Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе
Исследовано влияние теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации никелевых сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ. Изучено влияние температурного градиента на фронте кристаллизации, скорости направленной кристаллизации и интенсивности теплоотвода на структуру и свойст...
Saved in:
| Date: | 2004 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2004
|
| Series: | Вопросы атомной науки и техники |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81267 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе / В.М. Ажажа, В.Я. Свердлов, А.Н. Ладыгин, Т.Ю. Рудычева, П.Д. Жеманюк, Н.А. Лысенко, В.В. Клочихин, А.А. Педаш // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 128-135. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81267 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-812672025-02-23T18:21:20Z Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе Роль теплофізичних умов в процесі формування структури при спрямованій кристалізації жароміцних сплавів на нікелевій основі Role of thermal and physical conditions during shaping structure at a directional crystallization of heat resisting alloys on nickel base Ажажа, В.М. Свердлов, В.Я. Ладыгин, А.Н. Рудычева, Т.Ю. Жеманюк, П.Д. Лысенко, Н.А. Клочихин, В.В. Педаш, А.А. Физика и технология конструкционных материалов Исследовано влияние теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации никелевых сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ. Изучено влияние температурного градиента на фронте кристаллизации, скорости направленной кристаллизации и интенсивности теплоотвода на структуру и свойства монокристаллов сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ. Исследована структура и механические свойства сложнолегированного никелевого сплава ЖС32-ВИ, содержащего в своем составе рений и тантал. Определена связь условий кристаллизации гомогенизирующего отжига с тонкой структурой монокристаллов и их механическими свойствами. Показано преимущество высокоградиентной направленной кристаллизации по сравнению с серийной промышленной технологией в получении монокристаллов с высокими эксплуатационными характеристиками. Досліджено вплив теплофізичних умов в процесі формування структури при спрямованій кристалізації нікелевих сплавів НВ-4 та ЖС32-ВІ. Вивчено вплив температурного градієнту на фронті кристалізації, швидкості спрямованої кристалізації та інтенсивності тепловідведення на структуру та властивості монокристалів сплавів НВ-4 та ЖС32-ВІ. Досліджено структуру та механічні властивості складно легованого нікелевого сплаву ЖС32-ВІ, що містить у своєму складі реній та тантал. Визначений зв’язок умов кристалізації, гомогенізуючого відпалювання з тонкою структурою монокристалів та їхніми механічними властивостями. Показана перевага високоградієнтної спрямованої кристалізації в порівнянні з серійною промисловою технологією в отриманні монокристалів з високими експлуатаційними характеристиками. The influence thermal and physical conditions during shaping structure at a directional crystallization of nickel base alloys NV-4 and ZS32-VI. The influence of a temperature gradient rate at the front crystallizations, speed of a directional crystallization and intensity heat remove on structure and properties of single crystals alloys NV-4 and ZS32-VI is investigated. The structure and mechanical properties nickel base superalloy ZS32-VI, containing in the makeup rhenium and tantalum is explored. The linkage of requirements of a crystallization, homogenizing annealing with thin structure of single crystals and their mechanical properties is spotted. The advantage high temperature gradient of a directional crystallization is shown in comparison with serial industrial technology in reception of single crystals with the high operational characteristics. 2004 Article Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе / В.М. Ажажа, В.Я. Свердлов, А.Н. Ладыгин, Т.Ю. Рудычева, П.Д. Жеманюк, Н.А. Лысенко, В.В. Клочихин, А.А. Педаш // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 128-135. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81267 669.14.018.44.669-172 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов |
| spellingShingle |
Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Ажажа, В.М. Свердлов, В.Я. Ладыгин, А.Н. Рудычева, Т.Ю. Жеманюк, П.Д. Лысенко, Н.А. Клочихин, В.В. Педаш, А.А. Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Исследовано влияние теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной
кристаллизации никелевых сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ. Изучено влияние температурного градиента на
фронте кристаллизации, скорости направленной кристаллизации и интенсивности теплоотвода на структуру
и свойства монокристаллов сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ. Исследована структура и механические свойства
сложнолегированного никелевого сплава ЖС32-ВИ, содержащего в своем составе рений и тантал. Определена связь условий кристаллизации гомогенизирующего отжига с тонкой структурой монокристаллов и их
механическими свойствами. Показано преимущество высокоградиентной направленной кристаллизации по
сравнению с серийной промышленной технологией в получении монокристаллов с высокими эксплуатационными характеристиками. |
| format |
Article |
| author |
Ажажа, В.М. Свердлов, В.Я. Ладыгин, А.Н. Рудычева, Т.Ю. Жеманюк, П.Д. Лысенко, Н.А. Клочихин, В.В. Педаш, А.А. |
| author_facet |
Ажажа, В.М. Свердлов, В.Я. Ладыгин, А.Н. Рудычева, Т.Ю. Жеманюк, П.Д. Лысенко, Н.А. Клочихин, В.В. Педаш, А.А. |
| author_sort |
Ажажа, В.М. |
| title |
Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе |
| title_short |
Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе |
| title_full |
Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе |
| title_fullStr |
Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе |
| title_full_unstemmed |
Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе |
| title_sort |
роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2004 |
