автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Рентгенодифрактометрическое исследование тонкой структуры монокристаллических лопаток из никелевых сплавов

РГО 0/1

л ¡¿л

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВМАЦИОННУХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи

1ля служебного пользования Экз. N 1?>

ПРОТАСОВА Надежда Анатольевна

РЕНТГЕНОДИФРАКТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ ЮТКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК • ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Специальность-05.16.01-неталловедение и термическая

обработка металлов

СшлиАЛьносТь- сп.йч.1% - крысТАллогмтий И

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена на Казанском моторостроительном производственном объединении

Научные руководители: доктор технических наук БРОНФИН М.Б. кандидат технических наук, доцент ДАРЧЖОВ Э.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Самойлов А.И. кандидат технических наук,доцент Хорев H.A.

Ведущая организация: Научно-производственное предприятие "Труд" (г.Самара)

Защита состоится '___'_______199 года а___час.

на заседании специализированного совета 1.048.02,01 при Всероссийском научно - исследовательском институте авиационных материалов (107005,г.Москва,ул.Радио,д,17).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского института авиационных материалов.

Автореферат разослан 1__'_199 г.

Ученый секретарь специализированного совета

СТАР0СТЕНК0 Н.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ Применение а авиационном двигателестроении монокристаллических лопаток турбжу обеспечивает требуемое повышение рабочих характеристик ГТД четвертого и пятого поколений.

Такие лопатки применены,в частности,на отечественном двигателе НК--86А для самолетов ИЛ-86.

Решение многих вопросов технологии производства,контроля, прочностного обоснования ресурса и надежности монокристаллических лопаток турбины невозможно без установления объективных критериев структурного состояния монокристалла на разных стадиях производства и эксплуатации изготовленных деталей.

Методами рентгеновской кристаллографии в работе получены данные, имеющие ватное значение для проблемы длительной прочности изделии в связи с ориентацией и совершенством монокристаллов жаропрочных сплавов.

Существенная информация о состоянии сплава содержится в закономерностях изменения величины размерного несоответствия кристаллических решеток ^/у-фаз (мисфит).Из подобных данных могут быть извлечены полезные рекомендации по оптимизации состава,технологии литья и термической обработки жаропрочных сплавоа.

Одна из особенностей монокристаллических лопаток из жаропрочных никелевых сплавов состоит в сложной субструктуре и малых величинах мис-фита.

Следствие зтого-необходимость разработки более тонкого анализа профилей дифракционных линий как в геометрии 8/23-,так и и-сканирования.

Масштабы применения монокристаллических лопаток на двигателях НК привели к актуальности постановки и решения вопросов, связанных с закономерностями изменения тонкой структуры монокристаллических лопаток при изготовлении и эксплуатации и возможности структурной регенерации при ремонте.

Исходя из изложенного,в ПОСТАНОВКУ ЗАДАЧИ исследования монокристаллов из жаропрочных никелевых сплавов включено следующее.

- Разработка методики компьютерной графики для анализа трансформации профилей 6/28- и и-кривых.

- Исследование особенностей микропластической деформацж и строения областей когерентного рассеяния (о.к.р.) в брегговском и антибрегго-вском направлениях дифракции монокристалла при имитационных нагруже-ниях и в эксплуатации.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ являлось установление характеристик совершенства субструктуры в системе подрешеток ^/^'-фаз при изготовлении и после эксплуатации лопаток,а также поиск закономерностей изменения тонкой струк -туру и степени структурной регенерации при восстановительной термоааку-

-к-

умной обработке монокристаллических лопаток.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

- Компьютерная графика для изучения изменений малых величин же фита сплааов марок ХС серийно отлитых монокристаллических лопаток в зависимости от воздействия повшенных температур и термомеханического нагрухения.

- Рентгеновская топография по Бергу-Баррету, специальный комплексный анализ профилей 8/28- и и -кривых , контурное построение узлов обратного пространства для оценки совершенства субструктуры и накопления пластической микродеформации в лопатках после этапов стендовой и летной эксплуатации.

- Прецизионная дифрактометрия ориентационных закономерностей лопаток и образцов после вариантов термомеханических нагрухений.

- Рентгеновская топография и раздельное рентгенографирование в геометрии 8/28- и и-сканирования с узкой целы» перед счетчиком для изу -чения дислокационной структуры.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем.

1. Установлены закономерности трансформации узлов обратного пространства для монокристаллов харопрочных сплавов марок 1С в состоянии после литья,термической обработки и после различных вариантов термомеханического нагрухения.

2. Обнарухена высокая однородность и устойчивость внутреннего строения о.к.р. монокристалла вдоль направления С001] в брегговском направлении дифракции в литом, термообработанном состоянии и под воздействием температур в диапазоне 1000... 1260"С.

