CC BY
80
O Mg Al Mn Cu Zn Total
002 1,08 90,4 7,7 0,1 0 0,75 100
003 0,16 19,1 42 37,7 0,78 0,26 100
в
Рис. 4. Состав матрицы (002) и интерметаллидной фазы (003) рафинированного сплава МЛ5
Выводы
1. Опробованы различные фильтрующие материалы для отливок из сплава МЛ-5. Установлено, что применение известняка, графита, и магнезита способствуют измельчению микрозерна и повышению его физико-механических свойств.
2. Опробован комплексный фильтр (33% магнезита + 33% графита + 33% известняка), обеспечивающий более высокие свойства литого сплава МЛ-5.
Список литературы
1. Жеманюк П.Д., Клочихин.В.В., Цивирко Э.И., Драчевский А.Ю. Комплексная проба для оценки качественных показателей магниевых спла-
вов, отлитых под давлением // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении - Запорожье : ЗНТУ. - №2 - 2002. - С. 41-45.
2. Молчанов М.Д. Модифицирование и исследование процессов фильтрации магниевых сплавов // Исследование процессов литья алюминиевых, магниевых и титановых сплавов: Сб. нучных трудов. - Москва: МАТИ. - 1969в С. 72-86.
3. Шаров М.В. Обработка магниевых сплавов в жидком состоянии // Диссертация. -Москва: МАТИ, 1951.
Поступила в редакцию 20.03.2006 г.
Анотаця: Розроблена i випробувана технолог1я раф1нування сплаву МЛ-5, що забезпечуе п1двищення якостi авiацiйного лиття за рахунок одержання дрiбнозернистоí структури виливкв i пiдвищення Тхн'х фiзико-механiчних властивостей.
Abstract: The technology of refinement of alloy МЛ-5, providing improvement of quality of aviation moulding due to reception of fine-grained structure of cast details and increases of their physicomechanical properties is developed and tested.
УДК 621.165; 621.438
А. Д. Коваль, В. И. Шмырко
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД,
ЗМИ-З, ЗМИ-ЗУ
Аннотация: Проведены комплексные исследования коррозионной стойкости образцов жаропрочных сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД, ЗМИ-З, ЗМИ-ЗУ в различных агрессивных средах. Анализ зависимости скоростей коррозии образцов от температуры позволяет рекомендовать сплавы ЗМИ-З, ЗМИ-ЗУ для длительной эксплуатации при температуре до 900 °С, а сплавы ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД - ниже 725 °С
Как отмечалось ранее, наиболее значимыми свойствами, влияющими на надежность и длительную эксплуатацию лопаток турбин, является сопротивляемость жаропрочного сплава длительному коррозионному воздействию с одновременной высокой жаропрочностью.
Сопротивление агрессивному воздействию может быть значительно увеличено за счет обоснованного выбора эффективных коррозионностойких защитных покрытий. Однако, как свидетельствует опыт эксплуатации лопаток с покрытиями, в процессе их работы возможны нарушения целостности покрытия вследствие эрозии и механического воздействия инородных твердых частиц, а также наблюдается непрерывное утонение защитного слоя под действием газового потока.
Для оценки возможности применения сплавов в качестве материала рабочих лопаток стационарных газовых турбин и прогноза долговечности необходимы данные, в комплексе характеризующие коррозионную повреждаемость сплавов и защитных покрытий, снижение прочностных свойств под воздействием сред различной агрессивности. Имеющиеся к настоящему времени результаты исследований позволяют осуществить сравнительную оценку свойств различных сплавов, но недостаточны для прогноза долговечности рабочих лопаток в зависимости от эксплуатационных условий.
Экспериментальные исследования коррозионной стойкости сплавов и защитных покрытий проводили в расплаве солей и в синтетической золе по методике, разработанной Никитиным В.И. и широко применяемой в отрасли.
С учетом реальных условий эксплуатации лопаток газовых турбин эксперименты проводили при температурах 800, 850, 900 °С. Продолжительность выдержек образцов в контакте с синтетической золой газотурбинного топлива - 66,2% №2304; 20,4% Ре203; 8,3% N¡0; 3,3% СаО; 1,8% У2^5 при каждой температуре составляла 100, 200, 500, 1000 и 2000 часов. По результатам испытаний определяли кинетические зависимости потери массы, глубины суммарного коррозионного проникно-
вения от времени выдержек сплавов в контакте с коррозионной средой. Влияние температуры на скорость сульфидно-окисной коррозии оценивали в температурном интервале 500-900 °С и выдержке 500 часов.
Результаты испытаний образцов сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД, ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ в расплаве солей 75% №2304 + 25% №С1 при температуре 850 °С в течение 24 часов приведены на рис. 1.