| topic_facet |
Физика и технология конструкционных материалов |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81267 |
| citation_txt |
Роль теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной кристаллизации жаропрочных сплавов на никелевой основе / В.М. Ажажа, В.Я. Свердлов, А.Н. Ладыгин, Т.Ю. Рудычева, П.Д. Жеманюк, Н.А. Лысенко, В.В. Клочихин, А.А. Педаш // Вопросы атомной науки и техники. — 2004. — № 6. — С. 128-135. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT ažažavm rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT sverdlovvâ rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT ladyginan rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT rudyčevatû rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT žemanûkpd rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT lysenkona rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT kločihinvv rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT pedašaa rolʹteplofizičeskihuslovijvprocesseformirovaniâstrukturyprinapravlennojkristallizaciižaropročnyhsplavovnanikelevojosnove AT ažažavm rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT sverdlovvâ rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT ladyginan rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT rudyčevatû rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT žemanûkpd rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT lysenkona rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT kločihinvv rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT pedašaa rolʹteplofízičnihumovvprocesíformuvannâstrukturiprisprâmovaníjkristalízacíížaromícnihsplavívnaníkelevíjosnoví AT ažažavm roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase AT sverdlovvâ roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase AT ladyginan roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase AT rudyčevatû roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase AT žemanûkpd roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase AT lysenkona roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase AT kločihinvv roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase AT pedašaa roleofthermalandphysicalconditionsduringshapingstructureatadirectionalcrystallizationofheatresistingalloysonnickelbase |
| first_indexed |
2025-11-24T09:52:29Z |
| last_indexed |
2025-11-24T09:52:29Z |
| _version_ |
1849664942044610560 |
| fulltext |
УДК 669.14.018.44.669-172
РОЛЬ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ В ПРОЦЕССЕ
ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ПРИ НАПРАВЛЕННОЙ
КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
В.М. Ажажа, В.Я. Свердлов, А.Н. Ладыгин, Т.Ю. Рудычева,
П.Д. Жеманюк*, Н.А. Лысенко*, В.В. Клочихин*, А.А. Педаш*
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»;
* ОАО «Мотор-Сич»
Исследовано влияние теплофизических условий в процессе формирования структуры при направленной
кристаллизации никелевых сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ. Изучено влияние температурного градиента на
фронте кристаллизации, скорости направленной кристаллизации и интенсивности теплоотвода на структуру
и свойства монокристаллов сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ. Исследована структура и механические свойства
сложнолегированного никелевого сплава ЖС32-ВИ, содержащего в своем составе рений и тантал. Опреде-
лена связь условий кристаллизации гомогенизирующего отжига с тонкой структурой монокристаллов и их
механическими свойствами. Показано преимущество высокоградиентной направленной кристаллизации по
сравнению с серийной промышленной технологией в получении монокристаллов с высокими эксплуатаци-
онными характеристиками.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования структуры и свойств жаропрочных
сплавов на никелевой основе являются актуальной
задачей, связанной с улучшением эксплуатацион-
ных характеристик изделий аэрокосмической техни-
ки, наземных энергетических установок а также эле-
ментов конструкций атомных реакторов. В техноло-
гии изготовления монокристаллических лопаток из
сложнолегированных никелевых сплавов для газо-
турбинных двигателей используется затравочный
метод литья [1]. В качестве затравки используются
монокристаллы сплава НВ-4 [2], содержащего номи-
нально35 %W и 65 %Ni. Роль затравки состоит в
передаче монокристаллической лопатке кристалло-
графической ориентации [001] вдоль ее вертикаль-
ной оси Z. Структурное совершенство монокристал-
лической затравки имеет важное значение для полу-
чения высокого выхода годных монокристалличе-
ских лопаток. Влияние условий кристаллизации
(скорость направленной кристаллизации Rкр и гради-
ент температуры GТ на фронте кристаллизации) на
микроструктуру и свойства монокристаллов сплава
НВ-4 подробно изучено в [3]. Было показано суще-
ственное улучшение качества получаемых затравок
при направленной кристаллизации сплава НВ-4 в
условиях высокого градиента температур (GТ ≈
20 º/мм) по сравнению с затравками, изготовленны-
ми по серийной технологии на промышленных уста-
новках УВНК-8П (GТ ≈8 º/мм). Исследования,
направленные на поиск оптимальных параметров
процесса направленной кристаллизации жаропроч-
ных сплавов [2,4], позволили установить, что повы-
шение градиента температуры на фронте кристалли-
зации содействует получению более качественной
структуры жаропрочных сплавов. В данной работе
приводятся данные о влиянии теплофизических
условий (скорость направленной кристаллизации
Rкр, градиент температуры на фронте направленной
кристаллизации GТ, интенсивность теплопередачи)
на процессы формирования структуры при направ-
ленной кристаллизации никелевых сплавов НВ-4 и
ЖС32-ВИ и их свойства.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
ИССЛЕДОВАНИЯ
Исходным материалом для получения монокри-
сталлов бинарного никель-вольфрамового сплава
служил сплав НВ-4 (ТУ 1-92-112-87). Состав сплава
НВ-4 согласно ТУ приведен в табл.1. Контроль эле-
ментного состава сплава НВ-4 проводили методом
масс-спектроскопии с регистрацией на фотопленку.