3. Выявлена неоднородность относительной среднеквадратической микродеформации 10СМД,<Еа по расстоянии (1) в системе подрешеток

I -фаз. Установлен вид зависимости <Е*>У| от I и закономерность ее изменения от длительности термомеханического нагрухения монокристалла.

4. Приведена жогоуровневая характеристика субструктуры монокристалла в антибрегговскон направлении дифракции ¡кристалл- фрагмент- блок-ячейка. Получена переориентация элементов субструктуры в пределах фрагмента с сохранением ориентации кристалла под воздействием температур в диапазоне 1000...1260*С. При длительном термомеханическом нагрухении возможна изменение ориентации собственно монокристалла с изгибом атомных плоскостей.

5. Показано,что фрагмент образован блоками различной степени дефек-тности.Цля внутреннего стрения о.к.р. в антибрегговском направлении дифракции характерно преимущественно гауссовское распределение ориентаций ячеек.Под воздействием термомеханического нагрухения на стадии гредразрувежя и разрушения монокристалла получено в несколько

раз большее измельчение о.к.р. з антибрегговском направлении по сравнению с направлением вдоль вектора дифракции, свидетельствующее о выходе плоскостей из отражения вследствие увеличения взаимной разориентировки составляющих о.к.р. ячеек.

6. Дана сравнительная характеристика дислокационной структуры моно -кристалла на этапах высокотемпературной ползучести по величине плотности хаотически распределенных дислокаций в стенках субграниц и в объеме кристалла. Для критического состояния монокристалла характерен пластический изгиб, вызванный накоплением плотности избыточных дислокаций одного знака в плоскостях скольжения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в следующем.

1. Разработана и применена в серийном производстве монокристаллических лопаток методики рентгеноструктурного определения следующих характеристик монокристалла:

-малых величин мисфита посредством применения компьютерной графики для расщепления 9/29-кривых с учетом их дублетного строения и эффектов специфической дифракции от у -матрицы; -строения о.к.р. в антибрегговском направлении дифракции с помощь» расцепления суммарного- и-профиля на субструктурные синглеты; -полной картина трансформации узла обратной решетки

построением контурных изолиний рефлекса при дискретном Э / 29 -и и-сканировании в режиме сцепления образца и счетчика; -плотности хаотически распределенных дислокаций з стенках субграниц и з обьеме кристалла применением рентгеновской топографии по Бергу-Баррету и комплексного Фурье-анализа профилей 8/29 - и и-кривых.

2. Разработана структурные критерии воздействия эксплуатационная факторов на монокристаллические лопатки турбины.

3. Проведена диагностика структурного состояния монокристаллических лопаток по длительности эксплуатации и структурной регенерации при ВТВО работавших лопаток.

4. Установлены характеристики ориентационных различий работоспособности лопаток,определена область неблагоприятных ориентировок.

Результаты работа применена при изготовлении,ремонте,развитии ресурса и решении вопросов надежности лопаток двигателя НК-8ЬА самолета ИЛ-86.

АПРОБАЦИЯ РАБОТУ. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях:

1. Научно-техническая конференция молодых специалистов.Казань,1987г.

2. 15-ая Межотраслевая научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов.Москва,1988г.

3. 11-ая Всесоюзная научно-техническая конференция по конструкционной

прочноети двигателей.Куйбышев,1988г.

4. Отраслевая конференция 'Новые методы контроля и испытания материалов, деталей и узлов ГТД и агрегатов".Куйбышев,1989г.

5, 12-ая Всесоюзная научно-техническая конференция по конструкционной прочности двигателей,Куйбышев,1990г.

Ь. Всесоюзная конференция 'Восстановительная обработка сталей и сплавов'.Москва, 1991г.

ПУБЛИЩЖ. По теме диссертации опубликовано Ь статей, тезисы 5 докладов. Перечень публикаций без учета тезисов приведен в конце автореферата.

ОБЪЕМ РАБОТУ И ЕЕ СТРУКТУРА.Диссертация состоит из введения, четырех глав,вы80Д0в и приложения.Содержит Ш страниц текста, 52. страниц- с рисунками, 21 -таблиц и список литературы из 10S наименований. В начале каждой гла8ы приводится постановка задачи,в конце-применение результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ ВВЕДЕНИЕ Приведен анализ вопросов применения монокристаллических лопаток ГТД,обоснована постановка и актуальность тема , задач и цели диссертационной работа,показана новизна и практическая ее значимость.

ПЕРВАЯ ГЛАВА 'Разработка методических вопросов рентгенодифрактометри-ческого анализа монокристаллов из жаропрочных никелевых сплавов'.Теоре -тмчески и экспериментально обоснованы рентгенодифрактометрические опре -деления.

Выполнено оптимальное планирование измерения и обработки информации, определены рехимы рентгенографирования монокристаллов из жаропрочных никелевых сплавов.

