Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом
Проанализированы корреляционные связи между технологическими параметрами процесса кристаллизации, макро- и микроструктурой, а также эксплуатационными характеристиками (кратковременная и длительная прочность, коррозионная стойкость) высокохромистой композиции жаропрочного никелевого сплава типа ХН58К...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96814 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом / И.И. Максюта, О.В. Клясс, Ю.Г. Квасницкая, Г.Ф. Мяльница, Е.В. Михнян // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 41-48. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96814 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Максюта, И.И. Клясс, О.В. Квасницкая, Ю.Г. Мяльница, Г.Ф. Михнян, Е.В. 2016-03-20T19:25:30Z 2016-03-20T19:25:30Z 2014 Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом / И.И. Максюта, О.В. Клясс, Ю.Г. Квасницкая, Г.Ф. Мяльница, Е.В. Михнян // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 41-48. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96814 669.245:536.421.4 Проанализированы корреляционные связи между технологическими параметрами процесса кристаллизации, макро- и микроструктурой, а также эксплуатационными характеристиками (кратковременная и длительная прочность, коррозионная стойкость) высокохромистой композиции жаропрочного никелевого сплава типа ХН58КВТМЮБР, легированного рением и танталом. Полученные результаты дали возможность отработать технологический процесс получения лопаток ГТУ определенного типоразмера с ориентированной структурой, отличающейся в сравнении с применяемыми марками повышенной стойкостью против высокотемпературной ползучести и коррозионного разрушения в агрессивных выделениях тяжелого топлива и солей морской воды. Analyzed were correlation relations between the technological parameters of crystallization process, macro- and microstructure and also operation characteristics (short- and long-term strength, corrosion resistance) of high-chromium composition of heat-resistant nickel alloy of type KhN58KVTMYuBR alloyed by rhenium and tantalum. The obtained results gave a possibility to optimize the technological process of manufacture of blades of hydro turbine installations of a certain type and size with an oriented structure, characterized, as compared to the applied grades, by increased resistance against high-temperature creep and corrosion fracture in aggressive evolutions of heavy fuel and salts of sea water. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Общие вопросы металлургии Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом Technological peculiarities of high-chromium nickel alloy complexly-alloyed with rhenium and tantalum Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом |
| spellingShingle |
Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом Максюта, И.И. Клясс, О.В. Квасницкая, Ю.Г. Мяльница, Г.Ф. Михнян, Е.В. Общие вопросы металлургии |
| title_short |
Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом |
| title_full |
Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом |
| title_fullStr |
Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом |
| title_full_unstemmed |
Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом |
| title_sort |
технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом |
| author |
Максюта, И.И. Клясс, О.В. Квасницкая, Ю.Г. Мяльница, Г.Ф. Михнян, Е.В. |
| author_facet |
Максюта, И.И. Клясс, О.В. Квасницкая, Ю.Г. Мяльница, Г.Ф. Михнян, Е.В. |
| topic |
Общие вопросы металлургии |
| topic_facet |
Общие вопросы металлургии |
| publishDate |
2014 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современная электрометаллургия |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Technological peculiarities of high-chromium nickel alloy complexly-alloyed with rhenium and tantalum |
| description |
Проанализированы корреляционные связи между технологическими параметрами процесса кристаллизации, макро- и микроструктурой, а также эксплуатационными характеристиками (кратковременная и длительная прочность, коррозионная стойкость) высокохромистой композиции жаропрочного никелевого сплава типа ХН58КВТМЮБР, легированного рением и танталом. Полученные результаты дали возможность отработать технологический процесс получения лопаток ГТУ определенного типоразмера с ориентированной структурой, отличающейся в сравнении с применяемыми марками повышенной стойкостью против высокотемпературной ползучести и коррозионного разрушения в агрессивных выделениях тяжелого топлива и солей морской воды.
