CC BY
63
I СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ. ОП1Р РУЙНУВАННЮ ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИ ВОСТ1
УДК 621.74.045:669.24:621.981
Н. А. Лысенко1, В. В. Клочихин1, д-р техн. наук В. В. Наумик2 1АО «Мотор Сич», 2Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА
CMSX-4PLUS
Химический состав жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS соответствует требованиям стандарта ISO 17025. Механические (как до, так и после термообработки) и жаропрочные (после термообработки) свойства образцов ВНК соответствуют нормам ТУ производителя. Микроструктура исследованных образцов является типичной для жаропрочных никелевых сплавов как в литом, так и в термообработанном состоянии. Карбиды и карбонитриды методом оптической микроскопии не обнаружены, что характерно для структуры низкоуглеродистых сплавов. В процессе термической обработки происходит растворение эвтектической (у -у')- фазы, выравнивается состав осей и межосных пространств дендритов.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, химический состав, направленная кристаллизация, макроструктура, микроструктура, механические свойства, жаропрочность.
Состояние вопроса
Ответственные литые детали для современного авиационного машиностроения изготавливаются методом высокоскоростной направленной кристаллизации (ВНК) из высокожаропрочных никелевых сплавов и должны соответствовать требованиям на прочность при всё более высоких рабочих температурах.
Система легирования современных жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для литья монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей, дополнительно пополняется такими дорогостоящими элементами, как тантал, рений и рутений [1, 2].
Так, в последних сплавах российской разработки суммарное количество рения и рутения достигает 10-15 % [3, 4]. В Японии, США и Европе процесс разработки новых высокожаропрочных никелевых сплавов для газотурбинных авиационных двигателей новых поколений также идёт по пути дополнительного легирования их этими элементами. В результате, удельная стоимость сплавов стала соизмеримой с общей удельной стоимостью современных газотурбинных двигателей, которая составляет на сегодня 1,5.. .2,0 тыс. USD за 1 кг [5].
Современные мировые экономические и политические условия делают поставки в нашу страну из России как легирующих элементов, так и готовых жаропрочных никелевых сплавов последних поколений для монокристаллического литья практически не возможными. Альтернативой указанным сплавам для моно© Н. А. Лысенко, В. В. Клочихин, В. В. Наумик, 2017
кристаллического литья лопаток авиационных двигателей являются современные американские жаропрочные никелевые сплавы типа CMSX-4 PLUS.
Основной материал исследований
На базе АО «Мотор Сич» провели исследование литых изделий, полученных методом высокоскоростной направленной кристаллизации из жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» (США).
Входной контроль показал, что полученная партия жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS по химическому составу соответствовала требованиям стандарта ISO 17025 (табл. 1).
Для определения механических и жаропрочных свойств из прутковой заготовки Ш 75 мм сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» методом высокоскоростной направленной кристаллизации (ВНК) на установке типа УВНК-9А были получены литые образцы (0 15 мм; L = 135 мм).
Общее исследование макроструктуры и монокристалличности образцов проводили путём визуального осмотра после химического травления их поверхности (рис. 1). Установлено, что на 4-х из 12-ти образцов получена монокристаллическая макроструктура. Структура на остальных образцах состоит из нескольких макрокристаллов - направленная.
Таблица 1 - Химический состав жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Источник Содержание элементов, % по массе
C Cr Co W Mo Al Nb Ta Re Ti
CMSX-4 PLUS 0,04 3,45 9,55 5,56 0,60 5,71 < 0,05 8,10 4,80 0,82
Нормы ISO 17025 < 0,075 3,2-3,5 9,3-9,9 5,3-5,7 0,5-0,7 5,6-5,8 < 0,1 8,1-8,3 4,7-4,9 0,8-0,9
Источник Содержание элементов, % по массе
Fe Si S Р В Pb Bi O2 n2
CMSX-4 PLUS < 0,02 < 0,04 0,002 0,002 < 0,02 0,0002 0,0002 0,001 0,0045
Нормы ISO 17025 < 0,15 < 0,04 < 0,004 < 0,020 < 0,03 < 0,001 < 0,0002 < 0,004 < 0,005
б
Рис. 1. Общая макроструктура образцов, отлитых методом высокоскоростной направленной кристаллизации (ВНК) из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»: а - монокристаллическая; б - направленная
Определение кристаллографической ориентации (КГО) отливок осуществляли методом рентгенострук-турного анализа при помощи дифрактометра ДРОН-3 на стартовых конусах, отрезанных от каждой отливки образца с монокристаллической структурой. При этом плоскость поперечного реза была перпендикулярна продольной оси отливки. Рентгенсъёмку проводили на поперечной поверхности шлифа конуса, протравленной для выявления дендритной микроструктуры.
