автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру и свойства жаропрочных никелевых сплавов в литом и термообработанном состояниях

0/1

На правах рукописи

ТЯГУНОВ Андрей Геннадьевич

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В ЛИТОМ И ТЕРМООБРАБОТАННОМ СОСТОЯНИЯХ

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1998

Работа выполнена на кафедре физики Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие -

доктор технических наук, профессор Баум Б.А.

доктор технических наук, профессор Сорокин В.Г.; кандидат технических наук Стяжкин В. А.

ОАО Уральский завод гражданской авиации.

Защита состоится 7 декабря 1998 г. в 15ой ч на заседании диссертационного совета К.063.14.02 при металлургическом факультете Уральского государственного технического университета, 3-й учебный корпус, ауд. Мт- 402,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ. Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, Екатеринбург, К-2, УГТУ, ученому секретарю университета, тел. 75-45-74, факс 343-2-74-38-84.

Автореферат разослан " Ч "< _19$ \

Ученый секретарь

специализированного совета ( Логинов Ю.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение технических характеристик газотурбинных двигателей требует постоянного увеличения рабочей температуры продуктов сгорания, а следовательно, жаропрочности никелевых сплавов, из которых изготавливаются наиболее ответственные детали. Современный уровень свойств жаропрочных никелевых сплавов достигнут благодаря усложнению их системы легирования. Соответственно усложнились структура и фазовый состав этих сплавов. Дальнейшее увеличение содержания легирующих элементов приводит к существенному удорожанию сплава, а зачастую и к нескомпенсиро-ванносги фазового состава, выделению неблагоприятных фаз в ходе работы и снижению технологических и служебных характеристик материалов. Важный дополнительный резерв улучшения и стабилизации этих характеристик связан с подготовкой металлических расплавов к процессу кристаллизации. Дело в том, что при переходе от расплава к твердому состоянию происходят сложные микро- и макроскопические перемещения частиц и групп, теплопередача, формирование и выделение фаз, фазовые превращения. В ходе этого процесса возникают дефекты и другие особенности структуры, существенно влияющие на качество сплава. Установлено, что чем выше степень равновесности расплава, чем равномернее распределены в нем атомы компонентов, тем слабее наследственное влияние исходных материалов, тем выше и стабильнее качество литых изделий.

Наиболее доступным и достаточно эффективным методом формирования равновесной структуры расплава является тепловое воздействие. Температурный режим выплавки сплавов, основанный на исследовании их физико-химических свойств в жидком состоянии и обеспечивающий формирование оптимальной и равновесной в данных условиях структуры расплава, получил в авиационной промышленности название высокотемпературной обработки расплава (ВТОР).

Однако влияние ВТОР на процессы кристаллизации и формирования

структуры литых жаропрочных никелевых сплавов изучено недостаточно, а сведения о совместном влиянии ВТОР и стандартной термообработки, о стабильности структуры после ВТОР во время длительных изотермических выдержек при температурах эксплуатации вообще отсутствуют.

В соответствии с вышеизложенным, в настоящей работе предпринята попытка изучить особенности изменений структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов в литом и термообработанном состояниях, а также в процессе изотермических выдержек, имитирующих условия их службы. Для этого понадобилось выплавить образцы по разным технологиям. Причем параметры этих технологий были разработаны также на основе собственных исследований.

Работа выполнена в соответствии с едиными тематическими планами НИР Уральского государственного технического университета-УПИ, госбюджетные темы N 310, 315 и 280.

Цель работы. Изучение физических свойств жидких жаропрочных никелевых сплавов для оптимизации параметров ВТОР; анализ воздействия максимальной температуры нагрева расплава на механизм кристаллизации и литую структуру жаропрочных никелевых сплавов; изучение влияния серийной термической обработки на структуру исследуемого материала и кинетику изменения структуры в ходе длительных изотермических выдержек.

Научная новизна. Изучены температурные зависимости структурно-чувствительных свойств расплавов жаропрочных никелевых сплавов. Получены новые данные о влиянии состояния расплава на процессы кристаллизации, структуру, физические, механические и эксплуатационные свойства литейных жаропрочных никелевых сплавов в литом и термообработанном состоянии. Предложена новая модель строения жидких жаропрочных никелевых сплавов и механизм влияния подготовки расплава на процесс кристаллизации. Определены параметры перспективных технологических режимов выплавки, позволяющих переводить расплав в гомогенное микрооднородное состояние. Изучено влияние высокотемпературной обработки расплава на процесс структурообра-

зования и параметры литой структуры изученных сплавов. Впервые выявлено влияние ВТОР на кинетику изменения структуры в результате длительных изотермических выдержек при температурах эксплуатации. Предложены пути дальнейшего совершенствования структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов.

Практическая ценность. Результаты исследования структуры и свойств жаропрочных сплавов на основе никеля в жидком и твердом состояниях легли в основу разрабатываемых технологий, которые позволяют повысить качество металлопродукции: улучшить технологические и эксплуатационные свойства литого металла.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального изучения структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов в жидком, литом и термообработанном состояниях.

2. Представления о влиянии подготовки расплава на механизм кристаллизации изучаемого металла.

3. Практические рекомендации по применению ВТОР для улучшения служебных характеристик изучаемых сплавов.

4. Данные изучения кинетики изменения структуры и свойств сплавов в ходе длительных изотермических выдержек при наличии и отсутствии применения ВТОР.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всероссийской конференции "Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов", Екатеринбург, 1994 г.; международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и технологии в машиностроении", Рубцовск, 1994 г.; международной конференции "Технологии современного машиностроения", Уфа, 1994 г.; third Russian-Chinese Symposium "Advanced Materials and Processes", Kaluga, Russia, 1995 у.; конференции литей-

щиков Уральского региона, Екатеринбург, 1996 г.; international scientific conference "Challenges to civil and mechanical engineering in 2000 and beyond", Worzlaw, Poland, 1997 у.; конференции литейщиков России "Совершенствование литейных процессов", Екатеринбург, 1997 г.; международной научной конференци "Eutectica IV", Днепропетровск, Украина, 1997 г.; XIV Уральской школе металловедов-термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов", Ижевск, 1998 г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы - 144 страницы, из них основной текст - 130 страниц, рисунков - 41, таблиц - 11 , список литературы содержит- 122 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении формулируется актуальность темы диссертационной работы, ее цель, научная новизна и практическая ценность результатов исследований, а также приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена оценке состояния вопроса. Рассмотрены свойства, которым должны отвечать изделия из жаропрочных никелевых сплавов. Перечислены легирующие элементы и их роль в структуре изучаемых сплавов. Рассмотрены процессы кристаллизации. Приведен фазовый состав и описано влияние структурных составляющих на свойства материала. Перечислены виды термической обработки и задачи, которые они выполняют. Рассмотрены проблемы структурной стабильности фазовых составляющих. Жаропрочные сплавы представляют собой многокомпонентные и многофазные системы, причем большинство фаз предельно насыщены. Поэтому изменение содержания каких-либо элементов, их перераспределение в результате длительных высокотемпературных выдержек может привести к различным фазовым превращениям или к образованию новых нежелательных фаз.

