CC BY
49
УДК 669.017.165:669.245
Э.Г. Аргинбаева1, Р.М. Назаркин1, А.В. Шестаков1, Ф.Н. Карачевцев1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-3-8-13
Представлены результаты исследований интерметаллидныхренийсодержащих сплавов на основе никеля нового поколения марок ВИН1 и ВИН4 с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации [111] после термической обработки, проведенной по одной схеме. Непродолжительный высокотемпературный отжиг в интервале температур от 1250 до 1290°С оказал влияние не только на структурно-фазовое состояние интерметаллидных никелевых сплавов, но и на время до разрушения при испытаниях на длительную прочность, а также стабильность полученных результатов.
Ключевые слова: интерметаллид, никель, монокристалл, термическая обработка, жаропрочность, структура, кристаллографическая ориентация, период кристаллической решетки, мисфит у/у'.
The article presents the results of studies of intermetallic rhenium-containing nickel-based alloys of new generation of VIN1 and VIN4 grades with a single crystal structure in the desired crystallographic orientation [111] after heat treatment carried out according to the same scheme. The short high-temperature annealing in the temperature range from 1250 to 1290°C had an impact not only on the structural-phase state of the intermetallic nickel alloys, but also on time to failure during creep-rupture tests and consistency of the obtained results.
Keywords: intermetallic, nickel, single-crystal, heat treatment, high-temperature strength, structure, crystallographic orientation, lattice spacing, misfit y/y'.
"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]
Введение
Современные реалии диктуют все более жесткие требования к созданию изделий нового поколения гражданской, военной и специальной техники длительного ресурса эксплуатации. Наиболее ответственными деталями газотурбинных двигателей (ГТД) являются лопатки турбин высокого и низкого давления (ТВД, ТНД). Сопловые лопатки ТВД «принимают» на себя основной тепловой удар рабочего газа двигателя, выходящего из камеры сгорания. Необходимость повышения технических характеристик ГТД, таких как мощность и эффективность использованиям топлива, в том числе за счет роста полноты его сгорания, ставит перед материаловедами задачи по разработке новых конструкционных материалов с рабочими температурами, превышающими таковые для серийных жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6У, ЖС26 и ЖС32.
Интерметаллидные сплавы на основе соединения №3А1, термически стабильные до температур 1200-1250°С, - один из ближайших перспективных классов материалов для замены жаропрочных никелевых сплавов с рабочими температурами до 1050-1100°С. Интерметаллидные сплавы благодаря сочетанию высоких характеристик жаропрочности и жаростойкости рекомендуются
для таких ответственных деталей ГТД, как рабочие и сопловые лопатки, сопловые аппараты, а также створки и проставки сопла, элементы камеры сгорания и др.
Следует отметить, что сведений о современных зарубежных сплавах-аналогах на основе ин-терметаллида никеля немного. Активно в данном направлении работают китайские ученые. Наиболее известными аналогами являются сплавы марок 1С-438, 1С6 и IC6SX с рабочими температурами до 1100°С. Данные сплавы имеют простую систему легирования: №-А1-Мо. Высокое содержание Мо (~10% (по массе)) дает исследователям этих материалов стимул проводить дополнительные изыскания в области высокотемпературной термической обработки для снижения ликвацион-ной неоднородности и повышения показателей длительной прочности.
Условно поделив отечественные интерметал-лидные сплавы на поколения, можно отметить, что серийные сплавы первого и второго поколения, такие как ВКНА-1В, ВКНА-4У и др., имеют относительно простую систему легирования (№-А1-0—Л-Мо) и традиционно не подвергаются высокотемпературной термической обработке, формирующей структуру, в отличие от жаропрочных никелевых сплавов. Для этих сплавов
рекомендованы режимы термической обработки лишь для снятия поверхностных напряжений. Упрочнение твердого раствора никеля (у-фаза) интерметаллидных сплавов следующего поколения серии ВИН (ВИН1, ВИН2, ВИН3, ВИН4) такими тугоплавкими химическими элементами, как рений и тантал, оказало влияние на фазовый состав и структурно-фазовое состояние сплавов. Это привело тому, что при изготовлении полуфабрикатов обязательной ступенью технологического процесса является проведение термической обработки [1-5]. Сплав ВИН1, несмотря на присутствие в составе рения - до 1,5% (по массе), проходит непродолжительную термическую обработку при температуре 1000°С. Ранее проведены исследования, которые показали, что сплав ВИН1 не претерпевает значительных структурных изменений, в связи с чем был рекомендован режим, позволяющий лишь снизить поверхностные напряжения после литья или механической обработки - при этом структурно-фазовое состояние сплава осталось без внимания.
