ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2015
УДК 669.245:539.25/.4
© 2015 г. Мухтаров Ш.Х.1, Утяшев Ф.З.1, Сухоруков Р.Ю.2
ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВОГО
СПЛАВА
1 Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, г. Уфа 2 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
Приведены результаты сравнительных исследований структуры, механических свойств и поверхности изломов железоникелевого сплава Inconel 718 с различной структурой, полученной всесторонней ковкой и термической обработкой.
Известно [1], что формирование ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры позволяет достигнуть высокого уровня прочностных свойств в металлах и сплавах, в которых традиционными методами термической обработки их получить невозможно. В желе-зоникелевом сплаве Inconel 718 (российский аналог ЭК61), применяемом в ракето-, авиадвигателестроении в широком интервале температур от —253 до 760°, сформировать УМЗ структуру можно, используя всестороннюю изотермическую ковку и прокатку [2]. В мелкозернистом состоянии (d = 5—10 мкм) этот сплав используется для изготовления панелей сверхпластической формовкой [3]. Формирование в сплаве УМЗ структуры позволяет снизить температуру сверхпластичности на 200—300° и/или понизить напряжение течения [4], что важно для труднодеформируемых сплавов на основе никеля. В мелкозернистом и УМЗ состоянии сплав можно использовать в перспективном процессе сверхпластической раскатки [5, 6] для изготовления деталей ответственного назначения (диск, вал). Для достижения высоких эксплуатационных свойств и надежности деталей необходимо провести термическую обработку, при которой формируется требуемая структура с выделениями упрочняющих фаз.
В крупнозернистом сплаве Inconel 718 основное упрочнение осуществляется за счет выделения дисперсных частиц метастабильной у"-фазы (Ni3Nb, ОЦТ решетка), а дополнительное упрочнение — за счет у'-фазы (Ni3Al(Ti), ГЦК решетка), S-фазы (Ni3Nb, орторомбическая решетка) и карбидов [7]. В мелкозернистом и УМЗ сплавах при изотермической ковке на основе растворенной у"-фазы выделяется большое количество S-фазы, что повлияло на механические свойства сплава [2, 8].
В связи с тем, что данных по механическим свойствам сплава Inconel 718 с УМЗ структурой после термической обработки недостаточно, подобные результаты являются весьма актуальными. Настоящая статья посвящена исследованию структуры и механических свойств сплава Inconel 718, подвергнутого всесторонней изотермической ковке и упрочняющей термической обработке.
Материал и методики эксперимента. В качестве материала исследования был выбран горячедеформированный дисперсионно-твердеющий железоникелевый сплав Inconel 718 (Ni-18Cr-0.6Al-1.1Ti-18Fe-5Nb-2.9Mo-0.1Co, % вес.), изготовленный фирмой Pratt & Whitney с крупнозернистой структурой (d = 20 мкм).
Рис. 1. Микроструктура сплава Inconel 718 после ковки со средним размером зерен: a - 1 мкм; б - 0,1 мкм, СЭМ
Материал для исследований был получен методом всесторонней изотермической ковки [1, 2, 4, 8]. Ковку проводили с поэтапным понижением температуры с 950 до 575°. Кованые заготовки термообработаны по режиму: отжиг при 980°C/1 час выдержки, старение при 720°C/8 часов, охлаждение с печью до 620°, выдержка при 620° при суммарной продолжительности старения 18 часов. При этом стандартную температуру обработки сплава на твердый раствор можно варьировать в пределах 941-1010° ± 14° [9].
Механические свойства на растяжение определяли при 650° и комнатной температуре с использованием плоских образцов, с размером рабочей части 5 мм х 2 мм х 15 мм. Длительную прочность определяли при испытании образцов с размерами рабочей части 03 мм х 18 мм. Усталостную прочность определяли при испытании образцов с размерами рабочей части 04 мм х 25 мм по схеме растяжение-растяжение. Испытания образцов проводили при частоте 10 Гц и напряжениях 910 и 696 МПа для сравнения с известными результатами [9] на промышленном сплаве с крупнозернистой структурой.
Малоцикловую усталость при растяжении-сжатии определяли при комнатной и температуре 650° со скоростью 0,5 с-1 и деформацией в диапазоне 1-2% на полированных образцах диаметром 5 мм и рабочей длиной 18 мм. Испытания были проведены при треугольной форме волны по режиму R = -1.
Микроструктурные исследования проведены с использованием оптического микроскопа Olympus GX51, сканирующих микроскопов (СЭМ) JXA-6400, Tescan Vega 3SBH и просвечивающего микроскопа (ПЭМ) JEM-2000EX.
Результаты и их обсуждение. В результате всесторонней изотермической ковки при высоких температурах у"-фаза преобразуется в орторомбическую S-фазу. После такой обработки при 950° и с понижением температуры до 800 и 575° формируются дуплексные у + 8 микроструктуры исследуемого сплава (рис. 1). Средний размер зерен у-фаз был, соответственно: 10,1 и 0,1 мкм. Пластины 8-фазы с некогерентными границами равномерно распределены в структуре.
Механические свойства сплава при комнатной температуре, подвергнутого всесторонней ковке с различным размером зерен у- и 8-фаз, показаны в табл. 1. Свойства исследуемого дуплексного сплава приведены в сравнении с крупнозернистым сплавом, подвергнутым упрочняющей термической обработке. Прочность мелкозернистого сплава при комнатной температуре ниже, а пластичность выше в 1,5 раза по сравнению с крупнозернистым сплавом, подвергнутым термической обработке. УМЗ сплав (d = 0,1 мкм) показал повышение прочности >1,5 раза по сравнению со стандартными требованиями при снижении пластичности.