Показано, что одним из способов управления структурой является высо-

котемпературная обработка расплава (ВТОР). Режим ВТОР основан на детальном анализе температурных и временных зависимостей структурно-чувствительных свойств расплавленного металла и выявлении характерных критических температур. Многочисленные исследования говорят о положительном влиянии ВТОР на структуру и свойства различных сталей и сплавов, в частности, для жаропрочных никелевых сплавов применение ВТОР позволяет увеличить кратковременные прочностные характеристики сплавов на 10-25%, пластичность - в 2-3 раза, ударную вязкость- в 1,5-3 раза, предел длительной прочности - на 10-20% .

Во второй главе дается необходимая информация об исследуемых жаропрочных никелевых сплавах, а также рассмотрены использованные методики и проведена оценка их погрешностей.

В жидком состоянии в интервале температур (1100 - 1900)°С изучены физические свойства расплавов: удельное электросопротивление (р) методом вращающегося магнитного поля, кинематическая вязкость (у) методом крутильных колебаний и плотность ((1) методом у - проникающего излучения.

Относительная погрешность результатов измерений струкгурочувстви-тельных свойств расплава при доверительной вероятности 95% составляет соответственно: Др/р =3,0%, Ду/у =1,3%, Дс1/с1 =0,2%.

Дифференциальный термический анализ образцов в жидком и твердом состояниях проводился на установке ВДТА-8МЗ.

В качестве основного метода изучения структуры объектов исследования выбрана качественная и количественная металлография. Она позволяет достаточно точно и надежно идентифицировать структурные составляющие и оценить изменения в структуре материала в результате высокотемпературной обработки расплава, термической обработки и длительных высокотемпературных выдержек. Сведения о размерах дендритных ячеек, характеризующих дисперсность лигой структуры, получили методом секущих; относительное содержание вторых фаз - точечным методом. Погрешность результатов измерений расстоя-

ний между вторичными осями дендритов составляет 2,5%, количество вторых фаз 0,7 отн.%.Микротвердость определяли на приборе ПМТ-3 с точностью 1,4%. Размеры, форму и количество у- вторичной фазы оценивали как на растровом, так и электронном микроскопах. Погрешность результатов измерения размеров частиц у'-фазы и их количество равны соответственно 1,5 и 1,0 % . Механические свойства определяли по действующим ГОСТам.

В третьей главе проанализированы результаты изучения температурных зависимостей физических свойств расплавов жаропрочных никелевых сплавов ЖС36, ЖС6У, ЧС70, ЭП539Л, таких как удельное электросопротивление (р), кинематическая вязкость (у) и плотность (ё). Все изученные политермы имеют характерный для данного типа сплавов вид. Проведен анализ политерм физических свойств расплавов на примере образцов сплава ЭП539Л.

На рис.1, а представлены типичные политермы р, полученные при нагреве и последующем охлаждении расплавленных образцов сплава ЭП539Л. После детального анализа политерм можно вывести следующие закономерности. При нагреве до температуры ниже 11=1720°С значения р в ходе нагрева и охлаждения совпадают. Нагрев до температуры выше 11 приводит к появлению гистерезиса: политерма нагрева лежит ниже политермы охлаждения. Положение последней зависит от температуры нагрева расплава и стабилизируется в том случае, если расплав нагрет до так называемой температуры аномалии 1ап1=1750оС, или выше, где - верхняя граница интервала интенсивного роста р при нагреве. Нижняя граница этого интервала 11 определяется как начало интенсивного роста р. Выше ^ удельное электросопротивление слабо зависит от температуры нагрева расплава . Ветвь охлаждения обычно имеет пологий характер и мало зависит от температуры. В некоторых случаях р может немного уменьшаться с уменьшением температуры.

При нагреве охлажденного без кристаллизации образца значения удельного электросопротивления последующих циклов совпадают с ветвью охлаждения первого цикла, что говорит о необратимости происшедших

Р-10Р,

изменений в расплаве.

Кинематическая вязкость (у) сплава ЭП539Л уменьшается с ростом температуры (рис.1, б). При этом ее изменение носит немонотонный характер. На политермах можно выделить температурную область аномального изменения V (1720 - 1750)°С, которая коррелирует с областью аномального изменения удельного электросопротивления. Кроме того, на политермах V наблюдается явление гистерезиса. Эти экспериментально полученные данные говорят о

1боо 17оо .1.®с проходящих в жидком сплаве из-

Рис. 1. Политермы структурно-

чувствительных свойсв сплава ЭП539Л: а -удельное электросопротивление, б - кинематическая вязкость;

в - плотность; • - нагрев, ° - охлаждение

менениях.

На рис.1, в представлены политермы плотности сплава ЭП539Л. При нагреве до температуры менее 11=1720°С значения плотности при нагреве и охлаждении совпадают. Нагрев расплава до температуры 1:;Ш1=1750°С приводит к появлению гистерезиса плотности. Ветвь охлаждения идет выше, чем ветвь нагрева. Такой ход политерм плотности хорошо согласуется с политермами как вязкости, так и электросопротивления.

Аналогичный характер зависимостей струюурночувствительных свойств

от температуры имеют все изученные сплавы на основе никеля. Разница заключается в положениях особых точек ti и taHi, а также в абсолютных значениях структурно-чувствительных свойств.

Далее изучалось влияние углерода на физические свойства сплавов ЖС36 и ЖС6У. Его введение в сплав снижает температуру t^i с 1800 до 1500"С примерно по экспоненциальному закону, а начиная с 0,07 %С, приводит к появлению на политерме нагрева второй точки перегиба taifl=1700°C (рис.2, а). Здесь p(t) после некоторого повышения вновь аномально выходит на почти горизонтальный участок. С увеличением содержания углерода в сплаве существенно расширяется температурный интервал ti- (ш,(.

Изучено комплексное влияние

р-ю", Омм 130

120

130

120

1 ......1 I- ■ 1 _ ......... - а

о--------- 1 s - S tt.H, tu i i i

1 1 1 1 б

- ^О——О"-о-НС»

/t _

yS UHI

to* :if

Вт*—^ 1 1 i 1

1400

1600

t,°C

Рис.2. Политермы удельного элекгросопро- подготовки расплава и модифициро-тивления. а - сплав ЖСЗб с повышенным содержанием углерода; б - сплав ЖС6У, моди- вания тугоплавкими дисперсными со-

фицированньш частицами ТДС; * - нагрев, „

о единениями (ТДС) на структуру и

-охлаждение

свойства сплава ЖС6У. В промышленной печи было проведено четыре плавки. Первая плавка была проведена по стандартной действующей на предприятии технологии. Вторая плавка проведена с нагревом до температуры 1Ш1=1750°С. В третьей плавке перед разливкой проводилось модифицирование - ввод ТДС (ТС(СД)). Четвертая плавка - комбинация нагрева расплава до 1аН1=1750оС и модифицирования.

