Повышение механических и коррозионных свойств многокомпонентных жаропрочных сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.245:629.7

Н. Е. КАЛИНИНА1, Е. А. ДЖУР1, В. Т. КАЛИНИН2, И. Ю. КОШЕЛЕВА1,

В. П. БЕЛОЯРЦЕВА1

1 Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара, Украина 2 Национальная металлургическая академия, Украина

ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И КОРРОЗИОННЫХ СВОЙСТВ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ

СПЛАВОВ

Приведены результаты экспериментальных и опытно-промешленных испытаний комплекса механических свойств и коррозионной стойкости многокомпонентного жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ, применяемого для изготовления лопаток газотурбинных двигателей. Разработан технологический режим модифицирования никелевого расплава дисперсными композициями на основе карбида титана. Исследованы особенности формирования структуры модифицированного сплава, а также комплекс прочностных пластических свойств. Достигнуто значительное измельчение зерна сплава в результате модифицирования, что обусловило повышение прочностных свойств до 15% и ударной вязкости дл 40%. Повышена коррозионная стойкость сплава ЖС6У-ВИв окислительной среде, глубина коррозии при температуре 1000 °С уменьшилась на 25% по сравнению с немодифицированным сплавом. Повышение стойкости и высокотемпературной коррозии связано с более равномерным распределением избыточных фаз в структуре модифицированного сплава.

Ключевые слова: жаропрочный сплав, механические свойства, структура, высокотемпературная коррозия, модифицирование

Введение

Повышение качества и эксплуатационных свойств изделий авиакосмической техники может быть успешно решено при разработке и усовершенствовании существующих материалов. В современных авиационных газотурбинных двигателях ГТД на долю жаропрочных сплавов приходится до 40% массы двигателя. При этом работоспособность всего авиационного двигателя определяется работоспособностью лопаток турбины. Условия работы лопаток в ГТД нового поколения становятся все более напряженными в связи с повышением температуры газа на входе в турбину, увеличением скорости полета, ресурса и цикличности работы двигателя. Эти экстремальные условия требуют применения перспективных материалов с улучшенной структурой и свойствами.

Эффективным способом измельчения структурных составляющих сплавов на макро-и микроуровнях являются модифицирование

многокомпонентных сплавов дисперсными композициями [1,5].

1. Постановка задачи исследования

Задача материаловедения заключается в создании современных высокожаропрочных сплавов со стабильной структурой, способных работать при высоких температурах и напряжениях. Целью данной работы является разработка технологии модифицирования никелевого сплава системы №-Сг-А1-Т1-Мо-W-Co дисперсными композициями, полученными методом плазмохимического синтеза. Необходимо изучить структурные изменения в сплавах, взаимосвязь структуры со свойствами и влияние легирующих элементов на структурообразование в многокомпонентных никелевых сплавах.

Материал исследований. Материалом исследования служил жаропрочный никелевый сплав ЖС6У-ВИ, применяемый для изготовления рабочих лопаток газотурбинного двигателя (таблица 1).

Таблица 1

Химический состав жаропрочного никелевого сплава

Марка сплава Содержание элементов, % масс.

А1 Т1 Сг Мо W Со С Мп, N1

ЖС6У-ВИ 5,2-5,8 2,2-2,8 8,6-9,3 1,2-1,6 9,8-10,5 9,4-10,4 0,13-0,19 <0,2 Осн.

© Н. Е. Калинина, Е. А. Джур, В. Т. Калинин, И. Ю. Кошелева, В. П. Белоярцева, 2016

- 190 -

Результаты исследований

Разработана технологии ввода модификатора в расплав, включающая: оптимизацию состава комплексного модификатора; определение способа ввода модификатора в расплав; установление температурно-временного режима плавки, выпуска и заливки расплава в форму.

Для ввода порошков модификатора в расплав разработана технология, состоящая из трех этапов. На первом этапе методом порошковой металлургии в аттриторе смешивали порошки никелевого сплава с порошком модификатора. На втором этапе проводили прессование порошков в стальной прессформе. Третьим этапом являлась введение порошка в жидкий расплав жаропрочного никелевого сплава [2].

Аттриторную обработку смесей порошков проводили в три этапа. На первом происходило расплющивание и размол отдельных частиц; на втором-разрушение и перестройка структуры частиц за счет холодного сваривания разнородных частиц и образования слоистой структуры; третьим этапом являлось истоньчение компонентов слоев и повышение внутренней однородности частиц. Теоретической основой аттриторной обработки является представление о системе шары-порошок как многокомпонентной вязкой жидкости, интенсивность перемещения компонентов которой определяется турбулентной диффузией. При вращении мешалки в движение приводится вся масса шаров, находящихся в рабочей камере. Непосредственно мешалкой приводится во вращение относительно небольшое количество шаров, остальные приводятся в движение путем эстафетной передачи импульсов от шара к шару.

