CC BY
42
УДК 669.24:669.018.44:66.065.5
E.H. Каблов, Ю.А. Бондаренко, Д.Е. Каблов
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И ЖАРОПРОЧНЫХ СВОЙСТВ МОНОКРИСТАЛЛОВ <001> ВЫСОКОРЕНИЕВОГО НИКЕЛЕВОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА, ПОЛУЧЕННОГО В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГРАДИЕНТНОЙ НАПРАВЛЕННОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Изучено влияние направленной кристаллизации с высоким температурным градиентом на фронте роста на структуру, дендритную ликвацию, пористость и жаропрочность современного ренийсодержащего жаропрочного сплава с монокристаллической структурой <001>, разработанного для литья лопаток ГТД.
Ключевые слова: высокоградиентная направленная кристаллизация, жаропрочные сплавы, монокристаллическая структура, дендритная ликвация, пористость, длительная прочность, усталость.
Развитие авиационного двигателестроения неразрывно связано с разработкой и внедрением новых жаропрочных материалов для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД), а также с совершенствованием и созданием новых технологических процессов их изготовления.
В области никелевых жаропрочных сплавов, предназначенных для производства лопаток ГТД с монокристаллической структурой, в мировой практике (в России, США, Франции и др.) прослеживаются тенденции, связанные с дополнительным легированием сплавов рением. При этом рений, преимущественно растворяясь в никелевом твердом растворе (у-фаза), тормозит диффузионные процессы, повышая тем самым сопротивление ползучести сплавов под воздействием высоких температур и напряжений. Использование рения в качестве легирующего элемента удорожает жаропрочные сплавы, однако это целесообразно вследствие заметного повышения их работоспособности и ресурса.
Следует указать, что при максимальном легировании современных жаропрочных сплавов упрочняющими элементами в количествах их предельной растворимости, в условиях неравновесной кристаллизации при получении лопаток ГТД повышается вероятность образования избыточных фаз, не участвующих в упрочнении: (у/у')-эвтектики, ТПУ фаз, а-фазы.
Для обеспечения уровня высоких жаропрочных свойств при изготовлении рабочих лопаток современных ГТД в России и за рубежом используется технология направленной кристаллизации, обеспечивающая получение в лопатках монокристаллической структуры (без границ зерен) с заданной кристаллографической ориентацией.
Однако даже эта современная технология не может решить всех проблем, связанных с формированием в отливках структуры с крупными дендритными и фазовыми составляющими, а также со значительной дендритной ликвацией и междендритной пористостью, вызванных низким температурным градиентом на фронте роста и невысокой скоростью охлаждения в условиях существующего промышленного оборудования.
В связи с этим для уменьшения дендритной ликвации при производстве монокристаллических лопаток ГТД используют сложную, связанную с возможным плавлением эвтектических фаз, длительную высокотемпературную гомогенизацию, что требует специализированного вакуумного оборудования. Для уменьшения пористости до-
полнительно используют энергозатратную, трудоемкую технологию газостатического прессования, также требующую применения дорогостоящего специализированного оборудования.
Тем не менее высокая химическая и структурная неоднородность монокристаллов жаропрочных сплавов, связанная с сегрегацией тугоплавких легирующих элементов (Яе, W и др.) внутри дендритной ячейки, полностью не устраняется даже в процессе длительного высокотемпературного отжига [1]. Это может быть причиной выделения избыточных фаз даже в сплавах сбалансированного (в среднем) химического состава жаропрочного сплава.
Для существенного повышения качества структуры, обеспечения ее однородности, уменьшения дендритной ликвации, пористости, исключения образования литейных дефектов в виде струйчатой полосчатости, в ВИАМ разработан новый процесс высокоградиентной направленной кристаллизации жаропрочных сплавов (температурный градиент 0^150-200°С/см) [2].
Цель данной работы - исследование влияния процесса высокоградиентной направленной кристаллизации на структуру и свойства современного ренийсодержаще-го монокристаллического сплава ВЖМ1 для рабочих лопаток ГТД.