Установлено, что значения отклонения направления [001] от оси Z для полученных монокристаллических образцов составляют соответственно 1,1; 3,5; 3,8 и 15,1 угл. град.
На рис. 2 показана макроструктура опытных образцов из сплава CMSX-4 PLUS при увеличениях до х 16: монокристаллических и направленно закристаллизованных с наличием нескольких кристаллов, ориентированных в осевом направлении (по оси Z). В поперечном сечении образцов чётко просматриваются денд-риты макрокристаллов в виде регулярно расположенных «крестов» (см. рис. 2в, г, д, е).
Механические и жаропрочные свойства определяли на образцах 0 15 мм, отлитых из сплава CMSX-4 PLUS методом ВНК (как до, так и после термической обработки).
Термообработку проводили по следующему режиму:
- гомогенизация в вакууме при температурах -1316 °С (2 ч) + 1321 °С (2 ч)+ 1327 °С (2 ч) + 1332 °С (6 ч) + 1338 °С (8 ч) + 1341 °С (4 ч) - далее охлаждение;
- старение при температуре 1163 °С (6 ч) - охлаждение на воздухе;
- старение при температуре 871 °С (20 ч) - охлаждение на воздухе.
Результаты механических испытаний и испытаний на длительную прочность приведены в таблицах 2 и 3.
Из представленных данных видно, что механические свойства никелевого сплава CMSX-4 PLUS (как до, так и после термообработки) и жаропрочные свойства термообработанных образцов находятся на уровне значений сертификата и соответствуют нормам ТУ Cannon-Muskegon для сплава CMSX-4 PLUS. Следует отметить, что они также удовлетворяют требованиям, предъявляемым ТУ1-92-177-91; 18Т-ТУ-158; 18Т-ТУ-187 -для широко распространённого при изготовлении монокристаллических отливок сплава ЖС32-ВИ.
Жаропрочность нетермообработанных образцов с направленной структурой была значительно ниже значений длительной прочности термообработанных монокристаллических образцов.
Изломы образцов, отлитых из сплава CMSX-4 PLUS методом ВНК, прошедших термическую обработку, после испытаний на растяжение при комнатной температуре имеют складчатое, скольное строение (рис. 3).
В материале нетермообработанных образцов, полученных методом высокоскоростной направленной кристаллизации, обнаружена микропористость с размером микропор до ~55 мкм и единичные оксидные включения - до 1мкм (рис. 4а). Кроме того, в сплаве имеются мелкие, редко встречающиеся включения ок-синитридов и нитридов размером до ~3 мкм (см. рис. 46, в). Карбиды методом оптической микроскопии при увеличениях до х 1000 не обнаружены.
Таблица 2 - Механические свойства сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Структура Состояние материала Механические свойства при 20 °С
ств, кгс/мм2 5, % %
направленная без термообработки 120,0 108,0 11,6 11,2 13,9 13,5
монокристаллическая после термообработки 93,5 18,0 16,1
Нормы ТУ Cannon-Muskegon > 90,0 > 6,0 > 6,0
Монокристаллическая Направленная
д х 16 е х 16
Рис. 2. Макроструктура опытных образцов из сплава CMSX-4 PLUS, полученных методом высокоскоростной направленной кристаллизации: а, б - поверхность в продольном направлении; в, г, д, е - в поперечном сечении
Таблица 3 - Жаропрочные свойства сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Структура Состояние материала Нагрузка, ст, кгс/мм2 Температура испытания, t, °С Время до разрушения, тр, ч
направленная без термообработки 1000 1050 1100 28 24 15,67 89,5 34,5 56,0
монокристалл ическая после термообработки 1000 1050 1100 28 24 15,67 189,5; 171,6 76,0; 91,0 112,0; 117,5
данные Cannon-Muskegon по сертификату (после т/о) 1050 24 94,2; 78,2
Нормы ТУ Cannon-Muskegon 1050 1100 24 15,67 > 45,0 > 100,0
Рис. 3. Строение излома монокристаллического термообра-ботанного образца, отлитого из сплава CMSX-4 PLUS
производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORA-TION» после испытаний на растяжение при комнатной температуре, х 10
Микроструктура литых образцов ВНК 0 15 мм из сплава CMSX-4 PLUS (без термообработки) имеет ден-дритно-ячеистую структуру, сформированную дендри-тами первого и второго порядков (рис. 5). В литой структуре наблюдается размерная и морфологическая неоднородность частиц Y - фазы: в междендритных областях они заметно крупнее (рис. 5г). Размер частиц интерметаллидной у' - фазы в осях дендритов нетермо-обработанных образцов составляет ~ 0,36.. .0,55 мкм; в междендритных пространствах—0,83.1,39 мкм.
