Исследования фазовых и структурных изменений, а также остаточных напряжений в процессе высокотемпературной ползучести в сплаве ВЖМ4 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

6. Белов Н.А., Алабин А.Н. Перспективные алюминиевые сплавы с повышенной жаропрочностью для арматуростроения как возможная альтернатива сталям и чугу-нам //Арматуростроение. 2010. №2. С. 50-54.

7. Belov N.A. Principles of Optimising the Structure of Creep Resisting Casting Aluminium Alloys Using Transition Metals //Journal of Advanced Materials. 1994. 1 (4). P. 321-329.

8. Белов H.А. Использование многокомпонентных диаграмм состояния для оптимизации структуры и состава высокопрочных литейных алюминиевых сплавов //Изв. вузов. Цветная металлургия. 1995. №1. С. 48-57.

9. Belov N.A., Alabin A.N., Eskin D.G., Istomin-Kastrovskiy V.V. Optimization of Hardening of Al-Zr-Sc Casting Alloys //Journal of Material Science. 2006. V. 41. P. 5890-5899.

УДК 669.018.44:669.24

И.А. Тренинков, A.A. Алексеев, Д.В. Зайцев, Е.В. Филонова

ИССЛЕДОВАНИЯ ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ, А ТАКЖЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ В СПЛАВЕ ВЖМ4*

Проведен системный анализ строения узлов обратного пространства кристаллической решетки. Определены кристаллографические плоскости (244) и (133), имеющие минимальные искажения, обусловленные остаточными напряжениями. Показано, что для определения периодов решеток у- и у '-фаз целесообразно использовать эти плоскости. Исследован характер изменения структуры в процессе высокотемпературной ползучести сплава ВЖМ4. Показано, что начиная с выдержки 200 ч в у-фазе формируется объемная дислокационная структура. При выдержках 400 и 500 ч она заполняет все пространство у-фазы. В образцах после испытаний на высокотемпературную ползучесть выявлена дислокационная структура в у'-фазе. При высокотемпературной ползучести выявлен процесс дополнительного распада, в результате которого выделяются нано-размерные ТПУ фазы. Определены остаточные напряжения в у- и у*-фазах.

Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, у- и у'-фазы, ползучесть, монокристалл, рентгеновская дифракция, рафт, ПЭМ, РЭМ, напряжение.

Современные никелевые суперсплавы представляют собой твердые растворы на основе никеля с ГЦК неупорядоченной структурой: у-фаза (матрица), упрочненная выделениями у'-фазы, являющейся легированным твердым раствором на основе интерме-таллида Ni3Al с упорядоченной ГЦК кристаллической структурой (L12) [1]. В настоящее время наиболее перспективными являются литые монокристаллические жаропрочные никелевые сплавы, легированные рением и рутением (в частности ВЖМ4) так как они позволяют повысить уровень рабочих температур и ресурс деталей [2].

Системный анализ

После полной термической обработки структура сплава ВЖМ4 представляет собой кубоидные частицы у'-фазы, обрамленные прослойками у-фазы. Для лучшего понимания дифракционной картины рентгеновских лучей проведен системный анализ

* По материалам доклада на научно-технической конференции «Создание и исследование конструкционных материалов для новой техники», посвященной 100-летию С.З. Бокштейна (Москва, ВИАМ, 18 января 2011 г.)

строения узлов обратного пространства кристаллической решетки. Выделен элементарный объем структуры - кубоидная частица у'-фазы, обрамленная прослойками у-фазы (рис. 1, а). Удобно представить у-фазу в виде набора геометрических фигур. Для полного обрамления куба у'-фазы необходимы 3 пластины, 3 стержня и один кубик из у-фазы (рис. 1, б). Наличие прослоек у-фазы в виде пластин и стержней приводит к возникновению тетрагональных искажений, что может приводить к появлению дополнительных рефлексов на дифрактограмме и размытию рефлексов. Представление у-фазы в виде пластин и стержней позволяет объяснить эффект размытия рефлексов от сателлитов, наблюдаемого экспериментально.

