Особенности структуры и свойства никелевого монокристаллического жаропрочного сплава, полученного в условиях переменного температурного градиента на фронте роста

Введение

В настоящее время большинство наиболее нагруженных деталей горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД) – охлаждаемые и неохлаждаемые рабочие лопатки – изготавливают методом направленной кристаллизации, обеспечивающим получение в отливках столбчатой или монокристаллической структуры [1, 2]. При их получении используют специально созданные многокомпонентные никелевые жаропрочные сплавы [3, 4], максимально легированные тугоплавкими элементами переходных металлов Mo, W, Ta, Re в количестве, ограниченном только предельной растворимостью в γ′-твердом растворе и равновесной с ним γ′-фазе.

Вследствие того, что лопатки ГТД имеют сложную геометрическую форму, их отливают в керамических формах, получаемых по выплавляемым моделям [1]. Промышленная технология направленной кристаллизации лопаток ГТД с монокристаллической структурой базируется на известном методе Бриджмена [5], в котором процесс направленной кристаллизации осуществляется перемещением керамической формы с расплавом жаропрочного сплава на водоохлаждаемом кристаллизаторе из зоны нагрева в зону охлаждения. Погружая керамическую форму в процессе кристаллизации в жидкометаллический охладитель [6] можно за счет конвективного охлаждения добиться существенного повышения скорости отвода тепла [7, 8]. Получение отливок с монокристаллической структурой происходит в условиях неравновесной кристаллизации, при этом формируется неоднородная по химическому составу дендритная структура, где наиболее развитые оси первого порядка формируются в направлении отвода тепла. Эта особенность дендритного роста связана с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) неупорядоченного никелевого γ-твердого раствора жаропрочного сплава. В структуре дендритов присутствуют различные по размеру и форме частицы упрочняющей γ′-фазы, выделения глобулярных частиц (γ-γ′)-эвтектики, закристаллизовавшейся в межосных участках, там же присутствуют поры, механизм образования которых обусловлен различием молярных объемов частиц жидкой и твердой фаз [8–10].

Ранее в работах [7, 8, 11] установлено, что повышение температурного градиента в условиях дендритного роста уменьшает размер жидко-твердой зоны перед фронтом кристаллизации, а это облегчает подпитку расплавом основания дендритов, содействует уменьшению размера дендритов, количества междендритных пор, а также уменьшению дендритной ликвации в жаропрочных сплавах.

Целью данной работы является детальное изучение влияния условий направленной кристаллизации (температурного градиента и скорости кристаллизации) на междендритное расстояние, размер частиц упрочняющей γ′-фазы в осях и межосных участках дендритов, объемную долю и размер пор, размер частиц эвтектической (γ /γ')-фазы, а также особенности дендритной ликвации монокристаллического литейного жаропрочного сплава.

Материалы и методы

В качестве объекта исследований выбран разработанный в ВИАМ ренийсодержащий малоуглеродистый сплав ВЖМ3 для монокристаллического литья, имеющий высокие жаропрочные свойства [3, 12].

Процесс направленной кристаллизации осуществляли на созданной в ВИАМ опытно-промышленной установке УВНС-5 с автоматизированной системой управления на базе промышленного компьютера [8–10]. Особенности технологии и конструкции теплового узла установки защищены патентами Российской Федерации. Тепловые условия процесса направленной кристаллизации оценивали с помощью вольфрам-рениевых термопар марки ВР-5/20, установленных на поверхности керамических форм. С их помощью графически строили кривые распределения температуры по высоте теплового узла установки в процессе направленной кристаллизации, а значения температурного градиента на фронте кристаллизации определяли на кривых, оценивая разницу температур между точкой с температурой ~1300°С (приблизительно температура солидус сплава) и температурой точки, лежащей выше на 1 см [13].

Структурные исследования осуществляли на поперечных шлифах монокристаллических образцов с кристаллографической ориентацией . Оценку микроструктуры проводили на оптическом микроскопе Leica, растровом электронном микроскопе JSM-6490LV в режимах SEL и BEC, а микрорентгеноспектральный анализ – на «Суперпроб-733».

Результаты

Исследование проводили на монокристаллических образцах из сплава ВЖМ3, полученных методом направленной кристаллизации при температурном градиенте G приблизительно: 20; 50; 100; 150 и 200°С/см и скорости кристаллизации R: 1; 5 и 10 мм/мин.

В результате анализа установлено, что во всех образцах сформирована характерная для никелевого жаропрочного монокристаллического сплава направленная дендритная структура, в которой оси дендритов ориентированы в направлении кристаллизации. Дендриты (рис. 1) представляют собой (γ-γ′)-твердый раствор, упрочненный частицами γ′-фазы, размер упрочняющей фазы в осях дендритов и на их периферии заметно различается, что обусловлено условиями кристаллизации (рис. 2). В междендритных областях расположены эвтектика γ-γ′ и карбиды, также видны литейные поры (рис. 3).

