Влияние кристаллографической ориентации на структуру и физико-механические свойства интерметаллидного сплава на основе Ni 3Al

УДК 621.74:669.018.44

Э.Г. Аргинбаева, О.А. Базылева, В.Г. Колодочкина, К.К. Хеацкий

ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ОРИЕНТАЦИИ НА СТРУКТУРУ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ Ni3Al

Представлены результаты исследования монокристаллических заготовок образцов интерметаллидного сплава типа ВКНА с различной кристаллографической ориентацией (КТО). Выявлено влияние кристаллографических ориентаций <001>, <011> и <111> на микроструктуру, модуль упругости, пределы кратковременной прочности и текучести, длительную прочность.

Установлено, что выбор КТО обусловлен условиями эксплуатации конкретной детали. Таким образом, конструкторы имеют возможность выбора не только материала, но и технологии его производства, которая обеспечивала бы максимальные значения физико-механических свойств.

Применение интерметаллидных материалов с низкой плотностью типа ВКНА позволит снизить массу деталей на 10-15%, трудоемкость их изготовления, повысить рабочую температуру на 50-100°C, увеличить срок службы сопловых лопаток в ~3 раза, дисков - в 1,5-2 раза, также снизить стоимость шихтовой заготовки по сравнению с серийными жаропрочными сплавами на 25-30%.

Ключевые слова: ВКНА, монокристаллические заготовки, кристаллографическая ориентация (КТО), микроструктура, интерметаллид Ni3Al, модуль упругости, предел кратковременной прочности, предел текучести, относительное удлинение, длительная прочность.

The article presents the results of study of single-crystal samples of VKNA-type intermetallic alloy with different crystallography orientations (CGO). The effect of crystallographic orientation <001>, <011> and <111> on microstructure, elastic modulus, tensile strength, yield strength and rapture strength.

It was stated that the choice of the CGO depends on working conditions of each specific part. Accordingly, aircraft designer may choose not only materials, but also production technologies, which ensure maximum values of physical and mechanical properties.

Application of intermetallic materials such as low-density VKNA alloy allows a reduction in the weight of components by 10-15%, labor input in their production, an increase of working temperature by 50-100°C, an increase in service life of nozzle blades and turbine disks about 3 and 1,5-2 times respectively and a reduction in costs of ingots as compared with commercial superalloys by 25-30%.

Key words: VKNA, single-crystal sample, crystallographic orientation (CGO), microstructure, Ni3Al intermetallic alloy, elasticity modulus, tensile strength, yield strength, elongation, rapture strength.

В настоящее время сопловые лопатки, про-ставки и створки сопла авиационных ГТД изготовляют 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].

Требования, предъявляемые моторостроительными предприятиями к материалам для горячей части газовоздушного тракта: рабочие температуры - до 1250°С, высокая жаростойкость и технологичность, относительно малая плотность в сочетании с низкой стоимостью. Таким требованиям отвечают интерметаллидные сплавы, в которых количество у'-фазы (№3А1) составляет до 95%, как альтернатива применяемым никелевым сплавам, содержащим до 70% упрочняющей

у'-фазы. Интерметаллидные сплавы на основе №3А1 благодаря химическому и фазовому составам имеют повышенную по сравнению с жаропрочными никелевыми сплавами рабочую температуру (до 1200-1250°С) и жаростойкость, легирование в меньшей степени тяжелыми тугоплавкими элементами и, как следствие, более высокие значения удельной жаропрочности, низкую стоимость [2-4].

С целью расширения области 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 заготовок образцов на комплекс физико-механических свойств.

Материалы и методика исследования

В качестве материала (объекта) для исследований использовали цилиндрические заготовки образцов из интерметаллидного сплава на основе

№3А1 с монокристаллической структурой кристаллографических ориентаций (КТО) <001>, <011> и <111>.

Выплавку прутковых (шихтовых) заготовок исследуемого интерметаллидного сплава проводили вакуумным индукционным (ВИ) методом в вакуумной индукционной печи по режиму: давление в плавильной камере составляет 5,33 Па; температура слива металла (Г^ме) - (7!+120^130)°С [5]. Для последующей операции отливки прутковые заготовки шлифовали на глубину 2-3 мм для

а)

10 мкм

д)

10 мкм

снятия слоя, контактирующего с чугунными кокилями, и разрезали на мерные заготовки массой —3,5 кг.

Химический состав сплава на основе №3А1 -основные легирующие элементы: алюминий, хром, молибден, вольфрам, титан, кобальт, рений и примеси (железо, кремний, фосфор) - определяли спектральным анализом на спектрометре ARL4460; содержание углерода, серы, кислорода и азота - на газоанализаторе ТС-600.

