научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МИКРОЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО ДЕФОРМИРУЕМОГО СПЛАВА (ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ НАРАБОТКАХ) Металлургия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МИКРОЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО ДЕФОРМИРУЕМОГО СПЛАВА (ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ НАРАБОТКАХ)»

ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 669.245.018.44:629.7

ВЛИЯНИЕ МИКРОЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО ДЕФОРМИРУЕМОГО СПЛАВА (ПРИ ДЛИТЕЛЬНЫХ НАРАБОТКАХ)*

© Ломберг Борис Самуилович, д-р техн. наук; Бакрадзе Михаил Михайлович, канд. техн. наук; Чабина Елена Борисовна, канд. техн. наук; Филонова Елена Владимировна

ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов». Россия, Москва. E-mail: admin@viam.ru, lab3@viam.ru

Статья поступила 30.05.2013 г.

Представлены результаты исследований влияния микродобавок редкоземельных и редких металлов на структурно-фазовую стабильность и механические свойства нового высокожаропрочного сплава на никелевой основе для дисков турбин, в том числе при длительных базах испытаний.

Ключевые слова: жаропрочный сплав; микролегирование; редкоземельные и редкие металлы; стабильность; фазовый состав; механические свойства.

Легирование редкоземельными (РЗМ) и редкими металлами (РМ) существенно влияет на свойства и структуру жаропрочных никелевых сплавов. РЗМ оказывают рафинирующее воздействие при выплавке сплавов. В частности, лантан, церий, иттрий связывают вредные для никелевых сплавов элементы - серу, фосфор, кислород - в мелкодисперсные соединения, снижая их концентрацию на внутренних поверхностях раздела [1]. Являясь поверхностно активными элементами, РЗМ эффективно упрочняют границы зерен и фаз, повышают структурно-фазовую стабильность сплавов [2]. Цирконий и гафний формируют карбиды и бориды.

Известно, что добавки РЗМ, циркония и бора улучшают характеристики ползучести, вязкости разрушения и малоцикловой усталости. Например, авторами [3] показано, что при введении 0,02% B и 0,05% Zr в никелевый сплав для дисков системы Ni-19Co-12,5Cr-5Al-4,4Ti-3,3Mo-C значительно (с 0,1 до 69 ч) увеличивается долговечность при испытаниях на ползучесть при 732 °С.

Большинство серийных и экспериментальных зарубежных жаропрочных никелевых сплавов для дисков турбин (Rene88DT, N18, LSHR, Alloy 10, RR1000, NR3, ME3 и др.) наряду с бором и углеродом содержат (0,01-0,1)% Zr и/или (0,2-0,75)% Hf [4, 5]. Например, дисковые сплавы NR3 и NR6, разработанные фирмой Onera, как развитие се-

* В работе принимали участие С.В.Овсепян, канд. техн. наук; Е.Н..

рийного сплава N18, благодаря оптимальному балансу основных легирующих компонентов и добавок 7г, Ш и В обладают более высокой фазовой стабильностью [6]. После выдержки в течение 10 000 ч при 750 °С в этих материалах не обнаружено выделений топологических плотно-упакованных (т.п.у) фаз. В зарубежном металловедении жаропрочных никелевых сплавов РЗМ упоминаются в основном как элементы, улучшающие жаростойкость [7, 8]. В качестве легирующих компонентов новых деформируемых сплавов для дисков газотурбинных двигателей (ГТД) они не рассматриваются. В состав российских жаропрочных деформируемых сплавов входят РЗМ. Например, в сплав марки ЭК151 добавляют Ьа, Се и Бс [9]. В сплавы, получаемые методами гранульной металлургии, вводят 7г и Ш [10, 11].

В настоящей работе исследовали влияние микродобавок лантана, неодима, празеодима, циркония и гафния при неизменном содержании бора, церия и скандия на структурно-фазовую стабильность и свойства, в том числе на жаропрочность при длительных базах испытания, нового деформируемого сплава системы М-Со-Сг^-Мо-М-И-Мэ-Та-С для дисков ГТД.

Выплавку экспериментальных составов этой ^ системы с переменным содержанием РЗМ и РМ ™ проводили вакуумно-индукционным методом с ® последующим переплавом на установке направленной кристаллизации УВНК-14. Деформиро- £

<

шва (ФГУП ВИАМ).

вали заготовки на прессе усилием 630 т с применением изотермической установки нагрева штампов. По технологии [12, 13] изготовлены и термообработаны модельные штамповки дисков диам. 250 мм и высотой 40 мм.

Испытания для определения механических свойств образцов проводили в соответствии с требованиями стандартов на растяжение при комнатной температуре и на длительную прочность. Определение локального химического и фазового составов проводили методом количественного микрорентгеноспектрального анализа. Исследование микроструктуры проводили на растровом электронном микроскопе |8М-6490ЬУ.

Результаты исследований. Новый высокожаропрочный деформируемый сплав системы М-Со-Сг^-Мо-Л1-Т1-ЫЬ-Та-С на никелевой основе упрочняется интерметаллидной у'-фазой (N1, Со, Сг)3(Л1, Т1, ЫЬ, Та) - примерно 55%, мелкодисперсными карбидами типа (Та, ЫЬ, Т1)С и боридами типа (Мо, Сг, Со)3В2. Этот материал работоспособен длительно при 750 °С и по сочетанию длительной, кратковременной и циклической прочности превосходит известные никелевые сплавы нового поколения для дисков ГТД (ЬБИК, КИ1000, МЕ3, ВВ750П, ВВ751П и др.) [14, 15].

