CC BY
37
УДК 621.74:669.018.44
Э.Г. Аргинбаева, О.А. Базылева
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ*
Приведены результаты исследований анизотропии прочностных характеристик и микроструктуры интерметаллидных сплавов ВКНА-1В и ВКНА-25, отлитых с монокристаллической структурой разных кристаллографических ориентаций (КТО). Интерес представляют сравнительные исследования рассмотренных интерметаллидных сплавов - экономнолегированного высокотемпературного ВКНА-1В с рабочей температурой до 1250°C и жаропрочного ренийсодержащего ВКНА-25 с рабочей температурой до 1200°C. Установлено, что выбор КТО обусловлен условиями эксплуатации конкретной детали. Таким образом, у конструкторов появилась возможность выбора не только материала, но и технологии его производства, которая обеспечивала бы оптимальные значения физико-механических свойств.
Переход с серийных жаропрочных никелевых сплавов на интерметаллидные с низкой плотностью серии ВКНА позволит повысить рабочую температуру на 50-100°C и весовую отдачу двигателя, снизить эмиссию - выбросы COx, NOx, а также снизить стоимость шихтовой заготовки на 25-30%.
Ключевые слова: ВКНА, монокристаллические заготовки, кристаллографическая ориентация (КТО), микроструктура, интерметаллид Ni3Al, модуль упругости, длительная прочность.
Results of research of strength properties anisotropy and microstructure of single-crystal intermetallic alloys VKNA-1V and VKNA-25 with different crystallographic orientations, are described.
Of interest are the comparative research intermetallic alloys - low alloyed high-temperature VKNA-1 V, with working temperatures up to 1250°C and heat-resisting rhenium-containing VKNA-25 with working temperatures up to 1200°C.
It is established that the choice of crystallographic orientation due to working conditions of specific engine parts. Thus, the designer can choose as the material as its production technology, which would provide optimum physical and mechanical properties.
The replacement standard superalloys by intermetallic nickel alloys with low-density series VKNA will increase working temperature at 50-100°C and weight engine efficiency, reduce emissions of COx, NOx, as well as reduce the cost of batch ingots on 25-30%.
Key words: VKNA, single-crystal bars, crystallographic orientation, microstructure, intermetallic compound Ni3Al, elastic modulus, high-temperature strength.
* В работе принимали участие В.Г. Колодочкина и P.P. Байрамуков.
Эффективность газотурбинных двигателей определяется параметрами рабочего процесса. Одним из факторов, характеризующих уровень эффективности двигателя, является температура газа перед турбиной. Ее повышение приводит к увеличению тяги, а следовательно, к снижению удельной массы двигателя. Рост температуры перед турбиной при одновременном увеличении суммарной степени повышения давления позволяет получить не только высокие значения удельной тяги, но и низкие значения удельного расхода топлива [1].
Повышение КПД двигателя возможно при условии увеличения полноты сгорания топлива, т. е. повышения рабочей температуры камеры сгорания.
Успешное решение задачи по созданию перспективной конструкции газотурбинного двигателя невозможно без применения новых материалов и технологий изготовления.
Требования, предъявляемые моторостроительными предприятиями к материалам для горячей части газовоздушного тракта: рабочие температуры до 1250°С, высокая жаростойкость и техноло-
гичность, относительно малая плотность в сочетании с низкой стоимостью. Таким требованиям отвечают интерметаллидные сплавы, в которых количество у'-фазы (№3А1) составляет до 95%, как альтернатива применяемым никелевым сплавам, содержащим до 70% упрочняющей у'-фазы. Интерметаллидные сплавы на основе №3А1 благодаря химическому и фазовому составам имеют повышенные по сравнению с жаропрочными никелевыми сплавами рабочую температуру (до 1200-1250°С) и жаростойкость, низкую стоимость. Эти сплавы в меньшей степени легированы тяжелыми тугоплавкими элементами и, как следствие, обладают более высокими значениями удельной жаропрочности [2-5].
С целью расширения областей применения литейных жаропрочных интерметаллидных сплавов на основе №3А1 типа ВКНА в перспективных авиационных двигателях и установления ресурса работы узлов и деталей, изготовленных из этих материалов, исследована анизотропия комплекса физико-механических свойств.