Авторами ранее проведены исследования влияния трех видов режимов термической обработки на сплав марки ВИН4 - в том числе гомогенизирующего отжига при температуре 1250°С в течение 5 ч. Согласно результатам исследований, подобный режим термической обработки способствовал повышению мисфита у/у' до значений 0,65% и равномерному выделению частиц упрочняющей ук-фазы с периодом кристаллической решетки а=0,361 нм, содержащей тугоплавкие химические элементы Re и Мо. Это привело к росту показателей длительной прочности [6].
В данной статье авторами предпринята попытка провести параллель между режимами проведения термической обработки двух интерметаллидных никелевых сплавов нового поколения серии ВИН.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 7.3. «Интер-металлидные никелевые сплавы и композиционные материалы на их основе» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [7, 8].
Материалы и методы
Объектом исследований являлись интерметал-лидные №3А1 сплавы нового поколения марок ВИН1 и ВИН4.
Предварительно составы сплавов рассчитывали с помощью компьютерного метода моделирования для получения сбалансированного фазового и химического составов [9-11]. Согласно данному методу, сплавы, имеющие показатель дисбаланса легирования в пределах -0,02<ДЕ<0,02, сбалансированы, склонность к выделению топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз не велика.
Шихтовые заготовки из этих сплавов выплавляли вакуумным индукционным методом на опытно-промышленной установке УЛМ-50. Хими-
ческий состав сплава ВИН1 определяли рентгено-флуоресцентным методом на оптико-эмиссионный спектрометре ARL 4460, а сплава ВИН4 - атомно-эмиссионным методом на спектрометре Varian 730 ES с индуктивно-связанной плазмой. Содержание углерода, серы, кислорода и азота в исследуемых сплавах определяли на газоанализаторе ТС-600. Далее литье интерметаллидных сплавов с монокристаллической структурой заданной КГО [111] проводили методом LMC (Liquid metal cooling) с применением затравки на опытно-промышленной установке УВНК-9А (с алюминием в качестве жидкометалли-ческого охладителя) [12].
Отливки интерметаллидных сплавов оценивали по макроструктуре. Прошедшие эту стадию контроля отливки подвергали рентгеноструктур-ному контролю. Рентгеносъемку стартовых конусов осуществляли на поперечных шлифах с помощью дифрактометра ДРОН-3 по методике ВИАМ. Годными по кристаллографической ориентации принимали отливки, стартовые конуса которых имеют угол отклонения а требуемого кристаллографического направления от вертикальной оси заготовки не более 10 град и у которых отсутствуют большеугловые границы, при этом имеются малоугловые границы, разделяющие блоки структуры. Допускаемая разориента-ция между блоками Да в отливках из сплавов ВИН1 и ВИН4 составляла <2-3 град.
Таким образом, только годные по структуре и ориентации отливки принимались для дальнейших исследований.
Критические температуры исследуемых сплавов - солидус (TS) и ликвидус (TL) - определяли методом дифференциального термического анализа (ДТА) на калориметре DSC 404 Fl Pegasus.
Структурные исследования проводили методами растровой микроскопии на растровом электронном микроскопе JSM-840, определение показателей структурно-фазового состояния (объемное содержание и периоды кристаллических решеток Y и у-фаз) - дифрактометрическим методом на установке ДРОН-3М с использованием компьютерной программы «Outset». Объемное содержание фаз определяли после разделения фаз на рентгенограмме по величине занимаемой площади. При этом размерное несоответствие периодов кристаллических решеток оценивали по формуле Вульфа-Брэгга [13, 14]:
D=(ay-ay<)/ay,
где aY - период решетки у-фазы; ay - период решетки у'-фазы.