Проведен обзор методических подходов к анализу трансформации профилей рентгеновских линий 8/29- и w-сканирования.Из рассмотрения принятых методюс видно,что определение величины мисфита при приближении к 0.11 весьма затруднительна^ при, величине < 0. IX практически невозможно.При работе в гёогетрии V-сканирования максимальная локализация падающего пучка определена целями 0.1 и 0.05,что,ках показывает эксперимент,недостаточно для выделения отражения от.отдельного блока монокристалла и затрудняет дальнейшую' обработку профиля линии. Применением аппарата компьютерной графики разработаны, методики определения малых величин мисфита и первичной обработок'сложных w-профилей для монокристаллических лопаток из'сплавов марок 1С', Процедура первичной обработки 9/28-линий вкличает отделение -рефлекса (свертка Фурье) и.оптимальное разделение на фазовые"синглеты "f и с учетом расслоения матричного (J* -твердый раствор) рефлекса.

При разложении и-кривой на субструктурные синглеты кроме углового положения максимума,относительной интенсивности и полуширина определен со-

ответствумщий каждому синглету параметр форму 1/6.При 1/6=0,0000-гаусса-вский профиль,при 1/Б=0,5000-лоренцевский профиль,при 0.0000<1_/6<0.5000--линия имеет профиль смешанного типа.

Для анализа факторов размытия рефлексов совместно в брегговском и ан-тибрегговском направлениях дифракции выбран способ построения контурных изолиний по съемкам серии кривых в режиме совместного движения образца и счетчика при повороте образца в плоскости гониометра на фиксированный от положения максимума угол.

Для более детального исследования строения и совершенства элементов субструктуры кристаллов применен метод рентгеновской топографии в геометрии Берга-Баррета.

Реализация рентгеносъемки топограмм проведена на дифракто-метре НгБ-4а с использованием медного излучения микрофокусной трубки с линейным фокусом.Кристалл помещался в гониометричесуи приставку типа ГП-4 и выводился в отражающее положение при фиксированном состоянии счетчика на линии (004).Для крепления кассеты изготовлено простое приспособление, использующее салазочное крепление щелей счетчика,позволяющее с удовлетворительной точностью устанавливать кассету параллельно поверхности образца по шкале счетчика.Расстояние образец-пленка составило -4мм.

В качестве материала, для получения рентгеновских отпечатков использованы ядерные фотопластинки типа МР и рентгеновская фотопленка РТ-10 с высоким разрешением.

По результатам комплексного анализа функции физического уширения 9/28 и и-кривых,а также данных рентгеновской топографии в работе предложена методика оценки плотности хаотически распределенных дислокаций в стенках субграниц и в объеме кристалла по известным формулам.

Разработанные методики внедрены как элемент контроля производства монокристаллических лопаток на КИПО.

ВТОРАЯ ГЛАВА "Исследование трансформации узлов обратного пространства для кристаллов из сплавов марок 1С'. Исследованы распределения интенсивности в узлах обратной решетки (0Р) для кристаллов из сплавов ЖС&У,ЖСЗО и 1С32.Установлена закономерности формирования узлов ОР для кристаллов в состояниях литья,термической обработки,после испытаний в условиях высокотемпературной ползучести; обоснованы модели интерпретации экспериментальных профилей дифракционных 8/28 - и и-кривых жаропрочных никелевых сплавов,

Восстановление распределения интенсивности рассеяния рентгеновских лучей выполнено методом построения двумерных контурных изолиний по числовым полям серии профилей,полученных при дискретном 29- и «-сканировании в режиме сцепления образца и счетчика.Моделирование экспериментальных 8/2В-кривых проведено по специальной программе компьютерной

-а-

графики.

В результате исследования специфики дифракции рентгеновских лучей на кристаллах из сплавов марок 1С предложена модели разложения эксперимен -тальных В/29-линий с учетом диффузного рассеяния ^ "Матрицы.

Для кристаллов ХСЗО в исходном состоянии (литье, ТО) получена близкая к сферической форма бреггоеского отражения,наличие протяженных диффузных хвостов,вызванных,преимущественно,ближним упорядочением и слабой дифракцией на полях упругих атомных смещений. Для кристаллов 1С6У и ХС32-форма брегговскога отражения близка к кубоидной.Характерна сильная модуляция рассеяния на эффектах ближнего порядка размытием на полях размерных статических смещений.

Для пластически деформированных кристаллов характерно падение интенсивности и локализация диффузного рассеяния вблизи бреггоеского максимума.