Анализируя характер разрушения образцов и значения убыли массы следует отметить, что наиболее сильному коррозионному повреждению подвержен сплав ЖС6К. В процессе испытаний на об-
Рис. 1. Сравнительная коррозионная стойкость сплавов в расплаве солей при температуре 850 °С и выдержке 24 часа
© А. Д. Коваль, В. И. Шмырко 2006 г.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006
143
разцах из сплава ЖС6К образовался толстый слой рыхлой окалины зеленого цвета, легко отслаивающийся пластинками. На отдельных участках образцов глубина суммарного коррозионного проникновения достигала 1,6-1,9мм, при этом средняя скорость коррозии составила 6,8-10-3 г/м2 с. Близкий по содержанию основных легирующих элементов сплаву ЖС6К - сплав ЭП-957ВД корродирует с меньшей скоростью (4,9-10-3 г/м2 с), что может быть связано с положительным влиянием иттрия и циркония на высокотемпературную коррозионную стойкость никелевых сплавов.
Сильному воздействию ВТК были подвержены также образцы из сплава ВЖЛ-12У. Для образцов данного сплава наиболее характерно скалывание
Рис. 2. Распределение легирующих элементов
крупных фрагментов поверхности, что привело к значительному разбросу значений удельных потерь массы и глубины суммарного коррозионного проникновения.
Рентгеноструктурный фазовый анализ показал, что на образцах из сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У образуются продукты коррозии аналогичного состава. Главной особенностью строения слоя продуктов сульфидно-окисной коррозии данных жаропрочных сплавов (рис. 2) является наличие внутреннего тонкого (10-20 мкм) подслоя, расположенного со стороны металла. В этом подслое наблюдается высокое содержание никеля и серы, а также наличие включений смешанных сульфидов хрома, титана, никеля. Наружный подслой содержит большое ко-
в поверхности слое образцов сплава ЖС6К
личество окислов никеля, а также окислы титана, алюминия, молибдена, хрома.
Наилучшей коррозионной стойкостью обладают сплавы ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ, при этом значения удельных потерь массы и глубины суммарного коррозионного проникновения характеризуются более высокой стабильностью, по сравнению с результатами исследований образцов из сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У. В процессе испытаний на поверхности сплавов ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ образуется плотная пленка продуктов коррозии, хорошо сцепленная с основным металлом. Глубина суммарного коррозионного проникновения на образцах ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ не превышала 20 мкм, а средняя скорость коррозии почти на порядок ниже скорости коррозионного повреждения сплава ЖС6К (см. рис. 1)
Металлографические исследования поверхностных слоев подтверждают различие коррозионной повреждаемости сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД и сплавов ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ. На образцах ЖС6К в условиях ВТК формируется слой продуктов коррозии значительной глубины. В окалине образцов ЭП-957ВД содержится большое количество сульфидов, однако тенденции к катастрофическому разрушению поверхности, характерной для сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, не отмечается. Сульфид-но-окисная коррозия образцов ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ протекает равномерно, сопровождается образованием обезлегированного слоя толщиной не более 10 мкм.
Таким образом, ускоренные испытания образцов в расплаве солей при температуре 850°С в течение 24 часов показали, что коррозионная стойкость сплавов ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ, определенная по удельным потерям массы, в 20-30 раз выше, чем стойкость группы сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У. Сплав ЭП-957ВД по уровню стойкости занимает промежуточное значение. Для сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У характерен значительный разброс результатов, особенно глубины суммарного коррозионного проникновения, что не позволяет использовать их для длительного прогноза свойств в коррозионно-актив-ных средах.
Значительно меньшим разбросом, как по удельным потерям массы, так и по глубине суммарного коррозионного проникновения, характеризовались результаты, полученные в условиях имитации коррозионного воздействия с использованием синтетической золы газотурбинного топлива и выдержкой образцов в течение 100, 200, 500, 1000 и 2000 часов при температурах 800, 850 °С.
Отличающийся уровень и наклон характеристик, полученных в результате испытаний образцов в золе газотурбинного топлива, указывает на различие скоростей коррозии сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД, ЗМИ-ЗУ возрастающее с увеличением температуры и с течением времени. Наилучшей
коррозионной стойкостью во всем диапазоне температур обладает сплав ЗМИ-ЗУ, образцы которого на всех временных базах, в том числе и максимальной - 2000 часов, испытывают наименьшие потери массы. При температуре 800 °С и продолжительности 100 часов удельные потери масс образцов сплавов ЗМИ-ЗУ и ВЖЛ-12У отличаются примерно в 15 раз, а ЭП-957ВД - в 5 раз. С увеличением температуры на 50° С, удельные потери масс образцов сплава ЭП-957ВД в 15 раз выше, чем сплава ЗМИ-ЗУ, коррозионная стойкость образцов сплава ВЖЛ-12У в 50 раз ниже по сравнению с ЗМИ-ЗУ.
В тоже время отличие глубины суммарного коррозионного проникновения на образцах сплавов ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ и ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957 ВД не столь существенно. Так, в результате воздействия синтетической золы газотурбинного топлива в течение 100 часов ^ = 800°С) коррозионному повреждению был подвержен слой, толщиной 0,4-0,6 мм на образцах сплава ЖС6К и 0,1-0,2 мм - на образцах ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ. С увеличением времени испытаний до 1000 часов отличие по глубине коррозионного проникновения между сплавами ЖС6К, ВЖЛ-12У и ЗМИ-ЗУ составило 3-4 раза.