Испытания при растяжении с определением показателей длительной прочности проводили по стандартной методике согласно ГОСТ 10145-81 «Металлы. Метод испытания на длительную прочность» на компьютеризированных стендах ZST2/3-ВИЭТ [15].
Результаты исследований
Расчет состава исследуемых интерметаллид-ных сплавов ВИН1 и ВИН4 проведен таким образом, что показатели дисбаланса легирования АЕ для сплавов составляли: 0 и 0,006 соответственно. Таким образом, условие баланса фазового состава исследуемых сплавов соблюдено.
Критические температуры интерметаллидных сплавов приведены в табл. 1, где Тз и Ть - температуры солидус и ликвидус соответственно, Тпр -температура полного растворения у'-фазы.
Увеличение суммарного содержания тугоплавких легирующих элементов - в составе сплава ВИН4 присутствует тантал - отразилось на интервале кристаллизации: 74°С для сплава ВИН4 против 36°С для сплава ВИН1. Тантал и увеличенное количество титана привели к росту температуры полного растворения Тпр, а также к повышению объемной доли у'-фазы в сплаве ВИН4 до 89% (по массе).
Незначительная разница в значениях температуры Тпр дала основания проводить исследования при одних температурных режимах. Монокристаллы интерметаллидных сплавов ВИН1 и ВИН4 прошли термическую обработку (ТО) по следующим параметрам:
- режим 1 - гомогенизирующий отжиг при температуре Тпр-(Ш^20)°С в течение 5 ч, охлаждение до 800°С с печью, далее на воздухе;
- режим 2 - гомогенизирующий отжиг при температуре Тпр+(0^10)°С в течение 5 ч, охлаждение до 800°С с печью, далее на воздухе;
- режим 3 - гомогенизирующий отжиг при температуре Тпр+(20^30)°С в течение 5 ч, охлаждение до 800°С с печью, далее на воздухе.
Исследования влияния термической обработки на интерметаллидный сплав ВИН1
Для сплава ВИН1 определены структурные параметры: периоды кристаллических решеток и объемное содержание у'- и у-фаз, мисфит у/у', а
также время до разрушения при испытаниях на жаропрочность. Рентгеноструктурный анализ позволил установить, что повышение температуры проводимого отжига привело к изменению параметра кристаллической решетки у-фазы. После сравнения данных для образцов из сплава ВИН1 замечен подъем значений параметра кристаллической решетки у-фазы по отношению к параметру для литого сплава на 0,14; 0,17 и 0,19% соответственно после термической обработки по режимам 1 , 2 и 3. В то же время значение параметра кристаллической решетки у'-фазы остается неизменным, что повлекло повышение значения мисфита у/у': на 28; 32 и 38% (т. е. до 0,67%) после обработки по исследуемым режимам.
Помимо изменений тонкой структуры, после термической обработки меняется и ресурс образцов (табл. 2).
Проведены исследования микроструктуры сплава ВИН1 после испытаний на длительную прочность (рис. 1). Анализ микроструктуры показал, что после термической обработки по всем проведенным режимам в прослойках у-фазы произошло типичное для жаропрочных никелевых сплавов выделение вторичной повышающей жаропрочность у'-фазы, состав сплава остался двухфазным.
Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что структурно-фазовые параметры образцов сплава после испытаний не претерпели изменений - мисфит у/у' как в рабочей части образца, так и в головке остался на уровне мисфита сплава после термической обработки (0,67-0,69) [6].
Незначительный разброс в значениях времени до разрушения сплава ВИН1 после термической обработки по режиму 3 и отсутствие колебаний мисфита у/у' в рабочей части и головке образца после испытаний свидетельствуют о стабильности фазового состава сплава и правильности подобранного режима термической обработки - Тпр+(20^30)°С продолжительностью 5 ч.
