CC BY
15
УДК 621.74.045:669.245.018
О. В. Гнатенко1, канд. техн. наук С. В. Гайдук2, д-р техн. наук В. В. Наумик2
1 ОАО «Мотор Сич», 2 Запорожский национальный технический университет
г. Запорожье
РАЗРАБОТКА ЭКОНОМНОЛЕГИРОВАННОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ДЛЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ
ОТЛИВОК
Разработан экономнолегированный жаропрочный никелевый сплав с пониженным содержанием рения и повышенным содержанием тантала, обладающий прочностными свойствами при комнатных и высоких температурах на уровне сплава ЖС32-ВИ, существенно большей стойкостью против высокотемпературной коррозии, применение которого обеспечивает снижение себестоимости ответственных отливок на 40—45 %.
Ключевык слова: жаропрочный никелевый сплав, лопатка, рений, тантал, кратковременная прочность, длительная прочность, высокотемпературная коррозия.
Постановка вопроса
Ответственные отливки для силовых установок энергетического и авиационного машиностроения изготавливаются из дорогостоящих сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов [1, 2]. Данные отливки изготавливаются методом высокоскоростной направленной кристаллизации на установках типа УВНК-8П. Современные экономические условия требуют снижения себестоимости любого изделия с сохранением уровня его эксплуатационных свойств и надежности. Одним из путей снижения стоимости отливок из жаропрочных никелевых сплавов является использование в шихте технологического возврата. Другим перспективным направлением является разработка новых сплавов, отвечающих не только высоким эксплуатационным, но и экономическим требованиям.
Турбинные лопатки современных как авиационных, так и наземных силовых установок изготавливают, как правило, из жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ. Данный сплав отличается очень сложной системой легирования и, соответственно, высокой стоимостью, при этом не обладает коррозионной стойкостью, вследствие чего на лопатки дополнительно наносят коррозионное
покрытие. Самым дорогостоящим легирующим элементом в данном сплаве является рений, содержание которого составляет 4 %. Таким образом, снизить стоимость лопаток газотурбинных двигателей можно заменив его на другой, менее дорогостоящий элемент, который при этом обеспечит наличие у сплава механических свойств на уровне близком к сплаву ЖС32-ВИ.
Методика исследований
Изучали влияние увеличения в составе жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ содержания тантала от 4,0 % до 9,0 % при одновременном снижении содержания рения от 4,0 % до 1,5 % на его свойства.
Плавки проводили с использованием в качестве базовой паспортной шихтовой заготовки сплава ЖС32-ВИ. Из всех опытных сплавов методом высокоскоростной направленной кристаллизации на установке типа УВНК-8П в соответствии с серийной технологией со скоростью кристаллизации 10 мм/мин были получены литые образцы с монокристаллической макроструктурой.
Химический состав металла опытных плавок проводили спектральным методом на оптическом эмиссионном приборе ЛИЬ-4460. Результаты анализа химического состава приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Химический состав сплавов опытных плавок
Сплав № Содержание легирующих элементов, % (по массе)
С Сг Со W Мо А1 №> Та Яе гг В N1
ЖС32-ВИ 0,15 4,9 9,3 8,2 1,1 5,8 1,6 4,0 4,0 0,05 0,015 Осн.
1 0,14 5,1 9,1 8,0 1,0 5,9 1,4 5,0 3,5 0,05 0,015 Осн.
2 0,15 4,9 9,0 8,2 0,9 6,1 1,5 6,0 3,0 0,05 0,015 Осн.
3 0,14 4,8 8,9 8,1 1,0 6,0 1,6 7,0 2,5 0,05 0,015 Осн.
4 0,15 5,0 9,0 8,0 0,9 6,1 1,5 8,0 2,0 0,05 0,015 Осн.
5 0,16 5,2 9,1 7,9 1,1 6,2 1,6 9,0 1,5 0,05 0,015 Осн.
© О. В. Гнатенко, С. В. Гайдук, В. В. Наумик, 2012 - 206 -
Литые заготовки монокристаллических образцов опытных плавок и сплава ЖС32-ВИ проходили 100 % контроль макроструктуры путем травления в водном растворе, содержащем на 1 дм3 700—800 г хлорного железа и 120—150 см3 соляной кислоты, а также контроль кристаллографической ориентации (КТО) на установке ДРОН-3М.
