CC BY
57
УДК 669.245.018.044:620.193.53
Д-р техн. наук А. Д. Коваль, канд. техн. наук А. Г. Андриенко, канд. техн. наук С. В. Гайдук, канд. техн. наук В. В. Кононов
Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГАФНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЛИТЕЙНОГО ЖАРОПРОЧНОГО КОРРОЗИОННОСТОЙКОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА
Исследовано влияние гафния в диапазоне легирования от 0,1 % до 0,9 % по массе на структуру и механические свойства сплава ЖС3ЛС. Приведены результаты механических испытаний и металлографических исследований опытных составов с разным содержанием гафния в исследованном диапазоне легирования, в сравнении со сплавом ЖС3ЛС без добавок гафния.
Ключевые слова: жаропрочные коррозионностойкие никелевые сплавы, термическая обработка, структура, морфология фаз, система легирования, кратковременная и длительная прочность.
Введение
Впервые в 60-х годах прошлого столетия было установлено, что добавки гафния заметно повышают пластичность сплавов систем №—Сг—Бе и Со—№—Сг. В более поздних исследованиях отмечалось благоприятное влияние гафния на служебные характеристики жаропрочных никелевых сплавов. Так, например, в начале 70-х годов прошлого века в США были внедрены в промышленное производство модернизированные составы, легированные гафнием: сплав В-1900 с гафнием под маркой ММ-007; сплав Инко 713С с гафнием под маркой ММ-004 [1].
Во многих исследовательских работах было показано, что для системы легирования конкретного сплава введение оптимального количества гафния приводило к одновременному повышению, как прочностных характеристик, так и показателей пластичности. При этом, положительное влияние гафния заключалось не только в измельчении дендритной структуры, но и в изменении морфологии карбидной фазы, при одновременном повышении термической стабильности упрочняющей у'- фазы и торможении диффузионных процессов по границам зерен [1—6].
Многие исследователи считают, что введение гафния в жаропрочные никелевые сплавы позволяет снижать в их составе содержание хрома без заметного ухудшения параметров высокотемпературной коррозионной стойкости, что способствует повышению прочностных характеристик материала при снижении вероятности образования вредных ТПУ- фаз, в частности ст- фазы, в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации [7—8].
Таким образом, до настоящего времени одним из перспективных направлений повышения комплекса служебных характеристик литейных жаро-
прочных коррозионностойких никелевых сплавов считается легирование гафнием.
В данной работе исследовано влияние легирования перспективным элементом гафнием в диапазоне концентраций от 0,1 % до 0,9 % по массе на структуру и механические свойства промышленного марочного сплава ЖС3ЛС, с целью оптимизации его содержания в многокомпонентной системе легирования, для повышения уровня прочностных характеристик и улучшения структурной стабильности.
Постановка задачи
Образцы опытных составов №1—№5 с добавками гафния в исследуемом диапазоне легирования от 0,1 % до 0,9 % с концентрационным шагом 0,2 % по массе, отливались на базе паспортной шихтовой заготовки промышленного сплава ЖС3ЛС. Гафний в опытные составы вводился по расчету в виде Ni-Hf лигатуры (Hf — 85 %, Ni-15 %).
Заливка образцов опытных составов № 1—№ 5 с различными добавками гафния в исследуемом диапазоне и образцов марочного сплава ЖС3ЛС без добавок гафния осуществлялась в вакуумно-индукционной печи марки УППФ-3М в соответствии с серийной технологией. Литые заготовки образцов имели цилиндрическую форму диаметром 16 мм и длиной 70 мм.
По химическому составу исходный базовый сплав ЖС3ЛС соответствовал нормам ОСТ 1.90127-85 (табл. 1). Химический анализ опытных плавок проводился стандартными методами, согласно требованиям ТУ 14-1689-73 и ОСТ 1.9012785. Спектральный химический анализ опытных плавок проводился на оптическом эммисионном приборе ARL-4460 (квантометр одновременного многоканального анализа). Химические составы опытных плавок приведены в таблице 1.