Критические температуры сплавов ВИН1 и ВИН4
Таблица 1
Сплав Тз, °С Ть, °С Т °С 1 И.р5 С
ВИН1 1344 1380 1260
ВИН4 1310 1384 1270
Состояние сплава
Время до разрушения, ч
Литое
После термообработки по режиму: 1 2 3
170±15
160±90 185±65 240±10
Таблица 2
Результаты испытаний интерметаллидного сплава ВИН1 на длительную прочность при температуре 1100°С и нагрузке 100 МПа
Рис. 1. Микроструктура рабочей части образцов из сплава ВИН1 после термической обработки и испытаний на длительную прочность (х^10 0ОМПа ) по режимам 1 (а), 2 (б) и 3 (в)
Периоды кристаллических решеток и объемное содержание у'- и у-фаз, мисфит у/у' интерметаллидного сплава ВИН4
Таблица 3
Состояние сплава Период кристаллической решетки а, нм Мисфит у/у', % Объемное содержание, %
у'-фазы у-фазы у-фазы у'-фазы
Литое 3,578 3,589 0,31 8,0 92,0
После термообработки
по режиму:
1 3,579 3,596 0,47 6,9 93,1
2 3,580 3,600 0,56 6,8 93,2
3 3,578 3,600 0,61 5,6 94,4
Таблица 4
Результаты испытаний интерметаллидного сплава ВИН4 на длительную прочность при температуре 1100°С и нагрузке 100 МПа
Состояние сплава Время до разрушения, ч
Литое 125±5
После термообработки по режиму:
1 190±35
2 190±15
3 165±20
Исследования влияния термической обработки на интерметаллидный сплав ВИН4 Исследования структурно-фазовых параметров сплава ВИН4 после термической обработки по трем режимам подтвердили общую тенденцию роста мисфита у/у' никелевых сплавов (табл. 3). Согласно данным, приведенным в табл. 4, ре-
жим термообработки 3, несмотря на ощутимое повышение мисфита в сравнении с первыми двумя режимами, не обеспечивает роста длительной прочности сплава.
Исследования образцов методом рентгено-структурного анализа после испытаний показали, что вне зависимости от режима значения мисфита
Рис. 2. Локальный химический анализ образцов из сплава ВИН4 после термической обработки по режиму 3 и испытаний на длительную прочность (т1100омш =187 ч): б, д - межосное пространство; в - ось дендрита
у/у' термически обработанного сплава ВИН4 находятся в одном диапазоне со значениями мисфита в головке образца. При этом мисфит у/у' в рабочей части образца на 15-20% меньше, чем в головке. Можно сделать предположение: ввиду того, что в рабочей части образца сплав испытывает повышенные напряжения от температуры и приложенной нагрузки, диффузионные процессы протекают активнее, чем в головке образца. Это подтверждает анализ проведенных металлографических исследований (рис. 2).
На рис. 2, а-в приведена микроструктура образца после термической обработки и испытаний, выделены спектры: 46 - у'-фаза в межосном пространстве, 47 -ось дендрита у/у', пронизанная пластинами фазы, содержащей тугоплавкие химические элементы.
Более подробно проанализировать частицы с тугоплавкими элементами можно по результатам, представленным на рис. 2, г, д. Фазы, содержащие тугоплавкие легирующие элементы Re, Мо и W, - области спектров 40 и 43, выделяются в осях дендритов у/у', обедняя у-твердый раствор.
Ранее проведенные исследования продемонстрировали выделение подобных фаз, идентифицированных как фаза ук [6]. Как правило, фаза ук, упрочняющая интерметаллидные сплавы, имеет больший, чем у у-фазы период кристаллической решетки. Однако неравномерность расположения и значительная разница в размерах частиц ук-фазы дают основания полагать, что наблюдаемая структура оказывает неоднозначное влияние на долговечность сплава - повышение времени до разрушения с ростом разброса значений.
Очевидно, что к подбору температурно-временных параметров термической обработки интерметаллидного сплава ВИН4 необходимо подходить более внимательно. Вероятно, стоит обратить внимание на двухступенчатую обработку, применяемую для классических жаропрочных никелевых сплавов.