а)

б)

Рис. 1. Схема структуры (уь у2, у3 - набор геометрических фигур у-фазы) современных литых монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных Re и Ru, после полной термической обработки (а) и элементарный объем структуры (б)

Проведен теоретический расчет объемных долей у-фазы в виде разных геометрических фигур в зависимости от соотношения объемов у- и у'-фаз. Если обозначить размер частицы у'-фазы как Ь, а ширину прослоек у-фазы как Ь, тогда соотношение объемных

долей у- и у'-фаз определяется из соотношения 1=

Ь

Ь3 +3ИЬ2 +3Ь2Ь+Ь3

(Ь+Ь)3

Если принять

—=х, тогда объемные доли у-фазы в виде различных геометрических фигур рассчиты-

Ь

ваются как 5у1=

х

(1+х)3

гу 2 г\

- кубики; 5Т2 = ^ х 3 - пластины; 5у3 =- х

(1+х)3

(1+х)3

стержни.

Результаты расчетов в виде графиков представлены на рис. 2. При наиболее характерном для сплава ВЖМ4 содержании у'-фазы 50% видно, что преобладает у-фаза в виде пластин. Таким образом, интенсивность областей размытия рефлексов (сателлитов) на дифрактограмме может быть достаточно интенсивной.

Проведенный системный анализ позволил построить решетку обратного пространства с сателлитами, обусловленными прослойками у-фазы в виде разных геомет-

рических фигур (рис. 3). В зависимости от Миллеровских индексов, не равных нулю, возможно образование одного, двух или трех сателлитов.

л

СО ев

-е

0

«

о «

§ X

0,

<Ц Ю

О

ч.

1 / - ч.

Г .......... — N.

1 •

( \ •___

0,2 0,4 0,6 0, Объемная доля у'-фазы

(024)

(224)

(004)!

(002)<

(000)!

И А »(204)

1

(022) и

А А }(202) (220)

ТГ (020) Фан)

/ , (200)

Рис. 2. Теоретический расчет объемных долей у-фаз разных геометрических форм (см. рис. 1):

-•- кубоиды (у'); — пластины (у2); ....... стержни (уз); - - - у2+уэ; -••- у:+у2+уз

Рис. 3. Кристаллическая решетка обратного пространства с сателлитами, обусловленными прослойками у-фазы в виде разных геометрических фигур

Экспериментальное подтверждение построенной решетки обратного пространства получено в работе [3]. Количество сателлитов и их расположение совпадают с результатами системного анализа, представленными в данной работе.

Анализ строения узлов обратного пространства кристаллической решетки позволяет оценить количество и месторасположения сателлитов в обратном пространстве, что дает возможность повысить эффективность исследований при моделировании трехмерного строения узлов обратного пространства.

С помощью системного анализа обратного пространства кристаллической решетки исследованы дифрактограммы, полученные от образца из сплава ВЖМ4. Узел обратного пространства (004) должен иметь один размытый сателлит, а узел обратного пространства (204) - два сателлита: первый ближе к рефлексу у'-фазы, второй - отдаленный размытый (см. рис. 3).

На рис. 4, а представлена дифрактограмма, полученная от плоскости (004), на которой присутствует размытый рефлекс от сателлита. На дифрактограмме (204) (рис. 4, б), помимо размытого рефлекса ближе к рефлексу у'-фазы, присутствует еще один рефлекс. Полученные дифрактограммы подтверждают данные системного анализа.

Для наиболее точного определения периодов решеток у- и у'-фаз необходимо выбрать такой рефлекс и условия съемки (геометрия сканирования), которые позволяли бы исключить появление на дифрактограмме от монокристалла сателлитов (других синглетов) и приводили бы к наименьшему смещению рефлексов. Для этого необходимо точно выводить в отражающее положение ту область узла обратной решетки, которая соответствует максимальной интенсивности. Для чего необходимо последовательно уточнять положение осей гониометра. На дифрактограмме, полученной от плоскости (224) (рис. 4, в), должно присутствовать 3 сателлита. Зная количество и месторасположение сателлитов, удалось отстроиться от них, что необходимо делать для прецизионного измерения периодов решеток у- и у'-фаз.

