ставки, демпферы. Своей популярностью эта группа сплавов обязана комплексу механических свойств и технологичности: прежде всего это жаростойкость и жаропрочность, хорошие литейные свойства и свариваемость;

— группа наплавочных материалов, так называемых стеллитов. Эта группа сплавов используется для восстановления профиля деталей после эксплуатации, местное изменение свойств — повышения твердости, износостойкости и прочности, как инструмента, так и конструкционных деталей [1].

Однако, при всей широте номенклатуры импортных кобальтовых сплавов, в отечественной промышленности номенклатура ограничена тремя марками — В3К, ХТН-61 и ХТН-62. Данная группа сплавов применяется в качестве износостойких пластин для наплавки и напайки на рабочие поверхности бандажных

полок рабочих лопаток турбины двигателей ГП «Ивченко-Прогресс» [2].

Применение наплавочных материалов позволяет не только восс°°°тановить геометрию детали после эксплуатации, но и изменить поверхностные свойства детали, в частности лопаток, сохраняя основные требуемые характеристики.

Ограниченная номенклатура отечественных износостойких стеллитов не позволяет расширить область применения кобальтовых сплавов: с одной стороны из-за высокой стоимости сплавов типа ХТН, с другой стороны из-за ограниченных температурных возможностей промышленного сплава В3К.

2. Формулирование проблемы

Сплавы ХТН-61 и ХТН-62 применяются в основном для рабочих лопаток 1-й ступени с рабочей температурой на бандажных полках 1050-1100 °С. Сплавы ХТН-61 и ХТН-62 обладают хорошими характеристиками износостойкости и прочности. Так, внедрение в промышленное производство напайки пластин из сплава ХТН-61 позволило увеличить ресурс лопаток в 2 раза с 3000 до 6000 часов.

Однако, практика показала, что в процессе эксплуатации поверхность паянных пластин или наплавок из сплава типа ХТН приобретает так называемый «губчатый» рельеф (рис.1 а), который является результатом окисления карбидов типа МС на основе ниобия. Губчатый

© Т.В. Тихомирова, С.В. Гайдук, 2014 - 206 -

рельеф является дефектом и требует удаления пластины или наплавки с последующим восстановлением геометрии поверхности.

Сплав В3К применяется как наплавка для восстановления геометрии рабочих лопаток, которые эксплуатируются при температуре не выше 800 °С . Наплавки из этого сплава после эксплуатации в горячих зонах сохраняют свою геометрию, имеют более равномерный износ и окисление (рис . 1б).

содержание хрома в составе сплава находится на 10% (по массе) ниже уровня легирования сплава В3К, что негативно сказывается на коррозионной стойкости сплава ХТН-61.

Таблица 1

Содержание основных легирующих элементов в составе промышленных сплавов ХТН-61 и В3К

Марка сплава Массовая доля содержания элементов, %

С Сг W № № Si А1 Мо Со

ХТН-61 1,71,9 19,021,0 2,73,3 - 15,016,0 - 0,8 -1,2 1,8 -2,2 Осн.

В3К 1,01,3 28,032,0 4,05,0 0,52,0 - 2,02,75 - - Осн.

б

Рис. 1. Внешний вид контактных торцев рабочих лопаток 1-й ступени после эксплуатации: а — наплавка ХТН-61; б — наплавка В3К

Структура современных жаропрочных кобальтовых сплавов представляет собой аусте-нитную матрицу (твердый раствор) и различные карбидные и интерметаллидные фазовые выделения.

Анализируя химический состав (табл. 1) промышленных марок В3К и ХТН-61, видно, что данные материалы имеют разный уровень легирования тугоплавкими элементами, а также различный уровень температурной работоспособности, так как данные сплавы предназначены для различных условий эксплуатации.

Из табл. 1 видно, что сплав В3К имеет более высокое содержание хрома, в сравнении со сплавом ХТН-61, что обеспечивает более высокую жаростойкость и коррозионную стойкость. При этом сплав В3К имеет более низкое содержание углерода и сравнительно невысокое содержание тугоплавких легирующих элементов, влияющих на уровень температуры плавления твердого раствора. Карбиды и силициды, образующиеся в структуре сплава, более устойчивы к окислению при эксплуатации.

