CC BY
49
УДК. 621.438. 452.3
В.Н. Толорайя1, А.Н. Петухов2, М.Е. Колотников3, С.В. Харьковский2,
Г.А Остроухова1
1 «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» 2 ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова» 3 ФГУП «НПЦ турбостроения «Салют»», Москва, Россия
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОТЛИВОК НА ПРИМЕРЕ БЕЗУГЛЕРОДИСТОГО СПЛАВА ВЖМ 5
Рассмотрены особенности формирования монокристаллических отливок из жаропрочных безуглеродистого сплава типа ВЖМ5 и основные характеристики прочности в сравнении с традиционными углеродсодержащими сплавами типа ЖС32. Сформулированы требования, регламентирующие отклонения по кристаллографической ориентации КТО и условия допустимости в отливках посторонних кристаллов и субзерен, их размеры и морфологию, зоны в отливках, где такие отклонения могут допускаться. Приведены сравнительные характеристики прочности (длительной статической и многоцикловой усталости) жаропрочных бе-зуглеродистьа сплавов отечественного ВЖМ5 и зарубежного CMSX-4.
Ключевые слова: монокристаллические сплавы, субзерна, безуглеродистые сплавы, осевая кристаллографическая ориентация (КТО), термические напряжения, полосчатость, рекристаллизация, дендритная ликвация.
Создание энергетических установок, отвечающих мировому уровню невозможно без применения современных материалов, обладающих высокими характеристиками прочности, обладающими высокой эксплуатационной надежностью на заданный ресурс. Это достижимо лишь при применении монокристаллических конструкционных материалов с внедрением совершенных технологических процессов, минимизирующих влияние субъективных факторов [1.2].
1. Требования к структуре монокристаллических отливок из безуглеродистых никелевых сплавов
Требования к макроструктуре отливки детали формулируются в зависимости от условий эксплуатации конструкции, ее напряженности, а также от типа или класса применяемого сплава. Основными для монокристальных отливок ответственных деталей являются требования, регламентирующие кристаллографическую ориентацию и допустимость в отливке посторонних кристаллов и субзерен, их размеры и морфологию, разори-ентацию, а также зоны, где эти отклонения могут допускаться без отрицательных последствий.
Если в отливках из углеродсодержащих сплавов, например ЖС-32, наличие посторонних кристаллов допускается в отдельных зонах, то в отливках из безуглеродистых жаропрочных сплавов, например, ВЖМ5 посторонние кристаллы не допускаются, за исключением субзерен (блоков) в зонах, удаляемых при механической обработке. Субзерна представляют локальные учас-
тки в отливке с относительно малой разориен-тацией от основного кристалла, и выглядят на протравленной поверхности как зерна с нечеткими границами. Скопление столбчатых субзерен называют полосчатостью («^паНоп»). Субзерна разделяются по уровню их разориентации Аа<нкь> (обычно, Аа<001>) от основного кристалла образуя в отливке малоугловые (Аа<001> £3°) и среднеугловые (Аа<001> 3,0...5,0°) границы.
Зона, где допускаются только малоугловые границы, т.е. субзерна с Аа<001> £3°, означает, что угол между любым направлением <001> субзерна и основного кристалла должен быть меньше 3 °. Такие заготовки допускают для механических испытаний при паспортизации безуглеродистых жаропрочных сплавов, например, ВЖМ5. Кроме того, допускаются зоны с малоугловыми границами Аа<001> = 3°...5° и зоны с субграницами с разориентацией Аа<001> до 5°. В зонах 2, 3 допускаются и регламентируются по размерам и количеству мелкие равноосные зерена. Например, посторонние равноосные зерна £0,5 мм в количестве 2 шт. на расстоянии >10 мм друг от друга; «прострелы» длиной 5.6 мм до 2 шт. Крупные посторонние кристаллы не допускаются.
Следует отметить, что эти требования более жесткие по сравнению с зарубежными: по техническим условиям фирмы Ролс-Ройс допускаются области с разориентацией до 6°. Контроль величины разориентации в отливках проводится рентгеноструктурным методом съемкой в «белом» излучении по методу Лауэ в дифрактометрах типа
© В.Н. Толорайя, А.Н. Петухов, М.Е. Колотников, С.В. Харьковский, Г.А Остроухова, 2011
- 234 -
«Скорпио» (Роллс-Ройс) или «Галакси» (фирма Зайферд, Германия).
В общем случае кристаллографическая ориентация (КГО) задается указанием кристаллографических направлений [к-^к-^/ц], [ Й2к2/2 ] и совпадающие с геометрическими осями лопатки ХУХ или углов, образуемые кристаллографической системой координат, обыгано [001] с геометрической системой ХУХ.