В структуре также имеется значительное количество эвтектической фазы типа (у - у') размером до 90 мкм, располагающейся в междендритных пространствах (см. рис. 5, табл. 4).
Рис. 4. Неметаллические включения в материале образцов,
отлитых из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» (до термообработки), х 1000: а - оксиды; б - оксинитриды; в - нитриды
W:\
м ж
Уш
а х 50
шм
0f: 4
1 V i;
щ.
' ' '¿Ê
: НЯ щЧ
Ч'Д
оЗМ шш J
в х 500
г х 1000
Рис. 5. Микроструктура образцов 0 15 мм, отлитых из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» без термообработки
в
Дендритно-ячеистое строение монокристаллических отливок и отливок с направленно закристаллизованной структурой (имеющих несколько кристаллов) из сплава CMSX-4 PLUS является типичным для жаропрочных никелевых сплавов, полученных методом направленной кристаллизации.
Гомогенизация при температуре 1316...1341 °С с последующим двойным старением (по указанному выше режиму) способствует повышению однородности сплава вследствие практически полного растворения в у - твердом растворе эвтектической (у-у' )-фазы, а также выравнивания состава между осями и межосными пространствами дендритов (рис. 6).
В микроструктуре выявлены единичные, редко встречающиеся частицы эвтектики, вытянутые в направлении кристаллизации (по оси Т) длиной до ~ 90 мкм (рис. 7) редко встречающиеся включения оксидов размером до ~3 мкм (см. табл. 4). Карбиды в структуре не обнаружены. Интерметаллидные частицы у' - фазы в осях и междендритных пространствах имеют примерно одинаковые размеры. Форма у' - частиц - кубоид-ная; на малоугловых границах монокристаллов сформировались частицы у' - фазы неправильной формы (рис. 8).
Таблица 4 - Размеры структурных составляющих в материале образцов, отлитых из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Состояние материала Размер структурных составляющих, мкм Расстояние между осями дендритов, мкм
эвтектика типа ( у — у' ) оксиды микропоры I порядка II порядка
без термообработки 10.90 до 2(редко) до 55 268.335 32.58
после термообработки до 90 (редко) до 2(редко) до 55 233.318 30.50
после термообработки - до 3(редко) до 35 251.321 30.50
Рис. 6. Микроструктура образца 0 15 мм, отлитого из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» после термообработки
а х 50 б х 1000
Рис. 7. Редко встречающиеся частицы эвтектической фазы типа ( у — у' ) в термообработанном образце из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION»
Рис. 8. Малоугловые границы зерен в монокристаллических образцах, отлитых из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» после термообработки
Также в опытных образцах 0 15 мм после термообработки наблюдается микропористость (см. табл. 4, рис. 9).
V
а х50
SI] | : m
б х200
Рис. 9. Микропористость в образцах Ж 15 мм, отлитых из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION» после термообработки
Параметры микроструктуры исследуемых образцов 0 15 мм, отлитых из сплава CMSX-4 PLUS производства фирмы «CANNON-MUSKEGON CORPORATION», представлены в таблице 4.
Выводы
По химическому составу исследованная партия жаропрочного никелевого сплава CMSX-4 PLUS соответствует требованиям стандарта ISO 17025.
Монокристаллическая макроструктура получена на 4-х из 12-ти образцов, отлитых методом ВНК из сплава CMSX-4 PLUS. Отклонение направления [001] от оси Z составило от 1,1 до 15,1 угл. град.
Механические свойства никелевого сплава CMSX-4 PLUS (как до, так и после термообработки) и жаропрочные свойства термообработанных образцов находятся на уровне значений сертификата и соответствуют нормам ТУ Cannon-Muskegon для сплава CMSX-4 PLUS, а также ТУ1-92-177-91; 18Т-ТУ-158; 18Т-ТУ-187 -для сплава ЖС32-ВИ.
