автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему: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

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,