CC BY
46
2. Каблов Е.Н., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой. //Материаловедение, 1997, № 5, с. 14-17.
3. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б. и др. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов.- М.: Машиностроение, 1997, 333 с.
4. Fuchs G.E. Solution heat treatment response of a third generation single crystal Ni-base superalloy //Mater. Science and Eng., 2001, v. A300, р. 52-60.
5. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Сидоров В.В., Демонис И.М. и др. Никелевый жаропрочный сплав для монокристаллического литья: Пат. 2153021 (РФ) //Бюл. № 20. 20.07.2000.
6. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах.- М.: Металлургия, 1977, 224 с.
7. Светлов И.Л., Олдаковский И.В., Петрушин Н.В., Игнатова И.А. Концентрационная зависимость периодов решеток у- и у'-фаз никелевых жаропрочных сплавов //Металлы, 1991, № 6, с.150-157.
8. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Демонис И.М., Сидоров В.В. Никелевый жаропрочный сплав, изделия, выполненное из него, и способ обработки сплава и изделия из него: Пат. 2220220 (РФ) //Бюл. № 36, 27.12.2003.
9. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Демонис И.М., Сидоров В.В. Разработка монокристаллических высокорениевых жаропрочных никелевых сплавов методом компьютерного конструирования, с. 22-36 (настоящего сборника).
10. Голубовский Е.Р., Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Хвацкий К.К. Температурно-временная зависимость прочности ренийсодержащего никелевого сплава для монокристаллических лопаток турбины, с. 67- 71 (настоящего сборника).
УДК 669.018.44
Е.Р. Голубовский, Е.Н. Каблов, Н.В. Петрушин, К.К. Хвацкий
ТЕМПЕРАТУРНО-ВРЕМЕННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПРОЧНОСТИ РЕНИЙСОДЕРЖАЩЕГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК ТУРБИНЫ
Одним из приоритетных направлений авиационного материаловедения является разработка новых высокожаропрочных сплавов для рабочих лопаток турбины авиационных ГТД. Повышение требований к надежности и ресурсу с увеличением уровня рабочих температур и нагрузок, действующих на материал лопатки, стимулирует работы по созданию новых высокожаропрочных сплавов. Решение этих задач находится в области создания высокожаропрочных никелевых сплавов для лопаток с монокристаллической структурой.
В работе рассмотрены результаты исследования кратковременной и длительной прочности сплава с монокристаллической структурой в направлении <001>, безуглеродистого, с высоким содержанием рения (9,5%).
Материал исследования и методика испытаний
Исследован сплав ЖС47МОНО <001>. Химическая композиция сплава, технология литья и режим термообработки рассмотрены в статьях настоящего сборника.
Образцы были изготовлены механической обработкой из цилиндрических заготовок (d=15 мм, l »200 мм) с монокристаллической структурой. Заготовки получены по
технологии ВИАМ на установках типа УВНК-8П (УВНК-9П). Для изготовления образцов использованы заготовки, главная ось симметрии которых совпадала с кристаллографическим направлением <001> и не отклонялась от этого направления более чем на 10 град. Контроль совершенства монокристаллической структуры (блочность) и отклонения от направления <001> осуществлялся методами рентгеновской дифрактометрии на приборе типа ДРОН-3.
Расчетная длина и диаметр рабочей части изготовленных цилиндрических монокристаллических образцов составляли соответственно 25 и 5 мм, при этом ось образца совпадала с заданным кристаллографическим направлением <001> (в пределах допуска 10 град).
Испытания на растяжение для определения характеристик кратковременной прочности и пластичности были проведены на машине ИР5113 при одноосном растяжении в диапазоне температур 20...1200°С в соответствии с требованиями ГОСТ Р 1497 и ГОСТ Р 9651.
Испытания на длительную прочность проводились на машинах ZST 2/3-ВИЭТ при одноосном растяжении в соответствии с требованиями ГОСТ Р 10145, при этом растягивающая сила ориентирована в направлении <001>. Температуры испытаний 900Х (1173^, 1000Х (1273ф, 1100°С (1373ф.
Обработка результатов испытаний на длительную прочность осуществлялась по уравнению [1]:
1-ТЯ -и „Г и 0 - уо ^
т р = Ф о ехр ^ ^ j, (1)
где ш, п, и0 , у - коэффициенты, определяемые по результатам испытаний (и0 и у - энергия активации и активационный объем процесса длительного разрушения соответственно; 1п£, -величина, пропорциональная энтропийному члену); Т - температура, К; с - напряжение, МПа; Я - универсальная газовая постоянная [Я=8,31 Дж (К-моль)-1].
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты обработки кривых деформирования (ГОСТ Р 1497 и ГОСТ Р 9651), полученных при испытании образцов при растяжении, представлены в табл.1 и на рис. 1. Для сравнения представлены паспортные значения характеристик кратковременной прочности и пластичности сплава с монокристаллической структурой ЖС36 <001> (сплав безуглеродистый, с содержанием 2% Re).
