Усовершенствование состава и структуры литейного жаропрочного никелевого сплава с малой плотностью

Введение

В настоящее время в промышленности для литья поликристаллических лопаток газотурбинных двигателей используется несколько марок жаропрочных никелевых сплавов с малой плотностью (d<8,2 г/см³): отечественные сплавы ВЖЛ12У, ВЖЛ12Э, ЖС6К и зарубежные сплавы IN-100, IN-731, IN-713LC и др. [1–3]. Сплавы данного типа имеют традиционную многокомпонентную систему легирования (табл. 1) и гетерофазную микроструктуру, представляющую собой никелевый γ-твердый раствор, упрочненный частицами γ'-фазы на основе интерметаллического соединения Ni₃Al в количестве 50–60% (по массе) и монокарбидами (МеС) на основе титана, ниобия или тантала в количестве 1,5–2% (по массе). Для упрочнения границ зерен в сплавы введены микродобавки бора и циркония. Некоторые свойства литейных поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов с малой плотностью приведены в табл. 2 [1–5].

Таблица 1

Химический состав литейных поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов

Таблица 2

Свойства литейных поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов

равноосной кристаллизации

Проблема повышения характеристик жаропрочности этого класса материалов, как правило, решается двумя путями: применением направленной кристаллизации и совершенствованием химического состава сплавов с учетом особенностей формирования структуры при направленной кристаллизации отливок.

С точки зрения сопротивления высокотемпературной ползучести наиболее слабыми элементами структуры жаропрочных никелевых сплавов равноосной кристаллизации являются границы зерен. Разрушение в процессе высокотемпературной ползучести сплавов с такой структурой происходит по межзеренным границам, ориентированным перпендикулярно действующему растягивающему напряжению [6]. Именно это обстоятельство позволило сделать вывод о возможности значительного повышения длительной прочности жаропрочных сплавов благодаря «удалению» из структуры материала отливок поперечных составляющих границ зерен или их полному исключению [2]. Данная цель достигнута с использованием технологии направленной кристаллизации, позволившей сформировать в отливках из жаропрочных никелевых сплавов структуру, состоящую из столбчатых зерен, границы которых ориентированы вдоль направления действия растягивающих напряжений в лопатках, и тем самым повысить их служебные характеристики [7–9].

Вначале для направленной кристаллизации использовали жаропрочные никелевые сплавы с традиционной системой легирования, разработанные для литья лопаток с равноосной структурой зерен с небольшой корректировкой химического состава, связанной с дополнительным введением гафния (Hf), – сплавы марок IN-713+Hf, MAR-M200+Hf, ЖС6Ф и др. [2, 10]. Назначение гафния – устранение пластинчатой формы монокарбидов, подавление карбидных реакций типа γ=>γ'+Ме₂₃С₆/Mе₆C по границам столбчатых зерен и предотвращение зернограничного проскальзывания при охлаждении после кристаллизации отливок сложной формы [11].

С дальнейшим развитием технологии направленной кристаллизации стало возможным получение отливок с монокристаллической структурой заданной кристаллографической ориентации [8, 12–16]. Результаты исследований механических свойств отливок монокристаллов из жаропрочных сплавов с традиционной системой легирования показали, что их прочностные характеристики почти не отличаются от характеристик прочности отливок со столбчатой структурой зерен [10–13]. К материалам, из которых изготавливают лопатки газовых турбин с направленной (столбчатой) структурой зерен и монокристаллической структурой, относятся жаропрочные никелевые сплавы марок ЖС26, ЖС26У, ЖС32 [1, 4, 17, 18], MAR-M200+Hf, MAR-M247 [2, 5] и др. Свойства некоторых из этих сплавов приведены в табл. 3.

