автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Закономерности поведения азота при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов и повышение их эксплуатационных свойств

кандидата технических наук
Каблов, Дмитрий Евгеньевич
город
Москва
год
2012
специальность ВАК РФ
05.16.09
цена
450 рублей
Диссертация по металлургии на тему «Закономерности поведения азота при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов и повышение их эксплуатационных свойств»

Автореферат диссертации по теме "Закономерности поведения азота при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов и повышение их эксплуатационных свойств"

На правах рукописи

005045308

КАБЛОВ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ АЗОТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ И ПОВЫШЕНИЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

05.16.09 — Материаловедение (машиностроение)

Автореферат ди ссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- Ч И ЮН 20(2

Москва-2012

005045308

Работа выполнена в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана и Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Герасимов Сергей Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ягодкин Юрий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор Третьяков Анатолий Федорович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт Металлургии и Материаловедения имени A.A. Байкова Российской академии наук

Защита состоится 2012 года в-/У часов на заседании

диссертационного совета Д 212.141.04 в Московском Государственном Техническом Университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью организации, просим направлять по адресу: 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан <«2?» 05 2012 г. Телефон для справок: 8499-267-09-63

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Семенов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Необходимость дальнейшего повышения температуры газа на входе в турбину высокого давления до 2000 - 2200 К (т.е. на 300 - 400 К выше температуры газа на современных газотурбинных двигателях (ГТД) 4-го поколения) потребовало разработки нового поколения жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой. Это позволило улучшить тактико-технические характеристики двигателей, их надежность и ресурс.

Многочисленными исследованиями показано, что получить высококачественные лопатки с бездефектной монокристаллической структурой возможно только при использовании для их отливки сплавов с ультранизким содержанием в них вредных примесей, в частности азота. Это обусловлено тем, что образующиеся при содержании этого элемента выше критического значения нитриды и карбонитриды выделяются внутри монокристалла и являются, с одной стороны, концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин, а с другой стороны, источником гетерогенного зарождения «паразитных» зерен другой ориентировки. В результате существенно снижается выход годных лопаток, а также уровень и стабильность их эксплуатационных свойств.

Для решения этих проблем и совершенствования технологии получения лопаток из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов необходимо изучение условий и механизмов образования нитридов и карбонитридов и связанного с их появлением образования паразитных зерен.

Цель работы. Разработка эффективных методов повышения эксплуатационных характеристик монокристаллических жаропрочных сплавов на основе исследования влияния содержания азота на структуру и свойства жаропрочных сплавов.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.

1. Провести термодинамический анализ и экспериментальные исследования поведения примеси азота при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов.

2. На основе результатов термодинамического анализа, и экспериментальных данных о влиянии примеси азота на структуру монокристаллических заготовок предложить способы оптимизации содержания азота в монокристаллах жаропрочного никелевого сплава с точки зрения улучшения его механических свойств при высоких температурах.

3. Разработать модель образования кристаллитов произвольной ориентировки в монокристаллической заготовке никелевого жаропрочного сплава при повышенном содержании в нем азота.

4. Опробовать результаты исследований при получении опытных и промышленных партий монокристаллических заготовок жаропрочных никелевых сплавов.

Научная новизна

1. Методами термодинамического анализа установлено предельно допустимое содержание азота- не б олее 0,0010 % (масс.), не вызывающее появления паразитных зерен в монокристаллах жаропрочного никелевого сплава заданного химического состава.

2. Впервые установлены основные закономерности поведения примеси азота в жаропрочных никелевых сплавах на различных этапах отливки монокристаллических заготовок и выявлено неравномерное распределение азота при его повышенном содержании по высоте монокристальных отливок. Установлено, что азот, вопреки известным представлениям, преимущественно концентрируется в области отливки, прилегающей к стартовому конусу, снижая эксплуатационные свойства.

3. Установлено влияние азота на макро- и микроструктуру монокристаллов, их эксплуатационные характеристики и предложен механизм влияния азота на образование зерен произвольной ориентировки на поверхности монокристаллов.

4. Установлены термодинамические и кинетические закономерности поведения азота и его распределения в структуре при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов.

Практическая ценность

1. Определены источники поступления азота в сплавы на различных этапах плавки и отливки монокристаллических лопаток и с помощью термодинамического анализа и экспериментальных исследований найдены условия для максимально полного удаления азота из расплава в вакууме.

2. Разработана опытно-промышленная технология высокотемпературной вакуумной обработки жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья лопаток ГТД, обеспечивающая получение в сплавах ультра низкого содержания азота (менее 0,0010 %).

4. При выплавке промышленных партий жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ повышен выход годных лопаток с .монокристаллической структурой у потребителя (ОАО КМПО, г. Казань).

5. Результаты работы использованы при разработке технологии выплавки высокожаропрочных монокристаллических ренийсодержащих сплавов ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ. Полупромышленные партии металла этих сплавов были поставлены на ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь.

Достоверность результатов работы обеспечена согласованностью результатов термодинамического и кристаллографического анализов, а таюке экспериментальных результатов, полученных с использованием современных методов исследования структуры, фазового состава и свойств изучаемых сплавов, и подтверждена результатами статистической обработки результатов экспериментов.

Апробация работы. Результаты, диссертации доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н.Э. Баумана, на Международной Научно-технической Конференции «Научные идеи С.Т. 2

Кишкина и современное материаловедение» 25-26 апреля 2006 года, г. Москва, на Научно-технической Конференции «Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» 16-17 июня 2011 года, г. Екатеринбург, на V Всероссийской научно-технической конференции 7-9 декабря 2011г. в г. Уфа.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в пяти научных работах в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и трех тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 205 страницах, содержит 97 рисунков и 33 таблиц. Библиография включает 84 наименования.

Основное содержание работы

Введение раскрыта актуальность темы, обоснована цель, сформулированы задачи, научная новизна и практическое значение диссертационной работы..

В Главе 1 проведен анализ литературы. Отмечено, что недостаточно исследованы источники поступления и закономерности поведения вредных примесей, в частности азота, на различных этапах выплавки сплавов и последующей отливки деталей с монокристаллической структурой. Ограничены данные по влиянию примеси азота на формирование структуры монокристаллов. На основании анализа литературных источников сформулированы цели и задачи исследования.

В Главе 2 приведены материалы, методика их исследований и испытаний.