Обсуждение и заключения
Проведенные исследования подтвердили, что, несмотря на высокое содержание термически стабильной у'-фазы, усложнение легирования интерметаллидных сплавов путем повышения
количества тугоплавких легирующих элементов, так же как и для традиционных жаропрочных никелевых сплавов, вносит значительные коррективы в выбор параметров термической обработки.
Так, незначительный разброс в результатах испытаний на длительную прочность образцов из интерметаллидного сплава ВИН1 после термической обработки (в отличие от сплава ВИН4) и стабильность значений мисфита у/у' после высокотемпературных испытаний свидетельствуют о стабильности фазового состава и правильности подобранного режима термической обработки -отжиг при температуре 1250°С в течение 5 ч. В то же время исследования для выбора подходящей термической обработки для сплава марки ВИН4 необходимо продолжить.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-38-00260 «Исследование закономерностей формирования структурно-фазового состояния жаропрочных литейных интерметал-лидных сплавов на основе никеля после различных режимов термической обработки».
ЛИТЕРАТУРА
1. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Фесенко Т.В., Ко-лодочкина В.Г. Исследование влияния ликвацион-ной неоднородности на структуру и долговечность интерметаллидных сплавов на основе никеля // Материаловедение. 2014. №6. С. 7-12.
2. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерметаллидные сплавы // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57-60.
3. Аргинбаева Э.Г., Базылева О.А., Тимофеева О.Б., Назаркин Р.М. Влияние термической обработки на структуру и свойства жаропрочного интерметал-лидного сплава на основе никеля // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2016. №3 (108). С. 55-68. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-3-55-68.
4. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Унчикова М.В., Костенко Ю.В. Влияние высокотемпературного отжига на структуру и свойства сплавов на основе интерметаллида NijAl // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2016. №1 (106). С. 112-122. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-1-112-122.
5. Каблов Е.Н., Бунтушкин В.П., Базылева О.А. Высокотемпературные конструкционные материалы на основе алюминида никеля // 75 лет. Авиационные материалы и технологии. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: юбил. науч.-технич. сб. М.: ВИАМ, 2007. С. 65-69.
6. Аргинбаева Э.Г. Влияние легирования, технологий литья и термической обработки на структуру и свойства интерметаллидных сплавов на основе никеля: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2014. 26 с.
7. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
8. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Стратегические направления развития конструкционных
материалов и технологий их переработки для авиационных двигателей настоящего и будущего // Автоматическая сварка. 2013. №10. С. 23-32.
9. Морозова Г.И. Компенсация дисбаланса легирования жаропрочных никелевых сплавов // МиТОМ. 2012. №12. С. 52-58.
10. Сплав на основе интерметаллида №зА1: пат. 2434068 Рос. Федерация; опубл. 20.11.11, Бюл. 2011. №32.
11. Сплав на основе интерметаллида №зА1 и изделие, выполненное из него: пат. 2256716 Рос. Федерация; опубл. 20.07.05, Бюл. 2005. №20.
12. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Шестаков А.В., Колядов Е.В. Структурные параметры и механические свойства интерметаллидного сплава на основе никеля, полученного методом направленной кристаллизации // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №12. Ст. 01. URL: http:// www.viam-works.ru (дата обращения: 25.08.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-12-1-1.
13. Самойлов А.И., Назаркин Р.М., Моисеева Н.С. Определение мисфита во фрагментированных монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №5. Ст. 02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 05.08.2016).
14. Моисеева Н.С., Назаркин Р.М. Межфазные напряжения в монокристаллических литейных никелевых жаропрочных сплавах // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №11. Ст. 01. URL: http:// www.viam-works.ru (дата обращения: 07.09.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-11-1-1.
15. Соловьев А.Е., Голынец С.А., Хвацкий К.К., Асла-нян И.Р. Проведение статических испытаний при растяжении на машинах фирмы Zwick/Roell // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №8. Ст. 12. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 15.09.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-812-12.