Далее из литых заготовок изготавливались цилиндрические образцы для испытаний по стандартным методикам: на кратковременную прочность согласно ТОСТ 9651-73 при температурах 20, 800, 900, 1000 °С и длительную прочность согласно ТОСТ 10145-81 при температурах 800, 900 и 1000 °С. Механические испытания образцов проводились после соответствующей термической обработки.
Изучили стойкость опытных образцов с направленной (моно) [001] структурой против высокотемпературной коррозии (ВТК), в сравнении со сплавом ЖС32-ВИ, в синтетической золе при температурах испытаний 800 и 850 °С по методике, разработанной Никитиным В.И. (ЦКТИ им. И. И. Ползунова) [3, 4].
Для коррозионных испытаний использовались стандартные цилиндрические образцы диаметром 10 мм и длиной 12 мм, на которые после предварительного обезжиривания, измерения и взвешивания на аналитических весах с точностью (± 0,0005 г), наносилась синтетическая зола в количестве 15 мг/см2, имитирующей продукты сгорания газотурбинного топлива следующего состава: Na2SO4 - 66,2 %; Fe2O3 - 20,4 %; NiO -8,3 %; CaO - 3,3 %; V2O5 - 1,8 % (по массе). Затем образцы исследуемых сплавов помещались и выдерживались в печи на платформе из огнеупорного материала в воздушной атмосфере. Испытания при обеих температурах проводились в течение 600 часов. После проведения экспериментов продукты коррозии удалялись по методике водородного восстановления окалины [4]. После проведения коррозионных испытаний образцы исследовались методами весового, металлографического и рентгеноструктурного фазового анализов. Стойкость образцов опытных составов к ВТК оценивалась по средней скорости коррозии V г/(м2 с).
Основной материал исследований
Температуры термической обработки образцов опытных сплавов выбирались на основании определенный методом дифференциального термического анализа соответствующих характеристических температур (табл. 2): ¿д-ру' — температура полного растворения основной упрочняющей у'- фазы; ^ — температура плавления у-у'эвтектики; At = — ¿^р1' — ширина интервала для проведения высокотемпературной гомогенизации первой ступени.
Первая ступень термической обработки (ТО) — /1 (высокотемпературная гомогенизация) для каждого опытного сплава назначалась индивидуально, внутри интервала At, между температурой эвтектических превращений и полного 1П.Ру' растворения у' - фазы (см. табл. 2). При данной температуре образцы выдерживали в течение 4 часов.
Вторая ступень термической обработки (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 ЖС32-ВИ термическая обработка проводилась в соответствии с паспортным режимом (см. табл. 2).
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 ЖС32-ВИ и опытными сплавами № 1—№4 (рис. 1). Сплав №4, содержащий 8% тантала и 2% рения является оптимальным с точки зрения прочностных характеристик и себестоимости.
В таблице 3 приведены результаты испытаний на длительную прочность и пластичность в течение 100 и 1000 часов при температурах 800, 900 и 1000 °С образцов с монокристаллической макроструктурой [001] с оптимальным содержанием Та и Яе (сплав №4), в сравнении со сплавом ЖС32-ВИ.
Таблица 2 — Температуры фазовых превращений в исследованных составах
Сплав Характеристические температуры, °С
№ tП.Р1' t3BT. Dt ?ГСМ. ^ГСМ
ЖС32-ВИ 1273 1306 33 1280 1050
1 1270 1302 32 1275 1050
2 1265 1297 32 1270 1050
3 1260 1291 31 1265 1050
4 1255 1286 31 1260 1050
5 1250 1280 30 1255 1050
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2012
- 207 -
с £
CÜ
D К
5
ё ОС
1400 1300 1200 1000 900 800 700 600
20°С 000°С
800°С
900°С 900°С
10( )0°С 800°С
-J N 20 С
27
24
21
IN
ь
о
15 X г
ö
12
с
9
6
4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Та 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Ее Содержание, %
Рис. 1. Зависимость предела прочности и пластичности опытных сплавов при различных температурах от содержания Та и Яе
Анализ приведенных результатов показывает, что опытный сплав № 4 обладает прочностными характеристиками на уровне эквивалентном сплаву ЖС32-ВИ (см. рис. 1 и табл. 3).
Анализ результатов сравнительных испытаний на стойкость против высокотемпературной коррозии показал, что скорость коррозии образцов опытных сплавов № 1—№ 5 снижается во всем диапазоне исследованных концентраций тантала и рения при обеих температурах испытаний (табл. 4), что обусловлено изменением химического и фазового состава продуктов ВТК, в сравнении со сплавом ЖС32-ВИ.