Часто для отливок задают только аксиальную (осевую) ориентацию [001]. Выбор кубической ориентации связан с тем, что в этом направлении у монокристалла минимальный нормальный модуль упругости из всех возможных ориентировок и более высокая длительная прочность. В случаях, если при эксплуатации конструкции термонапряжения не являются лимитирующими, задается аксиальная ориентация [111], по которой некоторые жаропрочные сплавы имеют и максимальную длительную прочность. Например, у сплава ВЖМ5 [001] ст 100% [001]= 275 МПа, а для ориентации [111] а 100 [111]= 320 МПа.
Для отечественной технологии монокристального литья величина допустимых отклонений аксиальной ориентации [001] или [111] от оси Z а щ < 10°. При этом, не оговаривается направление этого отклонения, т. е. не требуется определение конкретной ориентации в стандартном стереографическом треугольнике. Поэтому вышеуказанным требованиям ТУ удовлетворяют все кристаллографические направления, лежащие внутри конуса с центральной осью Ъ и конусностью 10°.
В зарубежных монокристальныж лопатках допуски по отклонению ориентации [001] более расширены: а [001] < 20 °С.
С целью снижения уровня термических напряжений в зонах, имеющих аксиальную ориентацию [001] используют также ориентацию монокристальной структуры относительно осей X, У, т. е. в плоскости, перпендикулярной оси Ъ - азимутальной ориентацей. Если задается аксиальная и азимутальная ориентация, то получают отливки с заданной пространственной КГО. Допуск на отклонение азимутальной ориентации, как правило, задается на том же уровне, что для аксиальной ориентировки: а^ц » < 10°. Следует отметить, что отливки с заданной аксиальной и азимутальной ориентациями можно получать только методом затравочной технологии, применяя для затравки сплавы системы Ж-Ж-С, изготовленные методом ориентированной вырезки из монокристальных заготовок произвольной ориентации. В отливках с аксиальной ориентацией [111] азимутальная ориентация не задается (все направления лежащие в плоскоси октаэдра имеют одинаковый модуль упругости Е).
Таким образом отечественные отливки:
и: а [111] < 6 ° ...8
1±±±1 < 20° ® ^"1П00] не
задается, т.е. Аа
2. Монокристаллы безуглеродистых жаропрочных сплавов
Разработка специальных «безуглеродистых» сплавов для монокристального литья позволила значительно повысить прочностные характеристики монокристаллов [001]. Для этого из состава сплава исключены зернограничные упрочнители С, Хг, В, что повысило температуру солидуса до 1365 оС и позволило реализовать композиции с более высокой у'-фазы. Удаление из структуры карбидов МеС, часто являющихся очагами усталостных трещин, значительно повысило характеристики МнЦУ.
Термообработка (ТО) монокристальных отливок из безуглеродистых сплавов при повышенный температурах и большей длительности позволяет практически полностью растворить эвтектическую 1 у'-фазу, значительно снизить дендритную ликвационную неоднородность.После ТО - гомогенизации закалка отливок проводится с высокой скоростью ступенчатого старения. В результате такой термообработки в сплаве образуется структура из равномерно и упорядочено расположенных по направлению [001] в у-мат-рице частиц упрочняющей 1 у'-фазы правильной кубической формы с оптимальными размерами (0,4-0,5) мкм и величиной мисфита Б. Все это значительно повысило практически все прочностные характеристики по сравнению с монокристаллами сплавов традиционного легирования.
Вышесказанное отчетливо проявляется при сравнении характеристик прочности для близких по системе легирования монокристаллов сплавов традиционного легирования ЖС-32 и ЖС-36, а также безуглеродистых ВЖМ5 с ориентацией [001] и американского сплава СМ8Х-4 ( см. табл.)
Таблица
< 10° ® <
[100]
< 10°, т.е. Аа < 3 °; зару-
Параметры ЖС32 ЖС36 СЫ8Х-4 ВЖМ5
а\ , МПа
„900 а 100 475 485 485 525
900 ° 500 370 390 390 430
1000 ° 100 240 255 260 275
„1100 ° 500 175 185 190 210
1100 а 100 120 140 140 150
1100 ° 500 90 100 100 115
а0 5Д, МПа
1000 ° 100 195 200 215
„1000 а 500 120 120 140
Гисп 0С а-1 МПа N = 2-107 ц
а20-ь аа= 1,0 210 290 - 420
а20-ь аа=2,3 280 350 - 410
900 , п. а -ь аа=1,0 110 190 - 240
900 /■, о а -ь аа=2,3 250 280 - 320
а
1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 235 -
Следует отметить, что повышенные значения пределов выносливости МнЦУ у сплава ВЖМ5 связаны с применением горячего изостатичес-кого прессования (ГИП) в комбинации с термовакуумной обработкой (ТВО), снижающего объемную долю микропористости практически до нуля. Однако получение монокристальных отливок из безуглеродистых сплавов имеет ряд существенных особенностей:
- отливки из этих сплавов требуют контроля макроструктуры, т.к. большеугловые границы зерен как при комнатной, так и при высоких температурах имеют близкие к нулевой прочность.