Сплав ХТН-61 более легирован, в сравнении со сплавом В3К, за счет чего имеет более высокую температуру эксплуатации. Повышение износостойкости этого сплава достигается за счет выделения карбидов типа МС на основе ниобия. Однако карбиды ниобия не обладают достаточной жаростойкостью и в процессе эксплуатации окисляются, что привдолит к образованию губчатого рельефа (рис. 2). При этом

а б

Рис. 2. Окисление наплавленного материала: а — сплав ХТН-61; б — сплав В3К

3. Анализ химического и фазового состава

В связи с расширяющимися потребностями в области наплавочных материалов, в данной работе с применением расчетного метода САЬРИАБ [3] исследовано и оценено влияние соотношения вольфрама к кремнию в сплаве В3К (средний уровень легирования) на фазовый состав и характеристические температуры. Исследования были проведены с целью повышения температурной работоспособности сплава В3К, при улучшении комплекса технологических и служебных характеристик.

Для повышения рабочей температуры сплава В3К предложено повышение в его составе соотношения вольфрама к кремнию W/Si с целью повышения термодинамической стойкости и стабильности фаз.

Эффективность метода САЬРИАБ заключается в достаточно быстром получении необходимого объема достоверной информации по расчетному прогнозированию термофизических процессов, основанных на надежных физических принципах, что имеет ряд значительных преимуществ по сравнению с результатами, получаемыми статистическими методами [4]. Расчеты, полученные методом компьютерного моделирования, позволяют без многократных промежуточных экспериментальных плавок выбрать оптимальный химический состав с необходимыми структурными параметрами. Данный подход позволяет существенно сократить количество экспериментов, дорогостоящие материалы и промышленные ресурсы, а также затраты времени на научные исследования.

Таблица 2

Среднее содержание основных легирующих элементов в исследованных составах

Марка сплава Массовая доля содержания элементов, %

С Со Сг № W Si КЪ Л1 Мо

В3К 1,2 60,7 30,0 1,2 4,5 2,4 - - -

1 1,2 58,8 30,0 2,0 5,0 3,0 - - -

2 1,2 58,3 30,0 2,0 6,0 2,5 - - -

3 1,2 57,8 30,0 2,0 7,0 2,0 - - -

4 1,2 57,3 30,0 2,0 8,0 1,5 - - -

5 1,2 56,8 30,0 2,0 9,0 1,0 - - -

6 1,2 56,3 30,0 2,0 10,0 0,5 - - -

7 1,2 55,8 30,0 2,0 11,0 - - - -

ХТН-61 1,8 56,7 20,0 - 3,0 - 15,5 1,0 2,0

При охлаждении (кристаллизации) или нагреве в многокомпонентных кобальтовых сплавах протекает ряд фазовых превращений, определяющих фазовый состав и конечную структуру. Структура и химический состав фаз предопределяют температурные интервалы протекания основных фазовых превращений, к которым относятся плавление у-твердого раствора, растворение или выделение карбидов различного типа, неравновесных эвтектических выделений.

Компьютерное моделирование процессов охлаждения (кристаллизации) для конкретного состава осуществлялось от температуры жидкого состояния (1400 °С) до комнатной температуры (20 °С), либо при нагреве в обратном порядке, с температурным шагом 10 °С внутри всего температурного диапазона.

Пошаговое изменение соотношения W/Si в исследуемом диапазоне легирования вольфрамом W (5,0-11,0)% с шагом 1% и кремнием Si (0,0-3,0%) с шагом 0,5% по массе, позволило рассчитать влияние данного соотношения на фазовый состав и характеристические температуры выделения или растворения фаз индивидуально для конкретного опытного состава. Для получения прогноза химического состава фаз выполнены сравнительные расчеты СЛЬРНЛБ- методом [3] индивидуально для каждого опытного состава. Наиболее вероятный фазовый состав опытных сплавов и их характеристические температуры представлены в таблицах 3-7, в сравнении со сплавами В3К и ХТН-61.

Из таблицы 3 видно, что фазовый состав исследованных сплавов отличается. Так, в сплаве ХТН-61 у-твердый раствор упрочнен в основном карбидами типа МС (16,2% по массе) на основе ниобия, следующего состава: КЪ — 89,15%; С — 10,85%, при этом при кристаллизации вероятно выделение небольшого количества

^-фазы (3,4%). Температура полного растворения карбидов данного типа составляет ~ 1350 °С, что выше температуры солидус (1347 °С) для сплава ХТН-61. Поэтому работоспособность сплава ХТН-61 определяется уровнем ниже температуры плавления твердого раствора (солидус - ts) на 200-250 °С, что соответствует температурному диапазону 1050-1100°С.

Расчеты показали, что в исходном сплаве В3К - твердый раствор упрочнен в основном карбидами типа М23С6 на основе хрома (17,8%), при этом вероятно выделение карбидов типа М6С (7,9%) на смешанной основе. Температуры полного растворения карбидов данных типов составляют 1009 °С и 1241 ° С соответственно (табл. 3, 5-7), что ниже температуры плавления твердого раствора (солидус 1276 °С). Поэтому работоспособность сплава В3К определяется температурным уровнем ниже полного растворения карбидов основного типа М23С6 (1009 °С) на 200-250 °С, что составляет 750-800 °С.

