ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 539.388.1:621.74:669.018.44:669.254
МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА ТИПА ВКНА В УСЛОВИЯХ «ЖЕСТКОГО» НАГРУЖЕНИЯ
© Горбовец Михаил Александрович; Базылева Ольга Анатольевна, канд. техн. наук; Беляев Михаил Сергеевич, канд. техн. наук; Ходинев Иван Александрович
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Россия, Москва. E-mail: lab33@viam.ru Статья поступила 09.01.2014 г.
Интерметаллидные сплавы, созданные на основе соединения Ni3Al, могут применяться при температурах до 1200 °С, сохраняя высокую термическую стабильность. Эти материалы нашли применение в конструкции авиационных газотурбинных двигателей. Современные технологии литья монокристаллов жаропрочных сплавов позволяют получать заготовки с различной кристаллографической ориентацией, что обусловливает значительное различие их по механическим свойствам.
Исследовано сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) в условиях испытаний при контролируемой деформации в цикле нагружения при 850 и 1050 °С для интерметаллидного сплава на основе Ni3Al с различной кристаллографической ориентацией. Рассмотрено влияние температуры и кристаллографической ориентации на характеристики МЦУ. Показано, что одна из ориентаций при обеих температурах демонстрирует более высокие результаты.
Ключевые слова: усталость; малоцикловая усталость; МЦУ; предел усталости; цикл нагружения, база испытания; кривая усталости; жесткий цикл.
В настоящее время сопловые лопатки, проставки и створки сопла авиационных газотурбинных двигателей (АГТД) изготавливают из никелевых жаропрочных сплавов, плотность которых достигает 9 г/см3 и более, а рабочая температура ограничена 1100 °С. Для перспективного авиационного двигателестроения необходимо как повышение рабочих температур, так и снижение массы деталей двигателя. Одним из факторов, характеризующих уровень эффективности двигателя, является температура газа перед турбиной. Ее повышение приводит к увеличению тяги, а, следовательно, к снижению удельной массы двигателя [1, 2].
Материалы горячей части АГТД должны обеспечивать работоспособность при температурах до 1250 °С, высокую жаростойкость и технологичность, иметь относительно малую плотность в сочетании с низкой стоимостью. Таким требованиям отвечают интерметаллидные сплавы, содержащие до 95% у>-фазы (М3А1), как альтернатива применяемым никелевым сплавам, содержащим до 70% у'-фазы. Интерметаллидные сплавы на основе М3А1 имеют повышенную по сравнению с жаропрочными никелевыми сплавами рабочую температуру (до 1200-1250 °С) и жаростойкость, в меньшей степени легированы тяжелыми тугоплавкими элементами и, как следствие, характеризуются более высокой удельной жаропрочностью, низкой стоимостью [3-6].
Известно, что кристаллографическая ориентация оказывает существенное влияние на физико-механические свойства жаропрочных никелевых и интерметаллидных (на основе никеля) сплавов [7, 8]. Сопротивление малоцикловой усталости -одна из основных механических характеристик для материалов, применяемых в авиационных двигателях. Испытания на малоцикловую усталость (МЦУ) проводят при «мягком» нагружении (управление напряжением в цикле нагружения) и «жестком» нагружении (управление деформацией в цикле нагружения) [9, 10]. С целью расширения областей применения литейного жаропрочного интерметаллидного сплава на основе №3А1 типа ВКНА в перспективных авиационных двигателях и установления ресурса работы узлов и деталей, изготовленных из этого материала, исследовано влияние кристаллографической ориентации монокристаллических образцов и температуры на сопротивление малоцикловой усталости.
Для исследования были использованы образцы сплава типа ВКНА с тремя кристаллографическими ориентациями: <001>, <011>, <111>. „ Монокристаллические заготовки для образцов 5 разливали на установке высокоградиентной ^ направленной кристаллизации УВНС-5 с ком- й пьютерным управлением процессом [6, 11-13]. ^
Кристаллографическая ориентация (КГО) задава- Ц
<
лась затравочным методом [12-14]. Отклонение |
61 эг геки Х1эа 1 эентп нем
£153 геки Ш.авэ пои
Рис. 1. Микроструктура сплава типа ВКНА с КГО <111>: а - х100; б - х10 000
20кУ Х10,000 9383 11 43 5Е(
Рис. 2. Микроструктура сплава типа ВКНА с КГО <001>: а - х100; б - х10 000
20№ Х10,000 1рт 435В 11 46 5Е1
Рис. 3. Микроструктура сплава типа ВКНА с КГО <011>: а - х100; б - х10 000
требуемой КГО от продольной оси заготовки не превышало 10°. Диаметр рабочей части образцов составлял 5 мм, ее длина 15 мм, радиус перехода к захватной части (галтели) 15 мм. На последнем этапе изготовления образцы подвергались продольному полированию рабочей части и галтели во избежание появления поперечных рисок, заметных при 20-кратном увеличении.