Отсутствие в монокристаллах большеугловых границ зерен позволило исключить из состава сплавов легирующие элементы – упрочнители границ зерен (C, B, Zr и Hf), значительно повысить прочностные характеристики монокристаллов и в результате разработать несколько поколений жаропрочных никелевых сплавов специально для литья монокристаллических лопаток газовых турбин [19–26]. Монокристаллические сплавы первого поколения содержат традиционный комплекс легирующих элементов: Al, Ti, Cr, Mo, W, Co, Ta и Nb. В состав жаропрочных сплавов второго и третьего поколений вводят легирующий элемент рений (Re) в количестве 2–4 и 5–6% (по массе) соответственно. К четвертому и пятому поколениям относятся ренийсодержащие жаропрочные никелевые сплавы, дополнительно легированные рутением (Ru) в количестве 2–6% (по массе). Рений относится к остродефицитным и дорогостоящим металлам – увеличение его содержания в жаропрочных сплавах приводит к резкому возрастанию их плотности и стоимости. Поэтому большое внимание уделяется разработке экономнолегированных рением монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов [27, 28]. Одной из важнейших задач создания такого типа сплавов является снижение их плотности [29]. Из достижений в этой области следует отметить создание безуглеродистых монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов марок ВЖМ7 [30–32], LEK94 [33] и LDS-1101 [34]. Их химический состав и физико-механические свойства приведены в табл. 4 и 5. Как следует из данных, представленных в табл. 5, рассматриваемые сплавы имеют достаточно высокие показатели длительной прочности. Однако недостатком сплавов этого класса является их высокая стоимость вследствие наличия в составе дорогостоящего элемента Re.

Таблица 3

Свойства жаропрочных никелевых сплавов направленной кристаллизации

Таблица 4

Химический состав монокристаллических жаропрочных

никелевых сплавов с малой плотностью

Таблица 5

Физико-механические свойства монокристаллических жаропрочных

никелевых сплавов с малой плотностью [31]

Сплав	Плотность d, г/см3	ТSolv	TS	TL	Длительная прочность, МПа
		°C			при продолжительности испытания τ, ч
					100	1000	100	1000
ВЖМ7	8,39	1279	1323	1367	430	290	220	140
LEK94	8,27	1303	1345	1406	410	265	200	130
LDS-1101	8,57	1310	1330	1411	420	300	240	150
Примечание:ТSolv – температура полного растворения γ′-фазы в матричном γ-твердом растворе (γ'-солвус); TS – температура солидус; TL – температура ликвидус.

Известно, что при литье монокристаллических лопаток газовых турбин трудно избежать образования такого ростового дефекта структуры, как малоугловые субзерна [35]. Особенно это относится к литью большеразмерных лопаток. Поэтому важной задачей является разработка сплавов пониженной плотности специального легирования для литья монокристаллических большеразмерных лопаток газовых турбин. С целью упрочнения неизбежно присутствующих в структуре отливок таких лопаток малоугловых границ полезно легировать сплавы небольшими добавками углерода (до 0,05% (по массе)) и бора (до 0,005% (по массе)) [36, 37].

Цель данной работы (часть 1) – экспериментальное исследование долговечности при испытании на длительную прочность поликристаллических литейных жаропрочных никелевых сплавов типа ВЖЛ12У с переменным содержанием легирующих элементов (W, Mo, Cr, Co, Ti, Nb, Hf и С), построение концентрационных регрессионных моделей долговечности и выбор системы легирования для конструирования литейного жаропрочного никелевого сплава малой плотности (не более 8,1 кг/см³) с повышенными прочностными характеристикам для производства лопаток газовых турбин со столбчатой структурой зерен и монокристаллической структурой (о сконструированном сплаве – в части 2 данной статьи).

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 9.1. «Разработка с применением математического (компьютерного) моделирования новых составов монокристаллических жаропрочных сплавов с повышенной удельной жаропрочностью» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» [38]).