 Рис. 1. Характерная дендритная структура (×500) сплава ВЖМ3:

а – G≈20°С/см, R=5 мм/мин; б – G≈100°С/см, R≈1 мм/мин; в – G≈200°С/см, R≈10 мм/мин

Металлографические исследования* по определению междендритного расстояния (λ, мкм), проведенные на поперечных шлифах после травления, позволили установить (см. рис. 1), что с ростом температурного градиента (с G≈20°С/см до G≈200°С/см), при постоянной скорости кристаллизации R=5 мм/мин, размер междендритного расстояния уменьшается более чем в 2 раза – с λ=310 мкм до λ=130 мкм. Результаты этого исследования приведены на рис. 4, а. Аналогичная тенденция наблюдается и с ростом скорости кристаллизации (с R=1 мм/мин до R=10 мм/мин) при постоянных температурных градиентах: G≈100°С/см, G≈200°С/см соответственно (рис. 4, б).

Оценка размера частиц упрочняющей γ'-фазы в осях и межосном пространстве дендритов в зависимости от условий направленной кристаллизации (см. рис. 2) позволила установить, что повышение температурного градиента (с G≈20°С/см до G≈200°С/см) при постоянной скорости кристаллизации R=5 мм/мин, а также увеличение скорости кристаллизации (с R=1 мм/мин до R=10 мм/мин) приводит к уменьшению размера частиц γ' -фазы – с 0,6 до 0,2 мкм в осях дендритов и с 1,5 до 0,6 мкм в межосном пространстве (рис. 5, а, б).

* Металлографические исследования проводили с участием О.Б. Тимофеевой, В.Г. Колодочкиной, И.В. Исходжановой, М.А. Лаптевой.

Рис. 2. Характерная дендритная структура (×10000) сплава ВЖМ3:

а, в, д – ось дендрита; б, г, е – межосное пространство; а, б – G≈20°С/см, R=5 мм/мин;
 в, г – G≈100°С/см, R≈1 мм/мин; д, е – G≈200°С/см, R≈10 мм/мин

Рис. 3. Характерная дендритная структура (а, г, д – ×2000; б, е – ×2500; в – ×1500) сплава ВЖМ3:

а – (γ-γ′)-эвтектика и пора (G≈20°С/см, R=5 мм/мин); б – карбиды (G≈20°С/см, R=5 мм/мин); в – (γ-γ′)-эвтектика и пора (G≈100°С/см, R=1 мм/мин); г – карбиды (G≈100°С/см, R=1 мм/мин); д – (γ-γ′)-эвтектика (G≈200°С/см, R=5 мм/мин); е – карбиды (G≈200°С/см, R=5 мм/мин)

Рис. 4. Зависимость параметра междендритного расстояния λ от температурного градиента G (а) и от скорости кристаллизации (б) при температурном градиенте ~100 (- - -) и  ~200°С/см (—)

Рис. 5. Зависимость размера γ′-фазы в осях (●) и межосном пространстве (■) дендрита от значений температурного градиента G (а) и от скорости кристаллизации (б) при температурном градиенте ~100 и ~200°С/см

Установлено, что размер частиц γ-γ′ эвтектических выделений (см. рис. 3 а, в, д) в междендритных областях также зависит от условий кристаллизации. Повышение температурного градиента в диапазоне от G≈20°С/см до G≈200°С/см (при R=5 мм/мин) содействует уменьшению их размера с ~19 до ~7 мкм (рис. 6, а). Рост скорости кристаллизации с R≈1 мм/мин до R≈10 мм/мин (при G≈100°С/см и G≈200°С/см соответственно) также уменьшает размер выделений частиц (γ-γ′)-эвтектики (рис. 6, б).

Литейные поры наблюдаются в междендритных областях вблизи выделений частиц (γ-γ′)-эвтектических фаз (см. рис. 3, а, в), и повышение температурного градиента в указанном выше диапазоне способствует уменьшению их размера (с ~16 до ~5 мкм), а также уменьшению их объемной доли – с V≈0,12% до V≈0,013% (рис. 7, а). Размер пор и их объемная доля (рис. 7, б) также уменьшаются и с ростом скорости кристаллизации.

Выделения карбидной фазы концентрируются в междендритном пространстве в виде скоплений пластин (см. рис. 3), называемых «китайскими иероглифами» [1]. Можно заметить, что с повышением температурного градиента и скорости кристаллизации размер пластин и их толщина уменьшаются (см. рис. 3, б, г, е).

