Влияние микролегирования РЗМ на свойства и структурно-фазовые превращения в интерметаллидном сплаве ВКНА-25-ВИ

9. Gell M., Vaidyanathan K., Barber B. Mechanism of spallation in platinum aluminide/electron beam physical vapor-deposited thermal barrier coatings //Metallurgical and materials transactions A. 1999. V. 30A. P. 427.

10. Evans A.G. Failure mechanisms associated with the thermally grown oxide in plasma-sprayed thermal barrier coatings //Acta materials. 2000. V. 48. P. 3963-3976.

11. Будиновский C.A., Каблов E.H., Мубояджян C.A. Применение аналитической модели определения упругих напряжений в многослойной системе при решении задач по созданию высокотемпературных жаростойких покрытий для рабочих лопаток авиационных турбин //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Спец. выпуск «Перспективные конструкционные материалы и технологии». 2011. С. 26-27.

12. Wellman R.G., Deakinb M.J., Nicholls J.R. The effect of TBC morphology on the erosion rate of EB PVD TBCs //Wear. 2005. №258. P. 349-356.

13. Evans H.E., Taylor M.P. Delamination Processes in Thermal Barrier Coating Systems //Journal of corrosion science and engineering. 2003. 6 Paper H011. P. 1-28.

14. Nicholls J.R., Lawson K.J., Johnstone A., Rickerby D.S. Methods to reduce the thermal conductivity of EB-PVD TBCs //Surface and Coatings Technology. 2002. № 151-152. P. 383-391.

15. Wu J., Wei X., Padture N.P. Low-thermal-conductivity rare-earth zirconates for potential thermal-barrier-coating applications //J. Am. Ceram. Soc. 2002. V. 85. №12. P. 3031-3035.

16. Rebollo N.R., Gandhi A.S., Levi C.G. Phase stability issues in emerging tbc systems //Electrochemical Society Proceedings. 2003. V. 16. P. 431-442.

17. Viatsumoto V. Development of plasma-sprayed thermal barrier coatings with low thermal conductivity and high oxidation resistance //Journal of Ceramic Society of Japan. 2007. V. 115 (2). P. 118-123.

18. Zhu D., Miller R.A. Thermal conductivity and sintering behavior of advanced thermal barrier coatings //NASA/TM 2002-211481. 2002. 15 p.

УДК 669.018.44

B.B. Сидоров, О.Б. Тимофеева, В.А. Калицев, A.B. Горюнов

ВЛИЯНИЕ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ РЗМ НА СВОЙСТВА И СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ИНТЕРМЕТАЛЛИДНОМ СПЛАВЕ ВКНА-25-ВИ

Исследовано влияние РЗМ (лантана и скандия) на долговечность сплава ВКНА-25-ВИ при испытании на длительную прочность при 1100°С, его сопротивление высокотемпературному окислению, а также микроструктура сплава до и после испытаний. Установлено, что наиболее эффективное влияние на свойства сплава оказал лантан: предел

длительной прочности oJJ00 увеличился на 18 МПа, а величина привеса на образцах при испытаниях на жаростойкость при 1100°С за 300 ч уменьшилась в 2-2,5 раза. Структурные исследования металла до и после испытаний подтвердили полученные результаты.

Ключевые слова: интерметаллидный сплав, длительная прочность, микролегирование, жаростойкость, микроструктура.

Для получения высоких и стабильных свойств литейных жаропрочных сплавов необходимо обеспечить получение металла с ультранизким содержанием примесей, что достигается путем подбора особо чистых по примесям шихтовых материалов и рафинированием расплава в процессе вакуумной плавки [1, 2]. Наряду с этим не менее эффективный метод повышения свойств литейных жаропрочных сплавов - это их микро-

легирование редкоземельными металлами (РЗМ). На основании проведенных систематических исследований и экспериментальных данных в ВИАМ была разработана технология микролегирования литейных и деформируемых жаропрочных никелевых сплавов РЗМ при получении деталей авиационных ГТД (рабочих и сопловых лопаток, дисков, створок сопла и др.) для сплавов ЖС6У-ВИ, ЖСЗДК-ВИ, ЖС32-ВИ, ЭП975-ИД, ВЖ175-ИД и др. [3, 4].

Однако применительно к интерметаллидным никелевым сплавам типа ВКНА научно-исследовательские работы по микролегированию их РЗМ не проводились.