- в процессе направленной кристаллизации могут возникать посторонние кристаллы, в виде полосчатости, которая наблюдается только в монокристаллах безуглеродистых сплавов.
Полосчатость представляет собой конгломерат столбчатых зерен, направленных вдоль оси роста и возникающие из субзерен основного кристалла за счет увеличения их разориентации по мере роста как в осевом, так и в азимутальных направлениях. При разориентации Аа более 5.7°, можно говорить о возникновении зерен, хотя очага зарождения они не имеют, а возникают из монокристальной структуры (рис. 1 а, б).
а б
Рис.1. Структура полосчатости в цилиндрической
монокристальной заготовки [001]: а) общий вид; б) увеличение х50
Образование такого дефекта имеет инкубационным период: полосчатость возникает не с момента роста слитка, а при достижении им порогового размера, ответственного за образование дефекта. Обычно для этого нужен слиток в 30.50 мм. В то же время в слитках [001], полученных в одном блоке с монокристаллами [001], такой дефект не наблюдается. Это можно связать с тем, что в кристаллах [001] оси 1-го порядка прорастают на всю длину слитка, которая превышает инкубационное расстояние, тогда как в монокристаллах [111] дендритные оси выходят на поверхность раньше, чем произошло пороговое накопление дефектов.
Показано, что в монокристальных отливках <001>, полосчатость, помимо высокого уровня
возникает на радиальных составляющих (Туу, т. е. при росте с вогнутым фронтом роста. В частности, в блоке по четыре полосчатость возникает на стороне слитка, обращенной к нагревателю, в зоне с максимальным искривлением фронта роста. Полосчатость увеличивается вместе с ростом объема слитка за счет поглощения объема основного кристалла.
Образование полосчатости или возникновение разориентации Аа, можно связать с возникновением термических напряжений при росте, вызванного высокимого градиентом где - градиент температуры на фронте роста.
Этот постоянно действующий фактор в процессе роста слитка, где затвердевшая часть слитка играет роль затравки, способствуя росту Аа. Сплавы с повышенным содержанием Ж и Яв, например ЖС-36 (12% Ж, 2% Яв), менее склонны к образованию полосчатости по сравнению, например, со сплавом 5С-83 (7% Ж, 0% Яв). Сплав ВЖМ5 имеет меньшую склонность к образованию данного дефекта. Наиболее эффективным для устранения полосчатости является снижение величины ростового градиента Это было показано при проведении плавок на одной и той же установке при градиентах Б = 15°/мм и Б = 5...7°/мм. Во втором случае полосчатость в кристаллах сплава £С-83 <001> отсутствовала полностью.
Исследование структуры монокристаллических отливок из ЖС36, ВЖМ5, ВЖМ5У, показало повышенную склонность этих сплавов к образованию микрорыхлоты, по сравнению с углеродсодержащими ЖС32 и ЖС26. Микрорыхлота представляет собой несплошности в междендритной области структуры отливки, преимущественно располагаясь в местах резкого изменения конфигурации детали, относится к литейным дефектам и выявляется при ЛЮМ-кон-троле. Небольшие несплошности, не выходящие на поверхность отливки, можно «закрыть», применяя горячее изостатическе прессование (ГИП). Для крупных несплошностей и избежания рекристаллизации требуется корректировка режима ГИП. Кроме того, с целью уменьшения микрорыхлоты применяют систему кристалловодо-впитателей для критических зон отливки и предусматривают припуски, удаляемые механической обработкой.
Вторым источником возникновения посторонних кристаллов в отливках из безуглеродистых сплавов является процесс гомогенизирующего отжига при температуре выше у'-фазы.
Исследования структуры монокристаллов на разных стадиях гомогенизирующего отжига показали, что в большинстве случаев объемная рекристаллизация начинается из слоя поверхност-
ной рекристаллизации толщиной 100-150 мкм, который в свою очередь возникает от пескоструйной обработки, зачистки или выбивки отливки из формы. Несколько зерен из этого слоя начинают быстро расти в глубь монокристалла, прорастая на все сечение так, что в монокристальная отливка может превратиться в равноосную. Рекристаллизованные зерна могут возникнуть в лопатке в результате механического воздействия на нее при выбивке отливки из формы. Образование таких зерен в монокристалле из безуглеродистого сплава грозит потерей жаропрочности.