Наилучшей стойкостью к высокотемпературной коррозии в синтетической золе при обеих температурах испытаний обладает сплав № 5 (см. табл. 4). По сравнению со сплавом ЖС32-ВИ, в опытном сплаве № 5 скорость ВТК снижается примерно в 2,8 раза при температуре 800 °С и в 2,5 раза при 850 °С.
Анализ полученных результатов позволил выяснить механизм и оценить влияние соотношения тантала к рению в сплаве ЖС32-ВИ на химический и фазовый состав продуктов коррозии после испытаний в синтетической золе при температурах 800 и 850 °С в течение 600 часов [5].
Исследование фазового состава продуктов коррозии методом рентгеноструктурного анализа показало, что продукты имеют достаточно сложный состав и содержат большое количество различных шпинелей, оксидных и сульфидных фаз, так как исследованные сплавы легированы большим количеством элементов. По сравнению со сплавом ЖС32-ВИ и опытными сплавами № 1 и № 2, опытные сплавы № 3—№ 5 имели достаточно плотную и неразрушающуюся пленку продуктов коррозии, в фазовом составе которой наблюдалось значительно большее количество шпинели хрома, чем шпинели алюминия.
Рентгеноструктурный анализ состава поверхностного слоя продуктов коррозии, сформированного на образцах из сплава ЖС32-ВИ после испытаний в синтетической золе при обеих температурах, выявил в качестве основных фазовых составляющих шпинель хрома NiOCr2O3 и
Таблица 3 — Пределы характеристик длительной прочности и пластичности образцов с монокристаллической макроструктурой [001] опытного сплава № 4, в сравнении со сплавом ЖС32-ВИ
Сплав tИСП., °С а100, МПа S1000, МПа Ö100, % ö^ %
ЖС32-ВИ 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
Сплав № 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
Таблица 4 — Скорость высокотемпературной коррозии образцов с монокристаллической макроструктурой [001] в синтетической золе в течение 600 часов
Сплав № Содержание, % (по массе) Средняя скорость ВТК, Vq ■ 104 г/(м2-с) при температуре, °С
Та Re 800 850
ЖС32-ВИ 4,0 4,0 6,9 8,9
1 5,0 3,5 5,8 7,0
2 6,0 3,0 4,2 5,6
3 7,0 2,5 3,1 4,5
4 8,0 2,0 3,0 3,6
5 9,0 1,5 2,5 3,5
оксиды никеля N10, а также в меньших количествах оксиды: никеля N1^04, N101204, хрома &2О3, тантала Та205 и сульфиды никеля N1382.
Сравнительный анализ результатов показал [5], что с повышением соотношения тантала к рению в фазовом составе продуктов ВТК опытный сплавов № 1—№ 5 постепенно снижается концентрация оксидов никеля N10, N1^04 и сульфидов никеля N1382. При этом повышается концентрация шпинели хрома N1001203, оксидов хрома 0^03 и тантала Та205, что обеспечивает снижение скорости ВТК в условиях сульфидно-оксидной коррозии, по сравнению со сплавом ЖС32-ВИ.
В составе продуктов коррозии на поверхности образцов сплава ЖС32-ВИ и опытных сплавов № 1, № 2 дополнительно были выявлены 01283, N101204, 0082. На опытных образцах сплавов № 3—№ 5 данные фазовые составляющие не обнаружены. В фазовом составе продуктов ВТК сплава ЖС32-ВИ содержится большее количество фазовых составляющих, не обладающих защитными свойствами — N10, N1^04, N101204, N1382 и меньшее количество соединений, которые обладают защитными свойствами — шпинель хрома N1001203, оксиды хрома 0^03 и тантала Та205.
В фазовом составе продуктов ВТК на поверхности образцов всех опытных сплавов с соотношением тантала к рению значительно выше базового содержится большее количество соединений, обладающих защитными свойствами — шпинель хрома N1001203, оксиды хрома 0^03 и тантала Та205, сульфиды тантала Та$2, и значительно меньшее количество соединений (либо полное их отсутствие), не обладающих защитными свойствами — оксиды N10, N1^04 и сульфиды! 01283, N101284, 0082, по сравнению со сплавом ЖС32-ВИ.
Увеличение содержания тантала в сплаве приводит к повышению концентрации более стойких, с точки зрения термодинамики, соединений 0^03, Та205, Та$2 в фазовом составе продуктов коррозии, что говорит о замедлении диффузион-ныж процессов. Это обеспечивает снижение скорости ВТК у всех опытных составов № 1—№ 5, по сравнению со сплавом ЖС32-ВИ (см. табл. 4).