© А. Д. Коваль, А. Г. Андриенко, С. В. Гайдук, В. В. Кононов, 2012
Таблица 1 — Химический состав исследованных сплавов
Сплав № Содержание легирующих элементов %, по массе
C Cr Al Ti Mo W Co Hf Ce Zr B Ni
1 0,11 15,4 2,9 2,8 3,9 4,1 4,6 0,1 0,01 0,02 0,015 Осн.
2 0,10 15,1 3,1 3,0 4,0 4,0 5,0 0,3 0,01 0,02 0,015 Осн.
3 0,09 15,3 3,0 2,9 4,1 3,9 4,9 0,5 0,01 0,02 0,015 Осн.
4 0,11 15,2 2,8 3,1 3,8 3,8 4,7 0,7 0,01 0,02 0,015 Осн.
5 0,10 15,5 2,9 2,7 3,7 4,1 4,8 0,9 0,01 0,02 0,015 Осн.
ЖС3ЛС 0,12 16,1 2,7 2,7 3,8 3,7 5,5 - 0,01 0,02 0,015 Осн.
Далее, из литых заготовок образцов опытныш составов № 1—№ 5 и сплава ЖС3ЛС изготавливались стандартные цилиндрические образцы для сравнительных механических испытаний по стан-дартныш методикам: на кратковременную прочность температуре при 20 °С (ГОСТ 9651-73) и длительную прочность при температуре 950 °С (ГОСТ 10145-81). Механические испытания всех образцов проводились после термической обработки.
Металлографические исследования структуры образцов всех опытных составов проводилось на нетравленыж и травленых микрошлифах на световом оптическом микроскопе «Olympus IX-70» с цифровой видеокамерой «ExwaveHAD color video camera Digital Sony» при увеличении х 500.
Анализ результатов
С целью оценки влияния легирования гафнием и оптимизации его содержания в сплаве ЖС3ЛС были проведены сравнительные механические испытания образцов опытных составов № 1, № 2, № 3, № 4 и № 5, содержащих по расчету добавки гафния 0,1 %, 0,3 %, 0,5 %, 0,7 % и 0,9 % по массе, соответственно (табл. 1).
На рис. 1 представлены результаты испытаний на кратковременную прочность при температуре 20 °С образцов опытныш составов № 1—№ 5
с различным содержанием гафния в исследованном диапазоне, в сравнении с образцами марочного состава сплава ЖС3ЛС без добавок гафния.
Результаты механических испытаний показали, что при увеличении содержания гафния в опытных сплавах № 1 — № 5 во всем исследованном диапазоне легирования, повышаются не только показатели прочности, но и пластичности, по сравнению со сплавом ЖС3ЛС без добавок гафния. Установлено, что уровень механических свойств сплава ЖС3ЛС зависит от содержания гафния и имеет ярко выраженный экстремальный характер.
Из рисунка 1 видно, что лучшие показатели кратковременной прочности и пластичности достигаются при содержании гафния в количестве 0,3 % по массе, что является оптимальным для многокомпонентной системы легирования сплава ЖС3ЛС. Так, при оптимальном легировании гафнием (состав № 2) предел прочности повышается на 200—210 МПа. При этом, предел прочности образцов сплава ЖС3ЛС с оптимальной добавкой 0,3 % гафния увеличивается до 930— 950 МПа, по сравнению с образцами марочного состава сплава ЖС3ЛС (730—750 МПа), без добавок гафния, при одновременном повышении показателей пластичности 8 в 2,5—3 раза (рис. 1).