Материалы и методика исследования
В качестве материалов (объектов) исследований использовали цилиндрические заготовки образцов из интерметаллидных сплавов на основе №3А с монокристаллической структурой кристаллографических ориентаций (КТО) <001 >, <011> и <111>.
Выплавку прутковых (шихтовых) заготовок исследуемых интерметаллидных сплавов проводили вакуумным индукционным (ВИ) методом в вакуумной индукционной печи при давлении в плавильной камере 5,33 Па (40 мкм рт. ст.), температуре слива металла 7,сл.Ме=71£+(120^130)°С Для последующей операции прутковые заготовки шлифовали на глубину 2-3 мм для снятия слоя, контактирующего с чугунными кокилями, и разрезали на мерные заготовки массой —3,5 кг.
Химический состав интерметаллидных сплавов определяли рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре ARL4460; содержание углерода, серы, кислорода и азота - на газоанализаторе ТС-600.
Монокристаллические заготовки под образцы для определения физико-механических характеристик интерметаллидных сплавов серии ВКНА отливали на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНС-5 с компьютерным управлением процессом [6-8]. Кристаллографическая ориентация (КТО) литых заготовок задается КТО монокристаллических затравок.
Макроструктуру полученных заготовок выявляли травлением в специально подготовленной смеси концентрированной соляной кислоты и перекиси водорода. После визуального контроля монокристаллические заготовки каждой из заданных ориентаций направляли на рентгеноструктур-ный контроль.
Рентгеносъемку стартовых конусов осуществляли на поперечных шлифах с помощью дифрак-тометра ДРОН-3 по разработанной методике. По результатам рентгеносъемки годными по ориентации считаются заготовки образцов, у которых стартовые конуса имеют угол отклонения (а) требуемого кристаллографического направления от вертикальной оси заготовки не более 10 град, отсутствуют большеугловые границы, однако имеются малоугловые границы, разделяющие блоки структуры. Допускаемая максимальная разориен-тация между блоками (Да) в заготовках под образцы из сплавов ВКНА-1В и ВКНА-25 составляла <2-3 град. Таким образом, определено отклонение каждой монокристаллической заготовки под образцы от заданного направления <001>, <011> или <111>. Годные монокристаллические заготовки, удовлетворяющие условиям а<10 град, Да<2-3 град, переданы на изготовление образцов для испытаний физико-механических свойств интерметаллидных сплавов серии ВКНА.
Микроструктуру исследуемых интерметаллидных сплавов анализировали на растровом микро-
скопе JSM-840 в поперечном сечении цилиндрической заготовки образца.
Статические испытания на растяжение с определением предела кратковременной прочности в соответствии с требованиями ГОСТ 1497 «Металлы. Методы испытания на растяжение» и ГОСТ 9651 «Металлы. Методы испытания на растяжение при повышенных температурах» на испытательных машинах ИР-5113 и времени до разрушения в соответствии с требованиями ГОСТ 10145 «Металлы. Метод испытания на длительную прочность» проводили на компьютеризированных стендах ZST2/3-BИЭT.
Результаты эксперимента и их обсуждение
Исследование микроструктуры интерметаллидных сплавов на основе №3А1 показало, что независимо от кристаллографической ориентации монокристаллическая заготовка имеет дендритно-ячеистое строение, оси дендритов состоят на 8085% (по массе) из интерметаллида №3А1 (у'-фаза), разделенного пластичными прослойками твердого раствора на основе никеля (у-фаза); межосное пространство заполнено у'-фазой. Пересыщен-ность твердого раствора у'-фазы в составе сплава ВКНА-25 привело к тому, что в межосном пространстве на подложке из у'-фазы также находится метастабильная интерметаллидная фаза с повышенным содержанием А1 (рис. 1) [9]. Морфология у'-фазы в осях дендритов изменяется в зависимости от КТО: для кристаллографической ориентации <001> она имеет форму квадрата, для КТО <111> - форму треугольника (рис. 1 и 2, б, е).