Объектом исследования был литейный высокожаропрочный сплав для монокристаллического литья ЖС30-ВИ (ТУ 1-92-177-91), предназначенный для изготовления турбинных и сопловых лопаток газотурбинных двигателей. Химический состав сплава приведен в табл. 1.

Таблица 1.

Содержание основных легирующих элементов в сплаве ЖС30-ВИ

Марка сплава Содержание элементов, % (масс.)

ЖСЗО-ВИ С Сг АУ Мо Со А1 Т1 Ш ЫЬ N1

0,110,20 5,09,0 10,512,5 0,41,0 7,59,5 4,85,8 1,42,3 0,31,2 0,41,4 ост.

Плавку проводили в вакуумной индукционной печи ВИАМ 2002 с ёмкостью тигля 10 кг на свежих шихтовых материалах. Разливку металла проводили в стальную трубу с внутренним диаметром 70 мм. Содержание легирующих элементов определяли методами атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой и химико-атомно-эмиссионного спектрального анализа.

Содержание углерода определяли на анализаторе фирмы Ьесо СБбОО, а

содержание газов (кислорода и азота) - на анализаторах фирмы Leco ТС-436 и Leco ТСН 600.

Отливку монокристаллических заготовок диаметром 16 мм проводили на установке УВНК-9А для литья деталей с направленной и монокристаллической структурой. Предварительно в готовые прокалённые керамические формы устанавливали затравки с ориентировкой <001> вдоль оси роста. Расплавленный металл заливали в нагретые керамические формы, после чего начинался процесс направленной кристаллизации монокристаллов при движении формы с заданной скоростью вниз из зоны нагрева в зону охлаждения.

Проводили испытания на кратковременную и длительную прочность с записью деформации ползучести образцов литого жаропрочного сплава с монокристаллической структурой ЖС30-ВИ с кристаллографической ориентацией <001>, испытания на малоцикловую усталость (МЦУ) в условиях циклического растяжения при коэффициенте асимметрии R = 0,1, при частоте нагружения 1 Гц и температуре 900 °С. Структуру сплава исследовали методами светвой и сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионного локального химического анализа, фрактографии.

В третьей главе изложены результаты термодинамического анализа влияния азота на фазовый состав нитридов в сплаве ЖСЗО-ВИ а также исследованы способы очистки никелевого расплава от азота. Термодинамические расчеты выполнены с помощью компьютерной программы «Terra». Анализ бинарных диаграмм состояния с азотом показал, что возможно существование нитридов HfN, Hf3N2, Hf4N3, Nb2N, Nb4N3, NbN, Cr2N, CrN, Ti2N, TiN. Установлено, что содержание азота в исходной шихте 0,005 % (масс.) является определяющим фактором образования нитридов титана TiN и гафния HfN в количествах, приводящих к нарушению процесса получения монокристаллов и образованию различных дефектов. Другие нитриды термодинамически маловероятны.

Рассчитана величина допустимой концентрации азота, не приводящая к образованию нитридов титана. Нитрид титана не образуется при содержании азота менее 0,0015% масс, а нитрид гафния образуется во всем интервале расчетного содержания азота. Нитрид гафния практически исчезает только при содержании 0,000001 % масс азота.

Основным источником попадания в сплав азота являются легирующие металлы, суммарно хром, титан, вольфрам и ниобий вносят около 0,005 % азота. Продолжительность выдержки расплава для удаления азота при данной температуре составляла 10-15 минут. Уровень вакуума в плавильной камере изменялся в пределах (1 - 5) 10"3 мм. рт. ст.

На рис. 1 приведено изменение содержания азота в сплаве ЖСЗО-ВИ в процессе выдержки расплава при разных температурах. Видно, что при температурах расплава 1560 и 1620 °С азот удалился незначительно, и только после выдержки при 1680 °С его содержание понизилось до 0,0007 %.

По полученным экспериментальным и расчетным данным рассчитана средняя скорость удаления азота из сплава. Процесс удаления азота включает стадию диссоциации нитридов титана и гафния, массоперенос диффузией и

конвекцией атомов азота на поверхность расплава и десорбцию их в газовую фазу. Скорость деазотации повышается с температурой и составляет 0,26 г/(с-кг) при 1680 °С. Зависимости содержания азота , % (масс.) и скорости удаления азота V [г/(с-кг)] от времени т [мин] и температуры I [°С] аппроксимированы выражениями:

Сд,= 10"бт2 - 0,0001т + 0,0051 и К= 3-10-13-ехр(0,01094).

Макроструктуру выявляли травлением. Оказалось, что в сериях по 9 образцов из трех плавок, содержащих соответственно 0,0005,0,0015, 0,0020 % (масс.) азота, количество образцов с паразитными кристаллами монотонно растет и составляет соответственно 1, 4 и 6 штук (Рис. 2).

В металле с повышенным содержанием азота последний распределяется неравномерно по высоте отлитых монокристаллов. Наибольшее количество азота (0,002 - 0,0015 %) обнаружено в нижней и в средней части заготовок, в верхней части заготовок концентрация азота понижается (до 0,0006-0,0008 %). В металле с низким содержанием азота (0,0005 %) азот равномерно распределяется по всей высоте заготовки (0,0005-0,0007 %).

Такое неравномерное распределение азота в заготовках свидетельствует о том, что при направленном затвердевании не происходит вытеснения нитридов и карбонитридов растущим монокристаллом в верхнюю часть заготовки, возможно азот оказывается захваченным в твердом растворе и/или в виде включений, поэтому процесс образования зародышей произвольных «паразитных» зерен, может происходить не в жидкой, а в твердой фазе. Поэтому была предложена кристаллогеометрическая модель влияния азота на образование паразитных зерен в растущей монокристаллической заготовке, основанная на современных представлениях о структурных превращениях в твердом состоянии. В ней предполагается, что зарождение этих кристаллитов происходит не в жидкой фазе на частицах нитрида титана как подложках, а в результате цепочки твердофазных реконструкций решетки матрицы при выделении избыточного растворенного азота с образованием нитрида титана. Модель основана на известной модели полиморфного и эвтектоидного превращений, как реконструкции координационных полиэдров. Растворение азота в гранецентрированной кубической решетки никеля приводит к развороту параллельных граней октаэдрической пустоты и образованию призмы, т.е. двойника по плоскости {113} (см. рис. 3). Тригональная призма, захватывая растворенный атом азота, снимает напряжения в решетке растворителя, и затем преобразуется в ГЦК-структуру нитрида титана, оставляя в решетке матрицы двойники в растущем кристалле. Последние и порождают образование в матрице блоков другой ориентировки.