Рис. 1. Кратковременные механические свойства при 20 °С сплава ЖС3ЛС, легированного гафнием
в исследованном диапазоне:
0 — сплав ЖС3ЛС без гафния; 3 — сплав ЖС3ЛС с 0,5 % гафния;
1 - сплав ЖС3ЛС с 0,1 % гафния; 4 - сплав ЖС3ЛС с 0,7 % гафния;
2 - сплав ЖС3ЛС с 0,3 гафния; 5 - сплав ЖС3ЛС с 0,9 % гафния
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2012
197
Следует отметить, что легирование сплава ЖС3ЛС гафнием в количестве 0,1 % и 0,9 % по массе (составы № 1 и № 5) незначительно повышает предел прочности о в на 50—60 МПа, по сравнению со сплавом ЖС3ЛС без гафния.
На рисунке 2 представлены результаты испытаний на длительную прочность при температуре 950 °С и напряжении о = 120 МПа образцов опытных составов № 1—№ 5 с различным содержанием гафния, в сравнении со сплавом ЖС3ЛС без добавок гафния. Результаты испытаний показали, что при различном содержании гафния в опытных сплавах № 1—№ 5, во всем исследованном диапазоне легирования заметно увеличилось время до разрушения образцов.
Тр.час
О 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 Ш, %
Рис. 2. Влияние легирования гафнием на время до разрушения образцов сплава ЖС3ЛС, испытанных при температуре 950 °С и напряжении о = 120 МПа:
0 — сплав ЖС3ЛС без гафния; 3 — сплав ЖС3ЛС с 0,5 % гафния;
1 - сплав ЖС3ЛС с 0,1% гафния; 4 - сплав ЖС3ЛС
с 0,7 % гафния;
2 - сплав ЖС3ЛС с 0,3% гафния; 5 - сплав ЖС3ЛС
с 0,9 % гафния
Установлено, что долговечность образцов сплава ЖС3ЛС зависит от содержания гафния и также носит экстремальный характер. Так, в опытном составе № 2, с содержанием гафния 0,3 % по массе, при температуре испытания ^ = 950 °С и напряжении о = 120 МПа время до разрушения образцов увеличилось почти в 3 раза, по сравнению со сплавом ЖС3ЛС без добавок гафния. При этом следует отметить, что образцы всех опытных составов № 1-№ 5, легированных гафнием в исследованном диапазоне от 0,1 % до 0,9 % по массе, показали большую долговечность, чем образцы исходного марочного сплава ЖС3ЛС без добавок гафния (рис. 2).
Следует отметить, что для системы легирования сплава ЖС3ЛС повышение содержания гафния от 0,5 % до 0,9 % по массе приводит к постепенному снижению как показателей кратковременной прочности и пластичности (рис. 1), так и долговечности образцов (рис. 2), по сравнению со сплавом ЖС3ЛС, оптимально легированного гафнием (состав № 2).
Металлографическими исследованиями было установлено наличие в структуре исследованных сплавов карбидов типа МеС. Так, в литой структуре сплава ЖС3ЛС не легированного гафнием, наблюдались скопления мелких частиц карбидной фазы по границам зерен в виде прерывистых цепочек (рис. 3, а). Термическая обработка приводила к образованию более крупных одиночных карбидных частиц, при этом в структуре сплава ЖС3ЛС без добавок гафния наблюдались отдельные группы мелких карбидных частиц, как по границам зерен, так и в теле зерен (рис. 3, г).
г д е
Рис. 3. Микроструктура сплава ЖС3ЛС в литом состоянии (а-в) и после термической обработки (г-д) х500: а, г - без добавок гафния; б, д - с добавкой гафния 0,3 %; в, е - с добавкой гафния 0,9 %
Подобно титану гафний является у'- образующим элементом и частично замещает алюминий в основной упрочняющей у'- фазе. Металлографические исследования показали, что в структуре опытных сплавов №1 — №5, легированных разным количеством гафния, наряду с мелкодисперсными частицами у'- фазы наблюдаются более крупные первичные выделения у'- фазы, образующиеся при кристаллизации в ме-жосных участках дендритов, что говорит об их эвтектическом происхождении. Поэтому гафний относится к числу элементов, который наиболее сильно ликвирует в жаропрочных никелевых сплавах.