Для состояний предразрушения и разрушения характерна анизотропия рассеяния вдоль и по нормали к вектору дифракции,обусловленная накоплением в кристалле плотности избыточных дислокаций одного знака. Для кристалла *С30-анизотропия рассеяния ярко выражена,и плотность избыточных дислокаций одного знака близка к общей плотности хаотически распределенных дислокаций в кристалле.В отличие от этого, для кристаллов ХС32 и особенно ХСАУ анизотропия незначительна (Рис. 1).

Впервые для сплавов с высоким содержанием упрочняющей -фазы ( не менее 50Х) исследована специфика дифракции рентгеновских лучей на ^ -матрице относительно направления нагружения.Установлено, что диффузный пик ^ -матрица в плоскости, перпендикулярной направление нагружения,отражает изменение объема' "!(/$' -границ с предельна« несоответствием кристаллических' решеток ^/у' -фаз.В плоскости вдоль направления нагружения-отражает накопление плотности скользящих дислокаций на межфазных границах.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА' "Особенности тонкой структуры монокристаллических лопаток из сплава 1С301'. Исследована закономерности изменения микродефор-' нации, блочное™ и'кристаллографии переориентация в монокристалле в состоянии' серийного литья; вариантов термической обработки и'после разных режимов' высокотемпературного нагружения (испытание образцов , стендовая и летная эксплуатация лопаток)'.

СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОСЛЕ ЛИТЬЯ И СЕРИМА ТО исследовано на монокристаллических образцах от литеййых партий с" характерными сочетаниями основных химических'элементов по влиянии на параметры кристаллических решеток'¡5 й -фаз'.После' литья мисфит положительный и составляет 0.03 ...0.11. ......

Исследован уровень ОСМД в системе подрешеток у/у -фаз вдоль направ-

- А- -

ления СООП.После ТО получено слабое снижение уровня ОСМД.Проведен анализ распределения микродеформации в системе подрешеток if / ^'-фаз.Получена неоднородность ОСМД по расстоянию в кристалле. а Удовлетворительная аппроксимация экспериментальной зависимости <E^(L,A) с учетом селекции выборки достигнута экспоненциальной кривой.

Получены результаты,свидетельствующие о близких эффективных размерах и высокой однородности строения о.к.р. монокристалла вдоль вектора дифракции как в состоянии литья,так и после ТО.В антибрегговском направлении дифракции отмечено усложненное состояние субструктуры.

Проведено изучение полноты растворения при закалке и степени упорядочения формирующейся при старении новой упрочняющей j'-фази. Для этого выполнено исследование влияния на структурное состояние сплава выдержки при температуре закалки (от 1 до 6ч.) и старения.

Получено, что после нагрева под закалку на температуру серийной ТО в кристалле формируется новая более упрочненная (увеличение ) и термостабильная (уменьшение Ь ) -фаза.Длительность нагрева под закалку не менее 4ч.обусловливает максимальное совершенство субструктуру.При старении изменяется знак мисфита.Увеличение длительности старежя до 10ч. сопровождается образованием частиц оптимальных размеров и ориентированным расположением частиц упрочняющей ^'-фазы.

СТРУХТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НАГРУ1ЕНИИ исследовано на термообработанных монокристальных образцах и лопатках. Исследовано воздействие температур 1000-1260°С без нагрузки, одноосное статическое растяжение образцов по режимам 975°С/260МПа,1025°С/1£|0МПа, 1050°С/200МПа и длительное испытание лопаток в эксплуатации и на стенде.

Воздействие повышенных температур без нагрузки изучено на двух группах термообработанных образцов из разных литейных партий: одна группа с отрицательным ьмсфитом равным 0.06...0.07Х,другая группа с положительным мисфитом,близким к нулю НО.03'/.).

Как оказалось,имеются особенности в эволюции морфологии основной упрочняющей ^'-фазы и параметров кристаллических решеток у -матрицы и -фазы в зависимости от температуры (эффект 'самсталзучести').

Исследование влияния изохронного нагрева на субструктуру и микроде-фсрмацию в система подреветок ¡(/{'-фаз монокристалла показало следующее:

-сохранение исходной ростовой структуры монокристалла, кристаллографической ориентации (КТО),наличие ориентационнах перестроек в пределах субструктурнах фрагментов;

-неизменность эффективного размера о.к.р. з брегговском направлении дифракции и высокую однородность внутреннего ячеистого строения;

-неоднородность ОСМД по расстоянию а кристаллической решетке;

- ХО-

РНСИ Контурные изолинии обратного пространства узла (004) для разрушенных монокристаллов [001] после длительного статического растяжения.

а-сплав *СЗО,975°С/2ЬОМПа; б-сплав 1С32,975°С/300МПа; в-салав *С6У,975°С/230МПа.

- и-

-уменывение величину КМД на стадии формирования новой гомогенной

структуры.