X, мин

Рис. 1. Изменение содержания азота См в сплаве ЖСЗО-ВИ в ходе выдержки расплава при разных температурах

Рис. 2. Макроструктура образцов сплава ЖСЗО-ВИ с различным содержанием азота в заготовках. Содержание азота в плавках 897, 898, 899 (указаны вверху) составляет соответственно 0,0005, 0,0015 и 0,0020 % (масс.)

поворот на60°

Рис. 3. Модель преобразования ГЦК-решетки в двойник по плоскости (113) под влиянием азота (показан в центре октаэдрической пустоты в виде пустого

кружка).

Глава 4 посвящена изучению влияния примеси азота на свойства жаропрочных монокристаллических сплавов и морфологию карбидов.

Были проведены испытания сплава ЖСЗО-ВИ на длительную прочность (до 500 ч) при температуре 900 °С и напряжении 310 МПа с записью деформации ползучести. Из первичной кривой ползучести для каждого испытанного образца определено время накопления деформации ползучести г=0,5 и 1 % (т0,3 и т, соответственно) и время до разрушения тр. Полученные значения приведены в табл. 2. Видно, что при снижении содержания азота сопротивление ползучести повышается.

Таблица 2.

Влияние содержания азота в сплаве ЖС30-ВИ на характеристики длительной прочности при температуре 900°С и напряжении 310 МПа_

Содержание азота, % (масс.) ТО,5, ч ть ч Тр, ч

0,002 115 165 423

0,0015 155 195 475

0,0005 185 233 529

Время до разрушения сплава с низким содержанием азота (0,0005 %) выше 500 ч, тогда как у сплава с высоким содержанием азота (0,0020 %) оно менее 500 ч и не удовлетворяет нормам по паспорту на сплав ЖСЗО-ВИ.

Наиболее высокие значения относительного удлинения и сужения при испытаниях на кратковременный разрыв при 20 и 900 °С получены на металле с

самым низким содержанием азота (0,0005 %).

Результаты испытаний монокристаллов сплава ЖС30-ВИ с ориентировкой <001> с разным содержанием азота на малоцикловую усталость (МЦУ) приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Результаты испытаний на МЦУ образцов монокристаллических образцов сплава ЖСЗО-ВИ в зависимости от содержания азота_

Параметры испытаний Максимальное напряжение цикла а - 785 МПа, температура испытания 900 °С

Содержание азота, % (масс.) 0,0005 0,0015 0,0020

Число испытанных образцов 5 4 5

Интервал числа циклов до разрушения, ]ЧЦ 702016700 4890- 16000 3920- 12350

Среднее число циклов до разрушения, 1Мц 13400 10700 9100

При повышении содержания азота с 0,0005 до 0,0020 % (масс.) среднее число циклов до разрушения уменьшается в 1,5 раза. Влияние количества азота на МЦУ сплава ЖС30-ВИ может быть связано с количеством, формой и размером карбидов, образующихся в процессе кристаллизации сплава, поскольку при исследовании закономерностей поведения азота при выплавке монокристаллического жаропрочного сплава ЖС30-ВИ была выявлена зависимость между содержанием в сплаве азота и формой выделяющихся при кристаллизации сплава карбидов. Результаты исследований влияния содержания азота в сплаве на его структуру и фазовый состав описаны в Главе 5. В Главе 5. выполнено исследование влияния содержания азота на структурно-фазовое состояние сплава ЖСЗО-ВИ.

Типичный фазовый состав сплава ЖСЗО-ВИ с равноосной и направленной кристаллизацией может быть описан в среднем так: количество основной упрочняющей у '- фазы в пределах 58-60 %, содержание карбидов типа МС в пределах 0,8 - 1,0 %. В основном это карбид Т1С. После термической обработки по режиму 1230°С - 5 часов карбидные реакции смещаются в область образования более тугоплавких карбидов на основе ЫЬС и ШС.

Дендритная структура образцов в литом состоянии показана на рис. 5. Во всех исследованных образцах сохраняется характер ликвации, аналогичный шихтовой заготовке: оси дендритов обогащены V/ и Со, а межосные пространства - А1, П, Мо, Сг и №. При этом наиболее сильно ликвируют V/, П и Мэ, а с увеличением содержания азота в материале от 0,0005 до 0,0020% (масс.) коэффициенты ликвации основных легирующих элементов в литом состоянии увеличиваются. В междендритной области обнаружены: у' - эвтектическая, первичные карбиды МС на основе №> и Ъ, оксиды. В плавках с содержанием азота 0,0020% (масс.) во всех состояниях также наблюдаются карбиды М6С.

Термическая обработка приводит к выравниванию химического состава, коэффициенты ликвации легирующих элементов (за исключением вольфрама) близки к единице. По данным количественного металлографического анализа междендритное расстояние в образце плавки с 0,0005 % (масс.) азота, составляет 278,1±5,4 мкм. Это ниже, чем в плавках с содержанием азота 0,0020 % (масс.), где оно колеблется от плавки к плавке в пределах 290,3±6,8 мкм до 294,б±6,5 мкм. Это способствует более полному выравниванию локального химического состава в ходе термической обработки, что, в свою очередь приводит к образованию более однородной структуры материала. Частицы упрочняющей у' -фазы имеют кубическую морфологию (Рис. 5). Размеры частиц у' - фазы в осях и междендритных областях для образцов с разным содержанием азота между собой не отличаются Наибольшее влияние содержание азота в сплаве оказывает на размер, морфологию и распределение карбидов (Рис. 6). При содержании азота 0,0020 % (масс.) карбиды зарождаются на нитридах (нитрид в центре карбида), имеют кубическую морфологию, расположены в междендритном пространстве, встречаются даже в эвтектической фазе.

При содержании азота 0,0005 % (масс.) карбиды (карбидная эвтектика) имеют шрифтовую морфологию (типа иероглифического письма), расположены в междендритном пространстве. Карбиды крупнее, чем в образце с содержанием азота 0,0020 % (масс.)