Анализ результатов фазового состава опытного сплава №6, содержащим вольфрама 10% и кремния 0,5% по массе показал, что у-твердый раствор упрочнен в основном карбидами типа М23С6 на основе хрома (30,9%) по массе, при этом в структуре практически отсутствуют карбиды типа М6С (табл. 3).

Таблица 3

Расчетный фазовый состав опытных сплавов

Фаза, % № опытного состава

В3К 1 2 3 4 5 6 7 ХТН-61

74,3 73,1 73,0 72,9 72,0 68,5 68,5 67,9 69,4

МС 16,2

М.А 17,8 15,8 17,1 18,2 21,8 27,1 30,9 22,6 1,6

М6С 7,9 11,1 10,0 8,9 6,3 4,4 0,6 - -

9,6 3,4

Таблица 4 Расчетный состав у-твердого раствора

№ сплава Состав у-твердого раствора, % (по массе)

Сг № W Si Со Л1 Мо

В3К 20,6 1,5 0,9 1,9 75,1 - - -

1 21,7 2,6 0,7 2,1 72,9 - - -

2 21,5 2,6 1,1 1,9 72,9 - - -

3 21,2 2,6 1,8 1,6 72,8 - - -

4 20,5 2,7 2,5 1,4 72,9 - - -

5 19,4 2,9 2,8 1,2 73,7 - - -

6 19,4 2,4 3,6 0,7 73,9 - - -

7 19,4 2,3 4,3 74,0 - - -

ХТН-61 17,9 3,9 - 74,1 - 2,3 1,8

Таблица 5

Расчетный состав карбидов типа М23С6

№ сплава Химический состав карбидов М23С6, % (по массе)

С Сг W Мо Со

В3К 5,47 76,13 - 2,72 - 15,68

1 5,49 77,43 - 2,27 - 14,72

2 5,44 76,48 - 3,50 - 14,49

3 5,38 75,29 - 5,10 - 14,23

4 5,32 74,11 - 6,50 - 14,07

5 5,32 73,35 - 6,60 - 14,73

6 5,29 73,06 - 7,23 - 14,42

7 5,31 73,52 - 6,89 - 14,28

ХТН-61 5,04 57,2 0,57 0,57 19,17 17,45

Таблица 6 Расчетный состав карбидов типа М6С

№ сплава Химический состав карбидов М6С, % (по массе)

С Сг N1 W 81 Со

В3К 2,83 14,40 0,55 42,32 11,92 27,98

1 2,99 16,79 0,98 37,40 12,88 28,95

2 2,72 12,78 0,89 46,00 11,13 26,49

3 2,46 9,56 0,83 53,76 9,22 24,17

4 2,27 7,62 0,83 59,21 7,61 22,46

5 - - - - - -

6 - - - - - -

7 - - - - - -

ХТН-61 - - - - - -

Таблица 7

Расчетные значения характеристических температур для опытных сплавов

№ состава Характеристические температуры, °С

ч. МС М23С6 М6С

В3К 1315 1276 - 1009 1241

1 1296 1274 - 1002 1274

2 1303 1272 - 1054 1273

3 1311 1269 - 1108 1269

4 1318 1267 - 1164 1224

5 1326 1267 - 1213 -

6 1334 1267 - 1255 -

7 1342 1267 - 1272 -

ХТН-61 1370 1347 1350 677 -

став №6, содержащий вольфрам 10% и кремний 0,5% по массе.

Для сравнительных металлографических исследований были проведены плавки образцов из опытного состава №6 и сплавов В3К, ХТН-61 в соответствии с серийной технологией. Термическая обработка (ТО) образцов опытного состава №6 проводилась по режиму для сплава В3К при 1230 °С. Для образцов сплава ХТН-61 термообработка проводилась при 1270 °С.

На рис. 3 представлены микроструктуры исследованных сплавов В3К, опытного состава №6 и ХТН-61 после соответствующих режимов ТО.

Металлографические исследования показали, что в структурах исходных сплавов В3К, ХТН-61 и в опытном составе №6 в литом состоянии ^-фаза не идентифицирована. При этом, расчеты СЛЬРНЛБ-методом фазового состава исследованных сплавов показали хорошую согласованность с металлографическими данными.