Поэтому целью данной работы являлось экспериментальное исследование влияния РЗМ на свойства и структурно-фазовые превращения в интерметаллидных никелевых сплавах типа ВКНА. В качестве объекта исследования взят современный перспективный сплав ВКНА-25-ВИ.

Сплав ВКНА-25-ВИ относится к литейным жаропрочным конструкционным материалам, созданным на основе соединения Ni3Al и легированным небольшим количеством хрома, кобальта, молибдена, вольфрама, рения. Сплав отличается небольшой плотностью (d=8,1 г/см ) и может длительно работать при температуре газа - до 1200°С.

Выплавку сплава проводили в вакуумной индукционной печи ВИАМ-2002 в тигле емкостью 20 кг. В качестве РЗМ в основном использовали лантан и, для сравнения, в небольшом объеме - скандий. Полученные слитки после механической обработки переплавляли методом направленной кристаллизации на установке УВНК-9 для получения монокристаллических заготовок с кристаллографической ориентацией <111>. Из них изготовили образцы, которые прошли испытания при температуре 1100°С на длительную прочность по ГОСТ 10145 и на жаростойкость (по привесу) по ГОСТ 6130.

Анализ микроструктуры проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа фирмы «Jeol» (Япония).

Подготовку образцов осуществляли на оборудовании металлографического центра фирмы «Струерс». С помощью отрезного станка фирмы «Labotom» вырезали образцы в продольном (рабочая часть) и поперечном (головка) направлениях из разрушенных в результате испытаний на длительную прочность образцов. Затем образцы запрессовывали в полистирол на установке Labopress-З и готовили микрошлифы на шлифовально-полировальном станке RotoPol-21.

Следует отметить, что структурные изменения в головке образцов в процессе испытаний на длительную прочность происходят только под воздействием температуры, тогда как в рабочей части образцов такие структурные изменения происходят при комплексном влиянии температуры и напряжения.

Предварительно было изучено влияние расчетного содержания лантана (от 0,015 до 0,50%) на долговечность сплава ВКНА-25-ВИ при испытании на длительную прочность. Испытания проводили при 1100°С и о=95 МПа. Было установлено, что кривая долговечности имеет максимум при оптимальном расчетном содержании лантана; при недостатке в сплаве лантана, а также при его избыточном содержании значения долговечности снижаются.

С использованием полученных результатов выплавлен сплав ВКНА-25-ВИ с введением оптимального расчетного содержания лантана и испытан на длительную прочность при 1100 ° С и значениях напряжения: 95, 100, 105 и 110 МПа.

Результаты испытаний на длительную прочность сплава ВКНА-25-ВИ с добавками оптимального количества лантана приведены в табл. 1. Для сравнения были проведены испытания сплава с добавкой такого же количества скандия.

Таблица 1

Результаты испытаний на длительную прочность сплава ВКНА-25-ВИ при 1100°С

Микролегирование РЗМ

о, МПа

х, ч

С добавкой лантана

С добавкой скандия

95 100 100 105 105 110 100 100

1428 791 1010 617 801 238 563 703

По паспорту на сплав ВКНА-25-ВИ

95

500

Как видно из данных табл. 1, полученные значения долговечности на металле с РЗМ превышают паспортные характеристики сплава, при этом эффект от введения скандия получен в меньшей степени, чем от введения лантана.

На основании полученных результатов испытаний был построен график зависимости о-т (рис. 1), из которого видно, что полученные значения долговечности на металле с РЗМ лежат выше, чем паспортные характеристики сплава.

о, МПа

130

110

90 70

Рис. 1. Влияние микролегирования РЗМ

Среднее значение предела длительной прочности сплава ВКНА-25-ВИ с лантаном при 1100 ° С на базе 1000 ч составило 98 МПа, тогда как по паспорту на этот сплав среднее значение предела длительной прочности при тех же параметрах испытаний равно 80 МПа. Таким образом, благодаря микролегированию сплава ВКНА-25-ВИ лантаном его предел длительной прочности о^0 повысился на 18 МПа.

В табл. 2 приведены некоторые характеристики для сплава ВКНА-25-ВИ без лантана и с оптимальным содержанием лантана и для высокорениевого сплава ВЖМ1 (9%Re, 9%Та) - для сравнения. Видно, что удельная длительная прочность сплава ВКНА-25-ВИ с лантаном, содержащего всего 1,4%Re, превосходит эту характеристику для высокорениевого сплава ВЖМ1.