При повышенном содержании азота - свыше 0,0010 % (фактически 0,0014 — 0,0027 %) образуются довольно крупные включения округлой или полиэдрической формы, а при низком содержании азота (0,0005 - 0,0007 %) образуются тонкодисперсные игольчатые включения. Согласно данным калориметрического анализа в металле с высоким содержанием азота выделение крупных огранённых карбидов начинается раньше, чем выделение тонкодисперсных карбидов шрифтовой морфологии в металле с низким содержанием азота. Этот факт был дополнительно подтвержден

экспериментально. Для этого образцы сплава ЖСЗО-ВИ, имеющие в структуре карбиды соответственно ограненной и шрифтовой морфологии были подвергнуты закалке в воде от 1285 и 1345 °С (выдержка 10 минут). В интервале температур 1285-1345 °С происходит выделение карбидов шрифтовой морфологии. При этом морфология ограненных карбидов остается неизменной, т.е. их выделение происходит при более высокой температуре.

Таким образом, впервые была выявлена закономерность в образовании морфологии карбидов в сплаве ЖС30-ВИ в зависимости от содержания в нем азота: в сплаве с повышенным содержанием азота (более 0,0010 %) образуются ограненные карбиды МС при более высокой температуре расплава в условиях их достаточно свободного роста. Карбиды же шрифтовой морфологии, образуются при более низкой температуре расплава.

Образование ограненных карбидов МС происходит на подложке, и материалом такой подложки могут быть нитриды титана, параметры которых наиболее близки к параметру решетки карбидов МС. Образующиеся при

/ .....%и-»

и ' - • - '

УЛ

... ¡{ ¿¿^

. * у ■ • /> г . Л . :

Л

Ш \

Ч ' * ь <

• ■-" ''-у ..

Х100 100|||Л 0154 12 5) ВЕС

Х100 100|Л1) 0146 12 54 ВЕС

Рис. 4. Дендритная структура сплава ЖСЗО-ВИ, содержащего 0,0020 (а) и 0,0005% (масс.) азота (б)

20кУ Х10,000 1|ЛП 0771 *1041 ЭЕ|_20кУ Х10.000 1цт 0589 - 1-143 5Е(

а б

Рис. 5. Структура у' -фазы в оси дендрита направленно кристаллизованного сплава ЖСЗО-ВИ (а) с большим (0,0020 % (масс.)) и (б) малым (0,0005 % (масс.)) содержанием азота

•■:. ■ . ■ ."У ;■■-. .. V . ч

20кУ Х1,000 Юрт 0156 12 54 ВЕС | 20кУ Х1.000 Юит 0151 12 53 ВЕС [

а б

Рис. 6. Равноосная (кубическая) морфология карбидов при содержании азота 0,0020 % (масс.) (а) и шрифтовая морфология при 0,0005 % (масс.) азота (б)

кристаллизации в расплаве нитриды титана, являясь подложкой для зарождения на них карбидов МС, облегчают более ранние условия их зарождения и способствуют их выделению в неблагоприятной ограненной форме. При низком содержании азота в сплаве (менее 0,0010 %) отсутствуют условия для образования ограненных карбидов МС.

Образующиеся в теле монокристаллов крупные карбиды нарушают монолитность монокристаллов и являются источником дополнительных напряжений, инициирующих зарождение трещин. Являясь очагом разрушения, крупные карбиды могут оказывать отрицательное влияние на усталостную прочность литейных жаропрочных сплавов. Кроме того, в данной работе установлено, что в монокристаллических отливках образуется микропористость, что также приводит к снижению свойств сплавов.

В образцах с содержанием азота 0,0020 % (масс.) объёмная доля пор выше, а количество карбидов меньше, чем в образце с содержанием азота 0,0005 % (масс.) Во всех образцах наблюдается неравномерное распределение количества карбидов и пор по высоте слитка. При этом в образцах с содержанием азота 0,0020 % (масс.) самая низкая пористость и самое высокое содержание карбидов наблюдаются в нижней части слитка, а в образце с содержанием азота 0,0005 % (масс.) наоборот.

На рентгеновской прямой полюсной фигуре (002) сплава ЖСЗО-ВИ с содержанием азота 0,0020 % (масс.) наблюдается большое количество блоков, основная часть блоков отклонена от направления роста <001> кристалла на 6°. Эта величина соответствует отклонению ориентировки Бейна от ориентировки Курдюмова-Закса согласно предложенной выше модели образования произвольных кристаллитов как цепочки реконструкций координационных полиэдров, тем самым предложеная выше модель подтверждается. Из данных рентгеноструктурного анализа следует также, что при увеличении содержания азота в материале увеличивается количество блоков при направленной кристаллизации.

Согласно выполненному фрактографическому исследованию изломов понижение содержания азота в сплаве приводит к увеличению его пластичности, что выражается в уменьшении доли излома, занятой разрушением по карбидной эвтектике, и увеличению доли пластичного ямочного рельефа. В образце с содержанием азота 0,0020 % (масс.) отмечено более высокое содержание пор в изломе, что способствует снижению времени до разрушения.

Во всех образцах (вне зависимости от содержания азота) как при испытаниях на длительную прочность, так и при испытаниях на ползучесть, проходят аналогичные процессы, типичные для литейных никелевых жаропрочных сплавов. В головках образцов происходит коагуляция частиц у'-фазы, частицы у'- фазы сохраняют кубическую форму. В рабочей части образцов происходит вытягивание и сращивание частиц у'- фазы (формирование рафт-структуры), образующиеся пластины ориентированы перпендикулярно оси приложенного напряжения. Изменений фазового состава сплава (в частности, карбидных превращений) как при содержании азота 0,0005 % (масс.), так и при

■ П

содержании азота 0,0020 % (масс.), не происходит. Характер ликвационной неоднородности остаётся прежним, не происходит полного выравнивания локального химического состава. Сплав ЖСЗО-ВИ при воздействии температуры и напряжения в изученном диапазоне остаётся структурно стабильным.

Пористость в образцах после испытаний на ползучесть по сравнению с исходным состоянием (после направленной кристаллизации) увеличивается от 0,01 до 0,03 % в образце с содержанием азота 0,0005 % (масс.), и от 0,02 до 0,04 % в образце с содержанием азота 0,0020 % (масс.). Снижение пластичности материала подтверждают данные анализа количества, площади, глубины, раскрытия вторичных трещин в зоне разрушения образцов с различным содержанием азота после испытаний на ползучесть: наибольшее количество трещин, которые также имеют максимальную глубину, площадь и раскрытие, наблюдается в образце с содержанием азота 0,0020 % (масс.), а минимальное - в образце с содержанием азота 0,0005 % (масс.)