В качестве объекта исследований был выбран разработанный в ВИАМ высокожаропрочный никелевый сплав с повышенным содержанием рения, предназначенный для монокристаллического литья лопаток газовых турбин [1].
Процесс направленной кристаллизации монокристаллических <001> заготовок образцов осуществляли на созданных в ВИАМ специализированных высокоградиентных установках: модульной УВНЭС-4 и опытно-промышленной УВНЭС-5. Главной особенностью этого технологического процесса является интенсивный подвод тепла в расплав выше фронта кристаллизации и активный отвод тепла ниже фронта кристаллизации, что и обеспечивает значительный перепад температур между зонами нагрева и охлаждения. Особенности технологии и конструкция теплового узла установок защищены патентами Российской Федерации [3].
Исследовали микроструктуру монокристаллических образцов сплава ВЖМ1, полученных при одинаковой скорости кристаллизации (~5 мм/мин) и различных температурных градиентах на фронте роста. Определяли коэффициент ликвации элементов в сплаве ВЖМ1 в процессе направленной кристаллизации при различном градиенте методом микрорентгеноспектрального анализа (МРСА). Оценивали жаропрочность и сопротивление усталости сплава.
На рис. 1 и 2 приведены результаты исследования микроструктуры монокристаллического сплава ВЖМ1. Показано, что повышение температурного градиента до 0^150-200°С/см обеспечивает формирование более однородной тонкодендритной структуры с существенно меньшим междендритным расстоянием ^«160-180 мкм (см. рис. 1, а) по сравнению со структурой, полученной по промышленной технологии (0^60°С/см, ^^300 мкм - см. рис. 1, б). При этом уменьшаются размеры частиц (у/у')-эвтектики, фрагментированные прожилками у-фазы, что важно для последующей гомогенизации (см. рис. 1, в, г).
Повышение температурного градиента на фронте направленной кристаллизации жаропрочных сплавов способствует уменьшению размера жидко-твердой области, в кото-
рой формируется дендритная структура. Это вызывает уменьшение количества литейных пор, механизм образования которых связан с различием молярных объемов частиц жидкой и твердой фаз [3]. В структуре отливок сплава ВЖМ1, полученных в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации, были обнаружены лишь случайные поры вблизи наиболее крупных выделений частиц (у/у')-эвтектики (см. рис. 2, а), которые формировались в междендритных участках в последний момент кристаллизации.
Результаты оценки коэффициента ликвации легирующих элементов в монокристаллах ренийсодержащего жаропрочного сплава ВЖМ1, полученных при различном температурном градиенте на фронте роста, показывают, что такие элементы, как Л1, Та, обогащают междендритные области, а А, Re - сегрегируют в оси дендритов (табл. 1).
Высокоградиентная технология (0=150-200°С/см) Промышленная технология (0=50-60°С/см)
а) б)
у/у'-эвтектика у/у'-эвтектика
Рис. 1. Микроструктура (а, б - ><50; в, г - х2500) ренийсодержащего жаропрочного сплава ВЖМ1, полученного методом направленной кристаллизации по различным технологиям (А, - междендритное расстояние)
а) Эвтектика у/у' б) Поры
Рис. 2. Эвтектика у/у' с порой в структуре сплава ВЖМ1:
а - пора вблизи эвтектики у/у' в литом состоянии (*5000); б - поры после высокотемпературной гомогенизации (*3500); в - пластины ТПУ фазы (*3500); г - поры в зоне разрушения после испытаний на жаропрочность (*2000)
Таблица 1
Зависимость коэффициента ликвации элементов литого сплава ВЖМ1 с монокристаллической структурой от температурного градиента _на фронте кристаллизации_
б, Состояние сплава Коэффициент ликвации элементов*
°С/см А1 Сг Мо Та Со Яе
50-60 Литое Гомогенизированное + отжиг 0,7 0,75 1,2 1,0 1,2 1,0 2,1 1,3 0,5 0,9 1,1 1,0 3,4 1,8
150-200 Литое 0,8 1,0 0,9 1,5 0,6 1,1 2,4
Гомогенизированное + отжиг 0,9 1,0 1,0 1,0 0,9 1,0 1,5
*Коэффициент ликвации элементов определяли по формуле Кл=Сад/См.д, где С0.д, Смд - концентрация
легирующего элемента в оси дендрита и межосном пространстве соответственно.