Испытания проводили на машинах фирмы Walter+Bai ЬБУ100 при одноосном растяжении-сжатии в условиях управления деформацией рабочей части образца. Для управления деформацией использовали динамические экстензометры с базой 12,5 мм. Перед каждой серией испытаний проводили контроль соосности оси нагружения по ЛБТМ Е1012 с помощью образца, препарированного 12 тензодатчиками, таким образом, несоосность оси нагружения не превышала 5%. Испытания проводили при асимметричном нагружении с коэффициентом асимметрии К = 0 с частотой 0,5 Гц, учитывая требования ГОСТ 25.502 и ЛБТМ Е606. Цикл нагружения - треугольный. Температура испытания соответствовала температу-
рам эксплуатации сплава - 850 и 1050 °С. Критерием окончания испытания были выбраны разрушение образца или образование трещины на его рабочей части. Для каждой кристаллографической ориентации и температуры было испытано от 17 до 22 образцов. Результаты испытаний представлены в полулогарифмических координатах «Де - 1пМ>, где Де - размах деформации в цикле, %; N - число циклов до разрушения (образования трещины). Их статистическая обработка выполнялась по методу наименьших квадратов. Для аппроксимации было применено уравнение N = Б-ехр(-Ь-Де), которое в указанных координатах линеаризуется (В, Ь - коэффициенты уравнения, определяемые по методу наименьших квадратов).
Исследование микроструктуры монокристаллических образцов интерметаллидного сплава на основе №3Л1 с различной КГО показало, что микроструктура заготовок образцов вне зависимости от КГО имеет дендрит-но-ячеистое строение, структура осей дендритов гетерофазна и состоит из у'-фазы, разделенной прослойками пластичной у-фазы; межосные пространства имеют фазу системы № - Л1 с повышенным содержанием алюминия, которая окружена у'-фазой (рис. 1, а, 2, а, 3, а). Такая микроструктура характерна для интерметаллидных сплавов серии ВКНА. В зависимости от КГО заготовок морфология у'-фазы в осях дендритов различается: для КГО <111> - в виде треугольников (рис. 1, б), для КГО <001> - в виде квадратов (рис. 2, б), для КГО <011> - произвольная (рис. 3, б).
Результаты испытаний на МЦУ приведены на рис. 4. Для всех КГО в основном характерно понижение уровней деформаций с повышением температуры от 850 до 1050 °С:
- для образцов с ориентацией <001> влияние температуры наименьшее из трех ориентаций. С повышением температуры значения Де, соответствующие одинаковым базам, снижаются, а угол наклона линии МЦУ увеличивается. На малых базах циклов разница составляет 5%, а для больших баз увеличивается до 35%;
1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0
10 100 1000 10000 100000 1000000 Число циклов
Т, °С <001> <011> <111>
850 1 3 5
1050
2
4
6
Рис. 4. Средние линии МЦУ сплава типа ВКНА с различными КГО при 850 и 1050 °С
- для образцов с ориентацией <011> влияние температуры более заметно. С увеличением температуры значения Де, соответствующие одинаковым базам, снижаются, и угол наклона линии МЦУ становится меньше. На малых базах разница в результатах порядка 30%, но с увеличением долговечности разница уменьшается, и, вероятно, на базе 5-104 циклов линии пересекутся;
- для образцов с ориентацией <111> с повышением температуры происходят снижение значений Де, соответствующих одинаковым базам, и увеличение угла наклона линии МЦУ. На малых базах циклов испытаний линии почти пересекаются, однако для испытаний на базе 104 циклов разница уже 65%.
При 850 °С линии МЦУ всех трех ориентаций практически не пересекаются, только на базах более 104 для линий ориентаций <011> и <111>
Таблица 1. Значения пределов МЦУ на базе 104 циклов
Температура, °С Предел МЦУ Ае (%) для образцов с различной КГО
<001> <011> <111>
850 0,85 0,45 0,39
1050 0,72 0,4 0,14
Таблица 2. Значения коэффициента K*и и сравнение его значений для «мягкого» и «жесткого» циклов нагружения
Температура (°С) и режим нагружения Коэффициент KhkI для образцов кристаллографической ориентации
<001> <011> <111>
850 1,00 0,53 0,46
1050 1,00 0,55 0,19
При «мягком» и «жестком» циклах нагружения
850, «жесткий» 1,00 0,53 0,46
900, «мягкий» 1,00 0,88 0,94
наблюдается тенденция к их сближению. Линия ориентации <001> находится в области более высоких значений деформаций, чем две другие. При 1050 °С линии <001> и <111> практически параллельны, а линия <011> пересекает <111> на базе 2-102 циклов (демонстрируя до этой базы самые низкие значения) и имеет тенденцию к пересечению линии <001> на базе около 105 циклов. Также стоит отметить, что ориентация <011> на базах больше 104 циклов демонстрирует более высокие значения деформаций, чем ориентация <111> при 850 °С. В то же время для ориентации <001> при обеих температурах оказываются более высокие значения деформаций, чем для двух других ори-ентациях при обеих температурах. По линиям МЦУ были определены средние значения пределов МЦУ на базе 104 циклов (табл. 1).
Для анализа влияния КГО на сопротивление МЦУ при каждой температуре испытания воспользуемся коэффициентом КкИ, который представляет собой отношение предела МЦУ сплава с некоторой ориентацией к пределу МЦУ сплава на базе 104 циклов с базовой ориентацией, в качестве которой принята ориентация <001>. Экспериментальные значения Кки приведены в табл. 2.
Из приведенных данных видно, что наибольшее влияние КГО наблюдается при тем
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.