Изученные температурные зависимости удельного электросопротивления образцов первой и второй плавок, без введения ТДС, в жидком состоянии имеют характер, присущий всем никелевым жаропрочным сплавам. Нагрев расплава до температур превращений и последующая кристаллизация приводят к заметному понижению критической температуры

Введение в сплав ТДС приводит к некоторому изменению вида политерм удельного электросопротивления (рис.2, б). На ветви нагрева появляется новый температурный интервал роста р, начало которого обозначено ^ (1450°С), а на ветви охлаждения - два излома. Анализ политерм нагрева показывает, что взаимодействие расплава и ТДС происходит в интервале температур ^Ль а в интервале ^^ад) происходят изменения в структуре расплава.

Такое аномальное изменение физических свойств расплава можно объяснить с точки зрения квазихимического варианта модели микронеоднородного строения жидких жаропрочных никелевых сплавов. Наблюдаемый в интервале - t¡шl рост р (0 предположительно вызван распадом атомных комплексов типа интерметаллидов, в основном №зА1, другими словами - разрушением ближнего порядка, свойственного у' - фазе и унаследованного от твердого состояния. Об этом свидетельствует высокая энергия активации процесса роста удельного электросопротивления при изотермических выдержках в интервале ^¡шь составляющая 340+40 кДж/моль . Такое ее значение соизмеримо с энергией разрушения интерметаллидных межатомных связей. Можно полагать, что происходящий как с повышением температуры, так и временем выдержки распад упорядоченных атомных образований приводит к возрастанию энтропии системы, дополнительному рассеянию носителей заряда на фононах и соответственно росту р. Более пологий характер изменений структуро-чувствительных свойств после температуры ^ говорит о конце превращений. Несовпадение политерм нагрева и охлаждения, прямолинейный характер кривой охлаждения говорят о необратимом характере происшедших превращений в расплаве. С увеличением содержания углерода на политерме нагрева появляется еще один участок аномального изменения р расплавов, обозначенный Тацг^. Если вблизи ^ распадались комплексы типа №зА1, то вблизи Ьл,а - эти же комплексы и включения карбидов. Дело в том, что почти все у' -образующие элементы способны образовывать карбиды типа МеС, имеющие широкую область взаимной

п

растворимости. Значение которая появляется при достаточно высоких содержаниях углерода, не зависит от колебаний содержания углерода. По-видимому, в этом случае чисто интерметаллидных областей ближнего порядка оказывается меньше и распадаются они при нагреве быстрее. Карбидные же образования являются более устойчивыми. Они интенсивно распадаются лишь при достижении температуры \.ш,2-

Четвертая глава посвящена изучению фазовых превращений, происходящих при охлаждении в жаропрочных никелевых сплавах. На рис. 3, а представлена ДТА-кривая охлаждения, характерная для всех изучаемых сплавов. Отметим особые точки кривой: "

температура полного растворения основной упрочняющей у'- вторичной

фазы, 15- температура солидус, 1э*

температура растворения эвтектиче-

1,5с ских фаз на основе у+у', темпера-

п , тура растворения карбидов типа МС,

Рис.3. ДТА- кривые охлаждения изучаемых 1Г г г г

никелевых сплавов: а - серийная технология

^-температура ликвидус.

выплавки; 6 - выплавка с нагревом до !аи

При изучении ДТА- кривых образцов сплавов ЖС36 и ЖС6У , нагретых

до разных температур, было определено, что при нагреве расплава до температур конца превращений в жидком состоянии (рис. 3, б) фиксируется максимум переохлаждения, понижается температура ликвидус, сужается температурный интервал кристаллизации, повышаются температуры выделения карбидов и эв-текгик, а также повышается температура начала выделения основной упрочняющей у'- вторичной фазы. Нагрев расплава выше температуры конца превращений вновь приводит к расширению температурного интервала кристаллизации за счет резкого повышения температуры ликвидус и понижения tsoLV•

Металлографические исследования образцов сплавов ЖС36, ЖС6У пока-

зали, что нагрев расплава до температуры, совпадающей с температурой интенсивных перестроек в расплаве, в литом состоянии приводит к: измельчению дендритной структуры; увеличению доли полиэдрических карбидов; уменьшению количества эвтектик и карбидов типа "китайский иероглиф". Перегрев расплава выше температур аномалий вновь приводит к росту дендритных ячеек, возрастанию доли эвтектических фаз и карбидов эвтектического происхождения. При изучении образцов сплава ЖС6У установлено, что нагрев расплава до температур аномалий в литом состоянии позволяет увеличить количество основной упрочняющей у'-фазы, улучшить морфологию ее выделения и повысить ее термостабильность при температурах эксплуатации. При этом предел прочности на разрыв возрос на 10%, относительное удлинение и длительная жаропрочность в два раза. При введении в сплав ТДС морфология карбидов меняется со шрифтовой на глобулярную, вместе с этим наблюдается образование карбидных колоний. Ввод ТДС в сплав, нагретый до температур аномалий, также привел к изменению морфологии карбидов. Выделяются только глобулярные частицы, карбидные колонии полностью отсутствуют. С точки зрения модели микронеоднородного строения жидких жаропрочных никелевых сплавов и проведенных исследований предложены варианты механизма кристаллизации. Так кристаллизация образца, выплавленного с нагревом расплава до температур ниже аномальных, происходит следующим образом. При охлаждении ниже температуры ликвидус неравновесные сложные микрогруппировки могут служить зародышами кристаллизации. При температуре ликвидус существующий размер микрогруппировок становится больше критического, начинается процесс кристаллизации, проявляющийся в выделении кристаллов твердого раствора на основе никеля. Данная фаза растет по механизму дендритного роста. Обогащенная легирующими элементами жидкость находится между осями дендритов и после образования дендритного каркаса разделяется на отдельные микрообъемы жидкой фазы. При увеличении переохлаждения

при температуре 1мс происходит в сильно пересыщенном карбидообразующими

элементами расплаве, образование зародышей карбидов. Из-за высокого переохлаждения размер карбидов довольно мал. Карбиды растут в стесненных условиях, образуя шрифтовую морфологию. Далее, оставшаяся жидкость кристаллизуется с образованием эвтектики.