Материалы и методы

Для экспериментальных исследований с целью получения регрессионных концентрационных моделей долговечности в вакуумной индукционной печи выплавлены две группы никелевых сплавов типа ВЖЛ12У системы легирования Ni‒Al‒Cr–Mo‒W‒Co‒Ti‒Nb‒Hf‒V‒С (сплавы содержали также небольшие добавки Zr, B, Ce и La): первая группа – это сплавы с переменным содержанием легирующих элементов W, Mo, Cr и Co, а вторая – с переменным содержанием таких легирующих элементов, как Ti, Nb, Hf и C. Следует отметить, что одной из причин использования гафния в качестве легирующего элемента исследуемых сплавов является его известная способность уменьшать температурный интервал кристаллизации литейных жаропрочных никелевых сплавов и тем самым улучшать технологичность при литье лопаток газовых турбин [39]. После повторного вакуумного переплава из выплавленных сплавов методом равноосной кристаллизации отливали цилиндрические заготовки (диаметром 16 мм и длиной 70 мм) с равноосной структурой зерен, из которых изготавливали образцы для испытаний на длительную прочность.

Концентрации переменных легирующих элементов (переменные факторы) в сплавах задавали в соответствии с матрицей плана эксперимента индекса B₄ [40], первые 16 строк которого являются опытами плана полного факторного эксперимента (ПФЭ) второго порядка типа 2ⁿ, где n – количество переменных факторов. Их содержание варьировали в следующих пределах, % (по массе): 1,0 и 3,0 – для W; 1,2 и 2,6 – для Mo; 7,0 и 9,0 – для Cr; 10,0 и 13,5 – для Co; 3,5 и 4,5 – для Ti; 1,0 и 3,0 – для Nb; 0,4 и 1,2 – для Hf и 0,1 и 0,2 – для C.

В табл. 6 и 7 представлены матрицы планов экспериментов индекса B₄ с расчетным содержанием переменных легирующих элементов.

Таблица 6

Матрица плана и долговечность экспериментальных сплавов типа ВЖЛ12У

с поликристаллической равноосной структурой, содержащих W, Mo, Cr и Co

Испытания литых поликристаллических образцов (с длиной рабочей части 25 мм и диаметром 5 мм) на длительную прочность проводили в соответствии с ГОСТ 10145–81 при температуре 975 °С и напряжении 200 МПа с определением времени до разрушения (долговечности).

Обработку данных, полученных по результатам испытаний на длительную прочность, выполняли методом множественной линейной регрессии с элементами парных взаимодействий и квадратичных членов на основе уравнения вида

                                         (1)

где функция откликаy_k соответствует долговечности; b₀, b_i, b_ij и b_ii – коэффициенты регрессии; ,  – концентрации i-го и j-го элементов в сплаве.

Таблица 7

Матрица плана и долговечность экспериментальных сплавов типа ВЖЛ12У

с поликристаллической равноосной структурой, содержащих Ti, Nb, Hf и C

Температуры фазовых превращений в сплавах, к которым относятся температуры полного растворения γ'-фазы в матричном γ-твердом растворе (γ'-солвус), плавления эвтектики γ+γ', солидус и начала кристаллизации, определяли методом дифференциального термического анализа на установке ВДТА-8М (образцы диаметром 7 и длиной 7 мм нагревали с постоянной скоростью 20 °С/мин в атмосфере гелия).

Результаты и обсуждение

Концентрационная зависимость долговечности

В табл. 6 и 7 приведены полученные экспериментальные значения долговечности поликристаллических образцов всех сплавов типа ВЖЛ12У с равноосной структурой (усредненные по 3 образцам каждого сплава) при испытании на длительную прочность при температуре 975 °С и напряжении 200 МПа, а также дисперсии воспроизводимости средних значений долговечности образцов этих сплавов для всех опытов В₄.

В результате статистической обработки экспериментальных данных получены концентрационные зависимости долговечности сплавов типа ВЖЛ12У с равноосной структурой в виде следующих регрессионных уравнений (моделей):

где  ‒ долговечность (время до разрушения) при испытании на длительную прочность при температуре 975 °С и напряжении 200 МПа; X_i ‒ концентрации i-элементов (W, Mo, Cr, Co, Ti, Nb, Hf и C), % (по массе). Среднеквадратические отклонения Š экспериментальных значений долговечности от вычисленных по моделям (2) и (3) составляют 6,7 и 7,7 ч соответственно.