При. испытаниях на малоцикловую усталость при 900°С и напряжении 785 МПа зарождение разрушения всех образцов, не зависимо от содержания азота -многоочаговое. Очагами зарождения трещин, как правило, являются поры, эвтектика, карбидные скопления и рекристаллизованные зёрна. Чем больше в материале подобных структурных составляющих, тем ниже долговечность образцов при циклическом нагружении. В исследованных образцах с повышением содержания азота пористость, ликвация легирующих элементов (а, следовательно, и объёмная доля эвтектической фазы) увеличивается, и, соответственно, долговечность образцов при циклическом нагружении снижается.

Таким образом, исследования эволюции структурно-фазового состояния в ходе получения монокр'исталлов и при одновременном воздействии температуры и напряжения показали, что сплав ЖСЗО-ВИ при снижении содержания в нём азота имеет более однородную стабильную структуру, обеспечивающую более высокую пластичность материала и увеличение его механических свойств. В главе 6 описаны результаты практической реализации работы.

Полученные в работе экспериментальные результаты были использованы при разработке основ опытно-промышленной технологии получения ультрачистых по азоту монокристаллических жаропрочных сплавов.

Технология включает следующие периоды плавки:

1. Расплавление шихтовых материалов, в том числе отходов, под вакуумом (1-5)-10"3 мм. рт. ст.

2. Дополнительное легирование расплава до оптимального состава.

3. Повышение температуры расплава до 1680 ± 10 °С и выдержка его при этой температуре в течение 10-15 минут (для плавильного тигля 20-25 кг)

4. Понижение температуры расплава до температуры разливки и слив его в изложницу.

Было проведено производственное опробование предложенной технологии. В условиях промышленного производства сплава ЖСЗО-ВИ в вакуумной индукционной печи ИСВ 0,6 с ёмкостью тигля 600 кг было выплавлено 5 плавок данного сплава. Учитывая ранее полученные 12

экспериментальные результаты, температуру никелевого расплава варьировали от 1620 до 1680 °С; с учетом масштабного фактора продолжительность термовременной обработки расплава составляла 35-40 минут.

Анализ результатов показал, что при заниженной температуре расплава (1620 - 1650 °С) содержание азота в металле было выше (0,0011-0,0013 %), чем при более высокой температуре расплава (1680 °С), когда в металле содержалось 0,0005 % азота.

Из металла всех выплавленных плавок в условиях моторостроительного завода были отлиты лопатки с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентировкой <001>. При содержании азота в металле менее 0,0010 %, отбраковка лопаток по макроструктуре незначительна; при содержании азота более 0,0010 %, то отмечалась повышенная отбраковка монокристаллических лопаток по макроструктуре (образование в них паразитных зёрен).

Статистические данные моторостроительного завода по количеству брака по макроструктуре лопаток из сплава ЖСЗО-ВИ, отлитых с монокристаллической структурой из металла с высоким и низким содержанием азота показали: при содержании в сплаве свыше 0,0010 % азота (фактически 0,014.- 0,027 %), брак лопаток составил свыше 80 %, в то,время как при низком содержании азота менее 0,0010 % (фактически 0,0006 - 0,0008 %) брак лопаток составил 15 %.

Микроструктуру образцов всех промышленных плавок исследовали на световом микроскопе. В образцах с высоким содержанием азота наблюдались карбидные и карбонитридные включения в виде частиц округлой и полиэдрической морфологии. Значительное их количество располагалось не в междендритных областях, а непосредственно в осях дендритов 2-го порядка. Это свидетельствует об их образовании одновременно с формированием дендритной матрицы основного твердого раствора или даже о том, что эти частицы выделялись из расплава как первичные.

В образцах с низким содержанием азота карбидные выделения имели вытянутую шрифтовую морфологию в виде иероглифического письма и располагались строго в междендритных областях. Выделений карбидов в осях дендритов не обнаружено.

Экспериментальные исследования и производственное опробование показали, что для обеспечения высокой технологичности сплава ЖС30-ВИ при получении монокристаллов с высоким выходом годного необходимо обеспечивать содержание азота в металле на уровне менее 0,0010 % (масс.)

При разработке во ФГУП «ВИАМ» технической документации на новые высокожаропрочные ренийсодержащие сплавы с монокристаллической структурой последнего поколения учтено обязательное требование по ограничению содержания азота:

- сплав ВЖМ4-ВИ ТУ 1-595-1-948-2006

- сплав ВЖМ5-ВИ ТУ 1-595-1-1073-2009

Полученные в работе результаты по снижению содержания азота при

высокотемпературной выдержке расплава были использованы при разработке технологии выплавки вышеуказанных сплавов. В условиях ФГУП «ВИАМ» в промышленной вакуумной индукционной печи емкостью 350 кг были изготовлены промышленные партии металла этих сплавов с содержанием в них азота менее 0,0010 % (фактически 0,0003 - 0,0006 %). Сплавы были поставлены на ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь, где были отлиты лопатки с монокристаллической структурой с высоким выходом годного (более 80%).

Основные выводы и результаты работы

1. Показано, что основной причиной брака и снижения эксплуатационных свойств лопаток газотурбинных двигателей из перспективных монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, является примесь азота, вызывающая появление "паразитных" зерен и микропористости.

Впервые установлены основные закономерности поведения примеси азота в жаропрочных никелевых сплавах на различных этапах плавки и отливки монокристаллических заготовок и выявлено неравномерное распределение азота при его повышенном содержании по высоте , отливок с монокристаллической структурой. Предельно допустимое содержание в сплаве азота, при котором подавляется образование паразитных зерен и формируются совершенные монокристаллы, установлено на уровне 0,0010 % (масс).

2. Установлено влияние содержания азота на морфологию карбидной фазы: при высоком содержании азота частицы карбидов имеют равноосную полиэдрическую форму, при низком содержании азота частицы карбидов имеют вытянутую форму (морфология типа иероглифического письма) и располгаются исключительно в междендритных областях. Выделений карбидов полиэдрической формы в осях дендритов не обнаружено.

3. Показано, что снижение содержания в монокристаллических сплавах азота до уровня менее 0,0010 % (масс.) наряду с устранением "паразитных" кристаллитов, снижением микропористости и изменением морфологии карбидной фазы сопровождается повышением механических свойств сплава: на 40 % повышается сопротивление ползучести, на 25 % увеличивается долговечность при испытаниях на длительную прочность, в 1,5 раза увеличивается число циклов до разрушения при испытании на малоцикловую усталость, на 20-50 % повышается пластичность при кратковременном разрыве.

