ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 2, с. 210-218
ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.2471:539.538
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ДВУХ НИКЕЛЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ПОСЛЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2015 г. Д. И. Давыдов, Н. И. Виноградова, Н. В. Казанцева, Н. Н. Степанова
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: snn@imp.uran.ru Поступила в редакцию 30.04.2014 г.; в окончательном варианте — 10.08.2014 г.
Проведено исследование структурного состояния турбинных лопаток из двух промышленных никелевых жаропрочных сплавов после эксплуатации по экспериментальному режиму с повышенным уровнем рабочих температур и напряжений. Оба сплава содержат 40% упрочняющей интерметал-лидной фазы и имеют верхний предел рабочих температур 900°C, но различаются по устойчивости к высокотемпературной деформации.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, высокотемпературная деформация, дефекты структуры, турбинная лопатка.
DOI: 10.7868/S0015323015020059
Никелевые жаропрочные сплавы применяются для изготовления рабочих лопаток, наиболее термонагруженных деталей стационарных газотурбинных установок (ГТУ). В данной работе рассмотрены два из них: сплавы ЭП-800 и ЧС-70В [1—4]. Основными фазами таких сплавов являются твердый раствор на основе никеля и упрочняющая фаза на основе интерметаллида №3А со сверхструктурой типа Ь12 (у'-фаза), кроме того присутствуют карбиды (МеС и Ме23С6), которые выделяются на границах и внутри зерен в виде включений. Оба этих сплава содержат 40% у '-фазы и имеют верхний предел рабочих температур 900°С.
В настоящее время в энергетике активно предпринимаются попытки повышения мощности ГТУ, что достигается повышением рабочих температур и напряжений [5]. В стандартном режиме рабочие лопатки никогда не эксплуатируются на верхнем пределе рабочего интервала температур сплава, из которого они изготовлены. До предела должен оставаться запас в 50—100°С, обеспечивающий структурную стабильность сплава в случае неконтролируемого повышения температуры. При работе в стандартном режиме (800°С) время эксплуатации лопаток составляло 27000 ч. Экспериментальный режим при повышенной мощности турбины ставит материал лопаток в экстремальные условия по уровню рабочих температур и напряже-
ний, что существенно сокращает время эксплуатации лопаток.
Целью данной работы было исследование и сравнение структурного состояния турбинных лопаток из сплавов ЭП-800 и ЧС-70В после длительной эксплуатации по экспериментальному режиму.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на образцах, вырезанных из разных участков поликристаллических лопаток из двух промышленных жаропрочных никелевых сплавов после эксплуатации по экспериментальному режиму: рабочая температура была повышена от 800°С до 880°С, скорость вращения увеличена в 1.7 раза по сравнению со стандартным режимом. Наработка для всех лопаток составляла 9000 ч (12 месяцев). Состав исследованных сплавов, определенный методами аналитической химии, приведен в табл. 1. Он соответствует составу сплавов ЧС-70В и ЭП-800 по ТУ 14-1-3658-83 и ТУ 14-1-1769-76.
Исследования структуры проведены с помощью оптического микроскопа НЕОФОТ-3, а также в отделе электронной микроскопии Испытательного центра нанотехнологий и перспективных материалов ИФМ УрО РАН с использованием просвечива-
Таблица 1. Химический состав исследованных сплавов, основа — никель (мас. %)
№ сплав Cr W Mo Co Al Nb C Ti В Fe
I ЭП-800 12.5 5.0 6.0 9.0 4.5 2.0 <0.05 - - <1
II ЧС-70В 14.4 5.6 3.5 10.6 3.5 0.25 0.10 4.4 0.35 <1
Рис. 1. Полосы деформации в спинке пера лопатки из сплава I.
ющего электронного микроскопа JEM-200CX и сканирующего микроскопа PHILIPS SEM-515 с энергодисперсионным спектрометром EDAX для элементного анализа. Рентгеноструктурный анализ был выполнен с помощью рентгеновского дифрак-тометра ДРОН-3, излучение Cu^a, использован структурный рефлекс (400). Точность определения параметра решетки ±0.00005 нм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе эксплуатации лопатки подвергаются сложным видам нагружения. Под действием центробежных сил в поверхностном слое пера лопатки создаются переменные растягивающие напряжения и возникают значительные вибрационные нагрузки [6]. Градиент температур создает температурное поле напряжений по всему профилю лопатки. В центральной части пера уровень напряжений существенно ниже. При электронно-микроскопических исследованиях в различных участках попе-
речного среза пера выявляются зоны с разными структурными особенностями.
Рассмотрим структурное состояние лопатки из сплава I. Во всех участках пера лопатки после эксплуатации по экспериментальному режиму наблюдается полосовая дислокационная структура в сочетании со свободными от дислокаций областями (рис. 1). В спинке (выпуклая часть пера) и в вогнутой части пера полосы скольжения более многочисленны.
