CC BY
39
УДК 669.715'24
О.А. Базылева1, Э.Г. Аргинбаева1 ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
НА СТРУКТУРУ И ЖАРОПРОЧНОСТЬ РЕНИЙСОДЕРЖАЩЕГО ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ*
Проведено исследование влияния режимов термической обработки на структуру и жаропрочность ре-нийсодержащего интерметаллидного сплава на основе никеля серии ВИН (ВИАМ, интерметаллидный никелевый).
Ключевые слова: интерметаллид Ni^Al, микроструктура, монокристаллические образцы, кристаллографическая ориентация, термическая обработка, время до разрушения.
The effect of heat treatment on microstructure and high-temperature strength of rhenium containing intermetal-lic nickel-based alloy series VIN (VIAM, intermetallic, nickel) was study.
Keywords: intermetallic Ni^Al, microstructure, single-crystal samples, crystallographic orientation, heat treatment, rupture life.
1 Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации
[Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: [email protected]
* В работе принимали участие Ю.А. Бондаренко, Е.Ю. Туренко, А.В. Шестаков и Д.Г. Нефедов.
В настоящее время в развитии науки и технологий в области авиационного двигателестроения наиболее актуальными направлениями термодинамики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) являются:
- габаритно-массовые характеристики (снижение удельной массы, объема и габаритов авиационных двигателей);
- экологичность (снижение вредных выбросов в атмосферу путем повышения топливной экономичности);
- обеспечение полетов гиперзвуковых пилотируемых магистральных самолетов и многоразовых космических транспортных систем при соблюдении экологических требований.
Одним из приоритетов развития в области повышения прочности деталей ГТД как научного направления является создание высокотемпературных высокоресурсных лопаток.
Новое поколение ГТД невозможно без применения новых жаропрочных конструкционных материалов с рабочими температурами 1250°С и выше, пониженной плотностью и, желательно, пониженной стоимостью. Такими материалами являются сплавы на основе алюминида никеля №3А1, которые при высокотемпературной эксплуатации имеют ряд преимуществ по сравнению с жаропрочными никелевыми сплавами (ЖНС), применяемыми серийно.
Интерметаллидные сплавы на основе №3А1, содержащие до 90% (по массе) соединения №3А1 (у'-фаза), отличаются от никелевых сплавов экономичным составом, пониженными значениями плотности (~8000 кг/м3) и высоким сопротивлени-
ем окислению [1-4]. Сплавы на основе интерме-таллида имеют упорядоченную термостабильную структуру, которая сохраняется вплоть до температуры плавления, что и позволяет эксплуатировать эти сплавы при температурах на 100-150°С выше, чем ЖНС [5-11].
В ВИАМ разработаны новые интерметаллидные сплавы на основе никеля, в частности жаропрочный сплав ВИН2 [12-14]. Новый сплав имеет плотность на уровне плотности сплава ВИН1 (ВКНА-25) и повышенную (по сравнению с ВИН1) долговечность при температуре 1100°С и нагрузке 100 МПа.
Эффективность применения новых конструкционных материалов зависит от возможности их упрочнения при изготовлении деталей (например, выбора технологии литья, термической обработки), а также от разупрочнения сплавов в процессе наработки.
Таким образом, исследование влияния термической обработки на структуру и жаропрочность разработанного и паспортизованного интерметаллид-ного сплава ВИН2 является весьма актуальным.
Методика проведения исследований
Материалом для исследований являлись монокристаллические заготовки с КГО [111] из интерме-таллидных сплавов ВИН1 и ВИН2 на основе системы Ni-Al-Ti-Cr-W-Mo-Co-Re (сплав ВИН2 дополнительно легирован тaнталом) [13, 14].
С помощью метода расчета химического состава интерметаллидных сплавов по правилу баланса легирования, разработанному Г.И. Морозовой [15], по электронной концентрации и атомной
массе легирующих элементов, с учетом теоретической плотности выбраны химические составы интерметаллидных сплавов.
Изготовление шихтовых заготовок исследуемых сплавов проводилось методом вакуумной индукционной выплавки (ВИП) на установках типа VIM-50 [16], затем их переплавляли методом высокоградиентной направленной кристаллизации (ВГНК) на установках типа УВНС. Высокоградиентная направленная кристаллизация обеспечивает более высокий уровень механических свойств жаропрочных сплавов благодаря формированию однородной тонкодендритной структуры с меньшими дендритной ликвацией и пористостью [17-19]. Для получения монокристаллической структуры заданной кристаллографической ориентации (КГО) использовали никель -вольфрамовые (Ni-W) затравки, имеющие, как и Ni3Al, гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) и более высокую температуру плавления, чем у сплавов серии ВКНА и ВИН. Для дальнейших исследований использовали цилиндрические заготовки образцов интерметаллидных сплавов с монокристаллической структурой с КГО [111] и отклонением от КГО не более 10 град.