15

10

(004) /\ У'+У1+У3

100 80

60

40

20 0

о4

Л Н О

о К Я

к

о К о

Й К

98

99

100

101

102 103 29, град

15

10

0

(224) А У'+У!

100 80

60

40

20 0

х1

о4 Л

н о о к и к

о К о

Й К

139 140 141 142 143

144 145 29, град

3 20

15

о к и к

о К о

Й К

100

(204) / \У'+У1 80

60

40

У2 20

0

117 118 119 120 121

29, град

г)

75

50

л н

125 к

о К

К

0

112,5 113,5

114,5

о4

Л Н О

о К Я

к

о К о

К

(133) А у'

У1

100 80

60 40 20 0

х1

о4

Н К

К

115,5 116,5 29, град

Рис. 4. Радиальное сечение рефлексов (004), (204), (224), (133) у- и у'-фаз (а, б, в, г - соответственно); Си Кр-излучение

Напряжения в кристаллографических плоскостях

Для создания экспресс-методики оценки несоответствия периодов кристаллических решеток проведены расчеты с целью выявления плоскостей {ИКЬ} с минимальным влиянием остаточных напряжений на период решетки. Такая плоскость {ИКЬ} определяется из уравнения аИКЬ = а0, где аИКЬ - период решетки, экспериментально

определенный по положению центра тяжести рентгеновского рефлекса (ИКЬ); а0 - период решетки фазы без искажений, обусловленных остаточными напряжениями.

Преобразуя закон Гука [4] и уравнение Вульфа-Брега с учетом уравнения упругой деформации плоскостей {ИКЬ}, получим уравнение остаточных напряжений

и

а = Е(1 — V) кс , где а - напряжение в кристаллографической плоскости; Е - анизо-а0

тропный модуль Юнга; V - анизотропный коэффициент Пуассона; кэкс - коэффициент, определяемый по экспериментальным данным [5, 6].

Принимая напряжения равными нулю, получаем равенство, которое позволяет определять плоскости, имеющие минимальные искажения, обусловленные остаточными напряжениями:

1- V Ь2

1 + V И2 + К2 + Ь2'

где И, К, Ь - индексы интерференции.

Путем сопоставления семейств плоскостей с интервалом значений коэффициента Пуассона получено графическое решение этого уравнения и построена номограмма (рис. 5). Жаропрочные никелевые сплавы имеют коэффициент Пуассона, близкий к 0,38 [7]. Белой точкой отмечена область, в которой выполняется условие аИКЬ=а0. Из

номограммы следует, что периоды решеток, определяемые по положению рефлексов от плоскостей (244) и (133), имеют минимальные смещения, обусловленные остаточными напряжениями. Приведенные оценки справедливы для нерафтированной структуры.

<ч <ч <ч

1 - V 1 + V 0,6

0,4

I <ч

I ^г

<4 <4 <ч о

а^т^т ап

/ 0,32 0,38 0,54 ^0,68 2

1 1

н2 + к2 + ь2

Рис. 5. Номограмма определения условий рентгеновской съемки

Фазы у и у' имеют разные периоды решеток. Упругое взаимодействие стремится уменьшить разницу экспериментально наблюдаемых периодов.

Из номограммы следует, что в плоскостях (004) и (204) действуют повышенные напряжения, которые стремятся минимизировать разницу между межплоскостными расстояниями у- и у'-фаз, что приводит к сближению рефлексов от этих фаз на дифракто-грамме (см. рис. 4, а, б). В плоскости (133) действуют минимальные напряжения, соответственно на дифрактограмме рефлексы от у- и у'-фаз хорошо разделяются (см. рис. 4, г), и по этой плоскости можно определить периоды решеток фаз с минимальными искажениями от остаточных напряжений.

Использование межплоскостных расстояний, рассчитанных по другим рефлексам, например (222), приводит к систематическому уменьшению измеряемого несоответствия решеток у- и у'-фаз [8] по сравнению с истинным значением, хотя измеренное несоответствие коррелирует с истинным значением. Соответственно период решетки у-фазы, определенный по этой плоскости, будет меньше реального значения, а период решетки у'-фазы - больше.