В центральной части пера полосы присутствуют, но их существенно меньше. Основная часть дислокаций сосредоточена в участках твердого раствора, что подтверждается темнопольными изображениями в рефлексе у'-фазы: частицы интерметаллида свободны от дефектов (рис. 2а). Частицы упрочняющей интерметаллидной у'-фазы в основном сохраняют свою кубоидную морфологию и остаются когерентными с никелевым у-твердым раствором. На светлопольных изображениях на границе у—у' наблюдается полосчатый 8-контраст (рис. 2б). В центральной части пера кубоиды у'-фазы более регулярные по расположению и размерам (250 нм), что говорит о меньшем уровне напряжений по сравнению со спинкой пера.
В спинке пера заметны процессы коагуляции. Размер кубоидов в этой части лопатки увеличен в среднем до 400 нм, распределение частиц у'-фазы бимодальное (при определении размеров не учитывали дисперсные частицы у'-фазы, выделившиеся при охлаждении лопатки от рабочей температуры до комнатной). Интерметаллидная фаза в этой части пера более активно участвует в процессе деформации. Внутри кубоидов видны дислокации, отдельные частицы подверглись фрагментации (рис. 3).
Структурной особенностью исследованного нами образца сплава I являются крупные двойники. Они наблюдаются уже при оптической металлографии (рис. 4). Заметим, что двойникование в целом не свойственно жаропрочным никелевым сплавам [1]. Двойники деформации наблюдаются, как правило, или при низкотемпературной де-
Рис. 2. Упрочняющая интерметаллидная фаза в центральной части пера лопатки из сплава I: а — темнопольное изображение в рефлексе у'-фазы; б — светлопольное изображение.
Рис. 3. Интерметаллидная фаза в спинке пера лопатки из сплава I, темнопольное изображение в рефлексе у'-фазы.
Рис. 4. Крупные двойники в пере лопатки из сплава I, оптическое изображение.
формации, или при высокоэнергетических воздействиях (деформация взрывом, аварийное разрушение лопатки во время работы турбины при ударе осколками соседней лопатки) [7]. Двойники отжига для данных сплавов также не характерны. Образование двойников отжига является способом релаксации напряжений при нагружении в высокотемпературной области, и в нашем случае произошло, скорее всего, вследствие кратковременного превышения рабочей температуры лопатки в ходе ее эксплуатации при забросе температуры из камеры сгорания в проточную часть.
В спинке и в вогнутой части пера наблюдаются единичные микродвойники (рис. 5). Они также являются двойниками отжига. Наблюдается типичная для ГЦК-кристаллов система двойникования по плоскостям типа {111} в направлении (112). Следует заметить, что релаксация после высокотемпературного нагружения таким путем происходит только в зонах максимальных напряжений. Это, хорошо видно, например, в модельных экспериментах [8]: при высокотемпературных испытаниях на растяжение монокристаллических образцов и №3А1, и жаропрочных сплавов. Нас интересовал характер релаксации напряжений. Высокая температура испытаний (до 1250°С) открывала для материала различные пути релаксации. При этом наблюдались отдельные микродвойники, но только в шейке образца вблизи поверхности разрушения.
В структуре вогнутой части пера наблюдаются дефекты упаковки, которые проходят насквозь через частицы интерметаллида и области твердого раствора. Этот факт подтверждается тем, что такие дефекты видны на темнопольных изображениях как в структурных, так и в сверхструктурных рефлексах. Изредка можно видеть их пересечение (рис. 6). Анализ электронно-микроскопических изображений по методике, описанной в [8], позволяет определить их как дефекты упаков-
ки вычитания. На рис. 6б можно видеть дефект упаковки внутри частицы у'-фазы.
Длительное нагружение лопатки в экспериментальном режиме приводит к изменениям в карбидной фазе сплава I. Исходно она была представлена карбидами типа МеС (№С). Из-за низкого содержания углерода в сплаве такие карбиды находились преимущественно на границах зерен. В теле зерна их было существенно меньше. По мере наработки происходит карбидная реакция с выделением на границе зерна карбидов на основе хрома типа Ме23С6 (рис. 7а). На рис. 7б—7г можно видеть, как карбид Ме23С6 образуется на поверхности карбида №С. Последовательность карбидных реакций для данного сплава хорошо известна [1]: МеС ^ Ме23С6 ^ Ме6С. Карбидные реакции в жаропрочных сплавах обсуждались неоднократно, в том числе и нами [7]. В данном случае представляет интерес то, что эксплуатация в течение 9000 ч не приводит к образованию конечного продукта реакций: карбида Ме6С. Это положительно сказывается на механических свойствах материала лопатки. Карбид Ме6С, как правило, имеет игольчатую морфологию, и его появление могло бы существенно снизить устойчивость сплава к образованию трещин.
У исследуемой лопатки из сплава I отдельные усталостные трещины хорошо видны у кромки пера и на торцевой поверхности замка (рис. 8а). Эти места являются типичными. Известно [6, 9], что усталостные трещины образуются у входной кромки пера в основном под действием знакопеременных напряжений при вибрации и на торцевой поверхности замка, жестко закрепленного на диске турбины. Трещины имеют длину до 10 мм с раскрытием практически по всей длине н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.