Рис. 2. Микроструктура микрорыхлоты в отливке рабочей лопатки турбины (сплав ВЖМ5) с кристаллографической ориентацией [001]
Как показали исследования структурного совершенства, рекристаллизованные зерна имеют разориентацию блоков Аа < 0,1-0,15°, то есть они почти на порядок совершеннее основных монокристаллов, получаемых методом направленной кристаллизации (Аа = 1,0-2,0°). Разница в структурном совершенстве интенсифицирует процесс рекристаллизации.
Объемная рекристаллизация при кристаллизации отливки возникает из-за:
- наклепа отливки при ее механической доработке;
- возникновения пластических деформаций в зоне повышенной жесткости формы, затрудняющей усадку отливки.
Для предотвращения возникновения объемной рекристаллизации необходимо исключать любые механические воздействия на отливку до проведения всех высокотемпературных термообработок с температурами выше у'-фазы (ГИП, пайки заглушек, нанесения защитного покрытия и др.).
Как и в случае полосчатости, к объемной рекристаллизации менее склонны безуглеродистые сплавы, имеющие повышенное содержание W и Re. Этот эффект, в отличие от полосчатости, не зависит от ориентации отливки.
Заключение
Таким образом, применение монокристаллов безуглеродистых жаропрочных сплавов позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики турбинных лопаток ГТД, однако, технология их изготовления имеет ряд принципиальных отличий от технологии жаропрочных сплавов традиционного легирования.
Перечень ссылок
1. Талараия В.Н., Современные технологии получения отливок лопаток ГТД и ГТУ/ В.Н. Талараия, Е.Н. Каблов, И.М. Димонис. Авиационные материалы; под ред. Е.Н Каблова М. ВИАМ. 2007. 440 с.
2. Петухов АН. Исследование прочностных характеристик монокристаллов никелевых сплавов и монокристаллических лопаток турбин./ Сб.:Вторая междунродная конференция «Деформация и разрушение материалов» DFM-2007.М.ИМЕТ им.А.А. Байкова РАН, т.1, 2007. С.215-218.
Поступила в редакцию 14.06.2011
В.Н. Толорайя, А.Н. Петухов, М.Е. Колотшков, C.B. Харьковський, Г.А. Остроухо-ва. Деяю особливост формування монокриста.мчних вщливок на приклада безвуглецево-го сплава ВМЖМ5
Розглянуто ocoônueocmi формування монокристал^чних в^дливок з жаромщного безвуг-лецевого сплава типу ВМЖМ5 i основы характеристики Miu,mcmi в mpiemmi з тради-цшними вуглецевовмсними сплавами типу ЖС32. Сформулъоваш вимоги, що регламенту-ютъ вiдхuлення по кpucmалoгpафiчнiй opieнmацiï КТО i умови пpuйняmнocmi в вiдлuвках стороннх кpucmалiв i субзерен, ïxpoзмipu i морфологЮ, зони у вiдлuвках, де та^ вiдхuлення можутъ допускатися. Наведено пopiвнялънi характеристики мщностi( mpmmoï мiцнocmi i багаmoцuклoвoï втоми) жаромщних безвуглецевих cплавiв втчизняного ВМЖМ5 i закордонного CMSX-4.
Ключов1 слова: мoнoкpucmалiчнi сплави, субзерна, безвуглецевi сплави, осъова кристалог-pафiчна орюнтацш (КТО), mеpмiчнi напруження, смужчатстъ, пеpекpucmалiзацiя, дендрит-на лтващя.
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2011
- 237 -
V.N. Talaraija, A.N.Petukhov, M.E. Kolotnikov, S.V. Kharkjvski, G.A Ostrouhova. Some features of formation of single cristal castings by the example of carbon-free alloy VJZM5
Typical defects of a macrostructure single-crystal castings shovels from carbon-free heat resistant nickel-base alloys and ways of elimination of these defects are described. Requirements to growth are stated structure of domestic and foreign turbine shovels, ways of the task and a substantiation of a choice of crystallographic orientation single-crystal castings shovels, and the requirement on off-orientation to the set crystallographic orientation.
Features of formation of single crystal castings from carbon-free heat resistant nickel-base alloy VJZM5 as compared with traditional carbon-bearing heat resistant alloys of JZS32 type are considered.
Key words: single cristal, carbon-free, castings, thermal stress, striation.
