CC BY
25
УДК 669.245.018: 620.193.53
Канд. техн. наук А. Г. Андриенко, канд. техн. наук С. В. Гайдук, канд. техн. наук В. В. Кононов, О. В. Гнатенко
Национальный технический университет, г. Запорожье
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СООТНОШЕНИЯ ТАНТАЛА К РЕНИЮ НА СТРУКТУРНУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ЖС-32
Расчетными методами исследовано влияние соотношения концентрации тантала к рению на структурную и фазовую стабильность сплава ЖС-32. Оценено влияние данного соотношения в интервале от 1 до 6 на прочностные характеристики сплава в температурном диапазоне 800—1000 °С. Приведены результаты механических испытаний на кратковременную и длительную прочность исследованных составов, в сравнении со сплавом ЖС-32.
Жаропрочные никелевые сплавы, направленная (моно) кристаллизация, термическая обработка, структурная и фазовая стабильность, дисбаланс системы легирования, кратковременная и длительная прочность
Введение
В настоящее время предприятия, выпускающие авиационные газотурбинные двигатели, проектируют и осваивают выпуск наземных энергетических и газоперекачивающих агрегатов [1, 2]. На промышленных предприятиях ЗМКБ «Прогресс» и ОАО «Мотор Сич» освоен технологический процесс отливки рабочих лопаток для наземных установок Д-336 из сплавов ЖС-26, ЖС-26У методом направленной (моно) кристаллизации. Практика показала, что данные сплавы не обеспечивают необходимого эксплуатационного ресурса рабочим лопаткам из-за пониженной высокотемпературной коррозионной (ВТК) стойкости, повышенного трещинообразования и низких запасов прочности.
Взамен сплавов ЖС-26, ЖС-26У применяется известный промышленный никелевый сплав ЖС-32, полностью удовлетворяющий требованиям к рабочим лопаткам, но имеющий высокую стоимость, в основном, из-за легирования очень дорогим и дефицитным элементом рением (4 % по массе), что делает его применение для рабочих лопаток стационарных газовых турбин экономически нецелесообразным. Поэтому, возникла необходимость в разработке жаропрочного сплава с уровнем механических характеристик, приближающихся к сплаву ЖС-32, но имеющего меньшую стоимость.
Известно, что структурная и фазовая стабильность жаропрочных никелевых сплавов является одним из важнейших факторов, обеспечивающих надежность длительного эксплуатационного ресурса лопаткам газовых турбин [3—5]. Помимо
высокой стоимости, сплав ЖС-32 при длительном воздействии высоких температур (до 1000 °С) показытает структурную и фазовую нестабильность, которая проявляется в выделении значительного количества топологически плотноупако-ванных (ТПУ) фаз различного типа (m-фаза, двойные карбиды типа Ме6С), заметно снижающих прочностные и пластические характеристики.
В данной работе исследовалось влияние соотношения тантала к рению в сплаве ЖС-32 на его структурную и фазовую стабильность, характеристики жаропрочности в температурном диапазоне 800—1000 °С с целью оптимизации данного соотношения для повышения сбалансированности системы легирования.
Постановка задачи
Для этой цели на базе паспортной шихтовой заготовки сплава ЖС-32 отливались монокристаллические образцы из опытныгх составов № 1—5 с различным соотношением тантала к рению, в исследуемом диапазоне от 1 до 6. Заливка образцов осуществлялась в специальные керамические формы с применением монозатравок из никель-вольфрамового сплава кристаллографической ориентации (КГО) [001] вдоль направления роста на установке УВНК-8П для направленной (моно) кристаллизации в соответствии с серийной технологией. Скорость кристаллизации образцов составляла R = 10 мм/мин. Литые заготовки образцов имели форму цилиндров диаметром 16 мм и высотой 180 мм.
Химический анализ опытных плавок проводился стандартными методами согласно требованиям ТУ 14-1689-73 и ОСТ 1.90127-85. Спект-
© А. Г. Андриенко, С. В. Гайдук, В. В. Кононов, О. В. Гнатенко, 2010
ральный химический анализ проводился на оптическом эммисионном приборе ARL-4460 (кван-тометр одновременного многоканального анализа). Химические составы опытных плавок приведены в таблице 1.