Таблица 1
Средний размер зерен фаз, мкм Фазы Временное сопротивление разрыву, МПа Условный предел текучести, МПа 8, % ¥, %
— у + у"а >1276 >1034 >12 >15
1 [8] у + 8 1184 920 21,9 22,2
0,3 [8] у + 8 1560 1300 5,1 11,0
0,1 [8] у + 8 1920 1845 4,8 6,1
0,12 [8] у + 8б 2024 1800 2,5 4,6
Примечание: а — после упрочняющей термической обработки по Аэрокосмической спецификации на материал АМ85662 [9]; б — после отжига при температуре 600°.
Исследование поверхности изломов растянутых образцов показало, что при малом увеличении поверхность излома имеет зоны сдвигового разрушения (рис. 2, а), характерные хрупкому материалу [10], а при большом увеличении излом ямочный, субмикрометрического масштаба (рис. 2, б), характерный для наноструктурных материалов [11].
При всесторонней изотермической ковке в сплаве 1псопе1 718 выделяется большое количество мелких частиц 8-фазы, которые сдерживают рост у-зерен при сверхпластической деформации [4].
Исследование образцов с мелкозернистой и УМЗ структурами после стандартной термической обработки показало, что в обоих состояниях формируется однородная структура со средним размером у-зерен около 4,5 мкм. В структуре видна нераство-рившаяся глобулярная зернограничная 8-фаза (рис. 3), объемная доля которой составляет около 3%.
Механические свойства при комнатной температуре сплавов после всесторонней изотермической обработки и термической обработки (ТО) представлены в табл. 2. Уменьшение среднего размера зерен у-фазы до 4,5 мкм и присутствие 8-фазы приводит к увеличению временного сопротивления разрыву на 15% и условного предела текучести на 5% при комнатной температуре с тем же уровнем пластических свойств. Сравнительные усталостные испытания при комнатной температуре термообработан-ных сплавов показали, что образцы из мелкозернистого (МЗ) сплава на базе 106 циклов и на базе 105 циклов превышают свойства крупнозернистого (КЗ) сплава [9] более чем в 1,5 и 1,7 раза, соответственно. Исследование разрушенных образцов после уста-
Рис. 2. Фотографии поверхности изломов УМЗ сплава (й = 0,1 мкм) при различных увеличениях, СЭМ
а , 50 мкм _ "* « * 4 er . . J -Ч4 ,' ■ /• » V ; '■ V, % Mi л *V г * •. f ' >< ■ ( . . - V' • 1 ' 1 1 ь # '
, 10 мкм б 1 1
Рис. 3. Микроструктура сплава Inconel 718 после ковки и термической обработки: а — ОМ; б — СЭМ
лостных испытаний показало, что поверхность излома имеет ямочный вид, характерный для пластичных материалов.
Малоцикловую усталость мелкозернистого сплава при комнатной температуре сравнили с данными работы [9]. Результаты показали, что при деформации 1% количество циклов не зависит от структуры сплава Inconel 718 как при изгибе, так и при растяжении—сжатии. УМЗ (d = 0,1 мкм) сплав без термообработки и мелкозернистые сплавы (d = 4,5 мкм и d = 10 мкм) после термической обработки сравнивали с крупнозернистым (d = 53 мкм) сплавом. УМЗ сплав показал такое же количество циклов до разрушения, как и термически обработанные сплавы (рис. 4, а). Такое поведение, вероятно, связано с большой работой по трещинообразованию УМЗ поверхности образца. При деформации 1,5% и 2% количество циклов до разрушения мелкозернистого сплава были 2 • 103 и 4 • 102 циклов, соответственно. Вероятно, различие используемых схем деформации привело к раннему разрушению образцов при растяжении—сжатии.
Результаты сравнительных исследований малоцикловой усталости сплава (рис. 4, б) с данными работы [13], проведенные при температуре 650° и суммарной деформации 1%, показали, что разрушение исследуемых образцов происходит в интервале 1,4 • 103—6 • 103 циклов и зависит от среднего размера зерен сплава. Максимальные значения были достигнуты при среднем размере зерен у-фазы 22 мкм [13]. Уменьшение среднего размера у-зерен до 4,5 мкм приводит к снижению количества циклов. Такое поведение может быть связано с тем, что этот сплав со средним размером зерен 1—2 мкм проявляет хорошую сверхпластичность при температуре 700° [2].
Таблица 2
Состояние Временное сопротивление разрыву, МПа Условный предел текучести, МПа S, % ¥, % Средний размер зерен у-фазы, мкм Усталостная прочность
МПа количество циклов
АМ8 5662 [9] >1276/1000а >1034/862 >12/12 >15/15 - - -
КЗ + ТО [12] 1428/1176 1180/976 19/18 20/32 11-22 910 696 Ю56 10«
МЗ/УМЗ + ТО 1505/1165 1244/994 18/22 28/43 4,5 910 696 >1,7 • 105 >1,5 • 106
Примечание: а — при комнатной температуре 650°; б — при среднем размере зерен 20 мкм [7].
Изгиб 1 Растяжение—сжатие
Суммарная деформация, мм/мм 0,100 0,060 0,040
0,020
0,010 0,006
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.