С целью оптимизации макроструктуры, получения равномерной полиэдрической, мелкокристаллической структуры на лопатках было опробовано модифицирование сплава ЖС6У-ВИ дисперсными композициями в та-блетированном виде. Прессование производили на гидравлическом прессе в стальных пресс-формах [2]. Исследовани различную дозировку модификатора: 0,1 и 0,2% масс. из учета 50%-ного усвоениения расплавов.

Основой модификатора авторами предложен дисперсный модификатор-карбид титана Т1(С). Состав спрессованных таблеток: порошок Т1(С) и Т1 размером менее 1 мкм; порошок А1 размером 20 мкм; А1- пудра [3].

Таблетка комплексного модификатора, попадая в расплав, растворяется в нем и равномерно распределяется по объему расплава путем индукционного перемешивания.

Предложенная методика позволяет с минимальными потерями вводить необходимое

количество модификатора и гарантировать равномерное распределение в расплаве. Ввод модификатора осуществляли на том технологическом этапе плавки, который обеспечивает максимальный технический эффект. Темпера-турно- временные параметры модифицирования: 1 = 1650+10 °С; 1 = 5 минут.

Структура многокомпонентного никелевого сплава ЖС6У-ВИ — гетерофазная, представляющая собой высокодисперсные частицы у1 — фазы (формирующейся на основе интерметаллического соединения №зА1), равномерно распредделенные в матрице из твердого у — раствора легирующих элементов в никеле. Тугоплавкие легирующие элементы Мо, Сг) увеличивают область существования у1 — фазы. Вследствие обеднения у — фазы тугоплавкими элементами эффективность твердорастворного упрочнения уменьшается, и, как следствие, снижается сопротивление скольжению дислокаций, что в конечном счете, приводит к понижению жаропрочности. Алюминий и титан являются у1 — образующими, входят в у1 твердый раствор и являются основными упрочнителями. Элементы Со, Мо, и Сг входят в у — твердый раствор. Наличие " одинаково и в у, и в у1 твердом растворе. Таким образом, упрочнение сложнолегированного никелевого сплава происходит за счет: упрочнения у твердого раствора и наличие дисперсных фаз.

Температуру модифицирования определяли исходя из диаграмм состояния М-Сг и Т1-№ [4,6].

Согласно классической теории, существует три вида модифицирования: измельчение первичных зерен при кристаллизации матричной фазы; изменение внутреннего строения зерен — дендритов; измельчение эвтектик. Применен способ модифицирования [7] за счет измельчения зерен никелевого твердого раствора, что является результатом зародышевого действия тугоплавких частиц модификатора, специально введенных в расплав. Механизм действия модификатора в расплаве заключается в том, что на поверхностях частиц Т1С происходит зарождение первичных кристаллов аустенитной у — фазы.

Исследование макроструктуры сплава в исходном состоянии показало, что структура сплава крайне неоднородна по сечению. Исходные образцы имели крупнокристаллическую структуру с размером зерен 3-5 мм. Модифи-цированые образцы имели однородную, мелкозернистую структуру с размером зерен до 1 мм. Таким образом, вследствие модифицирования средний размер зерна уменьшился в 3 раза.

Формирование при модифицировании упрочненного никелевого твердого раствора

и более развитой зернограничной структуры привело к повышению комплекса механических свойств модифицированного сплава по сравнению с немодифицированным состоянием: в повышен на 8...10%; Ст0 2 — на 11...14%; 5 — в 1,1.1,3 раза; КСИ резко повышена на 40% (рис. 1).

О жаростойкости сплава судили по результатам испытаний на высокотемпературную коррозию в окислительной атмосфере . После

каждой термоэкспозиции измеряли глубину межкристалличной коррозии. Установлено, что во всех образцах имело место внутреннее окисление. Более интенсивное высокотемпературное окисление наблюдали в немодифици-рованном образце глубиной

~ 40 мкм по сравнению с модифицированным образцом, где глубина коррозии составила 30 мкм. Таким образом, достигнуто снижение коррозионного повреждения сплава на 25%.

■ немодифкований сплавЩ- модифкований сплав Рис.1. Механические свойства никелевого сплава ЖС6У-ВИ до и после модифицирования

Заключение

Установлено, что комплексное модифицирование жаропрочного никелевого сплава ЖС6У-ВИ влияет на формирование мелкодисперсной структуры с равномерным распределением легирующих элементов.

В результате введение в расплав дисперсных частиц карбида-титана достигнуто значительное измельчение зерна сплава от 3 . 5 мм в исходном, до 1 мм в модифицированном состоянии.