Литые заготовки монокристаллических образцов опытных составов № 1—5 и сплава ЖС-32 проходили 100 % контроль макроструктуры путем травления в растворе, содержащем хлорное железо (700—800 г), соляную кислоту (120—150 см3) и воду до 1 дм3, а также контроль кристаллографической ориентировки (КГО) на установке ДРОН-3М.
Далее из литых заготовок изготавливались цилиндрические образцы для испытаний по стандартным методикам: на кратковременную прочность по ГОСТ 9651-73 при температурах 20, 800, 900, 1000 °С и длительную прочность по ГОСТ 10145-81 при температурах 800, 900 и 1000 °С. Механические испытания образцов проводились после соответствующей термической обработки.
В таблице 2 представлены характеристические температуры, определенные методом дифференциального термического анализа (ДТА) для исследованных составов: (tflp"1') — температура полного растворения основной упрочняющей у'- фазы; — температура плавления у-у'
эвтектики; (L) — температура ликвидус; (ts) — температура солидус; Д^= tL - ts — ширина интервала кристаллизации сплава; Д2 = - tnpу' — ширина интервала для проведения высокотемпературной гомогенизации первой ступени.
Первая ступень термической обработки (ТО) — Z1 (высокотемпературная гомогенизация) для каждого опытного состава № 1—5 назначалась индивидуально, внутри интервала Dt2, между температурой эвтектических превращений ( 1ЭВТ) и
полного (t^p1) растворения у'- фазы.
Вторая ступень ТО (низкотемпературная гомогенизация) всем опытным составам проводилась при = 1050 °С и была выбрана с учетом технологической температуры нанесения защитного покрытия. Охлаждение между ступенями ТО проводилось на воздухе. Для сплава ЖС-32 термическая обработка проводилась в соответствии с паспортным режимом (см. табл. 2).
Анализ результатов
С целью исследования структурной стабильности и вероятности выделения ТПУ — фаз различного типа, в химическом составе сплава ЖС-32 была реализована частичная замена рения менее дорогим и дефицитным танталом в исследуемом диапазоне их соотношений Ta/Re от 1 до 6, без изменения содержания остальных легирующих элементов (см. табл. 1).
Расчеты проводились методом ФАКОМП [6] по величине NV - фактора и А£-методом [1, 7] по величине параметра дисбаланса системы легирования, с учетом соотношения Сг/ (Cr+Mo+W) [8]. Химический состав у- твердого раствора для каждого опытного состава № 1—5 и сплава ЖС-32 рассчитывался по среднему количеству электронных дырок NV путем суммирования по формуле:
_ n
nv = £ m ( nV )¡, (1)
i=1
где m¡ и NV — соответственно атомная масса i-го компонента и число электронных дырок каждого конкретного элемента, n — число компонентов в у- твердом растворе.
Таблица 1 — Химический состав опытных сплавов
Сплав Содержание легирующих элементов, %, по массе
№ C Cr Co W Mo Al Nb Ta Re Zr B Ni
ЖС-32 0,13 4,9 9,3 S,2 1,1 3,S 1,б 4,0 4,0 0,03 0,013 Осн.
1 0,14 3,1 9,1 S,0 1,0 3,9 1,4 3,0 3,3 0,03 0,013 Осн.
2 0,13 4,9 9,0 S,2 0,9 б,1 1,3 б,0 3,0 0,03 0,013 Осн.
3 0,14 4,S S,9 S,1 1,0 б,0 1,б 7,0 2,3 0,03 0,013 Осн.
4 0,13 3,0 9,0 S,0 0,9 б,1 1,3 S,0 2,0 0,03 0,013 Осн.
3 0,1б 3,2 9,1 7,9 1,1 б,2 1,б 9,0 1,3 0,03 0,013 Осн.
Сплав № Характеристические температуры, °С
tп Р. У t ЭВТ. tL ts A t1 a2 t'ГОМ ^ГОМ.