 Рис. 6. Зависимость размера частиц (γ-γ′)-эвтектики от значений температурного градиента G (а) и от скорости кристаллизации (б) при температурном градиенте ~100 (- - -) и ~200°С/см (—)

Рис. 7. Зависимость объемной доли пор от значений температурного градиента G (а) и от скорости кристаллизации (б) при температурном градиенте ~100 (- - -) и ~200°С/см (—)

С помощью микрорентгеноспектрального анализа оценивали коэффициенты дендритной ликвации в зависимости от условий кристаллизации. В результате установлено, что оси дендритов обогащены W, Re, межосные области содержат преимущественно Al, Mo, Cr, Ta (табл. 1).

Таблица 1

Зависимость коэффициента ликвации элементов сплава ВЖМ3 с монокристаллической

структурой от температурного градиента

Примечание. Коэффициент ликвации элементов определяли по формуле K_л=С_о.д/С_м.д, где С_о.д и С_м.д – концентрация легирующего элемента в оси дендрита и межосном пространстве соответственно.

Повышение температурного градиента уменьшает неоднородность химического состава, вызванную дендритной ликвацией, что особенно важно для современных монокристаллических сплавов с повышенным содержанием тугоплавких элементов (W, Re), имеющих малую диффузионную подвижность в никелевом твердом растворе. Можно заметить, что коэффициент дендритной ликвации тугоплавких элементов (W и Re) с повышением температурного градиента уменьшается с 2,1 (при G≈20°С/см) до 1,7 (при G≈200°С/см). Частицы (γ-γ′)-эвтектики в большей степени обогащены Al и Ta.

Оценка химического состава карбидной фазы, проведенная методом микрорентгеноспектрального анализа (табл. 2), показала, что карбидная фаза наряду с углеродом содержит значительное количество тантала, это позволяет предположить, что эта фаза – на основе карбида тантала.

Таблица 2

Локальный химический анализ состава карбидной фазы в зависимости

от температурного градиента

Механические свойства жаропрочных никелевых монокристаллических сплавов во многом определяются их химическим составом и характером структуры, в том числе размером дендритных составляющих, формой и размером частиц упрочняющей γ′-фазы, количеством      (γ-γ′)-эвтектики, размером и количеством пор. В настоящее время для выравнивания химического состава монокристаллических сплавов за счет уменьшения дендритной ликвации, растворения частиц (γ-γ′)-эвтектики, а также оптимизации размера и формы частиц упрочняющей     γ′-фазы – используют длительную по времени высокотемпературную гомогенизацию (при температуре ~1300°С, продолжительности >40 ч) с последующим многостадийным старением и охлаждением с заданной скоростью. Растворение частиц (γ-γ′)-эвтектики сопровождается значительным увеличением объемной доли и количества пор, и для их уменьшения дополнительно используют дорогостоящую и трудоемкую технологию газостатического прессования (ГИП).

Рис. 8. Кратковременные свойства (средние значения при температуре 20°С) образцов из сплава ВЖМ-3 в зависимости от температурного градиента G

Результаты оценки кратковременной (при температуре 20°С) и длительной прочности (времени до разрушения при 1100°С и нагрузке σ=120 МПа), проведенной на монокристаллических образцах из сплава ВЖМ3 в литом состоянии, приведены в на рис. 8 и 9.

 Рис. 9. Длительная прочность τ_р (средние значения при температуре 1100°С) образцов из сплава

ВЖМ3 в зависимости от температурного градиента G

Результаты испытаний свидетельствуют, что при повышении температурного градиента отмечается рост кратковременной прочности, а также времени до разрушения при испытании на жаропрочность.

Результаты проведенных исследований показывают, что, управляя температурным градиентом и скоростью направленной кристаллизации, можно сформировать литую монокристаллическую структуру с наиболее оптимальным размером фазовых составляющих, меньшей дендритной ликвацией и пористостью, что обеспечит более высокий уровень свойств жаропрочных сплавов.

Обсуждение и заключения

Установлено, что с ростом температурного градиента (с G≈20°С/см до G≈200°С/см) формируется более однородная структура с меньшими междендритным расстоянием (в ~2 раза) и размером упрочняющей γ′-фазы в осях и междендритном пространстве (в ~2 раза), меньшим размером выделений частиц (γ-γ′)-эвтектики (~2 раза), меньшими размером и объемной долей литейных пор (в ~10 раз). Аналогичные результаты получили и при росте скорости кристаллизации с R=1 мм/мин до R=10 мм/мин.

Повышение температурного градиента содействует росту значений кратковременных свойств и увеличению времени до разрушения при испытании на жаропрочность образцов из сплава ВЖМ3 в литом состоянии.