Формирование при модифицировании более развитой зернограничной структуры привело к повышению комплекса механических свойств модифицированного сплава ЖС6У-ВИ. Достигнуто повышение предела прочности ств на 8.10%; предела текучести Ст0 2 — на 10.14%; относительного удлинения в 1,1.1,3 раза; ударной вязкости КСИ на 40%.

После испытаний на жаростойкость, глубина межкристалличной коррозии в модифицированном сплаве уменьшена в среднем на 25%, что характеризует высокую эксплуатационную стойкость сплава.

Литература

1. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей [Текст] : монография / Е. Н. Каблов. - М. : МИСИС. - 2001. - 631 с.

2. Калинина Н. Е. Технологические особенности наномодифицирования литейных

жаропрочных никелевых сплавов [Текст] / H. Е. Калинина, А. Е. Калиновская,

B. Т. Калинин // Компрессорное и энергетическое машиностроение. — Сумы. МИКЭМ. - 2013. - №1. - С. 54-56.

3. Декл. Пат. 82163 Украша на корисну модель МПК С22С 19/03. Комплексний модиф1катор шкелевих сплав1в [Текст] / H. С. Кал1н1на, А. С. Калиновська, В. Т. Кал1н1н, 3. В. В1л1щук, Т. В. Носова. ДНУ. - № u 2013 00612; заявл. 17.01.2013; опубл. 25.07.2013, Бюл. №14.-7 с.

4. Особенности наномодифицирования многокомпонентных никелевых сплавов [Текст] / H. Е. Калинина, А. Е. Калиновская, В. Т. Калинин [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. -2012. - №7(94). —

C. 23-26.

5. Симс Ч. Суперсплавы: Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок [Текст] : пер. с англ. / Ч. Симс. - М. : Металлургия. - 1995. - 384 с.

6. Лакишев Н. П. Диаграммы равновесия двойных металлических систем [Текст] : справочник / Н. П. Лякишев. - М. : Машиностроения. - 1997. -56 с.

7. Saunders N. The Application of CALPHAD Calculations to Ni- based Superalloys [Text] / M. Saunders, M. Fahrmann, S. Y. Small // In «Superalloys 2000»; eds. K. A. Green, T. M. Pollock and R. D. Kissinger. - TMS, Warrendate, 2000. - 803 p.

Поступила в редакцию 02.06.2016

H. G. Калшша, G. А. Джур, В. Т. Калшш, I. Ю. Кошелева, В. П. Бшоярцева. Пдвищення мехатчних i коррозшних властивостей багатокомпонентних жаромщних сплав1в

Наведено результаты експериментальних i docnidno - промысловых випробувань комплексу мехашчних властивостей та корозшно1 cmrnmcmi многокомпонентного жаромщного шкелевого сплаву ЖС6У-В, застосовуваного для виготовлення лопаток газотурбтних двигушв. Розроблено mехнoлoгiчний режим модифкування шкелевого розплаву дисперсними композищями на ocнoвi карбiду титану. До^джено ocoбливocmi формування структури модиф^ваного сплаву, а також комплекс мiцнocmi пластичних властивостей. Досягнуто значне пoдрiбнення зерна сплаву в резульmаmi модифкування, що зумовило тдвищення мiцнocmi властивостей до 15% iударног в'язкocmi дл 40%. Шдвищено корозшна стшккть сплаву ЖС6У-В в окислювальному cередoвищi, глибина корозИ при mемпераmурi 1000 °С зменшилася на 25% в пoрiвняннi з немодифкованим сплавом. Шдвищення cmiémcmi i високотемпературног корозИ повязано з быьш рiвнoмiрним розподыом надлишкових фаз в cmрукmурi модифкованого сплаву.

Ключов1 слова: жаромщний сплав, мехашчш влаcmивocmi, структура, високотемпе-ратурна кoрoзiя, модифкування.

N.E Kalinina, E. A Dzhur, V.T Kalinin, I. Y. Kosheleva, V.P Beloyartseva. Increasing the mechanical and corrosion properties of multicomponent high-temperature alloys

The results of experimental and developmental promeshlennyh test complex mechanical properties and corrosion resistance of a multi- resistant nickel alloy ZhS6U -VI used for the manufacture of gas turbine engine blades. The technological regime modification nickel dispersed melt compositions based on titanium carbide . The features of the formation of the modified structure of the alloy, as well as a set of strength properties of the plastic. A substantial grain refinement alloy as a result of modification , resulting in improvement of strength properties and 15% and toughness to 40%. Improved corrosion resistance ZhS6U-VIalloy in an oxidizing environment at temperature corrosion depth 1000 °C decreased by 25% as compared to the unmodified alloy. Increased resistance and high temperature corrosion due to the more uniform distribution of phases in the redundant structure of the modified alloy.

Key words: superalloy mechanical properties, structure, high temperature corrosion, modification.