CC BY
40
УДК 620.179:669.018.44:669.245
Р.М. Назаркин1, В.Г. Колодочкина1, О.Г. Оспенникова1, М.Р. Орлов1
НЕОБРАТИМЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В ПРОЦЕССЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТУРБИННЫХ ЛОПАТОК
DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-12-3 -3
Представлены результаты исследований микро- и субструктуры монокристаллических рабочих лопаток турбины высокого давления из литейного жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ в процессе длительных ресурсных испытаний газотурбинного двигателя. Показано, что выделение частиц ТПУ фаз в сплаве в процессе высокотемпературных испытаний сопровождается уменьшением параметра кристаллической решетки у-твердого раствора, что подтверждается данными рентгеновского структурного, рентгеноспектралъного микроанализа и растровой электронной микроскопии. Выдвинуто положение, что уменьшение степени легирования у-твердого раствора в результате выделения ТПУ фаз, богатых тугоплавкими элементами, приводит к падению жаропрочности материала. Кроме того, ТПУ фазы оказывают негативное влияние на механические характеристики сплава из-за локального нарушения когерентности межфазных границ в зоне их возникновения.
Ключевые слова: монокристаллический жаропрочный никелевый сплав, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, рентгеноструктурный фазовый анализ, у-твердый раствор, упрочняющая у'-фаза, мисфит, ТПУ фазы, «рафт»-структура, монокарбиды, термоусталостные трещины.
The results of researches of single-crystal rotor blades from cast Ni-based superalloy ZhS32-VI in process of long-time life cycle testing of gas turbine engine (high-pressure turbine) are represented for microstructure and substructure. It is shown that precipitation of TCP-phases particles in the alloy during high-temperature testing is accompanied by the decreasing of crystal lattice constant of y-solid solution. It is verified by data of x-ray diffraction analysis, x-Ray microanalysis and scanning electron microscopy. The point is proposed that decreasing of alloying element content in the y-solid solution as result of TCP-phases precipitation (rich with the refractory elements) leads to the fall of the high-temperature resistance of the material. Also, a TCP-phases make negative influence on mechanical properties of the alloy due to the local destruction of coherency for interphase boundaries in zone of development of TCP-phases particles.
Keywords: single crystal superalloy, scanning electron microscopy, x-ray microanalysis, Ni-based superalloy, x-ray phase diffraction analysis, crystal lattice constants, lattice misfit, y-solid solution, strengthened y'-phase, TCP-phases, raft structure, monocarbides, thermofatigue cracks.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский нститут авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal state unitary enterprise «АН-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Технические характеристики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) современных летательных аппаратов во многом обусловлены работоспособностью лопаток ротора ГТД (турбины высокого давления - ТВД) в условиях частых смен темпера-
турных режимов и нагрузок, а также периодических забросов по температуре газового потока, поступающего на рабочие лопатки ТВД.
Проблема увеличения длительной прочности и других эксплуатационных характеристик рабочих лопаток ТВД в тяжелых температурно-силовых условиях решается специалистами ВИАМ в соответствии со Стратегическими направлениями развития материалов и технологий [1-3], ориентированными на обеспечение безопасности [4] и конкурентоспособности российской авиационной техники. В ВИАМ также ведутся исследования и разработка новых литейных жаропрочных сплавов для турбины ГТД на основе никеля [5-7] и новых жаростойких и теплозащитных покрытий для деталей горячего тракта ГТД [2, 8].
Высокая анизотропия механических свойств монокристаллических жаропрочных сплавов на основе никеля [9-11] и значительное различие упругих, прочностных, пластических и теплофизических характеристик литейных жаропрочных сплавов, жаростойких интерметаллидных и теплозащитных керамических покрытий предопределили смену традиционных подходов к задачам разработки конструкций литых охлаждаемых рабочих лопаток ТВД. В связи с вышеуказанными проблемами создание литых охлаждаемых монокристаллических лопаток ТВД для двигателей пятого поколения неразрывно связано с процессом конструирования лопаток по технологии современного производства. Химический и фазовый состав жаропрочных материалов - основной фактор, определяющий свойства изделий для работы в условиях высоких температур и переменных механических нагрузок [12, 13].