Таблица 1
Механические свойства при растяжении (средние значения) сплавов ЖС47 и ЖС36
Сплав Температура
испытания, °С
с
МПа
с
0,2
5
%
ЖС36
20 700 900 1000 1100
108,5 120 101 86 60
94,5 96 94 68 49,5
19,5 10,5 27 19 22
15 13
29 29 35
ЖС47
20 700 800 900 1000 1100 1200
108,8 114,7 122,2 105,1 74,5 42 19,9
93,6 90,8
92.2 102,1
69.3
40.6
17.7
29.2 13
12,7
26.3 36,2
13
24,5
30,7 23 18,4 28,1 33,3 13 79
а)
ов, МПа 1400 120010008006004002000 20 700 800 900 1000 1100 1200°С
^0,2, 1200
10008006004002000 20 700 800 900 1000 1100 1200°С
Рис. 1. Температурная зависимость пределов прочности св (а) и текучести а0,2 (б) сплавов ЖС36( ■ ) и ЖС47 ( □ )
Как следует из диаграммы, характер изменения пределов прочности и текучести в зависимости от температуры у сплава ЖС47 такой же, как и у сплава ЖС36 (см. рис. 1). При этом сплав ЖС47 имеет преимущество по этим характеристикам при умеренно высокой температуре (900°С).
Сплав ЖС47 имеет более высокие значения характеристики пластичности, чем сплав ЖС36, при температурах <1000°С, меньшие значения (но не менее чем на 10%) -при 1100°С, а при 1200°С - очень значительный (высокий) уровень пластичности.
Экспериментальные данные по длительной прочности были использованы для определения численных значений коэффициентов уравнения (1), которые приведены в табл. 2 (для сравнения представлены значения коэффициентов для сплава ЖС36 [2]).
Коэффициенты уравнения (1) длительной прочности сплавов ЖС36 и ЖС47
Температурный Сплав ш п 1П£ и ,
интервал испытаний, К кДж/моль Дж/(моль-МПа)
1173-1273 ЖС36 1 2 -40,18 546,5 119,3
ЖС47 2 4 -29,85 475,7 48,5
1273-1373 ЖС36 2 4 -29,86 462,9 58,8
ЖС47 2 3 -37,36 508,2 93,32
С использованием этих значений коэффициентов уравнения длительной прочности рассчитаны кривые длительной прочности (для средних значений), представленные на рис. 2 (точками показаны экспериментальные данные).
а)
о, МПа
б)
о, МПа
1000 -
800600---- , ,__
400- '
100 200 500 1000 2000 5000
Время до разрушения, ч
Рис. 2. Кривые длительной прочности монокристаллов сплавов ЖС36 (а) и ЖС47 (б) в кристаллографическом направлении <001> при температурах 1173 (1), 1273 (2) и 1373K (3)
Средние значения пределов длительной прочности сплава ЖС47 (в сравнении с характеристиками сплава ЖС36) приведены в табл. 3.
Длительная прочность сплавов ЖС36 и ЖС47
Сплав Температура испытания, °С ^100 ^500 ^1000 ^5000
М] Па
ЖС36 900 1000 1100 485 255 140 390 185 100 350 165 85 265 115 55
ЖС47 900 1000 1100 535 320 165 460 245 115 425 215 95 350 155 65
Представленные результаты свидетельствуют о преимуществе сплава ЖС47 во всем температурно-временном диапазоне. При этом разница в значениях длительной прочности возрастает с увеличением долговечности и температуры от 10 до 30%. Это обстоятельство подтверждается значениями активационных параметров процесса длительного разрушения (см. табл. 2).
Механизмы накопления деформации и длительного разрушения в условиях ползучести монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов подробно исследованы в работах [2-4]. Показано, что в процессе высокотемпературной ползучести жаропрочные никелевые сплавы претерпевают существенную эволюцию микроструктуры: в результате специфической коагуляции кубоидные частицы упрочняющей у'-фазы сращиваются в пластины, ориентированные перпендикулярно оси приложенного напряжения (так называемая рафт-структура), затем эта рафт-структура огрубляется и на последней стадии ползучести перед разрушением искажается.
По-видимому, аналогичная общая схема реализуется и в сплаве ЖС47, однако ее количественные характеристики еще предстоит исследовать.
Кроме того, в жаропрочных никелевых сплавах с рением существует возможность выделения ТПУ фаз после длительных испытаний. Для решения этой задачи необходимо проведение более детальных исследований фазового состава сплава ЖС47 после длительной наработки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов.- М.: Машиностроение, 1998, 464 с.
2. Голубовский Е.Р., Светлов И.Л. Температурно-врементая зависимость анизотропии характеристик длительной прочности монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов // Проблемы прочности, 2002, № 2, с. 5-19.
3. Епишин А.И., Светлов И.Л. и др. Высокотемпературная ползучесть монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов с ориентацией [001] //Материаловедение, 1999, № 5, с. 32-42.
4. Epishin A.I., Kablov E.N., Golubovskiy E.R., Svetlov I.L., Link Т., Brukner U., Portella P.D. Rupture life time prediction and deformation mechanisms during creep of single-crystal nickel-base superalloys. // Creep in Structures: Proc. of the IUTAM Sympos., Na-goya (Japan).- Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2000, p. 231-240.