Монокристаллические заготовки сплавов ВИН1 и ВИН2 исследованы в литом состоянии и после термической обработки, а сплава ВИН2 - и после испытаний на длительную прочность на базе до 1000 ч.
Испытания на длительную прочность проводили на испытательных машинах типа ZST2/3-ВИЭТ в соответствии с требованиями ГОСТ 10145.
Микроструктуру образцов из интерметаллид-ных сплавов исследовали на оптическом микроскопе Olympus GX-51. Локальный химический анализ проводили в соответствии с методическими материалами на микроскопе Superprobe-733.
Результаты эксперимента и их обсуждение
При получении монокристаллов из жаропрочных никелевых и интерметаллидных на основе никеля сплавов методом направленной кристаллизации в отливке возникает химическая и структурная неоднородность, обусловленная микроликвацией легирующих элементов в пределах дендритной ячейки (рис. 1) [20].
Микроструктура интерметаллидных сплавов в литом состоянии - дендритно-ячеистая и гетерофазная: (у'+у)-фаза в осях дендритов и у'-фаза+фаза с повышенным содержанием Al на подложке у'-фазы, окруженной тонкими пластинами у-фазы, - в межосном пространстве.
Количественное соотношение фаз в рассматриваемых интерметаллидных сплавах в литом состоянии представлено в табл. 1. Так, сплав ВИН1 содержит ~88-90% (объемн.) у'-фазы, 5-8% (объемн.) у-фазы и ~3-5% (объемн.) фазы с повышенным содержанием Al; сплав ВИН2: ~88-90% (объемн.) у'-фазы, 5-6% (объемн.) у-фазы и ~6-
8% (объемн.) фазы с повышенным содержанием алюминия. Такое фазовое соотношение является следствием ликвационной неоднородности легирующих элементов, свойственной природе кристаллизации интерметаллидных сплавов [21, 22].
Закономерности процесса возникновения микроликвации легирующих элементов в пределах дендритной ячейки определяются влиянием легирующих элементов на температуры солидус и ликвидус на диаграммах состояния. Легирующий элемент, повышающий температуру солидус, обогащает оси дендритов, в противном случае он концентрируется в междендритных областях, т. е. характер дендритной ликвации остается таким же, как и в бинарных сплавах на основе никеля.
Наиболее сильно ликвирующими элементами являются рений, вольфрам, алюминий, тантал и титан: рений и вольфрам - сегрегируют в осях дендритов, а тантал, алюминий и титан - обогащают междендритные области. Высокая склонность к ликвации рения и вольфрама, которая не устраняется полностью даже при длительной высокотемпературной гомогенизации из-за низкой диффузионной подвижности этих металлов, является одной из причин образования в монокристаллах жаропрочных никелевых сплавов топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз.
Анализ микроструктур рассматриваемых ин-терметаллидных сплавов и их химических составов позволяет заметить, что ликвационная неоднородность в сплаве ВИН2, имеющем повышенное по сравнению со сплавом ВИН1 содержание рения, выражена ярче, чем в сплаве ВИН1. Это подтверждают и результаты локального химического анализа (табл. 2). Полученные результаты подтолкнули к поиску режима термической обработки, уменьшающего ликвацию химических элементов и дендритную ликвацию и позволяющего стабилизировать значения жаропрочности сплава при высоких температурах [23, 24].
Отработанный ранее на интерметаллидном сплаве ВИН1 режим термической обработки для снятия остаточных напряжений после механической обработки не приводит к изменениям микроструктуры и значений долговечности в высоколегированном сплаве ВИН2.
Знание температур фазовых превращений позволяет провести термическую обработку с полной гомогенизацией у-твердого раствора без риска оплавления междендритных областей.
Исследовали режимы гомогенизирующего отжига сплава ВИН2 в интервале температур термической обработки (ТО) на твердый раствор: ЛТТО=Т-Тг)0С, где ТS - температура солидус; Ту' - температура полного растворения вторичной у'-фазы в у'-твердом растворе. Продолжительность отжига: 2; 5 и 10 ч.
