Фрактографические особенности развития трещин в образцах жаропрочных гранулируемых сплавов

-Ф-

Ф-

_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов

УДК 620.19

ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ТРЕЩИН В ОБРАЗЦАХ ЖАРОПРОЧНЫХ ГРАНУЛИРУЕМЫХ СПЛАВОВ*

А. С. Файнброн, канд. техн. наук

Приведены результаты анализа типичных видов развития трещин в образцах гранулированных никелевых сплавов ЭП741НП и ВВ751П после кратковременных, жаропрочных и малоцикловых испытаний. При испытаниях на малоцикловую усталость гладких образцов сплава ВВ751П трещины зарождаются на локальных дефектах структуры (в основном частицах - конгломератах, состоящих из мелких неметаллических включений и основного сплава) размером ~60-150 мкм. Когда зарождение трещины происходит от источника разрушения, расположенного на некотором удалении от поверхности образца, усталостная долговечность в среднем превышает в 5 раз долговечность тех образцов, в которых зарождение трещины происходит с их поверхности. Для образцов, в которых очаг разрушения расположен вблизи их поверхности (выходит на поверхность), уменьшение размера очага разрушения от 100-150 мкм до 60-95 мкм приводит к увеличению усталостной долговечности в среднем более чем в 2 раза.

Ключевые слова: гранулированные сплавы, зарождение трещины, малоцикловая усталость, очаг разрушения, усталостная долговечность.

Fractographic Features of Crack Propagation in P/M Ni-Base Superalloy Specimens. A.S. Fainbron.

The results of examination of typical kinds of crack propagation in P/M EP741NP and VV751P Ni-base superalloy specimens after short-time, high-temperature strength and low-cycle fatigue tests are presented. When VV751P alloy smooth specimens are subjected to low-cycle fatigue tests, cracks are initiated on local structure defects (mainly on particles being conglomerates consisting of fine nonmetallic inclusions and the alloy itself) of about 60-150 ^m. When crack initiation is caused by a failure source located at some distance from specimen surface, fatigue life of these specimens exceeds that of those specimens wherein crack initiation occurs from their surface 5 times on the average. In the case of specimens wherein a site of failure is located near the surface or appears on the surface, a reduction in site size from 100-150 ^m down to 60-95 ^m results in an improvement of fatigue life 2 times on the average.

Key words: P/M Ni-base superalloys, crack initiation, low-cycle fatigue, site of failure, fatigue life.

Современная технология производства полуфабрикатов компонентов авиационных двигателей из гранул труднодеформируемых высоколегированных никелевых сплавов нашла широкое применение в России и за рубежом

* В работе принимали участие Т.А. Мухина, Г.Д. Лебедев.

[1, 2]. В связи с высокими требованиями к надежности данных полуфабрикатов важнейшее значение при их изготовлении имеет контроль качества.

Фрактографические исследования являются неотъемлемой частью контроля качества при производстве заготовок дисков и валов как

из ранее разработанных (ЭП741НП, ЭП962П, ЭИ698П), так и новых сплавов ВВ750П, ВВ751П производства ОАО ВИЛС [3, 4]. Анализируют изломы образцов при испытании на ударный изгиб, а также изломы в случаях пониженных показателей механических свойств при испытаниях на растяжение и преждевременном разрушении образцов, испытанных на длительную прочность и малоцикловую усталость (МЦУ). В последние годы при изготовлении серий полуфабрикатов, к которым предъявляются повышенные требования, все образцы после испытаний на МЦУ, независимо от результатов испытаний, подвергают фрак-тографическому изучению.