Исследование проводили на лазерном масс-спектро-
метре высокого разрешения с двойной фокусиров-
кой по Маттауху-Герцогу ЭМАЛ-2 и микрофотомет-
ру, регистрирующему НФО-451. Результаты эле-
ментного анализа приведены в табл.1.
Монокристаллы сплава НВ-4 получали методом
направленной кристаллизации по-Бриджмену в вы-
соком температурном градиенте (GТ ≈20 º/мм), кото-
рый создавался кристаллизатором с жидкометалли-
ческим галлиевым теплоносителем. Скорость
направленной кристаллизации изменяли ступенчато
в интервале 0,4…20 мм/мин. Подробно методика по-
лучения монокристаллов сплава НВ-4 описана в [3].
Исходным материалом для получения монокри-
сталлических образцов сложнолегированного нике-
левого сплава ЖС32-ВИ служили отходы монокри-
стального литья лопаток ГТД из сплава ЖС32-ВИ
методом высокоскоростной направленной кристал-
лизации (ТУ 1-92-177-91). Отходы предварительно
подвергались очистке, каждая заготовка проходила
контроль химического состава. Для усреднения
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № 6.
Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (14), с. 128-135.
128
состава шихтовку осуществляли методом квартова-
ния. Монокристаллы получали направленной кри-
сталлизацией по-Бриджмену с использованием ори-
ентированных затравок из сплава Ni-W[2]. Затравки
имели ориентацию [001]. Направленную кристалли-
зацию проводили в литейных формах из электроко-
рунда, предварительно заполненных жидким рас-
плавом, путем перемещения из горячей зоны, созда-
ваемой нагревателем, в кристаллизатор.
Керамическая форма размещалась в графитовом
тигле, который, в свою очередь, находился на водо-
охлаждаемом штоке. С целью изучения влияния ин-
тенсивности теплоотвода на фронте кристаллизации
на структуру и свойства монокристаллов применя-
лись три разновидности монтажа керамических
форм в графитовом тигле. В первом варианте про-
странство между керамической формой и графито-
вым тиглем было свободным (Патент Украины
№49616А от 03.01.2002). При таком расположении
элементов плавильного блока достигается высокая
однородность температурного поля в расплаве. С
другой стороны, интенсивность отвода тепла, выде-
ляющегося на фронте кристаллизации, ослабляется
в следствие большого теплового сопротивления в
системе расплавленный металл – керамическая фор-
ма – кристаллизатор. Во втором варианте с целью
усиления теплоотвода свободное пространство меж-
ду керамической формой и графитовым тиглем за-
полнялось гранулированным графитом (Патент
Украины №63621А от 15.05.2003). И наконец, в тре-
тьем варианте в графитовом тигле делали вырезы
для непосредственного контакта керамических форм
с галлиевым теплоносителем, обеспечивая тем са-
мым интенсивный отвод тепла с фронта кристалли-
зации .