Микроструктурный анализ показал, что гомогенизирующий отжиг приводит к следующим изменениям фазового состава сплава ВИН2: в
Таблица 1
Фазовый состав интерметаллидных сплавов
Сплав Содержание, % (объемн.)
у'-фазы у-фазы фазы с повышенным содержанием А1
ВИН1 88-90 5-8 3-5
ВИН2 88-90 5-6 6-8
Таблица 2
Количественный анализ интерметаллидных сплавов ВИН1 и ВИН2
Состояние Коэффициент ликвации Клг*
А1 Ti Сг Со Мо Та Re
Сплав ВИН1
Литое+ТО для снятия напряжений после 0,9 0,5 0,9 1,1 0,8 - 1,7 2,2
механической обработки
Сплав ВИН2
Литое+ТО для снятия напряжений после 0,7 0,4 1,2 1,3 1,1 0,8 2,1 3,1
механической обработки Литое+гомогенизирующий
отжиг при (Т^Ту)°С в течение, ч:
2 0,9 0,7 0,9 1,0 0,9 0,8 1,4 2,7
5 0,9 1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 1,2 1,4
10 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,9 1,0 1,3
*Kл¡=Сд¡/См/д¡, где Сд и Сд - содержание г-го элемента в осях дендритов и межосном пространстве соответственно.
Рис. 1. Микроструктура (а, в - *100; б, г - *500) монокристаллической заготовки с КГО [111]
сплавов ВИН1 (а, б) и ВИН2 (в, г)
Таблица 3
Результаты испытаний интерметаллидных сплавов ВИН1 и ВИН2
Сплав Состояние 1100° Т о=1 0 0 МПа, ч
ВИН1 Литое+ТО для снятия напряжений после механической обработки 450-500
ВИН2 Литое+ТО для снятия напряжений после механической обработки Литое+гомогенизирующий отжиг при (Т^Ту^С в течение, ч: 2 5 10 600-740 650-800 850-1100 815-900
Рис. 2. Микроструктура (а, в, д - *100; б, г, е - *1000) сплава ВИН2 после термической обработки
в течение 2 (а, б), 5 (в, г) и 10 ч (д, е)
межосных областях произошло частичное растворение фазы с повышенным содержанием алюминия, первичные выделения у'-фазы стали округлыми благодаря снижению поверхностной энергии; в осях дендритов в прослойках у-фазы дополнительно выделяется вторичная у'-фаза и наблюдаются субграницы зерен (рис. 2).
По результатам анализа микроструктуры сделан предварительный вывод о том, что отжиг в течение 5 и 10 ч в интервале температур (Т5^Ту)°С значительно снижает дендритную ликвацию и обеспечивает выравнивание химического состава в осях дендритов и междендритных областях (см. табл. 2).
Термически обработанные образцы сплавов ВИН1 и ВИН2 испытаны при растяжении при температуре 1100°С и нагрузке 100 МПа. Результаты испытаний приведены в табл. 3.
Исследование показало, что повышение содержания рения в интерметаллидном сплаве - при переходе от сплава ВИН1 к сплаву ВИН2 - позволило увеличить время до разрушения на ~20%. Отжиг в интервале температур (ТХ^ТУ)°С в течение 2 ч является недостаточным для протекания диффузионных процессов, обеспечивающих уменьшение ликвационной неоднородности, и приводит лишь к незначительному увеличению времени до разрушения. Отжиг в течение 5 и 10 ч позволил добиться увеличения долговечности при 1100°С - до 1000 ч.
При выборе режима ТО решено остановиться
на втором варианте (отжиг в течение 5 ч), поскольку он требует меньших энергетических и трудовых затрат и при этом достигаются оптимальные значения долговечности.
После испытания образцов интерметаллидных сплавов ВИН1 и ВИН2 на длительную прочность коэффициенты ликвации вольфрама, рения, алюминия и титана (в сравнении с аналогичными значениями для сплавов после термической обработки) практически не изменились и составили: KRe=1,4; Kw=1,0; ^=0,9; KTl=0,9. Это показывает, что выбранный режим термической обработки сплава ВИН2 обеспечивает полноту протекания диффузионных процессов, связанных с устранением ликвационной неоднородности.
Таким образом, в результате исследования влияния термической обработки на структуру монокристаллических отливок сплавов на основе Y -Ni3Al типа ВКНА-25 (ВИН1 и ВИН2) установлено, что термическая обработка при температурах в интервале (Т^Ту )°С в течение 5-10 ч является достаточной для протекания диффузионных процессов, обеспечивающих уменьшение дендритной ликвации, характерной для литых сплавов.