Фрактографические исследования в целях контроля качества полуфабрикатов позволяют непосредственно локально анализировать поверхность, образующуюся при распространении трещины в образцах после различных видов механических испытаний. Это существенно увеличивает возможности выявления причины неудовлетворительных результатов испытаний. Вместе с тем проведенные ранее исследования [5, 6] показали, что развитие трещины в одном и том же материале, подвергнутом различным схемам нагружения (при разных видах механических испытаний), происходит по различным микромеханизмам, что приводит к большому разнообразию мик-рофрактографических особенностей изломов даже при нормальной бездефектной микроструктуре материала. Поэтому для достоверного анализа причин пониженных механических свойств и преждевременного разрушения образцов необходима систематизация полученных фрактографических данных.

В настоящей работе приведены результаты анализа типичных фрактографических особенностей развития трещин в образцах гранулированных жаропрочных никелевых сплавов ЭП741НП и ВВ751П при различных видах механических испытаний.

Исследованные образцы были изготовлены из полуфабрикатов текущего производства и испытаны на ударный изгиб, растяжение, длительную прочность и МЦУ. Испытания на растяжение и ударный изгиб проводили при комнатной температуре, на длительную прочность - при 650 °С и напряжениях 980 МПа

(сплав ЭП741 НП) и 1078 МПа (сплав ВВ751П). Испытания на МЦУ проводили на гладких цилиндрических образцах (диаметром в рабочей части 5 мм) при 650 °С, максимальных напряжениях цикла 980 МПа (сплав ЭП741НП) и 1097,6 МПа (сплав ВВ751П), частоте нагружения 1 Гц.

Образцы изучали с помощью бинокулярного стереоскопического микроскопа «Цито-вал» и растрового электронного микроскопа КУКУ-2800В, оборудованного спектрометром Ыогап для проведения микрорентгеноспект-рального анализа.

При кратковременных испытаниях, к которым относятся испытания на ударный изгиб и растяжение, наблюдали смешанное, в основном внутризеренное и частично межзеренное и межгранульное распространение трещины (рис. 1); микромеханизм роста трещины -вязкий, ямочный с образованием ямок широкого спектра размеров.

Рис. 1. Типичные микрофрактограммы внутризеренного (в основном), вязкого, ямочного

разрушения образцов сплава ЭП741НП при испытаниях на ударный изгиб и растяжение, а также зон долома в образцах, испытанных на длительную прочность и МЦУ при разном увеличении

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

При испытании на длительную прочность образцов с надрезом трещина зарождается в вершине надреза на границе зерна и на начальной стадии разрушения распространяется по зернограничным поверхностям. Микромеханизм роста трещины - хрупкий, с образованием разнообразного шероховатого микрорельефа. Зона межзеренного разрушения обычно занимает ~15-20 % поверхности излома (рис. 2). При достижении трещиной критической длины (глубины проникновения в сечение образца) происходит долом образца, при котором трещина распространяется по микромеханизму, типичному для кратковременных испытаний (см. рис. 1).

Надрез

Рис. 2. Распространение трещины в образцах сплавов ЭП741НП и ВВ751П при испытаниях на длительную прочность (начальное разрушение — межзеренное хрупкое):

а - схема излома образца с надрезом (I - зона начального межзеренного распространения трещины, II - зона долома); б - типичная микрофрактограмма зоны I

Анализ большого количества изломов образцов после жаропрочных испытаний с сильно различающейся долговечностью в большинстве случаев не выявил существенных различий в виде изломов. Наиболее вероятным объяснением этому является то, что определяющую долю в долговечности занимает продолжительность зарождения зерногранич-ной трещины. После зарождения трещины ее распространение происходит относительно быстро и однотипно во всех образцах, не влияя значительно на долговечность. Поэтому для выявления причин низкой долговечности необходимо комплексное исследование микроструктуры вблизи поверхности разрушения [7].

При испытании на МЦУ гладких образцов разрушение начинается с зарождения трещины, как правило, на одном локальном дефекте структуры, который в общем случае

может быть расположен в любой точке сечения образца. На рис. 3 приведены типичные макро-фрактограммы образцов и соответствующие микрофрактограммы источников (очагов) разрушения. Очаг зарождения трещины может быть расположен на различном удалении от поверхности образца: на большом удалении, в том числе и близко к центру (рис. 3, а, б); вблизи поверхности образца, когда источник разрушения выходит на поверхность (рис. 3, в, г); на малом удалении от поверхности образца так, что источник разрушения не выходит на поверхность образца (рис. 3, д, е).