В лабораторных условиях скорость кристаллиза-
ции Rкр составляла 10 и 20 мм/мин. Для сравнения
были также получены образцы монокристаллов
сплава ЖС32-ВИ методом высокоскоростной
направленной кристаллизации в промышленной
установке УНВК-8П со скоростью кристаллизации
Rкр=10 мм/мин (градиент кристаллизации составлял
при этом ≈8 º/мм). Монокристаллические образцы
представляли собой стержни цилиндрической фор-
мы диаметром 9 мм и длиной ~150 мм, из которых
готовились образцы для металлографических иссле-
дований и механических испытаний. Механические
свойства определяли вдоль оси образцов, т.е. в кри-
сталлографическом направлении [001]. Микрострук-
туру образцов исследовали с помощью оптических
микроскопов Neophot-32 и ММР-4, а также методом
электронной растровой микроскопии с использова-
нием микроскопа JSMT-300. Определение кристал-
лографической ориентации и степени совершенства
монокристаллов проводили методами рентгено-
структурного анализа на дифрактометрах HZG-4A12
и ДРОН-4 в СuКα-излучении. Содержание кислоро-
да и азота в сплаве ЖС32-ВИ определяли на уста-
новке ON-900 фирмы ELTRA.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Монокристаллы сплава НВ-4 в лабораторных
условиях получали, используя первый вариант раз-
мещения керамической формы с расплавом в графи-
товом тигле. Оптимальные скорости направленной
кристаллизации для получения наиболее совершен-
ной структуры монокристаллов сплава НВ-4 нахо-
дятся в интервале 3…7 мм/мин [3]. При таких ско-
ростях направленной кристаллизации в условиях
высокого градиента температуры на фронте кри-
сталлизации (GТ ≈20 º/мм) формируется высокодис-
персная ячеистая микроструктура с параметром
ячейки λ≈260…200 мкм (см. рис.1,а). В промышлен-
ной установке УВНК-8П, обеспечивающей на
фронте кристаллизации значение градиента темпе-
ратуры GТ ≈ 8º/мм, формировалась более грубая
а
б
Рис.1. Поперечные шлифы монокристаллов сплава
НВ-4, закристаллизованных в условиях различного
температурного градиента на фронте кристалли-
зации: а – GT=20ºС/мм, б – GT=8ºС/мм (серийная
технология). Rкр=10мм/мин
129
дендритная микроструктура (рис.1,б). При этом кри-
сталлизация в УВНК-8П осуществлялась путем
опускания керамической формы с расплавом в ван-
ну с расплавленным алюминием, что позволяло ин-
тенсивно отводить тепло, выделяемое на фронте
кристаллизации. Отсюда можно сделать вывод, что
при росте монокристаллов сплава НВ-4 главным
условием, влияющим на формирование морфологии
фронта кристаллизации, является градиент темпера-
туры, а интенсивность теплоотвода не играет реша-
ющей роли. Для объяснения этого факта полезно ис-
пользовать модель концентрационного переохла-
ждения [4], согласно которой устойчивость плоско-
го фронта кристаллизации для двойных сплавов
описывается соотношением:
L
0LT
kD
)k1(Cm
R
G −= , (1)
где GТ - градиент температуры в расплаве на фронте
кристаллизации; R – скорость фронта кристаллиза-
ции; mL – тангенс угла наклона линии ликвидуса; C0
– концентрация растворенного элемента в сплаве; к
– равновесный коэффициент распределения;
DL – коэффициент диффузии растворенного элемен-
та в расплаве. Принимая во внимание, что
кр
0L Т
k
)k1(Cm ∆=− - равновесный интервал кри-
сталлизации сплава [1,5], выражение (1) можно за-
писать в виде
D
Т
R
G крT ≥ . (2)
Как видно из рис.2 и согласно [3], интервал кри-
сталлизации сплава НВ-4 не превышает ~4…10 ºС.
Это и обусловливает относительную легкость отво-
да тепла, выделяющегося на фронте кристаллизации
в условиях высокого градиента температуры. Слож-
ный химический состав сплава ЖС32-ВИ,
(см.табл.1), обусловливает высокую степень концен-
трационного переохлаждения перед фронтом кри-
сталлизации. В результате скорость направленной
кристаллизации, при которой происходит наруше-
ние устойчивости плоского фронта при заданном
значении GT, согласно (1) уменьшается. Соответ-
ственно и переход от ячеистой морфологии к ден-
дритному росту происходит при более низких значе-
ниях скорости направленной кристаллизации. Ана-
логичный вывод следует из анализа соотношения (2)
применительно к сплаву ЖС32-ВИ. Интервал кри-
сталлизации сплава ЖС32-ВИ согласно [1] состав-
ляет ∆Ткр=TL-TS=67 º (рис.3), что на порядок больше
по сравнению со сплавом НВ-4. Высота жидко-
твердой области на фронте кристаллизации опреде-
ляется соотношением
T
кр
G
Т∆
и заметно высокогради-
ентной направленной кристаллизацией, что облегча-
ет подпитку расплавом оснований дендритов, при-
водит к уменьшению дендритной ликвации и более
однородной структуре. Проведенный здесь анализ
температурно-кинетических условий на фронте кри-
сталлизации для сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ, показы-
вает, что для получения совершенной моно-
а
б
Рис.2. Диаграмма состояний системы Ni-W: а - об-
щий вид диаграммы состояний; б - фрагмент диа-
граммы плавкости, выделенный рамкой на а
Рис.3. Схематическое изображение участка псев-
добинарной диаграммы Ni - ∑Al, Ti, Ta, Hf, Nb [1].