Analyzed were correlation relations between the technological parameters of crystallization process, macro- and microstructure and also operation characteristics (short- and long-term strength, corrosion resistance) of high-chromium composition of heat-resistant nickel alloy of type KhN58KVTMYuBR alloyed by rhenium and tantalum. The obtained results gave a possibility to optimize the technological process of manufacture of blades of hydro turbine installations of a certain type and size with an oriented structure, characterized, as compared to the applied grades, by increased resistance against high-temperature creep and corrosion fracture in aggressive evolutions of heavy fuel and salts of sea water.
|
| issn |
0233-7681 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96814 |
| citation_txt |
Технологические особенности высокохромистого никелевого сплава, комплексно-легированного рением и танталом / И.И. Максюта, О.В. Клясс, Ю.Г. Квасницкая, Г.Ф. Мяльница, Е.В. Михнян // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 1 (114). — С. 41-48. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT maksûtaii tehnologičeskieosobennostivysokohromistogonikelevogosplavakompleksnolegirovannogoreniemitantalom AT klâssov tehnologičeskieosobennostivysokohromistogonikelevogosplavakompleksnolegirovannogoreniemitantalom AT kvasnickaâûg tehnologičeskieosobennostivysokohromistogonikelevogosplavakompleksnolegirovannogoreniemitantalom AT mâlʹnicagf tehnologičeskieosobennostivysokohromistogonikelevogosplavakompleksnolegirovannogoreniemitantalom AT mihnânev tehnologičeskieosobennostivysokohromistogonikelevogosplavakompleksnolegirovannogoreniemitantalom AT maksûtaii technologicalpeculiaritiesofhighchromiumnickelalloycomplexlyalloyedwithrheniumandtantalum AT klâssov technologicalpeculiaritiesofhighchromiumnickelalloycomplexlyalloyedwithrheniumandtantalum AT kvasnickaâûg technologicalpeculiaritiesofhighchromiumnickelalloycomplexlyalloyedwithrheniumandtantalum AT mâlʹnicagf technologicalpeculiaritiesofhighchromiumnickelalloycomplexlyalloyedwithrheniumandtantalum AT mihnânev technologicalpeculiaritiesofhighchromiumnickelalloycomplexlyalloyedwithrheniumandtantalum |
| first_indexed |
2025-11-25T18:06:14Z |
| last_indexed |
2025-11-25T18:06:14Z |
| _version_ |
1850519256957976576 |
| fulltext |
УДК 669.245:536.421.4
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ВЫСОКОХРОМИСТОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА,
КОМПЛЕКСНО-ЛЕГИРОВАННОГО
РЕНИЕМ И ТАНТАЛОМ
И. И. Максюта1, О. В. Клясс2, Ю. Г. Квасницкая1,
Г. Ф. Мяльница2, Е. В. Михнян1
1Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины.
03680, Киев, бульв. Вернадского, 34/11. E-mail: metal@prima.kiev.ua
2ГП НПКГ «Зоря»—«Машпроект».
54018, г. Николаев, пр. Октябрський, 42. E-mail: baz@zorya.com.ua
Проанализированы корреляционные связи между технологическими параметрами процесса кристаллизации, макро-
и микроструктурой, а также эксплуатационными характеристиками (кратковременная и длительная прочность,
коррозионная стойкость) высокохромистой композиции жаропрочного никелевого сплава типа ХН58КВТМЮБР,
легированного рением и танталом. Полученные результаты дали возможность отработать технологический процесс
получения лопаток ГТУ определенного типоразмера с ориентированной структурой, отличающейся в сравнении с
применяемыми марками повышенной стойкостью против высокотемпературной ползучести и коррозионного разру-
шения в агрессивных выделениях тяжелого топлива и солей морской воды. Библиогр. 14, табл. 3, ил. 4.
Ключ е вы е с л о в а : жаропрочные сплавы; сопловые лопатки; высокотемпературная коррозия; рений; тан-
тал; прочность; пластичность
Введение. Научно-практические разработки пос-
ледних лет как отечественных, так и зарубежных
научных центров, занимающихся материаловедени-
ем жаропрочных сплавов для газотурбинных уста-
новок (ГТУ), сосредоточены главным образом на
лопаточных материалах для авиадвигателестроения
с низким содержанием хрома, что вызвало потреб-
ность в повышении прочностных характеристик.