Образец, прошедший превращения в жидком состоянии, перед кристаллизацией имеет следующее строение: в легированной матрице равномерно распределены равновесные кластеры типа интерметаллидов и карбидные микрогруппировки. Размеры этих образований существенно меньше, чем размеры микроагрегатов, образовавшихся в жидком металле после плавления. Превращения при нагреве происходят необратимо, при последующем охлаждении ранее разрушенные группировки вновь не образуются. Поэтому для того, чтобы кластеры на основе интерметаллида стали зародышами кристаллизации твердого раствора, требуется большее переохлаждение, что приводит к понижению температуры ликвидус. В расплаве перед фронтом образующихся дендригов могут находиться карбидные микрогруппировки. В ходе кристаллизации при

последующем охлаждении до температуры (мс, которая также понизилась, размер карбидных микрогруппировок становится соизмерим с критическим размером зародышей карбидов. Из-за меньшей возможности образования дендритных каркасов снижается доля шрифтовых карбидов в литом металле. Большая возможность свободного роста приводит к увеличению доли полиэдрических карбидов. При этом температура образования эвтектических фаз не изменяется, в то время как из-за меньшего количества оставшейся жидкости их доля уменьшается.

Приведенная модель кристаллизации основана на квазихимической модели строения жидких жаропрочных никелевых сплавов и является ее продолжением.

В пятой главе обсуждается совместное влияние ВТОР, серийной термо-

обработки и длительных изотермических выдержек на структуру и свойства сплава ЖС6У, а также влияние ВТОР и длительных изотермических выдержек на литую структуру и свойства сплава ЭП539Л.

Серийная термообработка сплава ЖС6У производилась по режиму: нагрев до 1210°С, выдержка 70 мин, охлаждение до 1000°С со скоростью 40°С/мин, дальнейшее охлаждение с печью. Эта обработка вносит изменения в структуру и свойства образцов обоих способов выплавки. Крупные глобулярные колонии эвтектики делятся на отдельные пластины с ярко выраженными границами, карбиды шрифтовой морфологии становятся более развитыми. Применение термообработки позволяет сформировать однородную вторичную у'-фазу оптимальной формы. В результате после проведения стандартного режима термообрабтки снижаются значения механических свойств при комнатной температуре и жаропрочность. Аналогично ведут себя образцы, полученные по технологии с применением ВТОР, но изменения, происходящие, в них выражены значительно слабее. Так снижение прочности в образцах выплавленных по серийной технологии произошло на 5% , а после применения ВТОР -лишь на -2%, уменьшение жаропрочности на 20 и 5% соответственно.

Рассмотрим, как изменяются морфология, содержание фазовых составляющих и свойства сплава ЖС6У после проведения режима стандартной термообработки, в процессе длительных изотермических выдержек при рабочей температуре 950°С (рис.4): глобулярные карбиды типа МС практически не претерпевают изменений. Эвтектические карбиды типа МС шрифтовой морфологии в процессе выдержки делятся на отдельные иглы, которые в свою очередь распадаются на отдельные, округлые частицы. Количество этих частиц с увеличением времени изотермической выдержки уменьшается. После 2 часов выдержки в структуре сплава обнаружены новые карбидные выделения, идентифицированные как карбид МоС иглообразной морфологии. Он является охруп-чивающей сплав фазой. Количество карбидов в ходе выдержки до 100 часов незначительно возрастает, затем практически не меняется. Сложная эвтектика у-

■/'-MC-MjBj становится по своей морфологии более дисперсной. Ее количество с увеличением длительности выдержки постепенно уменьшается. Вторичная у'-фаза в ходе длительных выдержек при температуре 950°С изменяет форму и размеры . В матрице сплава с увеличением длительности выдержки происходит

коагуляция частиц вторичной у'-фазы, количество ее при этом не меняется. В междендритном пространстве частицы вторичной у'-фазы перераспределяются, образуя колонии. В них частицы коагулируют, приобретая неровные края. После выдержек в течение 200 и более часов в

О 100 200 300 400 Х,Ч обРазцах выделяются

Рис.4. Влияние длительных изотермических выдержек при ТПУ фазы типа С и % темперауре 950 °С на структуру и свойства сплава ЖС6У' К

- объемное количество карбидов, Э - объемное количество которые являются

эвтектики; ал - предел прочности на разрыв: 6 - относи- ,

9,, охрупчивающими фа-

тельное удлинение; йот - жаропрочность, т - время выдержки; • - существующий режим выплавки, ° - выплавка с зами. Изменение применением ВТОР

структуры сплава

ЖС6У, приготовленного по серийной технологии, в ходе длительных выдержек при 950°С практически не влияет на его механические свойства при комнатной температуре, но сопровождается изменением длительной жаропрочности. Увеличение выдержки до 200 часов приводит к повышению долговечности сплава. Дальнейшее увеличение времени выдержки сопровождается постепенным по-

К,об% 5 3

Э,о6% 3

1

ав>МПа 1100 900 5,% 10 5

.975

230

X >

ч 50 25

1 г

—о-ш-

нижением жаропрочности, что может быть связано с появлением в структуре охрупчивающих фаз (МЙС и ТПУ ).

Образцы, полученные с применением ВТОР, в ходе длительных выдержек при 950"С обнаруживают следующее: карбиды М^С начинают появляться в сплаве только после 200-часовой выдержки, т.е. повышается термическая стабильность эвтектических карбидов шрифтовой морфологии, вторичная /-фаза в межосном пространстве коагулирует с большей скоростью, образуя колонии крупных частиц с неровной изрезанной поверхностью, ТПУ фазы типа ст и % также образуются после двухсотчасовой выдержки, но количество их больше, что свидетельствует о некотором пересыщении твердого раствора сплава легирующими элементами, зависимость длительной жаропрочности сплава от времени изотермической выдержки при 950°С не изменяет своего вида, но абсолютные значения этой величны для выдержек менее 300 часов оказываются несколько выше, чем для образцов серийной выплавки.

Рассмотрим изменение структуры сплава ЖС6У также после стандартной термообработки в ходе дли-

К,»5<>6

вд ел

МПа

1050 850

б,%

10

5

,.975., ч 60

40

8-

-8-

■9"

тельных изотермических выдержек при форсажной температуре 1150°С (рис.5): морфология глобулярных карбидов в течение высокотемпературной выдержки не изменяется. Эвтектические карбиды типа МС шриф-

20 40 бо во г, ч товой морфологии с течением време-Рис.5. Влияние длительных изотермических

выдержек при темперауре 1150 °С на сгрукгу- ни превращаются в колонии мелких ру и свойства сплава ЖС6У,' К - объемное ко-

личество карбидов, о в - предел прочности на разрыв; 6 - относительное удлинение;

975

230Т - жаропрочность; т - время выдержки; • - существующий режим выплавки, ° - выплавка с применением ВТОР

округлых частиц, количество которых постепенно уменьшается. Обнаружены следы карбидных реакций. После 50-часовой выдержки в структуре

сплава обнаружены два новых типа карбидных выделений, идентифицированных как карбид МбС иглообразной морфологии и карбид МгзСб глобулярной морфологии. Карбид М^С располагается как по осям девдритов, так и в междендритном пространстве, а карбид М2зСб выделяется по границам зерен в оторочке у'-фазы. Оба новых карбида являются нетермостабильными, охрупчи-ваюхцими фазами. Общее количество карбидов возрастает в течение первых 50 часов, после чего перестает изменяться. После первых двух часов выдержки при температуре 1150°С на фоне глобулеобразных выделений сложной эвтектики y-y '-МС-М3В3 появляются округлые мелкие частицы - следы превращения этой фазы в более дисперсную. После 50 часов эти выделения увеличиваются в размерах, и некоторые из них при 100 часах коагулируют. Выделения вторичной у'-фазы в междендритном пространстве с увеличением длительности высокотемпературной выдержки постоянно увеличиваются в размерах, срастаются друг с другом, приобретая неровные края. В осях дендритов происходит коагуляция частиц вторичной у'-фазы и их последующее растворение.