130
б)
(I – область составов литейных никелевых жаро-
прочных сплавов)
131
Таблица 1
Химический состав сплава ЖС32-ВИ
Элемент
Сплав НВ-4 Сплав ЖС32-ВИ
Монокри-
сталлы НВ-4
Норма
ТУ
Варианты кристаллизации
1 2 3
Серийная
технология Норма ТУ
Коэф.
распр.
примеси в
никеле кNi
0 [6]
Ni
С
Сг
Со
W
Мо
Al
Fe
Nb
Та
Re
Рb
Вi
S
Р
Si
О(ppm)
N(ррm)
основа
0,046
0,26
0,104
32,6
0,059
0,022
0,075
0,011
-
-
-
-
0,0013
0,00018
0.021
-
-
основа
32…36
≤1,0
≤0,015
≤0,015
≤0,4
основа
0,13
4,5
9,4
8,75
1,13
5,50
0,16
1,42
3,50
3,88
0,00019
0,0001
0,004
0,003
32,4
9,7
основа
0,15
4,56
9,45
9,00
1,05
5,65
0,10
1,40
3,58
3,55
0,00017
0,0001
0,004
0,003
29,8
9,9
основа
0,14
4,51
9,45
8,87
1,05
5,65
0,10
1,40
3,55
3,55
0,00015
0,0001
0,004
0,003
31,5
8,9
основа
0,16
4,56
9,47
8,98
1,15
5,65
0,24
1,50
3,58
3,50
0,00030
0,0001
0,004
0,003
30,6
9,2
основа
0,12…0,18
4,3…5,6
8,0…10,0
7,7…9,5
0,8…1,4
5,6…6,3
≤1,0
1,4…1,8
3,5…4,5
3,5…4,5
≤0,001
≤0,0005
≤0,001
≤0,015
0,20
0,86
<1
1.66
0.89
0.87
0.93
0.86
0.74
1.45
0.11
<0.01
0.02
0.61
кристаллической структуры в сплаве ЖС32-ВИ, по
сравнению со сплавом НВ-4, в большей степени
требуется высокий градиент температуры на фронте
кристаллизации и интенсивный отвод тепла, выде-
ляющегося при кристаллизации. Это подтверждает-
ся результатами исследований монокристалличе-
ских образцов сплава ЖС32-ВИ, полученных в про-
цессе направленной кристаллизации с различными
теплофизическими условиями на фронте кристалли-
зации.
Изучение макроструктурного состояния моно-
кристаллов сплава ЖС32-ВИ показало, что в про-
цессе направленной кристаллизации монокристал-
лическая структура сформировалась на 6,3 % образ-
цов, полученных по 1-му варианту со свободным
пространством между керамической формой и гра-
фитовым тиглем, на 83,3 % образцов 2-го варианта
отливки (пространство между тиглем и формой за-
полняли гранулированным графитом) и на всех
(100 %) образцах, отлитых по 3-му варианту с ис-
пользованием галлиевого теплоносителя. На осталь-
ных образцах выявлена поликристаллическая струк-
тура.
Максимальные отклонения направления [001] от
оси Z получили на образцах, отлитых по серийной
технологии и 1-му варианту (табл.2). При отливке
образцов в керамические формы, где пространство
между тиглем и формой заполняли гранулирован-
ным графитом (2-й вариант), отклонение направле-
ния [001] от оси Z более 12 угл.град. наблюдали на
67 % образцов. Отливка с использованием галлиево-
го теплоносителя (3-й вариант) со скоростью Rкр=
10 мм/мин обеспечила получение угла отклонения,
не превышающего 6 угл.град., на 75 % образцов, а
со скоростью 20 мм/мин - на 90 % . При этом в об-
разцах. отлитых по 2 и 3-му вариантам угол откло-
нения не превышал 28 угл.град.