С целью обеспечения структурно-фазовой стабильности и длительной, в течение более 1000 ч, работоспособности сплава при максимальных рабочих температурах исследовали возможности дополнительного упрочнения поверхностей раздела (границ

зерен и фаз) и снижения концентрации вредных примесей (Б, Р и др.) благодаря комплексному введению в состав микродобавок РЗМ и РМ.

В исследуемый сплав были добавлены церий, скандий и лантан (состав 4, табл. 1). Далее, при неизменном содержании этих элементов дополнительно вводили празеодим (составы № 1, № 3), неодим (все составы кроме № 4), цирконий и гафний (составы № 6, № 7). В составах № 1 и № 5 снизили количество лантана.

Сравнение значений кратковременной прочности, ударной вязкости и жаропрочности при 650 °С на базе 1000 ч испытания показывает превосходство составов № 2, № 6, № 7 (рис. 1, табл. 2). Время до разрушения при длительных испытани-

□ ств20 □ ст°2°° ♦ KCU

1550

1050

550

íi

iH й

fl

il

t]

50

40 X <

30

20

10

i CP

CS £

1 2 3 4 5 6 7 Номер экспериментального состава сплава

Рис. 1. Средние значения кратковременной прочности и ударной вязкости экспериментальных композиций деформируемого высокожаропрочного сплава на никелевой основе системы №-Со-Сг-№-Мо-А1-Т1-^-Та-С

Таблица 1. Схема введения микролегирующих добавок РЗМ и РМ в состав высокожаропрочного деформируемого сплава на никелевой основе системы М1-Со-Сг-Ш-Мо-А!-Т1-МЬ-Та-С

Номер Микролегирующая добавка

состава La Ce Sc Pr Nd Zr Hf

1 - + + X X

2 + + + X

3 + + + X X

4 (базовый) + + +

5 - + + X

6 + + + X X

7 + + + X X

Примечание. «+» - неизменное расчетное содержание микролегирующего элемента по отношению к базовому составу № 4; «х» - добавляемый микролегирующий элемент; «-» - уменьшаемое количество микролегирующего элемента по отношению к базовому составу № 4.

Таблица 2. Длительная прочность при 650 °С и 750 °С экспериментальных составов с различным содержанием микролегирующих элементов сплава

Время до разрушения (ч) при

Номер соста- а = 1055 МПа; Т = 650°С а = 687 МПа; Т = 750°С а = 960 МПа; Т = 650°С

ва гладкие образцы образцы с надрезом гладкие образцы

1 - - - 1027,5

2 359 > 580* 109 1247

3 - - - 1051,5

4 100** 100** 100** 1000

5 - - - 1130,5

6 180,5 303,5 80,5 1160

7 617 35 273 1309,3

* Образцы сняты без разрушения. ** Средние паспортные значения.

0

( ,

к 7 ® |' >

щ

л

Рис. 2. Микроструктура сплава состава № 2:

а и б - интерметаллидные фазы, содержащие лантан, церий, неодим и празеодим

Таблица 3. Остаточное содержание примесей в высокожаропрочном сплаве на никелевой основе системы №-Со-Сг^-Мо-Д!-Т1-№-Та-С

Номер Массовая доля примесей, %

состава S O2 N2

2 0,0010 0,0006 0,0005

5 0,0016 - -

6 0,0012 0,0006 0,0005

7 0,0011 0,0004 0,0009

По паспорту на сплав, не более 0,010 - -

20кУ Х250 ЮОцт 9844 17 60 ВЕС

Рис. 3. Микроструктура сплава состава № 6, дополнительно легированного цирконием:

а - избыточные фазы в междендритных участках после гомогенизирующего отжига; б - границы зерен после полной термической обработки

ях сплавов № 2 и № 7 на 25-30% больше этого показателя для базового состава № 4, значения кратковременной прочности близки для всех составов.

На основании полученных данных были проведены дополнительные испытания лучших составов № 2, № 6, № 7 на длительную прочность на базе 100 ч при 650 и 750 °С на образцах гладких и с надрезом гн = 0,15 мм (см. табл. 2).

С учетом всех полученных характеристик можно сделать вывод, что наиболее высокие значения механических свойств обеспечивает композиция № 2. Сплав комплексно легирован лантаном, церием, скандием и неодимом.

Для определения механизмов влияния микролегирования были проведены исследования структуры сплавов методами сканирующей растровой электронной микроскопии и микро-рентгеноспектрального анализа. Установлено, что во всех составах неодим, лантан, церий и празеодим связывают вредные примеси (Б, Р, Лб и др.) в глобулярные фазы размером не более 10 мкм, которые не подвергаются изменениям на всех стадиях передела сплава и не оказывают отрицательного влияния на свойства (рис. 2).

Положительное влияние РЗМ на жаропрочность сплавов, по-видимому, связано с их рафинирующим действием при выплавке сплава, что подтверждено результатами определения остаточного содержания вредных примесей в экспериментальных композициях (табл. 3). Например, содержание серы в сплавах всех составов, легированных РЗМ, в 10 раз ниже допустимых нормативами, указанными в паспорте на сплав.

В результате образования глобулярных фаз, содержащих РЗМ и вредные примеси, происходит рафинирование границ зерен, что приводит к повышению их когезивной прочности. При этом количество, морфология и состав зернограничных выделений не изменяются, структура границ зерен остается оптимальной.

В проведенной работе не установлено положительного влияния циркония и гафния. При термической обработке в сплаве, содержащем цирконий (состав № 6), происходит выделение интерметаллида М^Гу в форме пластин по границам зерен, что отрицательно сказывается на жаропрочности при максимальной рабочей температуре (рис. 3, табл. 2).

Гафний в исследованной композиции № 7 входит в состав первичных карбидов МеС и эвтектической у'-фазы, образующихся при кристаллизации материала, повышая их стабильность (рис. 4). При даль

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Металлургия»