Анализ термостабильности структуры сплава ЖС6У, приготовленного по серийной технологии и со ВТОР, а также результаты ДТА приводят к выводу: применение ВТОР при выплавке сплава сопровождается изменением степени легированности твердого раствора. Именно поэтому происходит заметное повышение температуры полного растворения у'-фазы и температуры солидус сплава. Следовательно, чтобы обеспечить высокий уровень служебных свойств сплава и сохранить эффект, достигнутый за счет применения ВТОР, необходимо разработать новый режим термовакуумной обработки, увеличив, в частности, температуру гомогенизации.

Изучены изменения литой структуры образцов сплава ЭП539Л в ходе выдержки при рабочей температуре 820°С. Выдержка в течение 25 часов металла, выплавленного по серийной технологии, сопровождается резким увеличением количества изолированных карбидов, начинается карбидная реакция; из-за перераспределения легирующих элементов возрастает микротвердость матрицы в

осях дендритов. Увеличение длительности выдержки до 50 часов приводит к существенному изменению фазовых составляющих: появляются иглы охрупчи-вающей с - фазы, интенсивно протекает карбидная реакция. Анализируя полученные результаты, можно предположить, что длительная выдержка при рабочей температуре металла, выплавленного по серийной технологии, снижает стабильность литой структуры.

В структуре литых образцов сплава ЭП539Л процессы при длительных изотермических выдержках идут по несколько другой кинетике. В частности, при увеличении выдержки до 25 часов увеличивается микротвердость матрицы в осях дендритов и междендритном пространстве, возрастает количество изолированных карбидов глобулярной формы. Металл характеризуется довольно высокой структурной стабильностью, так даже выдержка в течение 100 часов не вызывает появления охрупчивающей <т - фазы, карбидная реакция протекает медленно.

В качестве основных выводов по работе выделим следующие:

1. Исследованы температурные зависимости стуктурно-чувствительных свойств жидких жаропрочных сплавов. На политерме нагрева выявлены особые точки и участки. Все политермы характеризуются несовпадением ветвей нагрева и охлаждения (гистерезисом), что свидетельствует о неравновесности строения образцов после их расплавления. Нагрев системы до температур или 1ан2 обеспечивает наличие стабильного гистерезиса и свидетельствует о многоэтапном переходе ее в состояние равновесия.

2. Замечено, что значения особых температурных интервалов 1гиН1 и

1аН2 зависят от концентрации углерода в сплаве. С ее увеличением в сплаве уменьшаются температуры ^ и (Ш1], расширяются интервалы структурных перестроек в расплаве и не изменяется иУа- Предварительно проведенный нагрев расплава до температуры и последующая кристаллизация при новом нагреве понижают 1ань а введение в расплав тугоплавких дисперсных частиц не изменяет значения особых точек, но существенно влияет на вид политерм: появ-

ляется новый температурный участок, связанный со взаимодействием расплава и модификатора.

3. В работе получила дальнейшее развитие модель микронеоднородного строения жидких жаропрочных никелевых сплавов. Процессы перехода к равновесию сопровождаются разрушением структур ближнего порядка, унаследованных от исходных кристаллических фаз, и протекают при нагреве немонотонно. Установлено, что прежде всего вблизи ^ разрушаются структуры , свойственные интерметаллидным фазам, в основном типа №зА1. При более высокой температуре, особенно вблизи (ан2, разрушаются углеродсодержащие комплексы типа карбидов МС, М23С6, МбС и других. В результате расплав становится более однородным, равновесным.

4. Установлено влияние структурного состояния расплавов жаропрочных никелевых сплавов на процесс их кристаллизации. Повышение температуры нагрева расплавов жаропрочных никелевых сплавов приводит к увеличению величины их переохлаждения при кристаллизации. При этом уменьшается температура ликвидус, сужается интервал кристаллизации и повышается температура выделения основной упрочняющей у'- фазы. Показано, что максимальное переохлаждение, наиболее низкая температура ликвидус и самый узкий интервал кристаллизации возникают при кристаллизации в том случае, если расплав был нагрет до температур конца превращений в жидком состоянии.

5. Обнаружена взаимосвязь температурных параметров процесса приготовления никелевых сплавов со структурой и свойствами литого металла. Нагрев расплава до температур конца превращений благоприятно влияет на структуру литых жаропрочных никелевых сплавов: повышается дисперсность дендритной структуры, увеличивается доля полиэдрических карбидов и основной упрочняющей у'- вторичной фазы, уменьшается количество эвтектических фаз, уменьшается разброс по размерам избыточных фаз и, как следствие, улучшаются механические свойства: значение предела прочности на разрыв возро-сает на 10 %, а пластичности и длительной жаропрочности - в 2 раза. Перегрев

расплава значительно выше температур конца превращений вновь приводит к формированию неблагоприятной структуры .

6. Ввод в сплав тугоплавких дисперсных соединений способствует переводу всех эвтектических карбидов в глобулярные, но при этом образуются карбидные колонии. Комплексная обработка расплава, включающая нагрев расплава до tain и ввод ТДС, позволяет формировать оптимальную литую структуру металла с однородным распределением карбидов благоприятной глобулярной формы и полным отсутствием иглообразных эвтектических карбидов и карбидных колоний, повышается температура полного растворения у'-фазы, повышается температура ликвидус и сужается температурный интервал плавления. Вместе с этим на 10% увеличиваются пластические характеристики и на 20% прочностные.

7. Предложен механизм влияния состояния расплава на процесс кристаллизации и структуру литого металла. Полученные результаты позволили разработать режимы высокотемпературной обработки расплава (ВТОР).

8. Изучено влияние серийной гермовакуумной обработки на структуру и свойства литейного жаропрочного сплава ЖС6У серийной выплавки и после ВТОР. Показано, что серийная термовакуумная обработка снимает внутренние напряжения и позволяет сформировать однородную вторичную у'-фазу оптимальной формы. Вместе с этим несколько понижаются механические свойства сплава в сравнении с литым состоянием.