При температуре 850° С наблюдается увеличение интенсивности коррозии образцов из сплава ЖС6К, что привело к разрушению их через 200 часов. Испытанные в течение 1000 часов образцы ЭП-957ВД подвержены локальной коррозии с образованием язвенных повреждений, глубиной до 1,1-1,25 мм и охватывающих значительную площадь образцов. В то же время, на образцах из сплавов ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ формируется плотный слой оксисульфидов толщиной не более 0,7 мм, что связано с особенностями химического состава данных материалов.
Рентгеноструктурный фазовый анализ выявил в качестве основной структурной составляющей продуктов коррозии сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД оксид N шпинель N ОС^Оз и малое количество С2О3. В окалине ЖС6К идентифицируются также соединения N¡0^203, №Мо04, наличие которых всегда указывает на увеличение скорости сульфидно-окисной коррозии. В отличие от сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД в продуктах коррозии, образующихся на образцах сплавов ЗМИ-ЗУ, идентифицируется в основном оксид Сг2Оз, что предопределяет равномерное протекание сульфидно-окисной коррозии, без образования язв и растрескивания основного металла.
Из зависимости удельных потерь массы образцов от температуры испытаний видно, что для всех исследуемых сплавов характерным является наличие двух зон - высоко- и низкотемпературной коррозии. В результате испытаний образцов в низкотемпературной зоне на их поверхности образуется тонкая плотная пленка продуктов коррозии. Наружная часть
/55Л/1727-0219 Вестникдвигателестроения № 1/2006
- 145 -
продуктов коррозии на образцах ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ состоит в основном из оксида хрома Сг2О3, а на образцах сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД -из оксида хрома и шпинели хрома и алюминия. Продукты коррозии всех исследуемых сплавов содержат также разобщенные стабильные хро -мотитановые и хромотитаноникелевые сульфиды.
В интервале температур 650-700 °С повышение диффузионной активности серы и кислорода на границе металл-среда предопределило незначительное увеличение слоя продуктов коррозии на образцах ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ и обширное, толщиной до 0,2-0,3 мм, окалинообразование на образцах сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД.
Температура 725 °С для сплавов ЖС6К, ВЖЛ-12У и 750 °С для сплава ЭП-957ВД является критической, после чего развивается катастрофическое разрушение поверхности, которое обусловливается ослаблением сил сцепления между продуктами коррозии и металлической матрицей в сочетании с быстрым продвижением фронта коррозии в глубь металла. Из экспериментальных данных следует, что переход от низко- к высокотемпературной, катастрофической коррозии отражается переломом линий, на графике !дд - 1/Г.
Различие в интенсивностях высоко- и низкотемпературной коррозии проявляется у сплавов ЖС6К (при температуре 700 °С потери массы составляют 9,4-10 -4 г/м2с, при 800° С - 6,9-10-2 г/ м2с). Существенное преимущество сплава ЗМИ-ЗУ по отношению к ЖС6К, ЭП-957ВД заключается в более высокой критической температуре, равной 900 °С. Следовательно, при температуре 800
°С, близкой к рабочим температурам эксплуатации лопаток, сплав ЗМИ-ЗУ находится в зоне низкотемпературной коррозии, а сплавы ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД - в зоне высокотемпературной катастрофической коррозии.
Таким образом, анализ зависимостей скоростей коррозии образцов в синтетической золе от температуры позволяет рекомендовать сплавы ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ для длительной эксплуатации при температурах до 900 °С, а сплавы ЖС6К, ВЖЛ-12У- ниже 725 °С. В целом по результатам кинетических и температурных исследований в ряду по уменьшению ВТК- стойкости сплавы располагаются в следующем порядке: ЗМИ-ЗУ, ЗМИ-3, ЭП-957ВД, ВЖЛ-12У, ЖС6К.
Поступила в редакцию 17.04.2006 г.
Анота^я: Проведено комплексн1 досл1дження корозйно! ст1йкост1 зразкв жаром1цних сплаве ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД, ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ в рзномантному агресивному сере-довищ1. Анал ¡з залежност1 швидкост i корозн зразкв eid температури дае можлив1сть рекомендувати сплави ЗМ1И-3, ЗМИ1-3Удля тривалоïексплуатацн при температурi до 900°С, а сплавиЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД - нижче 725 °С.
Abstract: Complex research of corrosion resistance for super alloys ЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД, ЗМИ-3, ЗМИ-ЗУ in different aggressive medium was carried out analysis of relationship of corrosion rate to temperature enables to recommend ЗМИ-3, ЗМИ-3У alloys prolong operation in temperatures of 900 °С andЖС6К, ВЖЛ-12У, ЭП-957ВД in a lower temperature of 725 °С.