4. Методами прямого структурного анализа (световая и электронная микроскопия, рентгенострукгурный и фрактографический анализы) установлено, что при увеличении в металле содержания азота от 0,0005 до 0,0020 % (масс.) в монокристаллах сплава ЖС30-ВИ увеличивается объемная доля пор, их количество и размеры, увеличивается количество блоков, более интенсивно идут карбидные реакции, увеличивается ликвация основных легирующих элементов, увеличиваются междендритные расстояния в структуре металла, увеличивается количество, площадь, глубина и раскрытие вторичных трещин в зоне разрушения образцов после испытаний на ползучесть.

5. Выполненные термодинамические расчеты позволили оценить фазовый состав расплава и закристаллизованного никелевого сплава ЖС30-ВИ, 14

определять наличие в нем нитридов титана и гафния, а также карбидов в условиях равновесия. Снижение количества азота до 0,0015 % полностью устраняет образование нитридов титана, но сохраняет некоторое количество нитридов гафния. При содержании азота в сплаве 0,0006-0,0007 % количество нитрида гафния составляет 0,04190 % (масс).

6. Предложена кристаллогеометрическая модель, объясняющая образование паразитных кристаллитов в монокристаллической заготовке никелевого жаропрочного сплава при повышенном содержании в нем азота. Модель основана на механизме двойникования-раздвойникования, предложенного ранее для мартенситного и перлитного превращений в сталях и подтверждена собственными и опубликованными данными по образованию нитридов в процессе азотирования сталей.

7. Экспериментальными и расчетными методами определены кинетические параметры удаления азота из расплава: зависимости скорости удаления азота от времени и температуры, преложены и статистически обоснованы регрессионные уравнения для этих зависимостей. Сформулированы практические рекомендации (температура, продолжитьельность обработки, степень вакуума), обеспечивающие достижение заданного уровня азота в сплаве.

8. На основании проведенных исследований разработана опытно-промышленная технология получения монокристаллических заготовок жаропрочных никелевых сплавах для монокристаллического литья лопаток газотурбинных двигателей, позволяющая повысить выход годного. Технология прошла промышленную проверку в условиях производства ОАО КМПО, г. Казань

9. Полученные в работе результаты по снижению содержания азота были использованы при разработке в ФГУП «ВИАМ» технологии выплавки новых перспективных высокожаропрочных ренийсодержащих сплавов ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ для монокристаллического литья. Промышленные партии металла этих плавок с содержанием азота менее 0,0010 % были поставлены на ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь.

Публикации по теме диссертации в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК

1. Каблов Д.Е., Сидоров В.В. Азот в монокристаллических жаропрочных сплавах / Электронное научно-техническое издание «Наука и образование». 77-30569/339556, февраль 2012 г. ш\у^ЬЯ:р:/Л:есЬпо1г^.ес1и.ги

2. Д.Е. Каблов. Исследование закономерностей поведения азота при получении монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ/ Д.Е. Каблов [и др.] // Электронное научно-техническое издание «Наука и образование». 77-30569/377117, апрель 2012 г. www.http://technomag.edu.ш

3. Каблов Д.Е., Симонов В.Н., Алиева А.Р. Термодинамический анализ фазового состояния азота при получении литейного жаропрочного сплава ЖСЗО-ВИ // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание, 77-30569/377160, апрель 2012. \¥ту.ЬИр:/Л:ес1тогг^.edu.ru

4. Сидоров В .В., Ригин, В.Е. Каблов Д.Е. Организация производства литых прутковых заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов // Литейное производство. 2011. №10. С. 2-5.

5. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов / Каблов E.H. [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Перспективные конструкционные материалы и технологии. М: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. С. 68-79.

Подписано к печати _ Заказ №

Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Текст работы Каблов, Дмитрий Евгеньевич, диссертация по теме Материаловедение (по отраслям)

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

(МГТУ им. Н.Э. Баумана) Федеральное Государственное Унитарное Предприятие ГНЦ «Всероссийский

Институт Авиационных Материалов»

(ФГУП «ВИАМ»)_

61 12-5/3927 На правах рукописи

Каблов Дмитрий Евгеньевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ АЗОТА ПРИ ПОЛУЧЕНИИ МОНОКРИСТАЛЛОВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ И ПОВЫШЕНИЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

05.16.09 - Материаловедение (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Герасимов Сергей Алексеевич

Москва-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 5

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ......................................... 10

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР........................................ 12

1.1.Влияние легирующих элементов на структуру и свойства литейных

жаропрочных никелевых сплав................................................... 12

1.1.1 .Легирующие элементы, участвующие в образовании упрочняющих фаз................................................................................. 14

1.1.2.Легирующие элементы, участвующие в упрочнении твердого раствора..............................................................................................................................................................16

1.1.3 .Легирующие элементы, уменьшающие скорость роста зерна....... 16

1.1 АСтруктурная стабильность и жаропрочность............................ 17

1.1.5.Конструирование сплава методами компьютерного

моделирования..................................................................... 22

1.2.Влияние примесей на структуру и свойства жаропрочных

сплавов........................................................................................................... 23

1.2.1 .Примеси легкоплавких элементов........................................ 23

1.2.2.Примеси кислорода и азота.................................................. 23

1.3.Роль РЗМ в обеспечении высокого качества сплавов и улучшения

их свойств.............................................................................. 30

1.4.Влияние метода выплавки на структуру и свойства жаропрочных

сплавов.................................................................................. 31

1.4.1 .Структура и свойства отливок с однонаправленной

монокристальной структурой...................................................... 36

1.4.2.Промышленное оборудование для высокоградиентного направленного и монокристального литья...................................... 47

1.5.Влияние термической обработки на структуру и свойства жаропрочных сплавов............................................................... 49

Выводы по главе 1

57

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ И

ИСПЫТАНИЙ........................................................................ 59

ГЛАВА 3. СПОСОБЫ РАФИНИРОВАНИЯ НИКЕЛЕВОГО РАСПЛАВА ОТ АЗОТА........................................................... 70

3.1.Термодинамический анализ влияния азота на фазовый состав и структуру монокристаллов из сплава ЖС30-ВИ............................... 70

3.1.1.Метод и алгоритм расчета равновесного

состава...................................................................................................... 75

3.1.2.Компьютерная программа «ТЕРРА» для моделирования фазовых

и химических равновесий при высоких температурах........................ 76

3.1.3.Расчет состава и количества нитридов в сплаве

ЖСЗО-ВИ..................................................................................................... 81

3.2.Экспериментальные исследования способов рафинирования расплава от азота...................................................................... 92