Экспериментальная часть

Проведены исследования образцов из монокристаллического жаропрочного никелевого сплава ВЖМ4 (6% Re, 4% Ru) с ориентировкой [010]. Литые образцы прошли полную термическую обработку (гомогенизация, старение). Испытания на ползучесть проводились при температуре 1000°С и нагрузке 210 МПа. Образцы не доводились до разрушения, а снимались со стенда по очереди через заданное время: 200, 300, 400 и 500 ч. Аналогичные образцы при тех же условиях испытания разрушались через 640-650 ч.

На растровом электронном микроскопе (РЭМ) получены изображения микроструктуры образцов, которая представляет собой рафт-структуру (рис. 6). В образце после 200 ч рафт-структура сформировалась не полностью. Установлено, что в интервале 200-500 ч в у- и у'-фазах протекают процессы ползучести с одновременным изменением морфологии у- и у'-фаз и формированием инверсионных структур. В образцах после 400 и 500 ч прошла топологическая инверсия.

Методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) исследована неоднородность дислокационной структуры в у-фазе и на (у/у')-границах. Установлено, что начиная с выдержки 200 ч в у-фазе формируется объемная дислокационная струк-

тура (см. рис. 6). При выдержках 400 и 500 ч (рис. 7, а, б) она заполняет все пространство у-фазы. Такая объемная дислокационная структура обычно характерна для горяче-деформированного состояния. После 500 ч достаточно большие области у'-фазы занимают сетки дислокаций (рис. 7, в).

РЭМ

100

400

500

200 300

Продолжительность испытания, ч

Рис. 6. Микроструктура сплава ВЖМ4 на различных стадиях ползучести, исследованная методами просвечивающей (ПЭМ) и растровой электронной микроскопии (РЭМ)

а) б) в)

200 нм 0,5 мкм 0,2 мкм

Рис. 7. Пластическая деформация при образовании объемной дислокационной структуры в у- (а) и у'-фазах (б) при интенсификации процессов инверсии, сетки дислокаций в у'-фазе (в)

При высокотемпературной ползучести выявлен процесс дополнительного распада, в результате которого выделяются наноразмерные ТПУ фазы (рис. 8, а). На картинах дифракции видны дополнительные рефлексы от выделившихся фаз. С увеличением длительности выдержки количество и размер выделившихся частиц увеличиваются (рис. 8, б).

50 нм

100 нм

Рис. 8. Темнопольное изображение процесса дополнительного распада в ходе ползучести после 200 (а) и 400 ч (б)

а)

б)

в)

Y

XI

VY

Рис . 9. Трехмерная (а) и двухмерная (б) совмещенные полюсные фигуры (001)+{011}+{111}+{113} образца и рефлекс (022) (в) после испытаний на ползучесть (У -направление деформации)

С помощью рентгеновского дифрактометра получены прямые полюсные фигуры образцов после высокотемпературной ползучести. Построены совмещенные полюсные фигуры (рис. 9, а, б). Рефлексы на полюсной фигуре вытянуты. По вытянутости рефлексов уточнено направление деформации - оно немного отклоняется от [010] (рис. 9,

б). Тяжи оснований рефлексов указывают на сильную деформацию структуры (рис. 9,

в).

По разработанной ранее методике [5, 6] рассчитаны остаточные напряжения и периоды решеток у- и у'-фаз, свободные от напряжений в образцах сплава ВЖМ4 после высокотемпературной ползучести (см. таблицу).

Результаты расчета остаточных напряжений и периодов решеток _(у - направление растяжения)_

Продолжительность испытания, ч Фаза оу [010] Ох [100] Период решетки, нм Несоответствие периодов решеток у- и у'-фаз, %

М] Па

200 У у' 71 161 94 83 0,36087 0,35829 0,72

300 У у' -52 56 41 -14 0,36111 0,35867 0,69

400 У у' -47 56 30 19 0,36099 0,35861 0,66

500 У у' -102 28 17 33 0,36099 0,35860 0,66

При испытаниях на длительную прочность в интервале 200-500 ч периоды у- и у'-фаз изменяются незначительно (рис. 10, а). Несоответствие периодов уменьшается вплоть до 400 ч, далее изменяется незначительно (рис. 10, б). В образце при выдержке 200 ч в у- и у'-фазах выявлены напряжения одного знака, что, по-видимому, связано с выделениями ТПУ фаз (рис. 10, в, г). В работе [9] рассчитывали напряжения методом конечных элементов в близком по химическому составу сплаве СМБХ-10. Напряжения в у- и у'-фазах также получились одного знака. Таким образом, проведен системный анализ строения узлов обратного пространства кристаллической решетки, определены кристаллографические плоскости (244) и (133), имеющие минимальные искажения, обусловленные остаточными напряжениями. Показано, что для определения периодов решеток у- и у'-фаз целесообразно использовать эти плоскости.