Длительное статическое растяжение проведено на стандартных образцах диаметром 5мм из отдельно отлитых стерхней. Рентгенографировалась поверхность ,перпендикулярная к оси образца.Для образцов,снятых на разных стадиях испытания,исследования проведены в середине рабочей части и на расстоянии 10мм.Разрушенные образцы рентгенографировались на расстояниях 1..1.5,2..3,10 и 15мн от излома.

Исследование морфологии упрочняющей ^'-фазы проведено в рабочей части образцов на ПЭИ-100 при *10 ООО.

Проведен анализ влияния термомеханического нагрухения монокристалла на морфологии упрочняющей '{'-фазы и уширение профилей 9/2S- и и-кривых.

Развитая рафт-структура,характеризующая втору« стадию ползучести,формируется при 975°С/2Ь0МПа-лосле 0.43^0.45 t-r.npn 1050°С/200Ша- гасла 0.20т0.22Иг.

Изучено распределен ОСМД в зависимости от расстояния а системе под-решеток у/('-фаз.Получена хорошая аппроксимация зависимости (Е^^от I экспоненциальной функцией у^а.ё^где с увеличением длительности нагрухе-ния значение а, изменяется от 0.00117 до 0.00287,значение Ьв-от 0.047Ь до 0.1331.При разрушении монокристалла изменяется тип аппроксимирующей функции на степеннуя у=а<>х"6'>1 где a.=0.0031-0.00il,bo=0.423-0.750.Это объясняется переходом от ушрения рентгеновских линий вследствие дисперсности о.к.р. к совокупному влиянии дисперсности и микродефорнаций. Расчет средних эффективных размеров о;к.р. в брегговском и антибрегггаском направлениях дифракции показал измельчение блочной структуры под действием нараста»и(ей жкродефорнацж и разворота атомных плоскостей.

Приведена оценка критического состояния предразрувения и разрушения монокристалла в условиях высокотемпературной ползучести.Как видно из приведенных на Рис. 1 графиков,изменения структурных параметров для разных рехииов нагрухения неодинаковы,но предельное состояние монокристалла характеризуется близкими значениями.' = :

СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ЛОПАТОК исследовано после работы на изделиях от 150 до:.4500ч эксплуатации-'и испытаний' двигателей на стенде . продолхи-тельностъм от 2000 до "34000 ч эквивалентной: условиям эксплуатационной наработки (э.ч.).

Препарирование образцов для ГШ- проводилось с учетом- КТО лопаток так, чтобы плоскость илифа совпала с (110) монокристалла [ООП. Рентгеногра-фироаалась плоскость,перпендикулярная, продольной оси литья лопатки.

Проведен анализ особенностей-морфологии упрочняхчей • ^'-фазы а зависимости.от длительности эксплуатации и индивидуальных условий нагрухения.

При общей наработке порядка 2000ч. отмечено незначительное укрупнение

неодно-макси-отмечена систем

-столонов по всему семени» пера.

Выполнен расчет параметров тонкой структуры и получены закономерности изменения величины ОСМД,эффективных размеров о.к.р., мисфита и плотности хаотически распределенных дислокаций в стенках субграниц и по объему кристалла в зависимости от длительности и интенсивности эксплуатации. С увеличением длительности зкслуатации отмечено возрастание абсолютной величины отрицательного мисфита.

После 3000...4500ч мисфит составил -0.06...-0.12Х. Для лопаток стендового двигателя с разрушением по ползучести после 34000э.ч. испытания характерна величина мисфита -0.21.,.-0.24Х.

Получена неоднородность ОСМД по расстоянию в кристалле. С увеличением длительности эксплуатации отмечен рост как приграничной микродеформации (на базе 50.,.100?i),так и микродеформации з среднем по кристаллу.

Для лспаток с трещинами ползучести распределение <Е2 >,/г (1,8) аналогично образцам,испытанным до разрувения в условиях высокотемпературного растяжения,« характеризуется интенсивным ростом ОСМД внутри о.к.р. при практически постоянном уровне граничной микродеформации.

Проведено исследование накопления пластической деформации и разрушения в зависимости от кристаллографической ориентации лопаток и образцов.

Ориентационные изменения образцов исследованы при длительном статическом растяжении по режиму 975°С/2Ь0МПа .(соответстует Траб, в 'горячей' зоне) и циклическом изгибе с вращением при ¿50°С (соответствует Траб. в холодной зоне).

Систематизированы результаты анализа внешнего вида разрувения, наклона поверхности разрувения и степени ее эллипсности,как показателя механизма скольжения. . •

Кристаллография пластической деформации изучена определением аксиальной ориентации образца в рабочей части и головке. Для образцов с . КТО вблизи [ООП ([ООП ^Юград.) по высоте рабочей части вплоть до излома получено сохранение исходной КТО, или незначительное её изменение.