Методом химико-спектрального анализа в сплаве ВКНА-25-ВИ определили остаточное содержание лантана в исходной шихтовой заготовке и после отливки монокристаллов; в последнем случае определяли содержание лантана в нижней и верхней частях заготовки. Результаты анализа показали, что в шихтовых заготовках остается 50-70% лантана (от расчетного содержания), а в монокристаллических отливках окончательно остается в верхней и нижней частях 5-20 и 10-30% соответственно. Уменьшение содержания лантана связано с его взаимодействием с керамикой тигля и формы, угаром, а также с частичным окислением.

Таблица 2

Сравнительные характеристики литейных жаропрочных сплавов _с монокристаллической структурой_

Сплав Содержание, % 1100 д ЛГГ °Ю00 ' МПа d, г/см3 c/d, км

Re Та

ВКНА-25 <111> 1,4 0 80* 8,1 0,99

BKHA-25+La <111> 1,4 0 98 8,1 1,21

ВЖМ1 <001> 9,0 9,0 95* 9,09 1,04

* Паспортные значения.

Испытания на жаростойкость проводили на цилиндрических образцах 010 мм и длиной 25 мм, изготовленных из монокристаллических заготовок сплава ВКНА-25-ВИ без лантана и с присадкой лантаном. Образцы выдерживали в термической печи при температуре 1100°С в течение ~100 ч, затем охлаждали и взвешивали, после чего испытания продолжались. Визуально наблюдали за состоянием поверхности образцов и образующейся окалиной во время и после испытаний. Также проводили металлографическое исследование микроструктуры на поперечных шлифах. Полученные кривые удельного изменения массы сплава ВКНА-25-ВИ без лантана и с присадкой лантаном в результате окисления на воздухе приведены на рис. 2.

Хотя интерметаллидный сплав ВКНА-25-ВИ, в отличие от сплавов типа ЖС, характеризуется более высокой жаростойкостью, путем микролегирования лантаном можно дополнительно повысить его жаростойкость.

При визуальном контроле поверхности образцов между циклами нагрева было выявлено, что образующаяся на

образцах окалина имеет различные ВКНА-25-ВИ (MOHO <111>) лантаном на жаро-структуру и оттенок стойкость при температуре 1100°С

- на металле без РЗМ образовывалась окалина в виде крупных отслоившихся чешуек, которая имела серо-синий оттенок;

- на металле с лантаном она имела мелкодисперсную структуру с сине-зеленым и зеленоватым оттенками.

Окалина зеленого цвета на металле с лантаном свидетельствует о наличии в ней оксидов хрома с плотноупакованной кристаллической решеткой, которая препятствует окислению металла. Образование крупных чешуек на металле без РЗМ свидетельствует о плохой адгезии оксидной пленки с поверхностью металла, в то время как РЗМ препятствуют отслаиванию оксидной пленки при испытаниях, т. е. улучшают ее адгезию с металлом.

После испытания сплава ВКНА-25-ВИ на жаростойкость были проведены металлографические исследования образцов на приборе фирмы «Leica». Главным показателем стойкости сплава к высокотемпературному окислению является глубина поверхностной обедненной зоны. Глубина такой зоны минимальна на металле с добавками лантана и скандия и несколько больше на металле без РЗМ. Полученные результаты хорошо согласуются с характером кривых изменения удельной массы на рис. 2, а также с результатами работ [5, 6].

Исследовали микроструктуру сплава ВКНА-25-ВИ без РЗМ и с добавками лантана и скандия. Микроструктура сплава в литом состоянии представляет собой ячеисто-дендритную структуру, внутри дендритов имеет место развитая сеть субграниц. В меж-

«

о к

Л

<а „

а я

И U К у

К S

5 г §

20

10

Без РЗМ

"-"^CLa

* 0 100 200 300

Продолжительность испытаний, ч Рис. 2. Влияние микролегирования сплава

дендритных участках наряду с более крупными частицами у'-фазы неправильной формы и разного размера расположена эвтектика (у'+Р).