ЖС-32 1273 130б 1412 1343 б7 33 12S0 1030
1 1270 1302 1407 1342 бЗ 32 1273 1030
2 12бЗ 1297 1403 1339 б4 32 1270 1030
3 12б0 1291 1397 1333 б2 31 12бЗ 1030
4 1233 12S6 1393 1332 б1 31 12б0 1030
3 1230 12S0 1390 1330 б0 30 1233 1030
Таблица 2 — Температуры фазовых превращений в исследованных составах
Результаты сравнительного анализа, проведенные на группе известных промышленных сплавов [8] показали, что при малом значении параметра Сг/(Сг+Мо+^ < 0,5 и более низком значении величины фактора Му < 2,3 — вероятней образование ц- фазы. При большем значении параметра Сг/(Сг+Мо+^ > 0,7 и более высоком значении фактора Му > 2,4 — вероятней образование ст- фазы.
Расчет параметра дисбаланса системы легирования АЕ для каждого опытного состава № 1—5, в сравнении со сплавом ЖС-32, производился по формуле:
п { п \
АЕ = £Е,С, - 0,0036£Л,С, - 6,28 1=1 V 1=1
(2)
где Е, С, А1 — соответственно количество валентных электронов (¿р-электроны алюминия, электроны переходных металлов), концентрация и атомная масса 1-го компонента, п — число компонентов сплава, включая основу сплава.
Сравнительный анализ результатов, полученных с помощью расчетного АЕ-метода для известных промышленных никелевых жаропрочных сплавов, предназначенных для направленной (моно) кристаллизации показал, что сбалансированность химического состава большинства из них низка или практически отсутствует [1, 5, 7]. При этом, совершенно очевидно, что при легировании данного класса жаропрочных никелевых сплавов используется более 12—15 элементов и найти оптимальный состав для получения желаемого комплекса свойств достаточно сложно, поскольку требуется длительное время и большие финансовые затраты. Особенно это касается высокожаропрочных никелевых сплавов, содержащих в составе дорогой и дефицитный рений.
Сплавы, удовлетворяющие уравнению (2) считаются сбалансированными по химическому составу при выполнении граничных условий величины параметра дисбаланса системы легирования АЕ = ±0,04. Сплавы, имеющие большее положительное значение параметра, чем величина АЕ > 0,04, склонны к образованию избыточ-
ных фаз типа N13X1, N13^, М3Та. Сплавы, имеющие большее отрицательное значение параметра, чем величина АЕ < -0,04, склонны к образованию ц- фазы или двойных карбидов типа Ме6С [1, 5, 7]. Расчеты для внутримарочных составов сплава ЖС-32 показали, что значения параметра дисбаланса АЕ находятся в диапазоне от -0,10 до -0,06. При этом, металлографическими исследованиями было подтверждено, что при длительном температурном воздействии (до 1000 °С) образуются пластинчатые выделения ц- фазы на основе (Со7^у и двойных карбидов на основе (№3^)С. _
В таблице 3 представлена зависимость Му -фактора и параметра дисбаланса системы легирования АЕ от величины соотношения тантала к рению с учетом параметра Сг/(Сг+Мо+^ в опытных составах «1»—«5», в сравнении со сплавом ЖС-32.
Сравнительные исследования расчетными методами показали, что в структуре опытных составов № 1—5 и сплаве ЖС-32 при значениях параметра Сг/(Сг+Мо+^ < 0,5 и величинахМу < 2,3 вероятней выделение ц- фазы или двойных карбидов типа Ме6С, чем ст- фазы.
Из таблицы 3 видно, что с повышением соотношения тантала к рению от 1 до 6, в опытных составах № 1—5 повышается величина Му -фактора с 1,66 до 1,82, а значение параметра дисбаланса системы легирования АЕ снижается с -0,08 до -0,05 при практически постоянном соотношении Сг/(Сг+Мо+^.