Оценка точности расчета запасов статической и динамической прочности рабочих лопаток ГТД и назначенного ресурса двигателя доказывается данными стендовых испытаний и, кроме того, последующими всесторонними исследованиями структуры и свойств конструкционных материалов и функциональных покрытий, входящих в состав лопаток [14-18].
Материалы и методы
Структуру монокристаллических лопаток ротора ТВД из литейного никелевого жаропрочного сплава ЖС32-ВИ исследовали как после полного цикла изготовления лопаток, так и после длительных ресурсных испытаний газотурбинного двигателя.
Анализ структурных изменений и повреждений никелевого жаропрочного сплава выполнили в наиболее горячем сечении пера лопатки в сравнении со структурой сплава в хвостовике лопатки. Общий вид рабочей лопатки с указанием сечения, в котором проводилось детальное исследование микро- и субструктуры, и схемой распределения температур на крейсерском режиме работы ГТД представлен на рис. 1.
Рис. 1. Рабочая лопатка турбины высокого давления ГТД (общий вид со стороны входной кромки; стрелкой указано положение восьмого перфорационного отверстия)
Исследование микроструктуры и химического состава фаз выполнили на металлографических шлифах после механического шлифования и полирования, электрохимического травления в насыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте. Типичная микроструктура входной кромки рабочей лопатки ГТД приведена на рис. 2.
а) 6)
5 мк.м
Рис. 2. Микроструктура входной кромки рабочей лопатки ТВД в сечении восьмого перфорационного отверстия
Анализ микроструктуры никелевого жаропрочного сплава проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе JSM-6490LV в режимах отраженных электронов и вторичных электронов. Определение локального состава фаз выполнили с помощью системы энергодисперсионного рентгеноспектраль-ного микроанализа (РСМА) INCA x-sight.
Определение параметров кристаллических решеток у-твердого раствора на основе никеля и у'-фазы на основе соединения №зА1 на образцах из монокристаллического жаропрочного сплава ЖС32-ВИ выполнили методом рентгеноструктурного анализа (РСА) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4. Съемка рентгеновской дифрактограммы для прецизионного определения параметров кристаллических решеток у- и у'-фаз и их размерного несоответствия (мисфита) проведена в монохроматическом Бе Ка-излучении. Методика рентгеновского структурного анализа монокристаллов жаропрочных сплавов подробно описана в работах [16, 17].
Результаты
Исследование микроструктуры монокристаллического никелевого жаропрочного сплава после длительной высокотемпературной наработки в эксплуатационных условиях (порядка нескольких тысяч часов) методами РЭМ показало следующие значимые отличия: несмотря на то, что частицы у'-фазы (когерентно сопряженные с у-матричной фазой) сохранили кубоидную форму и внешне почти не изменились по сравнению с исходным состоянием (однако начавшееся огрубление микроструктуры и частичное слияние кубоидных частиц у'-фазы заметно на фотографии), произошло образование пластинчатых выделений ТПУ фазы. На рис. 3 представлены трещины в рабочей лопатке ТВД, образовавшиеся по механизму термомеханической усталости.