Для образцов с КТО вблизи [012] и [011] отмечены существенные пластические развороты кристаллической решетки в процессе испытания. Ориентация образцов меняется а направлении [1121,что свидетельствует о действии октаэдрической системы скольжения (111)ПОП■

Получена результаты длительной прочности для групп образцов с различной КТО.Из исследованных ориентаций наиболее высокие значения имеют монокристаллы с КТО,лежащей вблизи [001] ( У^Юград.) и на стороне

частиц основной ^'-фазы. Для наработки 3000...3500ч характерна родная пластическая деформация микрообьемов.При увеличении доли мального режима до 1.70Х в случае общей наработки 4000...4500ч однородная деформация микрообъемов с образованием ортогональных

СООП-С111] треугольника.Меньшие значения длительной прочности относятся к ориентациям в области [012] и [011],а также к ориентация«, лежащим на стороне [00П-С01П треугольника между полисами С001] и С012].

Испытание на циклический изгиб с вращением при ¿50 С проведен на монокристаллических образцах трех групп ориентации:

1-вблизи [ООП (УЧООШбград.^г-с ХГ0,лежащей на стороне СООП-С011 ] в средней части между полюсами [ООП и [012];3-еблизи [012].

Исследование механизма пластической деформации показало следующее.

При испытании на циклический изгиб анизотропия механизмов пластического деформирования сильно выражена,в отличие от статического нагруже-ния,при котором зависимость от исходной КГ0 монокристалла проявляется не всегда.

3 лопатках турбины ориент'ационные изменения исследованы после эксплуатационной и стендовой наработки.Для этого установлены закономерности изменения КТО монокристалла по высоте пера неработазших лопаток и исходя из которых определена топография изменений КГ0. Результаты показали, что в комплектах турбины встречаются лопатки с сильно различающимися исходиими ориентировками (холодная зона пера) монокристалла и разворотами кристаллической решетки з 'горячей' зоне.

Проведен анализ структурного состояния и результатов длительной

прочности материала лолаток.Полученные результаты характеризуют ориен-тационные различия работоспособности лопаток.По этим данным определена область неблагоприятных ориентировок монокристалла.На Рис. 3 приведены результаты длительной прочности лопаток комплекта стендового двигателя после 34000э.ч.испытания с разрушением ползучести.Для лопаток с КГ0 вблизи [ООП и ориентацией,принадлежащей стороне [ООП-ШП ориентаци-онного треугольника получены более высокие значения длительной прочности порядка 20-25ч,для ориентаций а средней части треугольника а области [012] и [0113,а также для ориентаций на стороне [00П-С011], лежащих между [ООП и [012],значения длительной прочности составляют 4-9ч.

Полученные результаты характеризуют особенности ресурсных закономерностей^ частности,влияние разориентировки монокристалла при длительной эксплуатации.Приведенные данные использованы как структурные критерии технологического контроля при ремонте и назначении ресурса лопаток.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА 'Исследование регенерации структурного состояния монокристаллических лопаток при восстановительной термообработке после эксплуатации'.

В НИИ и на предприятиях проводятся исследования по ВТВ0 лопаток при ремонте изделий. Для решения вопросов применения ВТВ0 в работе исследованы закономерности тонкой структуры и переориентаций кристаллической решетки монокристалла под действием повторной ТО для восстановления исхо-

450.00

_ 97Ъ С/ЗвОМРа

О.ОО 20.СО 40.С0 ЛО.ОО &О.СО »00-00 120.00

Д/игголздость пагрудешлл, *

Рис. 2. Изменение эффективных размеров о.к.р.(а) и относительной среднеквадратической микродеформации (б) в систе-не подрешеток у/у'-фаз в зависимости от длительности на-грухения монокристалла.

дного состояния по структуре и длительной прочности. Исследования прове-ны на монокристаллических стандартных (5мм) образцах, снятых на разных стадиях ползучести и испытанных до разрушения,а также на лопатках с разной длительность» эксплуатации.

Одна половинка образца исследовалась после испытания ( 1050°С/200МПа, 975°С/2Ь0МГ1а),другая подвергалась ВТБО по режиму. 1250°С,Зч.+1050°С,10ч,

Образцы,снятые на этапах испытания и прошедшие ВТВО, подвергались повторному испытаний при 975°С и 260МПа до разрушения. Лопатки для исследования отобраны после стендовых испытаний длительностью 14000 и 34000а.ч. и после эксплуатации в течение 4000ч.Образцы из ' горячей 1 зоны лопаток исследованы до и после ВТВО.

Проведено исследование совершенства субструктуры з бреггоаском и антибрегговском направлениях дифракции,определен уровень 0СМД и распределение микродеформации по расстоянию а кристаллической решетке, выполнена оценка плотности хаотически распределенных дислокаций в стенках субграниц и по объему кристалла,изучена в ПЗМ морфология упрочняющей -фазы.