Исследование микроструктуры полученных об-
разцов показало, что сплав ЖС32-BИ представляет
собой сложную гетерогенную систему, основными
фазами в которой являются: ГЦК-аустенит (γ-матри-
ца) на основе никеля; интерметаллидная γ'-фаза на
основе Ni3(Ti,Al); (γ - γ') - эвтектическая фаза;
карбиды типа МеС и Ме23С6; двойной карбид типа
Ni3W3C; карбонитриды типа Ме(С,N); карбоборид
типа Ме23(С,В)6 и бориды Ме3В2, Ме5В3, Ме2В.
Таблица 2
Угол отклонения направления [001 ] от оси Z
в монокристаллических образцах
из сплава ЖС32-ВИ
Вариант кри-
сталлизации
Скорость кри-
сталлизации
Rкр, мм/мин
Отклонение
направления [001]
от оси Z, угл.град.
1 10 2...59
2 10 4...28
3
10 0,5...28
20 1...21
Серийная
технология 10 2...57
Микроструктура образцов различных вариантов
отливки в литом состоянии идентична (рис.4). Рас-
стояние между осями дендритов как первого, так и
второго порядка, а также размер структурных со-
ставляющих примерно одинаковы (табл. 3,4).
Однако следует отметить, что повышение скоро-
сти кристаллизации с Rкр.=10 мм/мин до
132
Rкр.=20 мм/мин способствует некоторому уменьше-
нию размеров дендритных ячеек и структурных со-
ставляющих.
Таблица 3
Расстояние между осями дендритов 1- и 2-го по-
рядков после различных вариантов отливки об-
разцов из сплава ЖС32-ВИ
Вариант
кристал-
лизации
Скорость
кристал-
лизации,
Rкр,
мм/мин
Расстояние
между осями
дендритов
1-го порядка,
мкм
Расстояние
между ося-
ми дендри-
тов 2-го по-
рядка, мкм
1 10 150...225 30...45
2 10 100...150 20...35
3
10 150...225 20...35
20 120...200 20...30
Сер. тех-
нология 10 150...200 25...35
.Таблица 4
Размер эвтектики (γ-γ') в образцах из сплава
ЖС32-ВИ после различных вариантов отливки
Вариант
кристалли-
зации
Скорость
кристаллиза-
ции, Rкp.,
мм/мин
Размер эвтектики (γ-γ'),
мкм
верхняя
часть
нижняя
часть
1 10 30...40 (35) 28...40 (33)
2 10 28...40 (32) 20...40 (30)
3
10 28...40 (32) 20...30 (26)
20 24...30 (26) 20...26 (24)
Серийная
технология 10 26...40 (32) 24...40 (30)
Примечание. В скобках даны средние значения раз-
мера эвтектики (γ-γ’).
Карбиды типа МеС при всех вариантах выплавки
имеют шрифтовую морфологию, образуя своеоб-
разный каркас по междендритным пространствам
(рис.5). Кроме того, из расплава при кристаллизации
выделяются карбиды типа Ме23С6. Данные карбиды
имеют вид единичных глобулярных частиц. От-
личить их от других карбидов можно по слабой тра-
вимости в реактиве Мураками. При этом замечено,
что размеры единичных карбидов типа МеС и
Ме23гзС6 в нижней части исследуемых образцов
меньше, чем в верхней. Аналогичным образом изме-
няются размеры эвтектической (γ-γ')-фазы и расстоя-
ние между осями дендритов.
Интерметаллидная γ'-фаза является основной
упрочняющей фазой и выделяется из γ-твердого
раствора в процессе кристаллизации при охлажде-
нии в достаточно большом количестве. Даже при
сравнительно небольших оптических увеличениях
(порядка 500 крат и более) частицы γ'-фазы различи-
мы как в межосях, так и в осях дендритов. При уве-
личениии 10000 крат установлено, что γ'-фаза имеет
кубическую форму, образуя блоки из четырех ча-
стиц. Размер блоков упрочняющей фазы в осях ден-
дритов составляет 0,26... 0,36 мкм, что в
1,6...3,4 раза меньше, чем в межосных про-
странствах. Повышение скорости кристаллизации
приводит к уменьшению частиц в осях дендритов.
При этом также наблюдается увеличение разницы
между осями и межосями дендритов.
а б
в г
д е
Рис.4 Микроструктура монокристаллов сплава
ЖС32-ВИ, изготовленных по различным вариантам
направленной кристаллизации
Вариант 1: а – R=10мм/мин; б - R=20мм/мин.
Вариант 2: в - R=10мм/мин. Вариант3:
г - R=10мм/мин; д - R=20мм/мин.