Монокристаллические заготовки под образцы для определения физико-механических характери-

1 мкм

Рис. 1. Микроструктура

стик интерметаллидного сплава типа ВКНА отливали иа установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНС-5 с компьютерным управлением процессом [6, 7]. Кристаллографическая ориентация (КТО) литых заготовок задается КТО монокристаллических затравок. Для этого в керамических формах цилиндрических заготовок 016 мм со стартовым конусом, в вершине которого предусмотрена затравочная полость, перед плавкой устанавливали тугоплавкие монокристаллические затравки с заданной КТО <001>, <011> или <111>. Сами затравки заданной КТО получали методом ориентированной вырезки из цилиндрических монокристаллических заготовок 08 мм, которые были предварительно отлиты из сплава системы Ni-W на установке УВНЭС-4 по той же технологии, что и монокристаллические заготовки из интерметаллидного сплава. После резки все затравки подвергали травлению и рентгенострук-турному контролю ориентации на установке типа ДРОН. Для работы были использованы затравки с отклонением от заданного направления не более 5 град.

Технологический процесс отливки монокристаллических заготовок интерметаллидного сплава на установке УВНС-5 заключается в следующем: керамические формы, с установленными в них затравками требуемой КТО, при нагреве располагают в нагревателе в области постоянного по высоте теплового поля в интервале температур выше температуры ликвидус интерметаллидного сплава, но ниже температуры ликвидус сплава затравки. Мерную шихтовую заготовку интерметаллидного сплава на основе №3А расплавляли в индукторе, заливали в керамические формы и проводили процесс направленной кристаллизации сплава путем перемещения формы с расплавом из зоны нагрева через тепловой экран в зону охлаждения с заданной скоростью до максимально возможного погружения в охладитель (расплав олова).

Макроструктуру полученных заготовок выявляли травлением в специально подготовленной смеси концентрированной соляной кислоты и перекиси водорода. После визуального контроля

Температура испытаний, °С

Рис. 2. Температурная зависимость статического модуля упругости сплава типа ВКНА с КТО <001 >

монокристаллические заготовки каждой из заданных ориентаций направляли на рентгеноструктур-ный контроль. Для этого стартовые конусы от каждой монокристаллической заготовки отрезали перпендикулярно основной оси отливки и подвергали глубокому травлению до четкого выявления дендритной структуры. Рентгеносъемку стартовых конусов осуществляли на поперечных шлифах с помощью дифрактометра ДРОН-3 по разработанной методике.

По результатам рентгеносъемки годными по ориентации считаются заготовки образцов, у которых соответствующие им стартовые конусы имеют угол отклонения а требуемого кристаллографического направления от вертикальной оси заготовки не более 10 град, т. е. Ода^Ш град, аоп<10 град, аш<10 град.

В монокристаллах интерметаллидных сплавов не допускаются большеугловые границы, однако имеются малоугловые границы, разделяющие блоки структуры. Допускаемая максимальная ра-зориентация ме^ду блоками Да в заготовках под образцы из сплава типа ВКНА составляла <2-3 град.

Таким образом, было определено отклонение каждой монокристаллической заготовки под об-

ств, МПа а)

14001=

1000^

600-

2001_,_

и0 2, МПа б)

900

700 500 300

Рис. 3. Температурная зависимость средних значений характеристик кратковременной прочности сплава типа ВКНА с КТО <001>

а)

а, МПа 500

300

100

а, МПа 180

140 100 60

200 400 600 Время до разрушения, ч

в)

800

0 200 400 600

Время до разрушения, ч

1000

800 1000

а, МПа 300

250 200 150 100

50 0

а, МПа 120

б)

100

80

60

40 20

200 400 600 Время до разрушения, ч

г)

800

200 400 600 Время до разрушения, ч

1000

800 1000

Рис. 4. Зависимость средних значений характеристик длительной прочности сплава типа ВКНА с КТО <001>

0

0

разцы от заданного направления КГО <001>, <011> или <111>. Годные монокристаллические заготовки, удовлетворяющие условиям а<10 град, Да<2-3 град, были переданы на изготовление образцов для испытаний физико-механических свойств интерметаллидного сплава типа ВКНА.

Микроструктуру исследуемого интерметаллидного сплава анализировали на растровом микроскопе JSM-840 в поперечном сечении цилиндрической заготовки образца.

Статические испытания на растяжение с определением предела кратковременной прочности в соответствии с требованиями ГОСТ 1497 и времени до разрушения в соответствии с требованиями ГОСТ 10145 «Металлы. Метод испытания на длительную прочность» проводили на компьютеризированных стендах ZST2/3-BИЭT.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Исследование микроструктуры интерметаллидного сплава на основе №3А1 показало, что независимо от кристаллографической ориентации монокристаллическая заготовка имеет дендритно-ячеистое строение, оси дендритов состоят на 8085% (по массе) из интерметаллида №3А1 (у'-фаза), разделенного пластичными прослойками твердого раствора на основе никеля (у-фаза); межосное пространство содержит интерметаллидную фазу №2А1, окруженную у'-фазой (рис. 1, а, е, г).