Исследования показали следующее.Применение повторной ТО независима от степени пластической деформации (как для лопаток,так и для образцов) сопровождается полным восстановлением исходной морфологии упрочняющей -фазы.Однако это обстоятельство не характеризует структурной регенерации монокристалла.

Восстановление характеризуется эффективным размером о.к.р. 400-410А, уровнем 0СМД порядка б-бМ""1,плотность» хаотически распределенных з объеме кристалла дислокаций 0.05...0.06*10 см"г .Восстановление приведенных характеристик определяется степень» предшествовавшей ВТВО пластической деформации и пластических разворотов кристаллической решетки монокристалла.Состояние полного структурного восстановления отмечается после ВТВО монокристаллов (лопаток,образцов) с уровнем 0СМД : <Ег>* < 0.5<Ег>У1разр..Состояние частичного восстановления наблюдается при уровне <Ег> «0.6<Е'^разр.,Состояние рекристаллизации наступает после ВТВО при уровне <Е')У'>0.65<Е1>,/гразр.

Определены количественные характеристики параметров тонкой структуры, свидетельствующие о полном и частичном восстановлении.

Состояние частичного восстановления характеризуется повышенным значением <Е1У*,измеренным на базе Оэфф.,размытием вдоль и более существенным перпендикулярно вектору дифракции,обусловленным,в первом случае дисперсность»,а во втором,неоднородность» восстановления по о.к.р..

Предложен экспрессный способ оценки температурной регенерации структуры по рисунку контурных изолиний обратного пространства, который не требует расчета количественных параметров структуры (Рис.4 ).

-А6-

1П

Рис. 3 Длительная прочность (975°С/260МПа) и КГО монокристаллических лопаток комплекта стендового двигателя М-064 после 34 ООО э.ч. испытания.

Рис.4 Контурные изолинии обратного пространства узла (004) для монокристалла из сплава 1С30 в состоянии после серийной ТО (а),в случае полного восстановления (б), частичного восстановления (в) и рекристаллизации (г) при ВТВО.

Выполнено исследование КГО монокристалла до и после применения ВТВО. Результаты показали сохранение тех ориентационных изменений, которые имели место после нагружения.

По результатам исследования установлены параметры, характеризующие структуры регенерации,и предложены методики их расчета и применения после ВТВО монокристаллических лопаток.

Проведено исследование особенностей структурной регенерации монокристаллов из сплавов марок ЖСЗО,ЖС32 и ХС6У.

Установлены и объяснены на основе анализа закономерностей картин рассеяния брегговских отражений различия в релаксационных процессах при ВТВО монокристаллов.

ВЫВОДУ

1. Разработана методическая схема комплексного рентгенодифракто-метрического анализа тонкой структуры монокристаллов марок КС, включающая новые методики и модернизированные методики традиционно применяемые для исследования профилей рентгеновских линий кристаллов жаропрочных сплавов.

2. Принятые ранее методические подходы к исследованию тонкой структуры жаропрочных сплавов с высоким содержанием упрочняющей фазы недостаточны для характеристики кристаллического состояния з системе подрешеток |/^'-фаз, необходимой при решении вопросов ресурса и ремонта лопаток.Этот недостаток устраняется разработанными методиками

-определения малых величин мисфита -фаз путем применения,

компьютерной графики для расщепления & / 29-кривых с учетом их дублетного строения и эффектов специфической дифракции от У* -матрицы;

-выявления строения о.к.р. г антибрегговском направлении дифракции с помощь» расщепления суммарного и-профиля на субструктурные синглеты;

-восстановления полной картины трансформации узла обратной решетки для монокристаллов путем построения контурных изолиний рефлекса при дискретном 8/26- и н-сканировании в режиме сцепления образца и счетчика;

-определения плотности хаотически распределенных дислокаций в стенках субграниц и в объеме кристалла путем применения рентгеновской топографии по Бергу-Баррету и комплексного Фурье-анализа профилей 9/28- и и-кривых.

3. Уточнены структурные критерии оценки воздействия температур эксплуатации монокристаллических лопаток турбины из сплава ЖСЗО.

В литом,термообработанном состоянии и под воздействием-нагрева в

диапазоне 1000...1260°С монокристалл из сплава ЖСЗО характеризуется высокой однородность» и устойчивостью внутреннего строения о.к.р. вдоль оси [ООП в брегговском направлении дифракции.Некоторая хаотизация внутреннего строения вблизи стенок субграниц и дробление о.к.р. отмечается после длительного термомеханического нагружения монокристалла.

В антибрегговскои направлении дифракции установлена сложная картина субструктуры монокристалла.Под воздействием температур 1000...1260°С происходит переориентация элементов субструктуры в пределах фрагмента без изменения ориентировки собственно монокристалла.

4. Диагностировано структурное состояние монокристаллических лопаток после восстановительной обработки в зависимости от длительности их эксплуатации.