Вместе с тем, сопоставление расчетных значений Му - фактора для у- твердых растворов опытных составов № 1—5 показывает, что с увеличением соотношения тантала к рению величина параметра дисбаланса системы легирования АЕ постепенно снижается, а величина Му -фактора повышается, по сравнению со сплавом ЖС-32. Это указывает на то, что вероятность выделения избыточных фаз типа ц-фазы или двойных карбидов Ме6С неблагоприятной морфологии еще остается, но значительно снижается, так как опытные составы «1»—«5» имеют большее отрицатель-
Таблица 3 — Расчетные значения Му - фактора, параметра Сг/(Сг+Мо+^ и дисбаланса системы легирования АЕ для исследованных сплавов
Сплав № Расчетные па раметры
Та /Яе Ыу - фактор Сг / (Сг+Мо+'№) ± А Е
ЖС-32 1,00 1,63 0,35 -0,08
1 1,43 1,66 0,36 -0,08
2 2,00 1,69 0,35 -0,07
3 2,80 1,73 0,35 -0,06
4 4,00 1,77 0,36 -0,05
5 6,00 1,82 0,36 -0,05
ное значение параметра АД чем граничная величина -0,04.
Механические испытания на кратковременную прочность образцов моно [001] опытных составов № 1—5 показали, что в опытном составе № 5, содержащем 9 % тантала и 1,5 % рения, прочностные характеристики заметно снижаются, по сравнению со сплавом ЖС-32 и опытными составами № 1—4. Сравнительный анализ полученных результатов показал, что в сплаве ЖС-32 наиболее оптимальным является соотношение Ta/Re = 4, как с точки зрения структурной стабильности и прочностных характеристик, так и экономических подходов, которые имеет опытный состав № 4, содержащий 8 % тантала и 2 % рения (см. табл. 3, 4).
В таблице 5 приведены результаты механи-
ческих испытаний при температурах 800, 900 и 1000 °С на 100- и 1000- часовую длительную прочность и пластичность образцов моно [001] с оптимальным соотношением Ta/Re = 4 (состав № 4), в сравнении со сплавом ЖС-32, где соотношение Ta/Re = 1 (см. табл. 3).
Таким образом, анализ результатов показал, что опытный состав № 4 при эквивалентном уровне прочностных характеристик обладает лучшей структурной стабильностью, чем сплав ЖС-32 (см. табл. 3, 4). При этом содержит в 2 раза меньшее содержание рения, что существенно снижает стоимость сплава. Следует отметить, что при получении лопаток методом направленной (моно) кристаллизации по серийной технологии не требуется изменений в существующем технологическом процессе.
Таблица 4 — Результаты сравнительных механических испытаний на кратковременную прочность монокристаллических образцов [001] исследованных составов
Сплав № iИСП■, °С <ß, МПа sö,2, МПа 8, %
ЖС-32 1310 1000 7,5
1 1305 995 7,7
2 20 1305 995 7,9
3 1300 990 8,2
4 1300 990 8,5
5 1240 880 9,5
ЖС-32 1300 1020 6,5
1 1300 1020 6,8
2 800 1295 1015 7,1
3 1290 1010 7,6
4 1290 1010 7,9
5 1220 930 9,1
ЖС-32 1010 850 16,0
1 1010 845 16,3
2 900 1005 845 16,8
3 1005 840 17,2
4 1000 840 17,6
5 920 760 19,1
ЖС-32 730 610 16,0
1 725 610 16,4
2 1000 725 605 16,9
3 720 600 17,1
4 720 600 17,8
5 640 520 23,0
Таблица 5 — Пределы характеристик длительной прочности и пластичности образцов моно [001] опытного состава № 4, в сравнении со сплавом ЖС-32
Сплав tисп^ °С s100, МПа <31000, МПа 8100, % 81000, %
ЖС-32 800 615 / 695 495 / 580 7,5 / 11,5 12,0 / 16,5
900 420 / 480 305/355 7,0 / 10,0 33,0 / 37,5
1000 215 / 250 140 / 185 10,5 / 14,0 9,5 / 14,5
Состав N° 4 800 610 / 685 480 / 570 8,0 / 12,0 13,5 / 18,0
900 410 / 470 300 / 350 8,5 / 11,5 34,0 / 38,0
1000 210 / 240 135 / 175 9,0 /13,5 11,0 / 15,5
Выводы
1. Увеличение соотношения тантала к рению в исследованном диапазоне от 1 до 6 приводит к снижению величины параметра дисбаланса DE системы легирования сплава ЖС-32 с - 0,08 до -0,05, в результате чего повышается структурная и фазовая стабильность.