На рис. 4, а, б показаны типичный вид излома и схема излома гладкого образца, испытанного на МЦУ, для случая, когда очаг разрушения не выходит на поверхность образца. Трещина зарождается на дефекте структуры, расположенном на расстоянии I от поверхности образца, и распространяется во всех направлениях как в глубину сечения образца, так и к поверхности образца. Путь распространения трещины - внутризеренный, по усталостным хрупким механизмам: сколом, а также с образованием усталостных бороздок, наблюдаемых, как правило, на периферии зоны I. По мере развития трещины в сечении образца формируются критические условия для долома образца отрывом (зона II) по микромеханизму, типичному для кратковременных испытаний (см. рис. 1), переходящим в срез (зона III).

Как показали исследования, очагами зарождения трещины в ~ 90-95 % образцов являются частицы, размер которых составляет ~60-150 мкм. Химический состав частиц-очагов разрушения очень разнообразен. Они представляют собой конгломераты, состоящие из мелких неметаллических включений (размером ~ 0,5-3 мкм) и материала основного сплава.

На рис. 4, в, г представлена микрофрактограмма одной из наиболее типичных частиц, послужившей очагом разрушения, и рентгеновский спектр от данной частицы, полученный с применением микрорентгеноспект-рального анализа. В спектре присутствуют как пики элементов, входящих в состав мелких неметаллических включений (вероятно, сложных оксидов на основе А1, а также Мд, Б1, Са),

Рис. 3. Типичный вид изломов образцов сплавов ЭП741НП и ВВ751П, испытанных на МЦУ, с различным местоположением очага разрушения:

а, б - на большом удалении от поверхности образца; в, г - вблизи поверхности образца

так и пики элементов, характерных для основного сплава (Ы1, Со, Сг, И, Ш, Мо, ЫЬ).

Объемная доля подобных частиц в сплаве очень мала и не превышает -10-5 %. Они чрезвычайно редко обнаруживаются в изломах образцов после кратковременных испытаний и после испытаний на длительную прочность, однако вследствие особенностей накопления

повреждений при испытании на МЦУ гладких образцов зарождение разрушения в них происходит на подобных частицах.

В очень редких случаях (-5-10 %) очагами разрушения могут послужить другие дефекты структуры (внутригранульные поры, отдельные гранулы) примерно тех же размеров, что и частицы (рис. 5).

Рис. 4. Зарождение и внутризеренное хрупкое усталостное распространение трещины в гладких образцах сплавов ЭП741НП и ВВ751П при испытании на МЦУ:

а - общий вид излома с очагом разрушения на малом удалении от поверхности образца; б - схема излома (О - очаг разрушения; I - зона усталостного распространения трещины; II, III - зоны долома отрывом и срезом соответственно; I - удаление очага разрушения от поверхности); в - микрофрактограмма очага разрушения и усталостного излома; г - рентгеновский спектр от частицы - очага разрушения

Рис. 5. Микрофрактограммы редко встречающихся очагов разрушения образцов сплавов ЭП741НП и ВВ751П, испытанных на МЦУ:

а - внутригранульная пора; б - отдельная гранула

При анализе сопротивления МЦУ гладких образцов зарубежных никелевых сплавов также наблюдали зарождение разрушения на различных локальных дефектах структуры (рис. 6) [8].

Исследовали группу образцов сплава ВВ751П после испытаний на МЦУ. Во всех изломах образцов определяли удаление очага разрушения от поверхности образца I и

90 80 70

Рис. 6. Фрактограммы образцов зарубежных жаропрочных гранулируемых никелевых сплавов, испытанных на МЦУ:

а - зарождение разрушения на малом удалении от поверхности образца сплава AF2-1 DA; б - пора-очаг разрушения вблизи поверхности образца сплава АF-115 [8]

60 -

о я

.