Таким образом, повышение стойкости эконом-нолегированного сплава на базе ЖС32-ВИ против ВТК обеспечивается за счет снижения скорости диффузионных процессов, а также изменения химического и фазового состава поверхностного слоя продуктов коррозии в результате способности тантала образовывать с серой и кислородом термодинамически более стойкие оксиды и сульфиды.
Выводы
Установлено, что в описанных условиях прочностные характеристики сплава как кратковре-
менные при комнатной, так и длительные при повышенный температурах неуклонно снижаются. При этом данное снижение сначала является относительно незначительным, а затем, с повышением содержания тантала до 9,0 %, а рения -соответственно снижения до 1,5 % - существенно увеличивается.
Исследованиями установлено, что описанное изменение химического состава опытных сплавов также приводит к увеличению стойкости образцов против высокотемпературной коррозии в 2,5-3 раза. Коррозионная стойкость опытный образцов повышалась во всем диапазоне исследованного изменения химического состава, при этом вначале значительно возрастала, а затем стремилась к стабилизации на определенном уровне, что свидетельствует о нецелесообразности продления области исследований.
Таким образом, сплав, содержащий 8 % тантала и 4 % рения, обладает прочностныши характеристиками, близкими к сплаву ЖС32-ВИ, при этом почти в три раза превосходит его по стойкости против высокотемпературной коррозии и содержит в два раза меньше рения. В результате обеспечивается снижение себестоимости ответственных отливок на 40-45 %. Для получения качественных отливок из данного сплава не требуется корректировка действующей технологии литья методом высокоскоростной направленной кристаллизации.
Список литературы
1. Каблов Е. Н. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007. Юбилейный научно-технический сборник ; под общ. ред. акад. РАН Е. Н. Каблова. - М. : ВИАМ, 2007. - 438 с.
2. Шалин Р. Е. Монокристаллы никелевыж жаропрочных сплавов / [Р. Е. Шалин, И. Л. Светлов, Е. Б. Качалов и др.]. - М. : Машиностроение, 1997. - 336 с.
3. Никитин В. И. Коррозия и защита лопаток газовых турбин / Никитин В. И. - Л. : Машиностроение, 1987. - 272 с.
4. Никитин В. И. Влияние состава никелевых сплавов на их коррозионную стойкость в золе газотурбинного топлива / В. И. Никитин, М. Б. Ревзюк, И. П. Комисарова // Труды ЦКТИ им. И. И. Ползунова. - Л., 1978. - Вып. 158. -С. 71-74.
5. Оценка влияния тантала на высокотемпературную коррозионную стойкость монокристаллов никелевыж сплавов / [А. Т. Андриенко, С. В. Тайдук, Ю. М. Федорченко и др.] // Нов1 матер1али 1 технологи в металурги та маши-нобудуванн1. - 2005. - № 1. - С. 61-64.
Поступила в редакцию 24.05.2011
ISSN 1727-0219 ВВестник двигателестроения № 1/2012
- 209 -
Гнатенко О.В., Гайдук С.В., Наумик В.В. Розробка економнолегованого жаромщного сплаву для в1дпов1дальних виливтв
Розроблено економнолегований жаромщний шкелевий сплав з пониженим вмютом рент та тдвищеним вмютом танталу, що волод1е властивостями мщност1 при ымнатних та високих температурах на р1вш сплаву ЖС32-В, суттево быьшою стттстю проти високотемпературног корозИ, використання якого забезпечуе зниження соб1вартост1 в1дпо-в1дальних виливыв на 40—45 %.
Ключов1 слова: жаромщний шкелевий сплав, лопатка, ренш, тантал, короткочасна мщнсть, довготривала мщшсть, високотемпературна корозя
Gnatenko O., Gayduk S., Naumyk V. Development of ekonomically alloyed heatproof alloy for the responsible casts
It is developed the economically alloyed heatproof nickel alloy with the lowered maintenance of rhenium and enhanced maintenance of tantalum, which have the strength properties at the room and high temperatures at the level of alloy of ffA32- VI, substantially more resistant to high temperature corrosion, application of which is provide the responsible casts prime costs lowering on 40-45 %.
Key words: heatproof nickel alloy, cast blade, rhenium, tantalum, short-term durability, long-term durability, high temperature corrosion.