Морфология у'-фазы в осях дендритов изменяется в зависимости от КГО. Для кристаллографической ориентации <001> она имеет форму квадрата, для КГО <111> - форму треугольника (рис. 1, б, е).

Исследования статического модуля упругости показали, что при температурах 20, 800, 900 и 1000°С модуль упругости при КГО <111> стабильно максимальный, при КГО <001> - минимальный, при КГО <011> - занимает промежуточное положение (рис. 2). Обращает на себя внимание то, что с повышением температуры от 20 до 1000°С для вышеуказанных кристаллографических ориентаций наблюдается снижение показателей модуля упругости, причем для КГО <011> и <001> - на -40%, для КГО <111> - на -30%, т. е. темп снижения значений статического модуля упругости интерметаллидного сплава на основе №3А1 типа ВКНА для КГО <111> медленнее.

Предел кратковременной прочности (св) сплава на основе №3А1 при комнатной температуре для КГО <111> - максимальный и составляет по средним значениям 1470 МПа, для КГО <011> -минимальный и составляет 905 МПа; для КГО <001>: 1105 МПа. В интервале температур 20-1200°С значения кратковременной прочности снижаются для всех трех кристаллографических ориентаций. При температуре 1200°С уровень средних значений одинаков для КГО <001> и <111> и составляет 180 МПа; для КГО <011>: 200 МПа, т. е. степень разупрочнения для КГО

<111> выше, а для КГО <011> - минимальная (рис. 3). Предел текучести (о0>2) сплава на основе Ni3A1 имеет максимальные значения при температурах 800-1150°С для КГО <001> и составляет соответственно 950-300 МПа.

Относительное удлинение (5) сплава типа ВКНА в диапазоне температур 20-1200°С носит нерегулярный характер: так, для КГО <111> средние значения 5 составляют 8% при температуре 20°С, для КГО <001> и <011> при температуре 800°С они составляют 14 и 19,5% соответственно; при температуре 1200°С для КГО <001>: 31%, для КГО <011>: 20%, для КГО <111>: 14%. Таким образом, сплав с КГО <111> имеет меньшие значения относительного удлинения в диапазоне температур 20, 800-1200°С (см. рис. 3).

Рис. 5. Температурная зависимость коэффициента анизотропии Г<ш>/<оо1>

Проведенные испытания сплава на основе №3А1 на длительную прочность при температурах 900, 1000, 1200°С показали, что максимальные значения имеют образцы с КГО <111 >, минимальные - с КГО <001>, с КГО <011> - занимают промежуточное положение (рис. 4). При температуре 1200°С средние значения длительной прочности образцов сплава с КГО <001> и <011> равны.

По результатам полученных значений прочностных характеристик рассчитаны коэффициенты анизотропии, характеризующие отношение длительной прочности монокристаллов ориента-ций <111> и <011> к длительной прочности монокристаллов ориентации <001> (рис. 5) [8].

Установлено, что наблюдается в основном положительная ориентационная зависимость (отношения s<ш> и s<0ll> к s<00l> - больше 1) значений пределов длительной прочности, что характерно для интерметаллидных сплавов серии ВКНА. При испытаниях при температуре 1200°С на базах до 1000 ч преимущество кристаллографической ориентации <111> нивелируется.

Установлено, что выбор КГО обусловлен условиями эксплуатации конкретной детали. Таким образом, конструкторы имеют возможность выбора не только материала, но и технологии его производства, которая обеспечивала бы максимальные значения физико-механических свойств.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иноземцев A.A., Нихамкин М.А., Сандрацкий В. Л.

Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. М.: Машиностроение. 2008. Т. 2. С. 159-192.

2. Базылева O.A., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаро-

прочные литейные интерметаллидные сплавы /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 57-60.

3. Каблов E.H., Бунтушкин В.П., Базылева O.A. Литые

лопатки из интерметаллида никеля (NijAl) для высокотемпературных газовых турбин //Конверсия в машиностроении. 2004. №4. С. 57-59.

4. Поварова К.Б., Базылева O.A., Казанская Н.К., Дроз-

дов A.A. и др. Конструкционные жаропрочные сплавы на основе NijAl: получение, структура и свойства //Материаловедение. 2011. №4. С. 39-48.

5. Каблов E.H., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов A.B.

Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 97-105.

6. Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А., Нарский АР.

О направленной кристаллизации жаропрочных сплавов с использованием охладителя //Литейное производство. 2011. №5. С. 36-39.

7. Бондаренко Ю.А., Базылева O.A., Ечин А.Б., Сурова В.А.,

Нарский А.Р. Высокоградиентная направленная кристаллизация деталей из сплава ВКНА-1В //Литейное производство. 2012. №6. С. 12-16.

8. Каблов E.H., Голубовский Е.Р. Жаропрочность нике-

левых сплавов. М.: Машиностроение. 1998. 152 с.