Исследование микроструктуры показало, что легирование сплава ЖС3ЛС гафнием в оптимальном количестве 0,3 % по массе способствовало формированию глобулярных карбидов по границам зерен (рис. 3, б). После термической обработки карбидные частицы глобулярной и полигональной морфологии располагались преимущественно в теле зерен (рис. 3, д).
Увеличение содержания гафния до 0,9 % по массе способствовало более заметному увеличению размеров карбидных частиц, по сравнению со структурой исходного сплава ЖС3ЛС без гафния. При этом, с повышением содержания гафния до 0,9 % по массе, в литой структуре сплава ЖС3ЛС было выявлено значительное количество более крупных частиц карбидной фазы (рис. 3, в). После термической обработки в структуре наблюдались отдельно расположенные крупные карбидные частицы неправильной округлой формы, которые несколько уменьшились в размерах, по сравнению с литым состоянием (рис. 3, е).
Металлографические исследования показали, что повышение содержания гафния в сплаве ЖС3ЛС до 0,9 % по массе приводит к заметному увеличению в структуре количества эвтектических выделений у-у' и изменению ее морфологии, по сравнению со структурой сплава ЖС3ЛС без гафния. В литой структуре эвтектические выделения у-у' имели форму конгломератов, ко-
торые преимущественно выделялись по границам зерен (рис. 3, в). Термическая обработка приводила к незначительному уменьшению размеров выделений эвтектики у-у' (рис. 3, е). В целом, после термической обработки структура исследованных сплавов отличалась большей структурной однородностью за счет частичного растворения эвтектических выделений у-у в у-твердом растворе.
После испытаний образцов на длительную прочность, металлографическими исследованиями было установлено, что в структуре сплава ЖС3ЛС с добавками гафния в количестве 0,5 %, 0,7 %, 0,9 % (составы № 3, № 4, № 5), рядом с карбидными частицами наблюдалась игольчатая топологически плотноупакованная фаза, вероятно типа Ni5Hf, которая выделялась из у- твердого раствора в виде пластин, как в осях дендритов, так и в междендритных пространствах (рис. 4).
Исследования показали, что после механических испытаний в структуре образцов сплава ЖС3ЛС с увеличением содержания гафния от 0,5 % до 0,9 % размер выделений пластинчатой фазы типа Ni5Hf постепенно увеличивался, что негативно влияло как на характеристики кратковременной и длительной прочности, а также и пластичности (рис. 1, 2).
Металлографический анализ и результаты механических испытаний показали, что для многокомпонентной системы легирования сплава ЖС3ЛС оптимальным содержанием гафния является 0,3 % по массе, при котором достигаются лучшие структурные параметры и показатели кратковременной и длительной прочности.
Таким образом, оптимальное легирование сплава ЖС3ЛС гафнием в оптимальных пределах 0,2— 0,4 % по массе наиболее эффективно повышает как кратковременную, так и длительную прочность за счет структурных параметров. При этом, основное позитивное влияние добавок гафния в сплаве ЖС3ЛС заключалось в повышении меж-зеренной прочности и пластичности, так как данные показатели, прежде всего, зависят от природы и морфологии карбо-боридных фаз, распола-
Рис. 4. Пластинчатая фаза типа №5^ в структуре образцов сплава ЖС3ЛС, легированного гафнием после испытаний на длительную прочность V = 950°С, о = 120МПа) х500: а - ЖС3ЛС с 0,5 % гафния; б - ЖС3ЛС с 0,7 % гафния; в - ЖС3ЛС с 0,9 % гафния
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 1/2012
- 199 -
гающихся преимущественно по границам зерен в виде включений и эвтектик.
Выводы
1. Лучшие показатели кратковременной и длительной прочности достигаются в сплаве ЖС3ЛС при оптимальном легировании гафнием в количестве 0,3 % по массе. По сравнению с образцами сплава ЖС3ЛС без гафния, в опытном составе № 2 предел кратковременной прочности повышается на 200-210 МПа, а долговечность почти в 3 раза.