Из модели (2) следует, что вольфрам и молибден во всей исследованной области концентраций оказывают положительное влияние на долговечность сплавов типа ВЖЛ12У. Вольфрам и молибден являются эффективными γ-стабилизирующими элементами, их коэффициенты распределения между γ'- и γ-фазами <1. Следовательно, повышенная концентрация вольфрама и молибдена в γ-твердом растворе приводит к более значительному увеличению периода кристаллической решетки γ-фазы, чем γ'-фазы. Соответственно, повышается γ/γ'-мисфит, который является важным структурным параметром, поскольку определяет эффективность дисперсионного упрочнения жаропрочных никелевых сплавов, а также термическую стабильность γ/γ'-микроструктуры при высоких температурах. Установлено, что чем больше абсолютная величина мисфита (период решетки γ-фазы больше периода решетки γ'-фазы), тем более высокое сопротивление высокотемпературной ползучести, оказываемое литейными жаропрочными никелевыми сплавами [41].

Следует отметить важные особенности влияния хрома и кобальта на долговечность сплавов типа ВЖЛ12У. Во-первых, согласно прогнозным оценкам по модели (2), положительный эффект легирования вольфрамом уменьшается при увеличении содержания хрома в сплаве. Во-вторых, при концентрациях хрома в сплаве >8% (по массе) влияние хрома на долговечность исследованных сплавов становится отрицательным (кривая 1*, рис. 1). Уменьшение долговечности сплавов типа ВЖЛ12У с повышенным содержанием хрома, по-видимому, обусловлено изменением соотношения объемных долей γ′- и γ-фаз в сторону увеличения доли γ-фазы из-за частичного растворения γ′-фазы, а также уменьшением степени упорядоченности структуры γ′-фазы [42].

Влияние кобальта на долговечность сплавов типа ВЖЛ12У также неоднозначно. Минимальные значения долговечности показывают сплавы при содержании кобальта, равном 11–12% (по массе) (кривая 2, рис. 1). При более низком или более высоком содержании кобальта в сплаве его долговечность возрастает. Закономерность влияния кобальта на долговечность может быть объяснена его сложным воздействием на структурно-фазовое состояние многокомпонентных жаропрочных сплавов, содержащих значительную долю (55–60 % (по массе)) γ'-фазы [42], к которым относятся сплавы типа ВЖЛ12У. Кобальт, как и хром, является γ-стабилизирующим элементом – его бóльшая часть растворена в γ-твердом растворе, остальная часть входит в состав γ'-фазы,

* Здесь и далее при расчетах по моделям (2) и (3) концентрации других легирующих элементов задавали равными их средним значениям в сплаве марки ВЖЛ12У.

замещая собой никель; при этом не изменяются ни количество γ'-фазы, ни содержание в

ней остальных элементов. Однако введение в многокомпонентные жаропрочные сплавы кобальта в количестве до 8–10% (по массе) понижает температуру полного растворения γ′-фазы, характеризующую термическую стабильность γ/γ'-микроструктуры сплавов [43] и, следовательно, их долговечность. В то же время при увеличении содержания кобальта до 15% (по массе) количество γ'-фазы в сплаве возрастает до 67% (по массе) [44], что способствует возрастанию долговечности сплава.

Рис. 1. Влияние хрома (1) и кобальта (2) на долговечность сплавов типа ВЖЛ12У при температуре 975 °С и напряжении 200 МПа при расчете по модели (2)

Анализ регрессионной модели (3) и зависимостей, построенных на ее основе и представленных на рис. 2, показывает, что при увеличении содержания легирующих элементов Ti, Nb и C в пределах исследованной области концентраций долговечность сплавов типа ВЖЛ12У уменьшается, а повышение содержания Hf приводит к увеличению долговечности сплавов этого типа.