Структурно-фазовые превращения, происходящие при снижении дендритной ликвации в процессе указанной термической обработки, обеспечили повышение долговечности сплавов в ~1,5 раза (до 850-1100 ч) при испытаниях на длительную прочность при температуре 1100°С и напряжении 100 МПа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных
сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19-36.
2. Структура и свойства интерметаллидных материалов
с нанофазным упрочнением /Под ред. Е.Н. Каблова, Ю.Р. Колобова. М.: МИСиС. 2008. 328 с.
3. Гринберг Б.А., Иванов М.А. Интерметаллиды Ni3Al и
TiAl: микроструктура, деформационное поведение. Екатеринбург: УрО РАН. 2002. 359 с.
4. Поварова К.Б., Бунтушкин В.П., Казанская Н.К., Дроздов А.А., Базылева О.А. Особолегкие жаропрочные наноструктурированные сплавы на основе Ni3Al для авиационного двигателестроения и энергетического машиностроения //Вопросы материаловедения. 2008. №2(54). С. 85-93.
5. Каблов Е.Н.. Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демо-
нис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36-51.
6. Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Бронфин М.Б., Алексе-
ев А.А. Особенности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением //Металлы. 2006. №5. С. 47-57.
7. Базылева О.А., Поварова К.Б., Казанская Н.К., Дроз-
дов А.А. Литейные сплавы на основе Ni3Al и способ их выплавки //Заготовительные производства в машиностроении. 2010. №1. С. 29-35.
8. Поварова К.Б., Базылева О.А., Казанская Н.К., Дроз-
дов А.А. и др. Конструкционные жаропрочные сплавы на основе Ni3Al: получение, структура и свойства //Материаловедение. 2011. №4. С. 39-48.
9. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Базылева О.А. Матери-
алы для высокотеплонагруженных деталей газотурбинных двигателей //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №SP2. С. 13-19.
10. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерметаллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57-60.
11. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Высокотемпературные интерметаллидные сплавы для деталей ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 26-31.
12. Петрушин Н.В., Чабина Е.Б., Назаркин Р.М. Конструирование жаропрочных интерметаллидных сплавов на основе у'-фазы с высокой температурой плавления. Часть 1 //МиТОМ. 2012. №3. С. 20-23.
13. Сплав на основе интерметаллида №зА1 и изделие, выполненное из него: пат. 2256716 Рос. Федерация; опубл. 20.07.2005.
14. Сплав на основе интерметаллида NijAl: пат. 2434067 Рос. Федерация; опубл. 20.11.2011.
15. Морозова Г.И. Компенсация дисбаланса легирования жаропрочных никелевых сплавов //МиТОМ. 2012. №12. С. 52-58.
16. Каблов Е.Н., Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Риг-ин В.Е., Горюнов А.В. Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 97-105.
17. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Каблов Д.Е. Особенности структуры и жаропрочных свойств монокристаллов <001> высокорениевого никелевого жаропрочного сплава, полученного в условиях высокоградиентной направленной кристаллизации //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 25-31.
18. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с монокристаллической и композиционной структурой //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 3-8.
19. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Колодочкина В.Г., Хвацкий К.К. Влияние кристаллографической ори-
ентации на структуру и физико-механические свойства интерметаллидного сплава на основе Ni3Al //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 3-7.
20. Базылева О.А., Горюнов А.В., Загвоздкина Т.Н., Нефедов Д.Г. Исследование ликвационной неоднородности сплава ВКНА-4У МОНО и ее влияния на свойства //Литейное производство. 2012. №6. С. 18-21.
21. Аргинбаева Э.Г., Базылева О.А. Особенности фазового состава жаропрочных сплавов на основе интерметаллида Ni3Al /В сб. материалов IX Российской ежегодной конф. молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». М. 2012. С. 24-25.
22. Аргинбаева Э.Г., Базылева О.А. Исследование структуры и физико-механических свойств интер-металлидных никелевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 14-19.
23. Оспенникова О.Г., Калицев В.А., Евгенов А.Г., Базы-лева О.А. Совмещение процессов ГИП и термической обработки поликристаллических отливок из сплава на основе Ni3Al //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение.» 2011. №SP2. С. 88-97.
24. Ping Li, Shu-suo Li, Ya-fang Han. Influence of solution heat treatment on microstructure and stress rupture properties of a Ni3Al base single crystal superalloy IC6SX //Intermetallics. 2011. №19. Р. 182-186.