9. Исследована кинетика изменения структуры в ходе длительных изотермических выдержек при температурах, соответствующих рабочим. В течение 500-часовой выдержки при 950°С выявлено, что изолированные карбиды не изменяются, в то время как остальные фазовые составляющие претерпевают различные изменения: эвтектические карбиды шрифтовой морфологии превращаются в отдельные округлые частицы; выделения сложной эвтектики становятся более дисперсными; коагулирует у'-фаза. В результате карбидных реакций образуется охрупчивающий карбид М(,С иглообразной морфологии, а при

выдержках более 200 часов происходит выделение охрупчивающих ТПУ фаз, что приводит к резкому изменению механических свойств и жаропрочное™. В ходе сточасовой выдержки при температуре 1150°С обнаружено: не изменяется морфология глобулярных карбидов; иглообразные карбиды превращаются в колонии мелких округлых частиц; в результате карбидных реакций появляются два новых охрупчивающих карбида М^С и МгзСв; выделения сложной эвтектики увеличиваются в размерах и коагулируют; частицы вторичной у'- фазы в осях дендритов и междендритном пространстве коагулируют и растворяются.

10. Образцы, выплавленные по технологии с применением ВТОР, в литом состоянии имеют более благоприятную структуру, а также повышенные механические свойства и жаропрочность. Использование существующего режима термовакуумной обработки для металла, выплавленного со ВТОР, практически не изменяет структуру отливок. Выдержки при 950°С приводят к тому, что повышается стабильность эвтектических карбидов, т.к. карбиды М^С появляются лишь после 200 часов выдержки. Однако при этом у'-фаза коагулирует с большей скоростью. ТПУ фазы образуются также лишь после 200 часов выдержки, но в большем количестве. Изотермическая выдержка при температуре 1150°С приводит к тому, что охрупчивающие карбиды М6С, М^Сб появляются уже после двухчасовой выдержки. Характер изменения длительной жаропрочности в ходе выдержек остается таким же, как и для металла, выплавленного по серийной технологии, но абсолютные значения этой характеристики выше.

11. Изучение образцов в ходе длительных изотермических выдержек показало, что при неизменном химическом составе сплава технология со ВТОР создает твердый раствор с другой степенью легирования. Поэтому для дальнейшей реализации потенциала сплава необходимо разработать новый режим ТВО, предусматривающий получение еще более термостабильной структуры. Одним из путей решения этой задачи может быть повышение температуры нагрева литого металла при гомогенизации. Возможен также другой путь-скоррекгировать химический состав сплава с учетом технологии ВТОР, пони-

зив содержание карбидообразующих элементов: Ti, Nb, W, Mo, Cr. Это повлечет уменьшение удельного веса сплава и его стоимости.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру никелевого жаропрочного сплава ЭП539Л/Е.Б. Барышев, А.Г. Тягунов, Т.К. Костина, В.П. Лесников//Литейное производство. 1994. N1. С. 13-14.

2. Оптимизация технологии литья жаропрочных сплавов/ Т.К. Костина, Е.Е. Барышев, Б.А. Баум, А.Г. Тягунов, В.П. Лесников, Э.В. Колотухин, A.C. Коряковцев//Литейное производство. 1995. N4. С. 17-18.

3. Разработка технологии изготовления отливок из жаропрочного сплава ЖС6У на никелевой основе/ С.П. Павлинич, Е.Е. Барышев, Т.К. Костина, Б.А. Баум, А.Г. Тягунов, И.П. СеменоваУ/Цветные металлы. 1996. N11. С. 59-61.

4. Удельное электросопротивление жидких жаропрочных сплавов/

А.Г. Тягунов, Е.Е. Барышев, B.C. Цепелев, Т.К. Костина, Б.А. Баум, О.В. Савин// Расплавы. 1996. N6. С. 23-28.

5. Влияние обработки расплава на структуру жаропрочного сплава ЖС6У в жидком состоянии и процесс его кристаллизации/ Е.Е. Барышев, Т.К. Костина, А.Г. Тягунов, Л.Г. Савина, С.П. Павлинич, Р.К. Мысик, И.П. Семенова// Высокотемпературные расплавы,- 1997. N1. С. 26-31.

6. Влияние углерода на структуру и свойства сплава ЖС6У в жидком и твердом состоянии/ Е.Е. Барышев, Б.А. Баум, А.Г. Тягунов, И.П. Семенова, Т.К. Костина, С.П. Павлинич//Расплавы. 1997. N4. С. 32-36.

7. Влияние обработки расплава и модифицирования на структуру и свойства жаропрочного сплава ЖС6У/ Е.Е. Барышев, Т.К. Костина, A.A. Танеев, Л.Г. Савина, А.Г. Тягунов, О.Б. Деменок//Расплавы. 1998. N3. С. 36-42.

8. Влияние длительных высокотемпературных выдержек при 950"С на структуру и свойства жаропрочного сплава ЖС6У/ А.Г. Тягунов, Е.Е. Барышев,

Т.К. Костина, Б.А. Баум, В.П. Лесников, И.П. Семенова// Физика металлов и металловедение. 1998. Т.86, вып.1. С. 93-99.

Подписано в печать 30.10.98 Формат 60x84 1/16

Бумага писчая Офсетная печать Усл.п.л. 1,39

Уч. -изд.л. 1,09 Тираж 100 Заказ 262 Бесплатно

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира,19 Отдел сервисного обслуживания научно - исследовательской части УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19



УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ-УПИ

Тягунов Андрей Геннадьевич

ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ В ЛИТОМ . И ТЕРМООБРАБОТАННОМ СОСТОЯНИЯХ

Специальность 05.16.01. - Металловедение и термическая

обработка

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель профессор, доктор технических наук Баум Б. А.

ЕКАТЕРИНБУРГ 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.......................................... 9

1.1.Условия работы и требования, предъявляемые к жаропрочным сплавам на основе никеля..................................9

1.2.Структура и свойства-жаропрочных сплавов на никелевой основе...................................................10

1.2.1. Влияние легирующих элементов.........................10

1. 2. 2. Кристаллизация сплавов на основе никеля...............12

1.2.3.Структурные составляющие жаропрочных сплавов и их

влияние на свойства материала..........................13

1.3.Термическая обработка жаропрочных сплавов, термическая стабильность их структуры................................18

1.4.Методы совершенствования структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов....................................22

1.4.1.Технология высокотемпературной обрабтоки расплава и

ее применение к жаропрочным никелевым сплавам..........22

1.4.2. Модифицирование сплавов на основе никеля тугоплавкими дисперсными соединениями...........................27

1.5. Выводы и постановка задачи...............................34

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.................'.......................36

2.1. Исследуемые жаропрочные сплавы...........................36

2.2.Методика исследования удельного электросопротивления, кинематической вязкости и плотности......................39

2.3.Методика дифференциального термического анализа..........42.