3.3.Исследование закономерностей распределения азота при получении монокристаллов и его влияние на их макроструктуру...... 96

3.4.Кристаллографический механизм образования двойников под влиянием азота при выращивании монокристаллов жаропрочных

никелевых сплавов.................................................................... 102

3.4.1.Полиморфное превращение как реконструкция координационных

полиэдров............................................................................... 102

3.4.2,Образование карбида (цементита) при распаде твердого раствора 113

3.4.3.Образование нитридов при азотировании стали........................ 118

Выводы по главе 3................................................................... 127

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ АЗОТА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЛАВА ЖСЗО-ВИ................................................. 129

4.1.Влияние азота на длительную прочность, высокотемпературная ползучесть и свойства при кратковременном разрыве монокристаллов сплава ЖСЗО-ВИ...................................................................... 129

4.2.Влияние азота на малоцикловую усталость монокристаллов сплава

ЖСЗО-ВИ и морфологию карбидов............................................. 134

Выводы по главе 4.................................................................. 139

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ АЗОТА

НА СТРУКТУНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ СПЛАВА ЖСЗО-ВИ... 140

5.1.Исследование структуры и локального состава сплава ЖСЗО-ВИ в литом состоянии и после термической обработки............................. 142

5.2.Исследование структуры и локального состава сплава ЖСЗО-ВИ после испытаний на кратковременный разрыв, длительную прочность, ползучесть и гладких образцов на малоцикловую усталость................ 151

5.3.Фрактографическое исследование образцов из сплава ЖСЗО-ВИ

после испытания на растяжение................................................... 153

5.4.Исследование структуры и локального состава образцов после испытаний на длительную прочность и ползучесть........................... 161

5.5.Фрактографическое исследование образцов из сплава ЖСЗО-ВИ,

испытанных на малоцикловую усталость....................................... 173

Выводы по главе 5.................................................................... 179

Разработка основ промышленных технологий получения ультрачистых

по азоту монокристаллических жаропрочных сплавов для лопаток ГТД

и реализация результатов работы.................................................. 181

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ................. 185

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................... 188

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость дальнейшего повышения температуры газа на входе в турбину высокого давления до 2000 - 2200 К (что на 300 - 400 К выше температуры газа на современных газотурбинных двигателях 4-го поколения) потребовало разработки в ВИАМе нового поколения жаропрочных сплавов с заданной монокристаллической структурой, что позволяет улучшить тактико-технические характеристики двигателей, их надежность и ресурс.

В настоящее время применение рабочих лопаток с монокристаллической структурой в перспективных ГТД является генеральной линией всех авиационных КБ, поскольку это направление является одним из эффективных способов повысить температуру газа в двигателе.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, получить высококачественные лопатки с бездефектной монокристаллической структурой возможно только при использовании для их отливки сплавов с ультранизким содержанием в них вредных примесей, в частности азота. Это обусловлено тем, что образующиеся при содержании этого элемента выше критического значения нитриды, карбонитриды выделяются внутри монокристалла и являются, с одной стороны, концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин, а с другой стороны, источником гетерогенного зарождения «паразитных» зерен. Нитриды и карбонитриды могут закрывать каналы дендритов и снижать жидкотекучесть последней порции жидкости, вызывая появление микропористости. Таким образом, эти включения существенно снижает выход годных лопаток, а также уровень и стабильность их эксплуатационных свойств.

Для решения этих проблем и совершенствования технологии получения лопаток из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов необходимо изучение условий и механизмов образования нитридов и карбонитридов и связанного с их появлением образования «паразитных» зерен.

Цель работы. Исследование закономерностей поведения азота при выплавке монокристаллических жаропрочных сплавов и разработка эффективных способов рафинирования никелевого расплава в условиях вакуумной индукционной плавки

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести термодинамический анализ и экспериментальные исследования по разработке эффективных способов получения монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов с ультранизким содержанием азота.

2. Разработать модель образования кристаллитов произвольной ориентировки в монокристаллической заготовке никелевого жаропрочного сплава при повышенном содержании в нем азота.

3. На основе результатов термодинамического анализа, разработанной модели и экспериментальных данных оптимизировать содержание в монокристаллическом жаропрочном никелевом сплаве примесей азота.

4. Опробовать результаты исследований при производстве опытных и промышленных партий монокристаллических жаропрочных сплавов.

Научная новизна

1. Методами термодинамического анализа установлено предельно допустимое содержание азота, не вызывающее появления «паразитных» зерен в монокристаллическом жаропрочном сплаве заданного химического состава.

2. Впервые изучено влияние азота на макро- и микроструктуру монокристаллов, их эксплуатационные характеристики и предложен механизм влияния азота на образование «паразитных» зерен на поверхности монокристаллов.

3. Проведена термодинамическая и кинетическая оценка закономерности поведения азота при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов.

Практическая ценность

1. Разработана опытно-промышленная технология высокотемпературного рафинирования в вакууме жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья лопаток ГТД, обеспечивающая получение в сплавах ультра

низкого содержания азота (менее 0,001%).

2. Определены источники поступления азота в сплавы на различных этапах плавки и отливки монокристаллических лопаток и с помощью термодинамического анализа и экспериментальных исследований найдены условия для максимально полного удаления азота из расплава в вакууме.

3. Результаты работы использованы при выплавке промышленных партий жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ, что позволило заметно повысить выход годных лопаток с монокристаллической структурой у потребителя (ОАО КМПО, г. Казань).

4. Полученные в работе результаты использованы также при разработке технологии выплавки высокожаропрочных ренийсодержащих сплавов ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ. Полупромышленные партии металла этих сплавов были поставлены на ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь.

На защиту выносятся:

1. Основные закономерности поведения примеси азота в жаропрочных никелевых сплавах на различных этапах плавки и отливки монокристаллических заготовок. Выявленное неравномерное распределение азота при его повышенном содержании по высоте отливок с монокристаллической структурой.

2. Установлена зависимость между содержанием примеси азота в жаропрочном никелевом сплаве и уровнем брака в получаемых отливках монокристаллических заготовок. Предельно допустимое содержание в сплаве азота (0,001%), при котором во время кристаллизации формируются совершенные не содержащие «паразитных» зерен монокристаллы с пониженным уровнем микропористости.