Свойства монокристаллических интерметаллидных, как и никелевых, сплавов определяются упругими характеристиками кристаллической решетки матрицы сплава в кристаллографических направлениях <001>, <011> и <111> [10, 11].
Испытания при растяжении с определением статического модуля упругости при температурах 20, 800, 900 и 1000°С интерметаллидных сплавов ВКНА-1В и ВКНА-25 в сравнении со значениями модуля упругости чистого соединения №3А1 подтвердили тенденцию поведения интерметаллида: при КТО <111> значения модуля упругости стабильно максимальные, при КТО <001> - минимальные (рис. 3) [12, 13]. Снижение значений статического модуля упругости при повышении температуры от 20 до 1000°С связано, по-видимому, с увеличением межатомного расстояния при повышении температуры. Причем для сплава ВКНА-25 значения модуля упругости при кристаллографических ориентациях <011> и <111> стабильно выше аналогичных показателей сплава ВКНА-1В, а также чистого №3А1. Эти результаты можно объяснить особенностями химических составов и влиянием степени легирования на упругие характеристики рассматриваемых сплавов. Рений, содержащийся в сплаве ВКНА-25 и упрочняющий у-фазу, предположительно вносит изменения в
Рис. 1. Микроструктура (а, в, д - *500; б, г, е - *10000) интерметаллидного сплава ВКНА-25 с КТО <001> (а, б), <011> (в, г), <111> (Э, е)
кристаллическую решетку и создает упругие напряжения.
Поведение интерметаллидных сплавов при растяжении показало, что комплексное воздействие перехода к более сложному кристаллографическому направлению от <001> к <011> и <111> и дополнительного легирования матрицы сплава способствует большему влиянию на значения статического модуля упругости и его отклонению от кривой значений для чистого соединения №3А1.
Отмечено, что значения кривой статического модуля упругости для интерметаллидных сплавов ВКНА-1В и ВКНА-25 с КГО <001> практически идентичны с аналогичной кривой для чистого соединения №3А1, предположительно при эксплуатации сплава ВКНА-1В с КТО <001> возникнут наименьшие термические напряжения.
Результаты испытаний интерметаллидных сплавов ВКНА-1В и ВКНА-25 подтверждают поведение монокристаллов жаропрочных сплавов при испытаниях на длительную прочность: макси-
о)
Рис. 2. Микроструктура (а, в, д - *500; б, г, е - *10000) интерметаллидного сплава ВКНА-1В с КТО <001> (а, б), <011> (в, г), <111> (Э, е)
мальные значения имеют образцы с КТО <111 >, минимальные - с КТО <001>, с КТО <011> - занимают промежуточное положение (рис. 4).
Установлено, что сплав ВКНА-25 с КТО <001> при температуре 1100°С на базах испытаний >500 ч имеет значения длительной прочности, близкие к значениям для сплава ВКНА-1В с КТО <111>, при температуре 1150°С - близкие к значениям для сплава ВКНА-1В с КТО <011>.
Сравнительный анализ результатов определения длительной прочности при температурах 1100-1150°С показал, что при 1100°С упрочнение спла-
вов достигается благодаря твердорастворному упрочнению и формированию макроструктуры типа «паркетная структура», которая, образуясь при ползучести монокристалла <111>, ограничивает движение дислокаций [14]; при температуре 1150°С - благодаря формированию макроструктуры, легированию «тяжелыми» тугоплавкими элементами, снижающими диффузионные процессы, и наличию упорядоченной структуры.
Таким образом, микроструктура интерметаллидных сплавов серии ВКНА имеет дендритно-ячеистое строение: оси дендритов на 80-85% (по
fS 350
Е
Я Ö
& 250
£
о
S «
150
В" S
I 50
---- — — _ ____
------ - — ........