8 3

2 х 50

§ и

« 3 40 « 8

я и 30

н о

2 20

10

0 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Удаление очага разрушения от внешней поверхности I, мм

Рис. 7. Влияние удаления очагов разрушения от поверхности образцов / на усталостную долговечность ^ сплава ВВ751П.

размер частицы б, послужившей очагом разрушения. Результаты исследования представлены на рис. 7 и в табл. 1, 2. Из графика на рис. 7 видно резкое снижение усталостной долговечности образцов, в которых очаг разрушения выходит на поверхность образца (когда параметр I равен нулю). Данные об определенном влиянии местоположения очага разрушения в изломе образцов на их усталостную долговечность также приведены в табл. 1. Так, если очаг разрушения в изломе выходит на внешнюю поверхность образца (I = 0), усталостная долговечность Мр варьируется от 3400 до 19000 циклов (в среднем 8000 циклов). Если же очаг разрушения в изломе не выходит на внешнюю поверхность образца, усталостная долговечность составляет от 21000 до 81000 циклов (в среднем 41000 циклов), в среднем больше в 5 раз.

Полученные результаты могут быть объяснены исходя из данных, приведенных в ряде работ [9, 10] о сильном повреждающем влиянии, в основном, окисления на зарождение и рост трещины при высокотемпературных жаропрочных и усталостных испытаниях образцов высоколегированных никелевых сплавов в воздушной атмосфере. Зарождение трещины происходит значительно быстрее на частице-очаге разрушения, выходящей на поверхность образца, чем на частице, находящейся на некотором удалении от поверхности об-

"Ф

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Таблица 1

Зависимость усталостной долговечности от удаления очага разрушения от поверхности образца

Удаление очага разрушения в изломе от вне-

Усталостная долговечностьЫр, циклы

шней поверхности образца 1, мм минимальная максимальная средняя

0 (выходит на поверхность) 0,01-2,5 (не выходит на поверхность) 3400 21000 19000 81000 8000 41000

Таблица 2 Зависимость усталостной долговечности от размера частицы - очага разрушения образца для случаев, когда очаг разрушения выходит на поверхность образца

Размер частицы б, послужившей очагом разрушения образца, мкм Усталостная долговечностьЫр, циклы

минимальная максимальная средняя

100-150 60-95 3400 4400 6600 19000 4500 10700

разца и поэтому закрытой от внешней среды слоем основного сплава.

Отдельно для образцов, в которых очаг разрушения расположен вблизи их поверхности (выходит на поверхность, тип образца см. на рис. 3, в, г), установлена взаимосвязь размера очага разрушения и усталостной долговечности (см. табл. 2). Так, если размер частицы, послужившей очагом разрушения, составлял от 100 до 150 мкм, долговечность составляла от 3400 до 6600 циклов при средней долговечности 4500 циклов. Если размер частицы, послужившей очагом разрушения, составлял от 60 до 95 мкм, усталостная долговечность увеличивалась до 4400-19000 циклов при среднем значении 10700 циклов, т. е. в среднем более чем в 2 раза. Данные результаты, очевидно, могут быть объяснены более медленным зарождением трещины и меньшей начальной скоростью распростра-

нения трещины от более мелкого дефекта -источника разрушения.

Таким образом, полученные данные о зарождении разрушения при испытании на МЦУ указывают на необходимость дальнейшего совершенствования методов очистки материала от неметаллических включений, так как со снижением их удельного количества в сплаве пропорционально уменьшается и доля наиболее опасных дефектов, расположенных вблизи поверхности образцов и соответственно поверхности полуфабрикатов. Выявленные закономерности также дополнительно подтверждают целесообразность использования гранул фракции менее 100 мкм (а в дальнейшем и менее 70 мкм), что соответственно снижает и размер возможных дефектов - потенциальных очагов разрушения. С целью достижения стабильности высокого сопротивления МЦУ указанные меры реализуются при разработке технологии изготовления заготовок дисков из гранул новых жаропрочных никелевых сплавов.