Серийная технология: е - R=10мм/мин. х60
Интенсификация теплоотвода в третьем варианте
направленной кристаллизации приводит к суще-
ственному изменению микроструктуры. При скоро-
133
стях кристаллизации 10 и 20 мм/мин наблюдается в
основном γ-твердый раствор, имеющий дендритно-
ячеистую структуру при R=10 мм/мин (см. рис.4, г)
и дендритную при R=20 мм/мин (см. рис.4, д). Лик-
вация раствора выражена очень сильно. Объемная
доля эвтектики (γ-γ’) существенно уменьшается (Vf≈
2 %), а карбидные фазы практически отсутствуют.
Такое состояние сплава облегчает процесс гомоге-
низации при последующем отжиге. При этом сплав
из квазимонокристаллического состояния в большей
степени приближается к монокристаллическому со-
стоянию (рис.8), что приводит к улучшению его ме-
ханических характеристик.
Рис.5 Морфология карбидов в монокристаллах спла-
ва ЖС 32-ВИ
Термическая обработка наряду с рациональным
легированием, металлургической обработкой жид-
кого металла и управлением кристаллизацией в про-
цессе отливки деталей из жаропрочных литейных
сплавов, - один из резервов улучшения их механиче-
ских и физических характеристик. Исследуемые об-
разцы термообрабатывали по режиму: гомогениза-
ция при температуре 1255 °С в течение 2 ч с охла-
ждением на воздухе. Металлографическим исследо-
ванием термообработанных образцов, отлитых по
различным вариантам, установлена их структурная
идентичность. В структуре всех образцов наблюда-
ется повышение структурной однородности в ре-
зультате выравнивания размеров γ'-фазы в дендрит-
ных осях и межосных участках (рис.6). Кроме того,
термообработка способствовала более полному вы-
делению интерметаллидной γ'-фазы из γ-твердого
раствора.
Рис.6 Микроструктура сплава ЖС 32-ВИ после го-
могенизации при температуре 1255ºС
Из результатов, приведенных на рис.7, видно,
что наиболее высокие значения механических и жа-
ропрочных свойств, превышающие требования тех-
нических условий и уровень серийного металла, по-
лучены на образцах, отлитых по 3-му варианту.
При этом также наблюдается достаточно высо-
кая стабильность исследуемых характеристик. Тогда
как для образцов, отлитых по 1- и 2-му вариантам,
характерен невысокий уровень стабильности жаро-
прочных и механических свойств.
Механические свойства (предел прочности σВ и
относительное удлинение δ) монокристаллов сплава
ЖС32-ВИ при комнатной температуре находились в
пределах σВ =990…1208 МПа и δ=6,0…20,4 %, что
соответствует нормам ТУ 1-92-177-91.
Микротвердость матрицы во всех исследуемых
образцах находится примерно на одном уровне
(Н\/=4868...5570 МПа) с незначительным снижением
значений от верха к низу образца.
0
20
40
60
80
100
120
I-й
вариант
R=10мм/мин
II-й
вариант
R=10мм/мин
III-й
вариант
R=20мм/мин
III-й
вариант
R=10мм/мин
Серийная
технология,
R=10мм/мин
Норма
ТУ 1-92-117-91
τ,
ч
а
с
Рис.7. Длительная прочность монокристаллов сплава ЖС32-ВИ, изготовленных с различными вариантами
кристаллизации, Тисп=1000ºС, σ=280МПа
134
ж з
Рис.8. Микроструктура сплава ЖС32-ВИ в литом состоянии:
а – вариант 2, ось дендрита R=10мм/мин; б – вариант 2, междендритное пространство R=10мм/мин;
в – вариант 3, ось дендрита R=10мм/мин; г – вариант 3, междендритное пространство R=10мм/мин;
д – вариант 3, ось дендрита R=20мм/мин; е – вариант 3, междендритное пространство R=20мм/мин;
ж – серийная технология, ось дендрита R=10мм\мин; з – серийная технология, R=10мм/мин, после отжи-
га 1270ºС
ВЫВОДЫ
1. В процессе формирование микроструктуры
при направленной кристаллизации никелевых спла-
вов НВ-=4 и ЖС32-ВИ определяющее влияние на
морфологию фронта кристаллизации имеет градиент
температуры. Значение интенсивности теплоотвода
с фронта кристаллизации в формировании совер-
шенной монокристаллической структуры более важ-
но для сложнолегированного сплава ЖС32-ВИ, чем
для бинарного сплава НВ-4.