Повышение температурного градиента заметно уменьшает неоднородность химического состава, вызванную дендритной ликвацией в литых образцах. Это особенно важно для жаропрочного сплава с повышенным содержанием рения, имеющего малую диффузионную подвижность в никелевом твердом растворе. В сплаве ВЖМ1 даже длительная многоступенчатая высокотемпературная гомогенизация (в интервале температур 1285-1335°С в течение 26 ч + двухступенчатый отжиг) с общим временем обработки ~72 ч не устраняет химической неоднородности внутри дендритных ячеек.
Высокотемпературная гомогенизация, проведенная на образцах сплава ВЖМ1, полученных при 0^150-200°С/см, обеспечивает выравнивание состава внутри дендритной ячейки для большинства элементов. Исключением является Re, коэффициент ликвации которого удается уменьшить до Ке=1,5 (при 0^60°С/см - Кяе=1,8). Однако процесс высокотемпературной гомогенизации сопровождается растворением частиц (у/у')-эвтектики. При этом в структуре наблюдается значительное увеличение (в 10 раз) объемной доли пор (см. рис. 2, б).
Микросегрегация элементов внутри дендритных ячеек в современных ренийсодер-жащих сплавах, предельно легированных тугоплавкими элементами, может приводить к образованию топологически плотноупакованных фаз (ГПУ фаз), которые разупрочняют материал. Высокоградиентная направленная кристаллизация вследствие уменьшения дендритной ликвации может способствовать уменьшению вероятности образования мик-росегрегаций элементов внутри дендритной ячейки, являющихся благоприятной средой для выделения ТПУ фаз при эксплуатации и высокотемпературном отжиге [4]. Детальные исследования методами физико-химического фазового анализа позволили выявить в изо-ляте сплава ВЖМ1 лишь следы частиц ТПУ фазы. По кристаллографической структуре ее можно отнести к д-фазе с составом, соответствующим формуле Со7А6-(Со, №)7(Ке, А, Мо)6. После высокотемпературной термической обработки в структуре удалось обнаружить незначительное присутствие этой фазы (см. рис. 2, в).
На полученных в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации монокристаллических <001> образцах сплава ВЖМ1 после термообработки (высокотемпературная гомогенизация + отжиг - общая продолжительность ~72 ч) были проведены испытания на длительную прочность, которые показали высокие результаты (табл. 2).
Сопротивление усталости образцов сплава ВЖМ1 также было высоким: ст2° = 200 МПа, ст9°° = 370 МПа (испытания на базе N=2-107 цикл).
Таблица 2
Длительная прочность при 1000°С монокристаллических образцов <001> сплава ВЖМ1
после литья и термообработки
с, МПа Тр, ч
320 121,0
330 86,0
330 114,0
250 362,0
270 248,5
Исследования микроструктуры разрушенных монокристаллических образцов сплава ВЖМ1В позволили наблюдать образование «рафт»-частиц у'-фазы перпендикулярно оси нагрузки, а также отметить, что важную роль в процессе разрушения играют поры (см. рис. 2, б), возникшие при высокотемпературной гомогенизации в местах растворения (у/у')-эвтектики. При испытании на длительную прочность в процессе ползучести поры, обычно имеющие вид «сферы», деформируются и принимают форму «чечевицы» (см. рис. 2, г). На их стенках зарождаются микротрещины. Далее микротрещины объединяются в магистральные трещины, которые вызывают разрушение образца.
В связи с тем, что высокоградиентная направленная кристаллизация (по сравнению с промышленной технологией) обеспечивает получение в литом состоянии более однородной тонкодендритной структуры с меньшими дендритной ликвацией и пористостью, в рамках данной работы оценили жаропрочные свойства сплава ВЖМ1, не подвергавшегося высокотемпературной гомогенизации (была проведена кратковременная термообработка для снятия термических напряжений - отжиг 1 ч) (табл. 3).