2 Я 0,361 1

к и

<и а 0,36-

о к 0,359-

а

гЧ

0,358 '

200

я

я ^

N еч

С «

Д

300

400

500

200

300

400

500

Пр одо л ж и т е л ь н о с т ь испытаний, б)

200

300

400

500

200

300

400

500

испытании,

Пр одо л ж и т е л ь н о с т ь

Рис. 10. Характер изменения истинных периодов (а) и несоответствия периодов (б) кристаллических решеток и остаточных напряжений (в, г) в у- и у'-фазах в направлении деформации [010] (в) и перпендикулярном ему направлении [100] (г) в образцах сплава ВЖМ4 в процессе высокотемпературной ползучести 18

Исследован характер изменения структуры в процессе высокотемпературной ползучести сплава ВЖМ4. Определены остаточные напряжения в у- и у'-фазах. Показано, что начиная с выдержки 200 ч в у-фазе формируется объемная дислокационная структура. При выдержках 400 и 500 ч она заполняет все пространство у-фазы. В образцах после испытаний на высокотемпературную ползучесть выявлены дислокационная структура в у'-фазе и процесс дополнительного распада, в результате которого выделяются наноразмерные ТПУ фазы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Поварова К.Б., Банных O.A. Анализ принципов создания жаропрочных никелевых суперсплавов и сплавов на основе интерметаллида Ni3Al (у'-фаза) //Труды международной научно-технической конференции «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение», 25-26 апреля 2006. М.: ВИАМ. 2006. С. 11-21.

2. Каблов E.H., Петрушин Н.В., Светлов ПЛ. Современные литые никелевые жаропрочные сплавы //Труды международной научно-технической конференции «Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение», 25-26 апреля 2006. М.: ВИАМ. 2006. С. 39-55.

3. Epishin A., Brückner U., Link T., Fedelich B. X-ray reflections from the y/y'-microstructure of nikel-base superalloys: effect of the plane tilting //International Journal of Materials Research. 2010. V. 101. P. 5.

4. Лурье А.И. Теория упругости. M.: Наука. 1970. 940 с.

5. Treninkov I.A., Alekseev A.A. Behaviour of residual stresses and lattice spacings in y-and y'-phases during creep-rupture tests of single-crystal nickel superalloy. 9th Liege Conference the 27, 28, 29th of September 2010 //Materials for Advanced Power Engineering. 2010. P. 723-732.

6. Тренинков И.А., Алексеев A.A., Поляков С.Н. Методика определения остаточных напряжений в монокристаллах жаропрочных никелевых сплавов на дифрактомет-ре широкого назначения с использованием Cu Kß-излучения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №1. С. 8-12.

7. Siebörger D., Knake H., Glatzel U. Temperature dependence of the elastic moduli of the nickel-base superalloy CMSX-4 and its isolated phases //Materials Science and Engineering. 2001. A298. P. 26-33.

8. Самойлов А.И., Каблов E.H., Петрушин Н.В., Рощина И.Н. Размерное несоответствие кристаллических решеток у- и у'-фаз в никелевых ренийсодержащих жаропрочных сплавах //Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина: науч.-техн. сб. /Под ред. E.H. Каблова. М.: Наука, 2006. С. 131-141.

9. Schulze C., Feller-Kniepmeier M. Inhomogenity of phase composition and lattice misfit in the macrostructure of the single crystal superalloys CMSX-10. Proceedings of the 20th Ris0 International Symposium on Materials Science: Deformation-Induced Microstructures: Analysis and Relation to Properties. Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark 1999.