2. Повышение содержания гафния до 0,9 % по массе приводит к постепенному снижению показателей прочностных характеристик. Однако, все опытные составы № 1-№ 5, содержащие гафний в исследованном диапазоне от 0,1 % до 0,9 % по массе, показали более высокие значения кратковременной прочности и пластичности, а также долговечности, чем исходный марочный сплав ЖС3ЛС без добавок гафния.
3. Оптимальное легирование сплава ЖС3ЛС гафнием в количестве 0,3 % по массе (состав № 2) благоприятно влияет на структурные параметры, что способствует формированию глобулярных карбидов, как по границам зерен, так и в теле зерен, повышая уровень механических характеристик.
4. Повышение содержания гафния до 0,9 % по массе в сплаве ЖС3ЛС приводит к общему огрублению структуры. При этом в структуре заметно увеличивается количество эвтектических выделений у-у', что повышает структурную неоднородность, по сравнению со структурами опытного состава № 2 и исходного марочного сплава ЖС3ЛС без добавок гафния.
Список литературы
1. Масленков С.Б. Влияние гафния на структуру и свойства никелевых сплавов / С. Б. Масленков, Н. Н. Бурова, В. В. Хангулов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 1980. - № 4. - С. 45-46.
2. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С. Т. Кишкина : науч.-техн. сб. к 100-летию со дня рождения С. Т. Кишкина / Под общ. ред. Е. Н. Каблова. - М. : Наука, 2006. - 272 с.
3. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) / Е. Н. Каблов. - М. : МИСИС, 2001. - 632 с.
4. Каблов Е.Н. Жаропрочность никелевых сплавов / Е. Н. Каблов, Е. Р. Голубовский. - М.: Машиностроение, 1998. - 464 с.
5. 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.
6. Жаропрочность литейных никелевых сплавов и защита их от окисления / [Б. Е. Патон, Г. Б. Строганов, С. Т. Кишкин и др.]. - К. : Наук. думка, 1987. - 256 с.
7. Жаропрочные сплавы для газовых турбин. Материалы международной конференции / [Д. Котсорадис, П. Феликс, Х. Фишмайстер и др.] ; пер. с англ. под ред. Р. Е. Шалина. - М. : Металлургия, 1981. - 480 с.
8. Симс Ч. Т. Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок / Ч. Т. Симс, Н. С. Столофф, У. К. Хагель ; пер. с англ. под ред. Р. Е. Шалина. -М. : Металлургия, 1995. - Кн. 1, 2. - 384 с.
Поступила в редакцию 22.03.2011
Коваль А.Д., Андр1енко А.Г., Гайдук С.В., Кононов В.В. Дослщження впливу гафшю на структуру i властивосп ливарного жаромщного корозшностшкого шкелевого сплаву
Досл^джено вплив гафшю в диапазон! легування eid 0,1% до 0,9% за масою на структуру i мехашчш властивостi сплаву ЖС3ЛС. Приведено резулътати мехашчних випробуванъ i металографiчних до^дженъ долдних складiв з рiзним вмютом гафшю в до^дженому дiапазонi легування, в порiвняннi зi сплавом ЖС3ЛС без добавок гафшю.
Ключов1 слова: жаромщш корозшностшш нiкелевi сплави; термiчна обробка; структура; морфологiя фаз; система легування; короткочасна й довготривала мщшстъ.
Koval A., Andrienko A., Gayduk S., Kononov V. Investigation of hafnium influence on structure and properties of cast high-temperature corrosion-resistant nickel-base superalloy
It has been investigated the influence of hafnium within the alloying range from 0,1% to 0,9% by mass on structure and mechanical properties of alloy ЖС3ЛС. The results of mechanical testing and metallographic investigation of experimental chemical compositions with variable hafnium content inside the alloying range in comparison with alloy ЖС3ЛС free of hafnium have been represented.
Key words: high-temperature corrosion-resistant nickel-base superalloys, heat treatment, structure, morphology of phases, alloying system, short-term and long-term strength.