200 400 600 800 Температура испытаний, °С
1000
Рис. 3. Статический модуль упругости сплавов
ВКНА-25 (- -) и ВКНА-1В (—), NijAl (.....) с КТО
<001> (—), <011> (-), <111> (-)
а)
б)
, МПа
160
120
80
40
\ \
is
Vvs^-— ___
200 400 600 800 Время до разрушения, ч
1000
140
100
60
20
, МПа
уч \__ '
200 400 600 800 Время до разрушения, ч
1000
Рис. 4. Длительная прочность сплавов ВКНА-25 (—) и ВКНА-1В (—) с КТО <001> (-), <011> (-), <111> (-) при температуре испытаний 1100 (а) и 1500°С (б)
массе) состоят из интерметаллида №3А (у'-фаза), разделенного прослойками твердого раствора на основе никеля (у-фаза). В межосном пространстве у сплава ВКНА-25 в отличие от сплава ВКНА-1В кроме у'-фазы наблюдается фаза с повышенным содержанием А1.
В исследуемом температурном диапазоне при кристаллографических ориентациях <011> и <111> значения модуля упругости сплава ВКНА-25 стабильно выше аналогичных показателей сплава ВКНА-1В, а также чистого №3А1. Предположительно при эксплуатации сплава ВКНА-1В с КГО <001> возникнут меньшие термические напряжения.
Комплексное воздействие кристаллографической ориентации, а также дополнительное легирование матрицы интерметаллидного сплава оказывают большее влияние на значения статического модуля упругости и его отклонения от значений №3А1.
Максимальные значения длительной прочности при температурах 1100 и 1150°С имеют образцы сплава ВКНА-25 с КГО <111>, минимальные - сплава ВКНА-1В с КГО <001>.
Таким образом, оптимальное сочетание эксплуатационных свойств деталей ГТД может быть подобрано конструкторами при выборе не только материала, но и технологий его производства.
0
0
0
ЛИТЕРАТУРА
1. Скибин В.А. Научный вклад в создание авиационных
двигателей. М.: Машиностроение. 2000. Т. 2. 750 с.
2. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю.
аропрочные литейные интерметаллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57-60.
3. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Ин-
терметаллидные сплавы на основе №зА1 //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №5. С. 27-29.
4. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Мате-
риалы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. №2. С. 13-19.
5. Поварова К.Б., Базылева O.A., Казанская Н.К., Дроз-
дов A.A. и др. Конструкционные жаропрочные сплавы на основе Ni3Al: получение, структура и свойства //Материаловедение. 2011. №4. С. 39-48.
6. Каблов E.H., Бондаренко Ю.А., Каблов ДЕ. Особен-
ности структуры и жаропрочных свойств монокри-
сталлов <001> высокорениевого никелевого жаропрочного сплава, полученного в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 25-31.
7. Каблов E.H., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Су-
рова В.А. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с монокристаллической и композиционной структурой //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 3-8.
8. Бондаренко Ю.А., Базылева О.А., Ечин А.Б., Су-
рова В. А., Нарский А.Р. Высокоградиентная направленная кристаллизация деталей из сплава ВКНА-1В //Литейное производство. 2012. №6. С. 12-16.
9. Морозова Г.И. Компенсация дисбаланса легирования
жаропрочных никелевых сплавов //МиТОМ. 2012. №12. С. 52-58.
10. Бадамшин И.Х., Кусова О.И. Температурная зависимость модуля упругости интерметаллидов TiAl и №зА1 - основных компонентов сплавов лопаток газовых турбин //Авиационная и ракетно-космическая техника. 2012. №5. С. 41-43.
11. Бадамшин И.Х. Прочность элементов конструкций из эвтектических композитов на основе электростатической природы упругости: Автореф. дис. д.т.н. 2010. 35 с.
12. Базылева О.А., Бондаренко Ю.А., Тимофеева О.Б., Хвацкий К.К. Влияние кристаллографической ориентации на структуру и физико-механи-ческие свойства интерметаллидного сплава ВКНА-1В //Металлургия машиностроения. 2012. №4. С. 8-12.
13. Аргинбаева Э.Г., Базылева О.А., Колодочкина В.Г., Хвацкий К.К. Влияние кристаллографической ориентации на структуру и физико-механические свойства интерметаллидного сплава на основе №3А1 //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 3-7.
14. Голубовский Е.Р., Светлов ПЛ. Температурно-временная зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов //Проблемы прочности. 2002. №2. С. 5-19.