Расчеты состава фаз показали, что в структуре образцов опытного состава №6 за счет увеличения. В тоже время, в опытном составе №7, содержащем вольфрам 11% по массе, без кремния, вероятно выделение в процессе кристаллизации ц-фазы следующего состава: N1 - 4,16%; Со - 26,44%; Сг - 1,80%; W — 67,60%. Для обеспечения структурной стабильности верхний предел легирования вольфрамом в сплаве В3К должен быть ограничен 10,5% по массе. Таким образом, наиболее оптимальным, с точки зрения структурной и фазовой стабильности, является опытный со-

Рис. 3. Микроструктура исследованных сплавов после термической обработки (х200):

а — сплав В3К; б — состав № 6; в — сплав ХТН-61

4.Выводы

1. Результаты расчета фазового состава и химического состава фаз для опытного состава №6 и сплавов В3К и ХТН-61, полученные методом СЛЬРНЛБ, хорошо согласуются с результатами металлографических исследований.

2. Установлено, что оптимальное соотношение W/Si достигается в опытном составе №6, содержащем вольфрама 10% и кремния 0,5% по массе, что позволяет повысить температурный уровень работоспособности сплава В3К на 200250 °С, что составляет 1000-1050 °С. При этом верхняя граница легирования вольфрамом не должна превышать 10,5% по массе.

3. Дальнейшее увеличение соотношения W/Si за счет повышения содержания вольфрама

в

может привести к снижению структурной и фазовой стабильности .

Литература

1. Суперсплавы II: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок [Текст]/ Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля У.К.: Пер с англ. в 2-х книгах. Кн. 1/ Под ред. Шалина P.E. — М.: Металлургия, 1995. - 384 с.

2. Сравнительные характеристики сплавов для упрочнения бандажных полок рабочих лопаток [Текст] / Пейчев Г.И., Замковой B.E., Андрейченко Н.В. // Двигатели и энергоустановки аэрокосмических летательных установок.- 2010.- №9. - С. 102-105.

3. Saunders N. The Application of CALPHAD Calculations to Ni-Based Superalloys [Текст] / N. Saunders, M. Fahrmann, C.J. Small // In «Superalloys 2000» eds. K.A. Green, T.M. Pollock and R.D. Kissinger. - TMS. - Warrendale. - 2000.

- p. 803.

4. Горбачев И.И. Термодинамическое моделирование системы Fe-V-Nb—C—N на основе CALPHAD-метода [Текст] / И.И. Горбачев,

B.В. Попов // ФММ. - 2011. - №5. -

C. 518-525.

5. Попов В.В. Анализ растворимости карбидов, нитридов и карбонитридов в сталях методами компьютерной термодинамики [Текст] / В.В. Попов, И.И. Горбачев // ФММ. - 2005.

- №3. - С. 69-82.

Поступила в редакцию 20.06.2014

Т.В.Тихомирова, С.В.Гайдук. Дослщження методом calphad впливу стввщношення вольфраму до кремшцю на фазовий склад та характеристичш температури кобальтового сплаву

Представлене обгрунтування перспективи вивчення кобальтових сплавав та коротке пор1вняння ¿снуючих марок матер1ал1в. Виконан розрахунок фазового складу промисло-вих сплавав ХТН-61 i В3К та досл1дних складов сплаву на кобальтовой основ1 методом CALPHAD. Проаналiзованi отримаш результати та виконана оцтка ефективностi цього методу. Розрахунковим CALPHAD-методом виконана оцтка та аналiз впливу спiввiдношення вольфраму до кременцю на фазовий склад та основы температуры характеристики кобальтового сплаву В3К за допомогою розрахункового CALPHAD-метода. Виконан порiвняльний металографiчний аналiз мкроструктури до^дного сплаву з мкроструктурой снуючих матерiалiв.

Ключов1 слова: зносостшm сплави, жаромщш кобальтовi сплави, система легування, фазовий склад, карбiди, характеристичш температури.

T.V. Tykhomyrova, S.V.Gayduk. Research of influence of the relation of tungsten to silicon on phase structure and characteristic temperatures of the cobalt alloy by method calphad

There is presented the substantiation of prospect of studying of cobalt alloys and short comparison of existing industrial cobalt alloys. A phase structures of industrial alloys HTN-61 and V3K and skilled structures of an alloy on a cobalt basis is calculated by method CALPHAD. Results of the spent calculations are analyzed and efficiency of the given method is estimated. The settlement CALPHAD-method estimates influence of a parity of tungsten to silicon on phase structure and the basic temperature characteristics of cobalt alloy V3K. It is executed comparative metallographic analysis of a microstructure of a skilled alloy with a microstructure of existing materials.

Key words: high-temperature strength cobalt alloy, wear resistance alloy, alloysystem, phase composition, carbide, characteristics tempratures.