2. Методом высокоскоростной направленной
кристаллизации в повышенном градиенте темпера-
туры удается получать монокристаллы никелевых
сплавов НВ-4 и ЖС32-ВИ с высокой степенью
структурного совершенства, однородностью фазово-
го состава и высоким уровнем механических
свойств.
а б
в г
д е
3. Длительная жаропрочность монокристаллов
сплава ЖС32-ВИ, полученных в условиях повышен-
ного градиента в 1,5…2 раза, выше по сравнению с
монокристаллами ЖС32-ВИ, изготовленными по се-
рийной технологии в промышленных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б. Качанов и др.
Монокристаллы никелевых жаропрочных спла-
вов М.: «Машиностроение», 1997, 336 с.
2. Б.Е. Патон , Г.Б. Строганов, С.Т. Кишкин . и др.
Жаропрочность литейных сплавов и защита их
от окисления / Под ред. Б. Е. Патона. Киев:
«Наукова думка», 1987, 256 c.
3. В.М. Ажажа, Г.П. Ковтун, А.Н. Ладыгин и др.
Микроструктура и свойства монокристаллов ни-
келевого сплава НВ-4. I. Влияние условий кри-
сталлизации на структуру и свойства // Метал-
лофизика и новейшие технологии. 2002, т.24,
№11, с.1525-1536.
4. М. Флемингс. Процессы затвердевания. М.:
«Мир», 1977, 423 с.
5. О.М. Барабаш, В.С. Войнаш. Стабильность
плоского фронта кристаллизации сплавов систе-
мы Ni-W. I. В окрестности точки конгруэнтного
плавления сплава Ni-15% ат.W // Металлофи-
зика и новейшие технологии. 2000, т.22, №2,
с.94-98.
6. Кристаллизация из расплава / Под ред. К. Хайна
и Э. Бурига. М.: «Металлургия», 1987, 246 с.
РОЛЬ ТЕПЛОФІЗИЧНИХ УМОВ В ПРОЦЕСІ ФОРМУВАННЯ СТРУКТУРИ
ПРИ СПРЯМОВАНІЙ КРИСТАЛІЗАЦІЇ ЖАРОМІЦНИХ СПЛАВІВ
НА НІКЕЛЕВІЙ ОСНОВІ
В.М. Ажажа, В.Я. Свердлов, А.Н. Ладигін, Т.Ю. Рудичева,
П.Д. Жеманюк*, Н.О. Лисенко*, В.В. Клочіхін*, О.О. Педаш*
Досліджено вплив теплофізичних умов в процесі формування структури при спрямованій кристалізації
нікелевих сплавів НВ-4 та ЖС32-ВІ. Вивчено вплив температурного градієнту на фронті кристалізації,
швидкості спрямованої кристалізації та інтенсивності тепловідведення на структуру та властивості
монокристалів сплавів НВ-4 та ЖС32-ВІ. Досліджено структуру та механічні властивості складно
легованого нікелевого сплаву ЖС32-ВІ, що містить у своєму складі реній та тантал. Визначений зв’язок
умов кристалізації, гомогенізуючого відпалювання з тонкою структурою монокристалів та їхніми
механічними властивостями. Показана перевага високоградієнтної спрямованої кристалізації в порівнянні з
серійною промисловою технологією в отриманні монокристалів з високими експлуатаційними
характеристиками.
ROLE OF THERMAL AND PHYSICAL CONDITIONS DURING SHAPING
STRUCTURE AT A DIRECTIONAL CRYSTALLIZATION OF HEAT RESISTING
ALLOYS ON NICKEL BASE
V.V. Аzhazha, V.Ja. Sverdlov, A.N. Ladygin , T.Yu. Rudycheva,
P.D. Zhemanjuk*, N.O.Lysenko*, V.V. Klochihin*, O.O. Pedash*
The influence thermal and physical conditions during shaping structure at a directional crystallization of nickel
base alloys NV-4 and ZS32-VI. The influence of a temperature gradient rate at the front crystallizations, speed of a
directional crystallization and intensity heat remove on structure and properties of single crystals alloys NV-4 and
ZS32-VI is investigated. The structure and mechanical properties nickel base superalloy ZS32-VI, containing in the
makeup rhenium and tantalum is explored. The linkage of requirements of a crystallization, homogenizing annealing
with thin structure of single crystals and their mechanical properties is spotted. The advantage high temperature gra-
dient of a directional crystallization is shown in comparison with serial industrial technology in reception of single
crystals with the high operational characteristics.
Введение
Материалы и методика
исследования
Результаты исследований
и их обсуждение
Химический состав сплава ЖС32-ВИ
Выводы
|