Выводы

1. В образцах сплавов ЭП741НП и ВВ751П обнаружены следующие виды распространения трещин:

- при кратковременных испытаниях и до-ломе образцов после длительных жаропрочных и усталостных испытаний - в основном, внутризеренное и частично межзеренное и межгранульное вязкое, ямочное;

- на начальной стадии испытаний на длительную прочность - межзеренное хрупкое с разнообразным шероховатым микрорельефом;

- при испытаниях на МЦУ - внутризеренное хрупкое, сколом и с образованием усталостных бороздок.

2. При испытаниях на длительную прочность и МЦУ долговечность образцов, в основном, по-видимому, определяется продолжительностью зарождения трещины.

3. При испытаниях на МЦУ трещины зарождаются на локальных дефектах структуры (в основном, на частицах - конгломератах, состоящих из мелких неметаллических включений и основного сплава) размером -60150 мкм.

4. При малоцикловых испытаниях в случаях, если зарождение трещины происходит от источника разрушения, расположенного на различном удалении от поверхности образца, усталостная долговечность в среднем превышает в 5 раз долговечность тех образцов, в которых зарождение трещины проис-

ходит с их поверхности. Для образцов, в которых очаг разрушения расположен вблизи поверхности (выходит на поверхность), уменьшение размера очага разрушения от 100-150 мкм до 60-95 мкм приводит в среднем к увеличению более чем в 2 раза их усталостной долговечности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белов А.Ф., Аношкин Н.Ф., Гарибов Г.С. Разработка и внедрение промышленной технологии производства крупногабаритных дисков и пустотелых валов из гранул жаропрочных никелевых сплавов горячим изостатическим прессованием // Металлургия гранул. - М.: ВИЛС, 1983. Вып. 1. С.173-186.

2. Гессингер Г.Х. Порошковая металлургия порошковых сплавов / Пер. с англ. Челябинск: Металлургия, 1988. - 320 с.

3. Гарибов Г.С. Будущее технологии металлургии гранул // Технология легких сплавов. 2006. № 1-2. С.27-51.

4. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Крупногабаритные диски из гранул нового высокопрочного сплава ВВ750П для перспективных ГТД // Технология легких сплавов. 2008. № 1. С. 31-36.

5. Перцовский Н.З., Файнброн А.С., Воробьев Н.А., Зиновьев В.А. Исследование и систематизация изломов гранулированных жаропрочных сплавов на никелевой основе // Изв. АН СССР. Металлы. 1982. № 6. С. 146-151.

6. Файнброн А.С., Перцовский Н.З., Савин В.Н.

Особенности зарождения разрушения гранулированного никелевого сплава ЭП741НП при испытаниях на малоцикловую усталость // МиТОМ. 1993. № 6. С. 32-34.

7. Гарибов Г.С., Соколов А.Л., Казберович А.М., Власова О.Н., Семенова Н.М. К вопросу о чувствительности к надрезу материала заготовок дисков из сложнолегированного жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП // Технология легких сплавов. 2007. № 4. С. 55-59.

8. Hyzak J.M., Bernstein I.M. The effect of defects on the fatigue crack initiation process in two P/M superalloys // Met. Trans. 1982. V. 3. № 11. P. 33-52.

9. Gabrielli F., Pelloux R.M. Effect of environment on fatigue and creep crack growth in Inconel X-750 at elevated temperature // Met. Trans. 1982. V. 13. № 6. P. 1083-1090.

10. Sadananda K., Shahinian P. High-temperature crack growth behavior in Nimonic PE16 and Alloy 718 // Met. Trans. 1982. № 1. P. 18-25.