Жаропрочность нетермообработанных образцов с направленной структурой значительно ниже значений длительной прочности термообработанных монокристаллических образцов и не соответствует требованиям нормативно-технической документации.
Микроструктура образцов из сплава CMSX-4 PLUS (С < 0,075 %) является типичной для жаропрочных никелевых сплавов как в литом состоянии, так и после термообработки по режиму, указанному в ТУ Cannon-Muskegon для сплава CMSX-4 PLUS; перегрева нет.
Карбиды и карбонитриды методом оптической микроскопии при увеличениях до Ч 1000 не обнаружены, что характерно для структуры низкоуглеродистых сплавов.
Гомогенизация при температуре 1316.1341 °С с последующим двойным старением (по указанному выше режиму) способствует повышению однородности сплава вследствие практически полного растворения в Y- твердом растворе эвтектической (у —у')-фазы, а также выравнивания состава между осями и межосными пространствами дендритов.
Для материала исследуемых образцов характерно наличие микропористости с размером микропор до ~55 мкм.
Список литературы
1. Жаропрочные никелевые сплавы, получаемые методом монокристаллического литья / А. В. Логунов, И. М. Разумовский, В. Н. Ларионов и др. // Перспективные материалы. - 2008. - № 2. - С. 10-18.
2. Reed R.C. The superalloys. Fundamentals and Applications / R. C. Reed. - Cambridge, University Press. - 2006. - 372 p.
3. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С. Т. Кишки -на. - Научно-техн. сб. - М. : Наука, 2006. - 272 с.
4. Логунов А. В. Тенденции разработки и применения Ni- суперсплавов для лопаток ГТД в современных и перспективных силовых установках авиационного назначения / А. В. Логунов, Ю. Н. Шамотин // ТЛС. -2011. - № 4. - С. 11-17.
5. Логунов А. В. Методологические основы автоматизированного проектирования жаропрочных сплавов на никелевой основе (часть 2) / А. В. Логунов, Ю. Н. Шмо-тин, Д. В. Данилов // Технология металлов. - № 7 - 2014. -С. 3-11.
Отримано 06.11.2017
Лисенко Н.О., Клочихiн В.В., Наумик В.В. Структура i властивостi зразкш, отриманих методом високошвидкiсноï спрямовано'1 кристатзаци з жаромiцного сплаву CMSX-4PLUS
Хгмгчний склад жаромщного нгкелевого сплаву CMSX-4 PLUS в1дпов1дае вимогам стандарту ISO 17025. Мехамчм (як до, так i тсля термообробки) i жаромщнг (пгсля термообробки) властивостг зразюв ВНК вгдповгдають нормам ТУ виробника. Мiкроструктура дослiджених зразюв е типовою для жаромщних нiкелевих сплавiв як у литому, так i в термообробленому станi. Карбiди i карбонтриди методом оптично'1 мiкроcкопiï не виявленi, що характерно для структури низьковуглецевих сплавiв. У процеci термiчноï обробки
вiдбуваетьcярозчинення евтектичних (у - у' )- фази, вирiвнюетьcя склад осей i мiжоcних проcторiв дендритiв.
Ключовi слова: жаромщний нiкелевий сплав, хiмiчний склад, спрямована криcталiзацiя, макроструктура, мжроструктура, механiчнi влаcтивоcтi, жаромiцнicть.
Lysenko N., Klochikhin V., Naumyk V. Structure and properties of samples obtained by high-speed directional crystallization from the CMSX-4PLUS heat-resistant alloy
The chemical composition of the CMSX-4 PL US heat resistant nickel alloy meets the requirements of the ISO 17025 standard. Mechanical properties (both before and after heat treatment) and heat-resistant (after heat treatment) properties of BHK samples conform to the manufacturer's specifications. The microstructure of the samples studied is typical of high-temperature nickel alloys, both in as cast and heat-treated state. Carbides and carboni-trides were not detected by optical microscopy, which is typical for the structure of low-carbon alloys. During the
thermal treatment, the eutectic ( y - y' )-phase dissolves, the composition of the axes and inter-axial dendritic spaces
is equalized.
Key words: heat-resistant nickel alloy, chemical composition, directional crystallization, macrostructure, microstructure, mechanical properties, heat resistance.