1 мм
Рис. 3. Трещины в рабочей лопатке ТВД, образовавшиеся по механизму термомеханической усталости
20 мкм
Рис. 4. Пластины ТПУ фазы в сечении шлифа и в статическом изломе рабочей лопатки турбины среднего давления (ТСД) ГТД Д-18Т из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава после наработки при эксплуатации в течение 7835 ч
_* мкм_
Рис. 5. Схема выбора зон (1-5 - см. табл. 1) исследования химического состава ТПУ фазы и у'-фазы
Образовавшиеся в жаропрочном сплаве пластины ТПУ фазы исследовали методом РСМА. На рис. 4 приведены изображения пластин ТПУ фазы в сечении шлифа и в статическом изломе рабочей лопатки турбины среднего давления ГТД Д-18Т из монокристаллического жаропрочного никелевого сплава после наработки при эксплуатации в течение 7835 ч. Схема выбора зон исследования химического состава ТПУ фазы и у'-фазы приведена на рис. 5. Химический состав ТПУ фазы и у'-фазы представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав ТПУ фазы и у'-фазы в монокристаллическом никелевом _жаропрочном сплаве после высокотемпературной наработки_
Фаза Условный номер Содержание элементов, % (по массе)
зоны анализа А1 Сг Со N1 № Мо Та W Яе
ТПУ 1 2,75 4,02 6,30 35,14 1,05 2,81 2,19 24,28 21,45
фаза 2 3,87 3,96 5,52 32,91 1,00 2,05 3,41 29,46 18,83
3 2,54 4,99 8,84 33,45 1,20 2,33 3,35 27,84 15,47
у' -фаза 4 7,19 3,00 8,72 65,03 1,72 - 2,41 10,17 1,77
5 5,46 7,22 11,55 59,96 1,51 1,20 4,35 7,69 5,57
Помимо растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного рентге-носпектрального микроанализа также проводили рентгеноструктурные исследования для прецизионного определения параметров кристаллических решеток у- и у'-фаз на образцах из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава как после высокотемпературной выдержки без нагружения, так и после длительных ресурсных испытаний. Проведенный рентгеноструктурный анализ показал, что происходит устойчивое снижение величины параметра кристаллической решетки у-твердого раствора после длительных ресурсных испытаний (порядка 1000 часов и более) в сравнении с исходным состоянием сплава; на малых базах испытаний (несколько сотен часов) изменение параметра кристаллической решетки у-фазы малозаметно. На рис. 6 представлены наиболее характерные дифрактограммы рентгеновского рефлекса (222) в монохромати-зированном Fe Ka-излyчeнии как после воздействия высокой температуры без механических нагрузок, так и после длительных ресурсных испытаний. Результаты прецизионного определения параметров кристаллических решеток (у/у')-фаз, а также размерного несоответствия кристаллических решеток фаз (мисфит) представлены в табл. 2.
га 1л НЕ 14 иг ш \т> 1-й н ш
2Й,гри ^Й. грл
Рис. 6. Наиболее характерные дифрактограммы рентгеновского рефлекса (222) (у/у')-фаз монокристаллического никелевого жаропрочного сплава в монохроматизированном Fe ^-излучении как после воздействия высокой температуры без механических нагрузок (а), так и после длительных ресурсных испытаний (б)
Таблица 2
Параметры кристаллических решеток (у/у')-фаз и размерное несоответствие
параметров кристаллических решеток фаз при различных условиях _длительных высокотемпературных испытаний_
Условия испытания Параметр кристаллической Размерное несоответствие
при температуре 1000°С решетки а, нм кристаллических решеток
продолжитель- нагрузка, у-твердого интерметаллидной (мисфит), %
ность, ч МПа раствора у'-фазы
400 200 0,3520 0,35680 0,12
Без нагрузки 0,3521 0,35695 0,07
1800 200 0,35666 0,3592 -0,07
Без нагрузки 0,35675 0,3590 -0,04
2600 200 0,35718 0,35646 0,20
Без нагрузки 0,35743 0,35685 0,16
Обсуждение и заключения
Выделение ТПУ фаз после длительной наработки подтверждается как данными РЭМ, где на снимке видны выделения фазы пластинчатой морфологии, так и данными рентгеноспектрального микроанализа, указывающими на химический состав ТПУ фазы, богатой рением и вольфрамом. Косвенно о выделении ТПУ фаз в процессе длительной эксплуатации материала свидетельствуют и данные прецизионного определения параметров кристаллических решеток у-твердого раствора и у'-фазы: снижение параметров кристаллической решетки характерно не только для у-фазы, но и для у'-фазы на основе соединения Ni3Al. Величина снижения параметра кристаллической решетки возрастает с увеличением продолжительности ресурсных испытаний лопаток при высокой температуре.