3. Установлена закономерность, заключающаяся в том, что при формировании монокристалла методом направленной кристаллизации сплава содержащего более азота 0,0010 % (масс.) в верхней части жидко-твердой зоны, где ещё не закончилось формирование дендритного каркаса растущего монокристалла, наблюдается образование дисперсных нитридов, являющихся зародышами будущих карбонитридов полиэдрической формы, являющихся в свою

очередь центрами зародышеобразования «паразитных» кристаллов. В образцах с содержанием азота менее 0,0010 % карбидные выделения имеют вытянутую шрифтовую морфологию в виде «китайских иероглифов», располагаются строго в междендритных областях и не являются зародышами «паразитных» зерен.

4. Модель образования «паразитных» зерен произвольной ориентировки в монокристаллической заготовке никелевого жаропрочного сплава при повышенном содержании в нем азота. Модель основана на механизме двойникова-ния-раздвойникования, предложенного ранее для мартенситного и перлитного превращений в сталях. Модель подтверждается кристаллогеометрическими характеристиками образования карбида хрома со структурой каменной соли при азотировании.

5. Показано, что при снижении в монокристаллических ЖНС содержания азота до 0,0010 % и менее: повышается сопротивление ползучести и долговечность при испытаниях на длительную прочность, в 1,5 раза увеличивается число циклов до разрушения при испытании на малоцикловую усталость, повышается пластичность при кратковременном разрыве.

6. Результаты термодинамических расчетов, показавших, что при снижении в ЖС30-ВИ количества азота до 0,0015% полностью устраняется образование нитридов титана, но сохраняется некоторое количество нитридов гафния. При содержании азота в сплаве 0,0006-0,0007 % количество нитрида гафния составляет 0,04 % (масс.).

7. Результаты расчета скорости деазотации при рафинировании расплава. Скорость возрастает с увеличением температуры и составляет 0,26 -10"4 г/(с-кг) при температуре 1680°С. Содержание азота во времени т уменьшается по зависимости:

Сн = 10"6- х2 - 0,0001- т +0,0051. Установлена экспоненциальная зависимость скорости деазотации от температуры рафинирования ^ имеющая вид:

¥= 3-10~13-ехр(0,0109-1;).

8. Режимы термовременной обработки никелевого расплава под вакуумом (1 - 5) • 10"3 мм. рт. ст., при температуре 1680 ± 10 °С и продолжительности от 10 до 40 минут, обеспечивающие максимальную очистку металла от азота. А также разработанную на основе этих режимов промышленную технологию высокотемпературного рафинирования в вакууме жаропрочных никелевых сплавах для монокристаллического литья лопаток ГТД

9. На основании проведенных исследований разработана опытно-промышленная технология высокотемпературного рафинирования в вакууме жаропрочных никелевых сплавах для монокристаллического литья лопаток ГТД (нагрев расплава до температуры г > 1680 °С), которая обеспечивает получение в сплаве ультранизкого содержания азота.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

К—равновесный коэффициент распределения,

С5 - концентрация растворенного компонента в твердой фазе,

С/ - концентрация растворенного компонента в жидкой фазе,

/а — массовая доля твердой фазы,

/¡- массовая доля жидкой фазы,

Кл - коэффициент ликвации,

Сод- концентрация компонента в оси дендрита,

Смо— концентрация компонента в межосном пространстве,

X - междендритное расстояние, мкм;

О - градиент температуры на фронте кристаллизации, °С/мм;

Я - скорость перемещения фронта кристаллизации, мм/мин;

X - расстояние между осями дендритов, мкм;

Р — скорость роста отливки, мм/мин;

Я - газовая постоянная, 8,314 Дж-моль^-К"1;

0о,2 - условный предел текучести, МПа;

67В - временное сопротивление разрыву, МПа;

а\ - предел длительной прочности, МПа;

ок - предел выносливости, МПа; НУ- твердость по Виккерсу; КСи - ударная вязкость, МДж/м ; 3 - относительное удлинение, %; у/ - относительное сужение, %; Е - модуль Юнга, ГПа; О - модуль сдвига, ГПа;

а - температурный коэффициент линейного расширения, "С"1; ак - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2- °С); Х- коэффициент теплопроводности, Дж-м^-с^-ТГ1; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-°С) ;

А О0- свободная энергии образования, Дж/моль т— время, с;

/ - температура в градусах Цельсия, °С;

Г - температура в градусах Кельвина, К;

Тпр - температура полного растворения у' - фазы, К.

Условные сокращения

ЖНС - жаропрочный никелевый сплав,

НК - направленная кристаллизация,

ЗГВ - зернограничные выделения,

ТПУ - топологически плотно упакованные фазы,

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия,

РСА - рентгеноструктурный анализ,

МРСА - микрорентгеноспектральный анализ,

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства литейных жаропрочных никелевых сплавов

Как следует из табл. 1, N1, имеющий решетку гранецентрированного куба, являются основным компонентом жаропрочных сплавов. Однако, многие из сплавов содержат от 5 до 10 легирующих элементов и их общее количество

может достигать 40 % [1, 2] .

Элементы, используемые для легирования никеля, приведены на рис. 1.1. Составы промышленных жаропрочных сплавов на никелевой основе приведены в табл. 1. Для реализации потенциальных возможностей монокристаллической структуры материала турбинной лопатки созданы специальные жаропрочные никелевые сплавы, содержащие до 15 легирующих и микролегирующих элементов, включая такие тугоплавкие элементы, как вольфрам, тантал, молибден, рений и относящийся к платиновой группе элемент рутений. Исследования показали, что одним из наиболее эффективных легирующих элементов является рений (рис. 1.3) [3,4,5,6]. Концентрация рения в монокристаллических ЖНС 2-го поколения достигает 2-4 % (масс.)., в сплавах 3-его поколения доведена до 56 % (масс.), (табл. 1).

Упрочнение границ зерен

Рис. 1.1. Классификация элементов в никелевом жаропрочном сплаве [6]

Таблица 1.

Составы промышленных жаропрочных сплавов на никелевой основе ,% (масс.)

Сплав Сг Со Мо Та Яе № А1 Т1 Ж С В У Ъх

Обыкновенные литейные сплавы

Маг-М246 8,3 10,0 0,7 10,0 3,0 — — 5,5 1,0 1,50 0,14 0,02 0,05

Яепе 80 14,0 9,5 4,0 4,0 — — — 3,0 5,0 — 0,17 0,02 — 0,05

Ш- 713ЬС 12,0 — 4,5 — — — 2,0 5,9 0,6 — 0,05 0,01 0,10

ЖС6У 9,0 9,8 1,5 10,3 — — 1,0 5,4 2,6 — 0,