Таблица 3
Длительная прочность при 1000°С монокристаллических образцов <001> сплава ВЖМ1
после литья
с, МПа Тр, ч
330 75,5
330 72,5
250 328,5
250 290,0
Полученные результаты (см. табл. 3) свидетельствуют о том, что длительная прочность образцов, полученных методом высокоградиентной направленной кристаллизации без проведения последующей высокотемпературной гомогенизации, практически совпадает с результатами, полученными на образцах после высокотемпературной гомогенизации + отжига, что открывает возможность разработки более простой и экономичной технологии получения лопаток ГТД. Сопротивление усталости литых образцов сплава ВЖМ1 также было высоким: a90tf = 360 МПа (испытания на базе N=2-107 цикл).
Исследование микроструктуры разрушенных образцов (после термообработки 1 ч) показало, что микротрещины в зоне разрушения зарождаются в междендритном пространстве вблизи частиц (у/у')-эвтектики (рис. 3, а). В осях дендритов наряду с появлением (у/у')-«рафт» структуры, ориентированной перпендикулярно оси нагрузки, обнаружены пластинчатые выделения новой ук-фазы (рис. 3, б) с повышенным содержанием рения - до -30% (по данным микрорентгеноспектрального анализа - МРСА). Пластины ук-фазы окружены оболочкой из у'-фазы, а особенность их расположения предполагает их образование по октаэдрическим плоскостям {111} в ГЦК решетке никелевого твердого раствора. Образование ук-фазы не оказывает отрицательного влияния на длительную прочность монокристаллов <001> сплава ВЖМ1, а, возможно, способствует снижению внутренних напряжений и тормозит процессы разрушения монокристаллов сплава ВЖМ1, что обеспечивает ему достаточно высокие жаропрочные свойства.
а) б)
Рис. 3. Микроструктура (а - ><2500; б - ><3500) образцов монокристаллов <001> ренийсо-держащего сплава ВЖМ1 после испытаний на длительную прочность при температуре 1000° С, нагрузке 250 МПа; время до разрушения 328,5 ч
Проведенный комплекс исследований позволил разработать опытную технологию литья рабочих охлаждаемых лопаток ГТД из высокожаропрочного ренийсодержа-щего сплава ВЖМ1 с монокристаллической структурой на установке УВНЭС-5 с компьютерной системой управления.
Разработка высокоградиентной технологии и создание специализированного вакуумного промышленного оборудования делает возможным применение ренийсодер-жащих высокожаропрочных сплавов при производстве наиболее нагруженных рабочих лопаток ГТД перспективных авиационных двигателей V поколения.
Высокоградиентная направленная кристаллизация ренийсодержащего жаропрочного сплава ВЖМ1 (по сравнению с промышленной технологией литья лопаток ГТД) обеспечивает получение более однородной тонкодендритной структуры с меньшими дендритной ликвацией и пористостью, а также высоких характеристик жаропрочности и сопротивления усталости без длительной высокотемпературной гомогенизации и отжига в течение ~72 ч.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов E.H., Светлов И.Л., Петрушин Н.В. Никелевые жаропрочные сплавы для литья лопаток с направленной и монокристаллической структурой //Материаловедение. 1997. № 4. с. 32-38. № 5. С. 14-17.
2. Каблов Е.Н, Бондаренко Ю.А. Новое в технологии производства лопаток ГТД //Аэрокосмический курьер. 1999. № 2. С. 60-62.
3. Бондаренко Ю.А., Каблов E.H. Направленная кристаллизация жаропрочных сплавов с повышенным температурным градиентом //МиТОМ. 2002. № 7. С. 20-23.
4. Бондаренко Ю.А., Каблов E.H., Морозова Г.И. Влияние высокоградиентной направленной кристаллизации на структуру и фазовый состав жаропрочного сплава типа Rene N5 //МиТОМ. 1999. № 2. С. 15-18.