2. Замена в химическом составе сплава ЖС-32 части рения танталом (при оптимальном соотношении Ta/Re = 4) экономически целесообразно, так как при сохранении характеристик жаропрочности на эквивалентном уровне, снижается его стоимость на 40—45 %.
Перечень ссылок
1. Каблов Е. Н. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. Юбилейный науч.-техн. сб. / Каблов Е. Н.; [под общ. ред. акад. РАН Е. Н. Каблова]. — М. : ВИАМ, 2007. — 438 с.
2. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / [Р. Е. Шалин, И. Л. Светлов, Е. Б. Качанов и др.]. — М. : Машиностроение, 1997. — 336 с.
3. Каблов Е. Н. Монокристаллические ренийсодер-жащие сплавы для турбинных лопаток ГТД / Е. Н. Каблов, В. Н. Толораия, Н. Г. Орехов // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2002. — № 7. — С. 7—11.
4. Каблов Е. Н. Перспективы применения литейных жаропрочных сплавов для производства турбинных лопаток ГТД / Е. Н. Каблов, С. Т. Кишкин // Газотурбинные технологии. — 2002. — Январь-февраль. — С. 34—37.
5. Каблов Е.Н. Физико-химические и технологические особенности создания жаропрочных сплавов, содержащих рений / Е. Н. Каблов // Вестн. Моск. ун-та. — Сер. 2. — Химия, 2005. — Т. 46. - № 3. - С. 155-167.
6 Симс Ч. Т. Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок / Симс Ч. Т., Столофф Н. С., Хагель У. К. ; [пер. с англ. под ред. Р. Е. Шалина]. — М. : Металлургия, 1995. — Кн. 1. - 384 с.
7. Морозова Г. И. Особенности структуры и фазового состава высокорениевого никелевого жаропрочного сплава / Г .И. Морозова, О .Б. Тимофеева, Н. В. Петрушин // Металловедение и термическая обработка металлов. -2009. - № 2. - С. 10-16.
8. Пигрова Г. Д. Условия образования а- и m-фаз в жаропрочных сплавах на никелевой основе / Г. Д. Пигрова, Е. Е. Левин // Физика металлов и металловедение. - 1969. -Т. 28. - Вып. 5. - С. 858-861.
Поступила в редакцию 01.10.2009
A. G. Andriyenko, S. V. Gayduk, V. V. Kononov, O. V. Gnatenko
EVALUTION OF TANTALUM/RHENIUM RATIO INFLUENCE UPON THE STRUCTURAL STABILITY AND MECHANICAL PROPERTIES OF ЖС-32 HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOY
Розрахунковими методами досл1джено вплив ствв1дношення концентраци танталу до рент на структурну i фазову стабыъшстъ сплаву ЖС-32. Оцтено вплив даного ствв^дно-шення в iнтервалi вiд 1 до 6 на характеристики M^mrni сплаву в температурному дiапазонi 800—1000 °С. Приведено резулътати мехашчних випробуванъ на короткочасну i довготривалу мщшстъ до^джених складiв, в порiвняннi 3i сплавом ЖС-32.
Жаромщт ткелевг сплави, спрямована (моно) кристалШцш, термгчна обробка, структурна i фазова стабмьтсть, дисбаланс системи легування, короткочасна i довготривала мщтсть
Influence of Ta / Re ratio on the structural and phase stability of ЖС-32 alloy was investigated by means of calculation techniques. Influence of Ta / Re ratio ranging from 1 to 6 on the strength parameters of the alloy in the temperature range of 800—1000 °C was evaluated. There were presented results of mechanical testing for long-term and short-term strength of the investigated compositions in comparison with ЖС-32 alloy.
Heat-resistant nickel alloys, direct (mono) crystallization, heat treatment, structural and phase stability, disbalance of alloying system, short-term and long-term strength