Из результатов проведенных исследований можно сделать вывод, что снижение содержания легирующих элементов в у-твердом растворе в результате выделения ТПУ фаз, богатых тугоплавкими элементами, является одной из причин понижения жаропрочности материала. Более того, ТПУ фазы оказывают отрицательное влияние на механические характеристики сплава из-за локального нарушения когерентности межфазных границ в зоне их возникновения, что неминуемо приводит к образованию клиновидных микротрещин в процессе высокотемпературной ползучести материала, по которым в дальнейшем происходит разрушение сплава.
Можно предположить, что контролировать выделение ТПУ фаз in-situ возможно посредством высокотемпературной рентгенографии, а также в процессе высокотемпературных испытаний жаропрочных сплавов под приложенной механической нагрузкой методами прецизионного определения параметров кристаллических решеток (у/у')-фаз по величине снижения параметра решетки. Таким образом, можно будет исследовать кинетику появления ТПУ фаз в зависимости от нагрузок, продолжительности выдержки и температуры, что будет представлять большой интерес для исследователей-материаловедов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.595.21.0002 от 22.08.2014 г., уникальный идентификатор №RFMEFI59514X0002, с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания ФГУП„ВИАМ"».
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H. 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.
2. Оспенникова ОТ. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19-36
3. Каблов E.H., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения //Крылья Родины. 2012. №3-4. С. 34-38.
4. Орлов М.Р. Стратегические направления развития Испытательного центра ФГУП «ВИАМ» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 387-393.
5. Каблов E.H., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис ИМ. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36-52.
6. Петрушин H.B., Оспенникова О.Г., Висик E.M., Рассохина Л.И., Тимофеева О.Б. Жаропрочные никелевые сплавы низкой плотности //Литейное производство. 2012. №6. С. 5-11.
7. Каблов E.H. Физико-механические и технологические особенности создания жаропрочных сплавов, содержащих рений //Вестник Московского университета. Сер. 2: Химия. 2005. Т. 46. №3. С. 155-167.
8. Каблов E.H., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С.60-70.
9. Каблов E.H., Петрушин Н.В., Бронфин М.Б., Алексеев A.A. Особенности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением //Металлы. 2006. №5. С. 47-57.
10. Бондаренко Ю.А., Каблов E.H. Направленная кристаллизация жаропрочных сплавов с повышенным температурным градиентом //МиТОМ. 2002. №7. С. 20-23.
11. Бондаренко Ю.А., Каблов E.H., Морозова Г.И. Влияние высокоградиентной направленной кристаллизации на структуру и фазовый состав жаропрочного сплава типа Rene-N5 //МиТОМ. 1999. №2. С. 15-18.
12. Морозова Г.И. Закономерность формирования химического состава у'/у-матрицы многокомпонентных никелевых сплавов //Доклады Академии наук. 1991. Т. 320. №6. С. 1413-1416.
13. Каблов E.H., Петрушин Н.В. Компьютерный метод конструирования литейных жаропрочных никелевых сплавов /В кн. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина /Под ред. E.H. Каблова. М.: Наука. 2006. С. 56-78.
14. Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Колодочкина В.Г., Назаркин P.M. Структурные изменения и повреждение монокристаллических рабочих лопаток турбины в процессе ресурсных испытаний авиационного газотурбинного двигателя //Деформация и разрушение материалов. 2014. №8. С. 22-29.
15. Орлов М.Р., Якимова М.С., Летов А.Ф. Анализ работоспособности монокристаллических лопаток турбины высокого давления в составе наземных газотурбинных установок //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 399-407.
16. Самойлов А.И., Назаркин P.M., Моисеева Н.С. Определение мисфита во фрагментирован-ных монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов //Труды ВИАМ. 2013. №5. Ст. 02 (viam-works.ru).
17. Самойлов А.И., Назаркин P.M., Моисеева Н.С. Мисфит как источник и критерий работоспособности жаропрочных никелевых сплавов //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79. №6. С. 33-36.
18. Каблов E.H., Орлов М.Р., Оспенникова О.Г. Механизмы образования пористости в монокристаллических лопатках турбины и кинетика ее устранения при горячем изостатическом прессовании //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 117-129.