Рис. 2. Уровни долговечности (τ) сплавов типа ВЖЛ12У при температуре 975 °С и напряжении 200 МПа в зависимости от содержания ниобия и титана (а), а также ниобия и гафния (б) при расчете по модели (3)

Эффект положительного влияния гафния на долговечность исследованных сплавов, по-видимому, обусловлен изменением пластинчатой морфологической формы частиц МеС на основе титана и ниобия [(Ti, Nb)C] в результате образования глобулярных частиц более стабильного монокарбида – на основе титана, ниобия и гафния [(Ti, Nb, Hf)C]. В результате характеристики пластичности сплавов с гафнием повышаются, способствуя увеличению их долговечности. Кроме того, увеличению долговечности также способствует (будет показано далее) более высокая температура полного растворения γ'-фазы в сплавах с добавками гафния.

Можно полагать, что установленное снижение долговечности сплавов с повышением содержания титана и ниобия, очевидно, связано с наличием в их структуре, как это видно на рис. 3, значительного количества крупных эвтектических выделений γ'-фазы, отрицательно влияющих на жаропрочные свойства никелевых сплавов [45].

Рис. 3. Неравновесные выделения эвтектики γ+γ' в сплавах типа ВЖЛ12У с различным содержанием титана и ниобия, % (по массе): 3,5 Ti и 1,0 Nb (а); 4,5 Ti и 3,0 Nb (б)

Фазовые превращения в сплавах с гафнием

Результаты дифференциального термического анализа исследуемых сплавов типа ВЖЛ12У с различным содержанием гафния представлены на рис. 4.

Рис. 4. Влияние гафния на температуры полного растворения γ'-фазы (1; солвус γ'), плавления эвтектики γ+γ' (2), солидус (3) и начала кристаллизации (4) жаропрочных сплавов типа ВЖЛ12У

Как следует из данных, представленных на рис. 4, в пределах исследованных концентраций гафний существенно повышает температуру γ'-солвус (T_Solv) и незначительно понижает температуры солидус (T_S) и начала кристаллизации (Т_н.кр) сплавов типа ВЖЛ12У. Температура плавления эвтектики γ+γ' (Т_эвт) и температурный интервал кристаллизации (ΔТ=Т_н.кр-T_S) не зависят от содержания гафния в исследованных сплавах. Однако такой важный технологический параметр, как температурный интервал термообработки на твердый раствор ΔТ_ТО=(Т_эвт-T_Solv) («окно» термообработки), при увеличении концентрации гафния существенным образом уменьшается. Следовательно, технологически обеспечить проведение гомогенизации γ-твердого раствора сплавов типа ВЖЛ12У с гафнием без риска оплавления
не представляется возможным.

Заключения

На основе результатов экспериментальных исследований построены регрессионные концентрационные модели долговечности  литейных жаропрочных никелевых сплавов типа ВЖЛ12У с равноосной структурой системы легирования Ni‒Al‒Cr‒Mo‒W–Co‒Ti‒Nb‒Hf‒V‒С.

Долговечность сплавов типа ВЖЛ12У при температуре 975 °С и напряжении 200 МПа повышается при увеличении содержания W, Mo, Hf и понижается при увеличении содержания Ti, Nb, C в исследованной области концентраций элементов. Положительный эффект легирования вольфрамом снижается при повышенном содержании в сплаве хрома. При содержании хрома в сплаве >8% (по массе) долговечность уменьшается.

Легирование сплавов типа ВЖЛ12У гафнием приводит к повышению температуры γ'-солвус и снижению температур солидус и начала кристаллизации. Температура плавления эвтектики γ+γ' и температурный интервал кристаллизации не зависят от содержания гафния в исследованных сплавах.

Для достижения максимально высокого уровня характеристик длительной прочности и приемлемой технологичности при термической обработке поиск состава литейного жаропрочного никелевого сплава с малой плотностью для лопаток газовых турбин со столбчатой и монокристаллической структурой следует проводить в системе легирования Ni–Al–Cr–Mo–W–Co–Ti–Nb–V–С.