При исследовании микроструктуры сплава после испытаний на длительную прочность при 1100°С и о=95 МПа было установлено, что, в отличие от сплава без лантана, в сплаве с лантаном происходит измельчение дендритной структуры (уменьшается расстояние между дендритами и размеры дендритов), а также улучшается морфология упрочняющей у'-фазы за счет ее измельчения. Это положительно повлияло на характеристики длительной прочности. В разрушенных образцах отмечается коагуляция у'-фазы и растворение эвтектики (у'+Р), а около места разрушения - огрубление структуры и вытягивание частиц у'-фазы (образование «рафт»-структуры). В прослойках у-твердого раствора наблюдаются выделения мелких частиц предположительно у'-фазы, причем в металле с лантаном таких частиц значительно больше, а их размер значительно меньше.

Поскольку разрушение интерметаллидных сплавов происходит по прослойкам у-твердого раствора, то дополнительное их упрочнение ультрамелкими частицами увеличивает долговечность сплава ВКНА-25-ВИ.

На электронном микроскопе исследовали микроструктуру монокристаллов сплава ВКНА-25-ВИ с микролегированием лантаном и скандием. Исследовали металл в литом состоянии после термической обработки при 1000°С, 4 ч (охлаждение на воздухе) и после испытаний на длительную прочность при 1100 ° С, о=100 МПа. Время до разрушения образца с лантаном составило 990 ч, а со скандием: 791 ч. Микроструктура исследуемых образцов представлена на рис. 3. Установлено, что в сплаве с лантаном как до, так и после испытаний на длительную прочность морфология у'-фазы в осях и межосных пространствах более мелкая, чем в металле со скандием. Это положительно повлияло на характеристики длительной прочности металла с лантаном.

11 ¿I

1 мкм

1 мкм

Рис . 3. Морфология у'-фазы в межосных участках сплава ВКНА-25-ВИ

Таким образом, в результате проведенной работы установлено, что благодаря микролегированию интерметаллидного никелевого сплава ВКНА-25-ВИ лантаном можно дополнительно повысить предел длительной прочности при температуре 1100 ° С, а также его жаростойкость. Структурные исследования сплава до и после испытаний подтвердили полученные результаты. Установленные в работе закономерности могут быть учтены при исследовании других интерметаллидных никелевых сплавов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов E.H., Логунов A.B., Сидоров В.В. Обеспечение ультравысокой чистоты металла -гарантия качества литейных жаропрочных сплавов //Металлы. 2000. №6. С. 40-46.

2. Каблов Д.Е., Сидоров В.В., Мин П.Г. Влияние примеси азота на структуру монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ и разработка эффективных способов его рафинирования //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 32-36.

3. Каблов E.H., Логунов A.B., Сидоров В.В. Микролегирование РЗМ - современная технология повышения свойств литейных жаропрочных никелевых сплавов //Перспективные материалы. 2001. №1. С. 23-34.

4. Ломберг Б.С., Овсепян C.B., Бакрадзе М.М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3-8.

5. Сидоров В.В., Петрушин Н.В., Макеев A.B., Чабина Е.Б., Калмыкова H.A. Влияние лантана и иттрия на жаростойкость монокристаллов из жаропрочных высокорениевых никелевых сплавов //Авиационные материалы и технологии. 2005. №1. С. 7-15.

6. 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.-техн. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 97-105.

УДК 669.018.44

В.В. Герасимов, Е.М. Висик, В.А. Никитин*, М.Г. Зернова*

ОПЫТ ОСВОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ СЕКТОРОВ СОПЛОВЫХ ЛОПАТОК С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ СПЛАВА ВКНА-4У

Получение рабочих лопаток ГТД с монокристаллической структурой в настоящее время освоено рядом двигателестроителъных заводов авиационной промышленности.

В статье впервые освещается опыт освоения технологии литъя секторов сопловых лопаток с монокристаллической структурой из интерметаллидного сплава ВКНА-4У, отливки которых конструктивно являются более сложными, чем отдельно отлитые лопатки ГТД. Приведены схема модельного блока сектора из трех лопаток с элементами литниково-питающей системы, технические характеристики установки УВНК-14 для получения монокристаллических отливок высотой до 600 мм, основные температурные параметры процесса получения секторов на установке УВНК-14, дан анализ дефектов структуры в полученных отливках.

Ключевые слова: монокристаллические отливки, интерметаллидные сплавы, детали горячего тракта двигателя, установки для направленной кристаллизации.

Интерметаллидные сплавы типа ВКНА, обладающие рядом специфических особенностей: малой плотностью, высокой термостабильностью структуры, незначитель-

*ОАО «ММП им. В.В. Чернышева».