2.4.Металлографический метод исследования и определение микротвердости...........................................43

2. 5. Метод электронной микроскопии............................47

2. 6. Определение погрешностей используемых методик............46

2. 7. Выводы...................................................50

3.ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ................................................51

3.1.Исследование температурных зависимостей удельного элект-росопративления, кинематической вязкости, плотности сплавов ЖС36, ЖС6У, ЧС70, ЭП539Л, в жидком состоянии........51

3.2.Исследование влияния углерода на особенности политерм удельного электросопративления сплавов ЖС6У и ЖС36....... 57

3.3.Исследование влияния' тугоплавких дисперсных соединений (ТДС) на характер политерм удельного электросопративления сплава ЖС6У..........................................59

3.4.Модель строения жидких жаропрочных никелевых сплавов.....63

3. 5. Выводы....................'...........'....................65

4.ВЛИЯНИЕ ПОДГОТОВКИ РАСПЛАВА НА ПРОЦЕСС КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И СТРУКТУРУ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ В ЛИТОМ СОСТОЯНИИ......... 67

4.1.Анализ влияния условий выплавки на процесс

кристаллизации жаропрочных сплавов ЖС36, ЖС6У............67

4.2.Изучение структуры жаропрочных сплавов ЖС6У, ЖС36, и ЭП539Л в зависимости от режима их выплавки...............74

4.3.Изучение влияния добавок ТДС в жидкий сплав ЖС6У на структуру■литого металла.................................90

4.4.Механизм влияния подготовки расплава на процесс кристаллизации и формирование литой структуры...................98

4. 5. Выводы..................................................100

5.ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВЫПЛАВКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ....................................103

5.1.Влияние стандартной термообработки на структуру жароп-

рочных сплавов, выплавленных по различным режимам....... 103

5.2.Изучение влияния длительных изотермических выдержек на структуру и свойства исследуемых жаропрочных сплавов____ 109

5.2.1.Влияние длительных выдержек при 950°С на структуру и свойства сплава ЖС6У..................................109

5.2.2.Влияние длительных выдержек при 1150°С на структуру и свойства сплава ЖС6У..................................115

5.2.3.Влияние длительных выдержек при 820°С на структуру сплава ЭП539Л.........................................119

5.3. Выводы..................................................123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................131

ПРИЛОЖЕНИЕ..................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Повышение коэффициента полезного действия газотурбинных двигателей требует постоянного увеличения рабочей температуры продуктов сгорания, а следовательно, жаропрочности никелевых сплавов, из которых изготавливаются наиболее ответственные детали. Современный уровень свойств жаропрочных никелевых сплавов достигнут благодаря усложнению их системы легирования. Соответственно усложнились структура и фазовый состав этих сплавов. Дальнейшее увеличение содержания легирующих элементов приводит к существенному удорожанию сплава, а зачастую и к нескомпенсированности фазового состава, выделению неблагоприятных фаз в ходе работы и снижению технологических и служебных характеристик материалов. Важный дополнительный резерв улучшения и стабилизации этих характеристик связан с подготовкой металлических расплавов к процессу кристаллизации. Дело в том, что при переходе от расплава к твердому состоянию происходят сложные микро и макроскопические перемещения частиц и групп, теплопередача, формирование и выделение фаз, фазовые превращения. В ходе этого процесса возникают дефекты и другие особенности структуры, существенно влияющие на качество сплава. Установлено, что чем выше степень равновесности расплава, чем равномернее распределены в нем атомы компонентов , тем слабее наследственное влияние исходных шихтовых материалов, тем выше и стабильнее качество литых изделий.

Наиболее доступным и достаточно эффективным методом формирования равновесной структуры расплава является тепловое воздействие. Температурный режим выплавки сплавов, основанный на исследовании их физико-химических свойств в жидком состоянии и обеспечивающий формирование оптимальной и равновесной в данных условиях структуры расп-

лава, получил в авиационной промышленности название высокотемпературной обработки расплава (ВТОР).

Однако влияние ВТОР на процессы кристаллизации и формирования структуры литых жаропрочных никелевых сплавов изучено недостаточно, а сведения о совместном влиянии ВТОР и стандартной термообработки, о стабильности структуры после ВТОР во время длительных изотермических выдержек при температурах эксплуатации вообще отсутствуют.

В соответствии с вышеизложенным в настоящей работе предпринята попытка изучить особенности изменений структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов в процессе изотермических выдержек, иммитирую-щих условия их службы. Для этого понадобилось выплавить образцы по двум разным технологиям. Причем параметры этих технологий были разработаны также на основе собственных исследований.

Работа выполнена в соответствии с едиными тематическими планами НИР Уральского государственного технического университета-УПИ.

Цель работы. Дальнейшее изучение физических свойств жидких жаропрочных никелевых сплавов для оптимизации параметров ВТОР; анализ воздействия максимальной температуры нагрева расплава на механизм кристаллизации и литую структуру жаропрочных никелевых сплавов; изучение влияния стандартной термической обработки на кинетику изменения структуры в ходе длительных изотермических выдержек.

Научная новизна. Изучены температурные зависимости структурно-чувствительных свойств расплавов жаропрочных никелевых сплавов. Получены новые данные о влиянии состояния расплава на процессы кристаллизации, структуру, физические, механические и эксплуатационные свойства литейных жаропрочных никелевых сплавов в литом и термообра-ботанном состоянии. Предложена новая модель жидких жаропрочных никелевых сплавов и механизм влияния подготовки расплава на процесс

кристаллизации. Определены параметры новых технологических режимов выплавки, позволяющих переводить расплав в гомогенное микрооднородное состояние. Изучено влияние нового способа выплавки на процесс структурообразования и параметры литой структуры. Впервые выявлено влияние ВТОР на кинетику изменения структуры в результате длительных, изотермических выдержек при температурах эксплуатации. Предложены пути дальнейшего совершенствования структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов.

Практическая ценность. Результаты исследования _ структуры и свойств жаропрочных сплавов на основе никеля в жидком и твердом состояниях легли в основу разрабатываемых технологий, которые позволяют повысить качество металлопродукции: улучшить технологические свойства литого металла.

Автор защищает.

1. Результаты экспериментального изучения структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов в жидком, литом и термообработанном состояниях.

2. Представления о влиянии подготовки расплава на механизм кристаллизации изучаемого металла.

3. Практические рекомендации по применению ВТОР для улучшения служебных характеристик изучаемых сплавов.

4. Данные изучения кинетики изменения структуры и свойств сплавов в ходе длительных изотермических выдержек при наличии и отсутствии применения ВТОР.

Работа выполнена на кафедре физики Уральского государственного технического университета.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Условия работы и требования, предъявляемые к жаропрочным сплавам на основе никеля.

Жаропрочные сплавы на основе никеля применяются для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГТД), которые работают под нагрузкой при высоких температурах и кроме этого подвержены термо-циклированию и воздействию агрессивных сред [1-3].

В процессе работы такие детали могут подвергаться значительным растягивающим напряжениям. Действие горячих газов представляет собой комбинацию окисления жаропрочного сплава и его взаимодействия с серой, натрием, ванадием и другими примесями в газах.