Полное восстановление структуры и свойств монокристалла возможно при уровне накопления пластической микродеформации

<ЕгУг < 0.5<Е.,частичное-при <Ег-^.6<Ег54кр..

При <ЕгУг >/ 0.65 <Еа^*кр. восстановление невозможно в связи с рекристаллизацией сплава.

После ВТВ0 в монокристаллических лопатках сохраняются ориентаци-онные изменения,возникшие в результате эксплуатации.

Критическое структурное состояние монокристалла [ООП из сплава ЖС30 характеризуется величиной ОСМД порядка 17.. .21*10"'' , средней 0СМД-8...14*10"1',эффективным размером о.к.р. вдоль вектора дифракции -220...260 8,общей плотностью дислокаций,хаотически расположенных а стенках субграниц -З...4*106см"г,общей плотностью хаотически распре-нных дислокаций 8 объеме кристалла,обусловленных неоднородной микродеформацией-0.7... 1. ОШ'см"1.

5. Установлены ориентационные отличия работоспособности лопаток и определена область неблагоприятных ориентировок для проведения контроля в производстве.

Переориентация монокристалла под действием длительного термоме -ханического нагружения зависит от исходной КТО.У монокристаллов с направлением, близким к [ООП ,исходная ориентация практически сохраняется.

У монокристаллов с ориентацией в области [012] характерны существенные развороту кристаллической решетки в результате скольжения по октаэдрической системе (111)[101].

После длительной эксплуатации уровень длительной прочности монокристаллических лопаток с КТО ,близкой к [ООП,составляет до 70Х от исходных значений, а для лопаток с КТО в области [012] -

-1<3 ~ c

длительная прочность резко падает.

¿.Установлены и объяснены на основе анализа закономерностей картин рассеяния брегговских отражений различия в релаксационных процессах при BTBQ монокристаллов.

7.Получено,что для разрушенных кристаллов с последующей 'глобальной' рекристаллизацией при BTBQ характерна специфическая дифракция рентгеновских лучей, формирующая аномально анизотропную картину диффузного рассеяния прямоугольной формы,что обусловлено накоплением в плоскостях скольжения избыточных дислокаций одного знака.

8.Для разрушенных кристаллов с последующей зональной дендритной рекристаллизацией при ВТВО характерно изотропное или слабо анизотропное диффузное рассеяние,обусловленное,в первом случае,увеличением плотности хаотически распределенных прямолинейных дислокаций,во втором случае,избыточных дислокаций одного знака.

9.Установлено,что при пластическом деформировании монокристаллов из сплава ЖСЗО практически все дислокации , имеющиеся в объеме кристалла,являются избыточными дислокациями одного знака,вызывая кооперативные изгибы пачек плоскостей скольжения. При пластическом деформировании монокристаллов из сплавов IC32 и 1С6У плотность избыточных дислокаций одного знака незначительна.

Выявленные особенности характеризуют структурные достоинства сплавов марок 1С6У и IC32 по сравнении с JC30 применительно к эффектам восстановительной ТВО.

10. Результаты работы применены при изготовлении,ремонте,развитии ресурса, а также при решении вопросов надежности лопаток двигателя НК-86А самолета ИЛ-86.При этом получен значительный экономический эффект.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Протасова H.A. Исследование трансформации формы рентгеновской линии сплава ХС6У после нагревов //Новые технологические процессы и надежность Г7Д -1990.N2,С.67-79.

2. Бронфин М.Б.,Дарчинов Э.Н.,Протасова H.A. 0 влиянии нагрева на структуру и микротвердость жаропрочных никелевых сплавов, упрочненных частицами f'-фазы различной морфологии //Вопросы авиационной науки и техники -1990.N3,С.11-19.

3. Бронфин М.Б. Дарчинов Э.Н. Протасова H.A. Влияние температуры и способа нагружения на структурное состояние сплава ЖС6УВИ // Авиационная промышленность -1990.N9,С.66-68.

4. Бронфин М.Б.,Дарчинов Э.Н.Протасова H.A. 0 влиянии восстано-

вительной термовакуумной обработки (ВТВО) на структурное состояние рабочих лопаток 1ступени ТВД из сплава 1С6У //Новые технологические процессы и надежность ГТД -1991.N3,C.47-59.

5. Бронфин М.Б.,Дарчинов З.Н.,Протасова H.A. Рентгеноструктурное исследование изменения степени совершенства монокристальных лопаток турбина в эксплуатации //Физика металлов и металловедение -1991.N10,С.154 -159.

Ь. Бронфин М.Б.гДарчинов Э.Н.,Протасова H.A. Особенности микропластической деформации монокристаллических лопаток из сплава IC30 при эксплуатации //Металловедение и термическая обработка металлов -1991. N5,С.30-32.