При термоциклировании, вследствии нагрева и охлаждения возникают термические напряжения, которые приводят к термической усталости и разрушению материала [2].

Таким образом детали, которые изготавливаются из жаропрочных сплавов должны обладать следующими свойствами:

- высокой жаропрочностью;

- высокой пластичностью наряду с высокой прочностью;

- высокой стойкостью к окислению и коррозии;

- высокой структурной стабильностью при температуре эксплуатации;

- высокой теплопроводностью;

- низким коэффициентом термического расширения;

- высокой стойкостью к термической усталости.

На основании многочисленных исследований строения и свойств жаропрочных сплавов на основе никеля сформулированы основные положения, определяющие их длительную прочность и пластичность С1—73:

1. Гетерофазность строения сплава как основа теории жаропрочности.

2. Особая роль термостабильности упрочняющих фаз и матрицы; важное значение диффузионных процессов, определяющих кинетику образования фаз, их коагуляцию и растворение.

3. Образование трещин на второй стадии ползучести, установление дислокационного механизма зарождения и развития трещин по границам зерен.

4. Особая роль внутренних поверхностей раздела - границ зерен,• границ фаз, субграниц внутри зерна.

5. Особая роль внешней поверхности, где в большинстве случаев зарождаються трещины и активно протекают диффузионные процессы газовой коррозии, для защиты от которой требуются специальные покрытия.

Установлено , что наиболее важным вопросом жаропрочности является термостабильность сплавов [1,4,10], обеспечивающая ресурс и надежность литых изделий.

1.2.Структура и свойства жаропрочных сплавов на никелевой осно-. ве.

1.2.1.Влияние легирующих элементов.

Все жаропрочные литейные материалы можно разделить на следующие группы [1]:

- сплавы на основе железа (жаропрочные стали);

- сплавы на основе титана;

- сплавы на основе хрома;

- сплавы на основе кобальта;

- сплавы на основе никеля.

Сплавы на основе железа используют для изготовления деталей для газотурбинных двигателей, работающих при температуре не выше 700°С, так как полиморфизм железа приводит к повышенной пластичности и разрушению материала при нагреве в интервале а -у превращения [1,2].

Славы на основе титана не имеют полиморфных превращений, но температура их эксплуатации также низка [1,2,11].

Сплавы на основе хрома склонны к сильному окислению и образованию охрупчивающих топологически плотно упакованных (ТПУ) фаз [1,2].

Сплавы на основе кобальта в условиях отечественного производства имеют очень большую себестоимость, а, например, в США, они являются основой производства деталей ГТД [2].

Самыми подходящими по существующим характеристикам являются сплавы на основе никеля [7,8,12].

К концу 50х годов был полностью использован запас жаропрочности лучших из известных деформируемых сплавов, применяемых для изготовления лопаток турбин. Необходимая прочность была достигнута при использовании литых сплавов [3,7-9].

Развитие литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе связано прежде всего с тем, что по сравнению с дёформируемыми сплавами в них можно достичь большего упрочняющего эффекта за счет Ч - фаз и карбидов и более высокой структурной стабильности [1-3,8].

Литейные жаропрочные сплавы можно разделить на следующие группы [13-17]:

- литейные жаропрочные никелевые сплавы с пониженным содержани-

ем хрома; применяются для изготовления деталей авиационных двигателей, работающих при высоких температурах и нагрузках с невысоким ресурсом работы;

- жаропрочные никелевые сплавы с повышенным содержанием хрома (до 20-30 мас.%) применяются для изготовления деталей судовых двигателей, насосов газоперекачивающих станций, работающих в коррозионной среде, где сравнительно невысокие температуры эксплуатации и нагрузки, но требуется очень высокий ресурс эксплуатации и повышенная жаростойкость.

Повышение сопротивления окислению при высоких температурах достигается за счет образования Сг203. В сплавах Ni-Cr, содержащих до 10% Сг, на поверхности преобладает оксид N10. В областях, примыкающих к границе раздела сплав-окалина, наблюдаются выделения Сг203, окруженные чистым никелем. При увеличении содержания хрома смешанный слой Ni-Cr203 исчезает и формируется сплошной слой Сг203, над которым располагается слой NiO с включениями шпинели NiCr204. Сплавы N1-(20-25)% Сг имеют минимальную скорость окисления благодаря оптимальному соотношению оксидов N10 и Сг203, которые превращаются в те-, чение длительных выдержек при температурах выше 1000-1050°С в шпинель NlCr204 [18,19].

Необходимые свойства достигаются путем комплексного легирования, в результате которого образуются многофазные сплавы, отвечающие требованиям современного машиностроения [1,3,16,17]. Легирующие элементы можно подразделить на следующие группы [1]:

1. Элементы, упрочняющие твердый раствор на основе никеля. Это хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, гафний.

2. Элементы, способствующие образованию основной упрочняющей. -фазы часто сложного состава, например, (N1, Со)3(Al. Ti, Nb, Та).

3. Элементы образующие фазы внедрения и упрочняющие границы зерен за счет образования сегрегаций по границам зерен, это углерод, бор, цирконий и элементы из группы лантаноидов - лантан, церий, неодим и др.

Помимо трех главных групп существует две подгруппы [11:

1. Карбидообразователи: тантал, титан, цирконий, ванадий, вольфрам, молибден, хром, образующие различные карбидные фазы типа MC, М6С, М7С3, М23С6.

2. Алюминий и хром, которые образуют окислы, защищающие сплав от окружающей среды.

1.2.2.Кристаллизация сплавов на основе никеля

Все литейные жаропрочные сплавы на основе никеля можно разделить на две группы по способу литья [3]:

- сплавы для монокристального литья;

- сплавы для равноосного литья.

Различия заключаются в общих принципах легирования. В первом случае задачей легирования является получение структуры с короткой межзе-ренной границей и высокими прочностными свойствами [20-23]. Во втором случае цель легирования состоит в получении поликристаллической структуры с повышенными прочностными свойствами наряду с высокими пластическими [24-27].

Кристаллизация металла начинается с выделения дендритов у-твер-дого раствора. На последних стадиях кристаллизации в междендритном пространстве выделяются колонии карбидов эвтектического происхождения и эвтектики либо на основе у и К'-фаз, либо карбоборидные. При последующем охлаждении "у-твердый раствор оказывается пересыщенным по

легирующим элементам и при некоторой температуре из него начинают выделяться частицы вторичной К'-Фазы [1-3].

1.2.3.Структурные составляющие жаропрочных сплавов и их влияние на свойства материала.

Структура литейных жаропрочных никелевых сплавов состоит из матрицы (у-фазы), представляющей собой сложнолегированный твердый раствор на основе никеля, и Y-фазы - твердого раствора на основе интерметаллидного соединения N13A1, которая выделяется как в осях дендритов так и в междендритном пространстве. Так же в междендритном пространстве расположены карб