Для ГТУ морского назначения и энергетических аг-
регатов, в том числе газоперекачивающих станций,
особое значение наряду с механическими характе-
ристиками имела стойкость против высокотемпера-
турной коррозии (ВТК), вызванной высокоскорос-
тным газовым потоком как с агрессивными состав-
ляющими дизельного и газообразного топлива, так
и с солями морской воды. Для повышения высоко-
температурной стойкости против коррозионно-эро-
зионных разрушений в основной легирующий ком-
плекс необходимо вводить большее количество хро-
ма (16...20 мас. %), по сравнению с материалами
для авиадвигателей (3...10 мас. %), что может вы-
звать в процессе эксплуатации появление корро-
зионных повреждений поверхности лопаток тур-
бин, а также охрупчивающих топологически плот-
ноупакованных (ТПУ) фаз [1—4].
В последние годы материаловеды активно ис-
пользуют для легирования жаропрочных сплавов
такие перспективные с точки зрения повышения
прочностных характеристик и стойкости против
ВТК элементы, как рений, тантал, рутений [1—6],
что позволяет снизить в некоторой степени содер-
жание хрома, уменьшив риск образования в про-
цессе эксплуатации коррозионно-эррозионных пов-
реждений. Из-за недостатка данных о влиянии этих
элементов на фазово-структурную стабильность вы-
сокохромистых сплавов, в том числе связанную с
ликвационными явлениями, на формирование ори-
ентированной структуры в процессе направленной
кристаллизации (НК), а также и на основные экс-
плуатационные (прочностные и коррозионные) ха-
рактеристики как в равноосном, так и в состоянии
после НК потребовалось проведение систематичес-
ких исследований с целью совершенствования су-
ществующих марок сплавов.
© И. И. МАКСЮТА, О. В. КЛЯСС, Ю. Г. КВАСНИЦКАЯ, Г. Ф. МЯЛЬНИЦА, Е. В. МИХНЯН, 2014
41
Состояние вопроса, задачи исследования. Совре-
менные жаропрочные сплавы на никелевой и ко-
бальтовой основе 3...5 поколений являются слож-
нолегированными гетерофазными системами, в ко-
торых реализуются три основных термодинамичес-
ки возможных вида упрочнения: твердорастворное
аустенитное (γ-фаза), дисперсионное (первичная и
вторичная γ′-фазы на основе соединения Ni3(Al, Ti)
и карбидное (табл. 1) [1—4].
При большом содержании хрома структурная
стабильность содержащих рений и тантал сплавов
относительно образования ТПУ фаз определяется
как общим суммарным содержанием тугоплавких
элементов, так и их соотношением. Хром, молиб-
ден, вольфрам, ниобий, рений, тантал являются уп-
рочнителями твердого раствора, а хром, тантал,
вольфрам – активными карбидообразующими,
преимущественно распределенными в γ-твердом
растворе. Так, введение в состав сплава рения и
тантала возможно для сохранения фазово-терми-
ческой стабильности в процессе эксплуатации дви-
гателя только при определенном балансе вольфра-
ма, молибдена, хрома [1—4].
В случае комплексного легирования композиции
тугоплавкими металлами следует учитывать их
коэффициенты ликвации, особенно при получении
сплавов с ориентированной структурой. Введение
в состав сплава элементов, повышающих разность
плотностей основного расплава и ликвата, что от-
носится к γ′-образующим (алюминий, титан, ниобий
и др.) и тугоплавким элементам (вольфрам, рений,
молибден и др.) может способствовать в ходе НК
образованию поверхностных дефектов ликвацион-
ного происхождения, особенно при относительно
низких скоростях кристаллизации [1, 2].
Следует заметить, что значительно снижать либо
исключать с целью недопущения выделения ТПУ
фаз такие элементы, как молибден, вольфрам, нио-
бий, нерационально, поскольку каждый из них кон-
тролирует в определенной степени фазово-струк-
турные процессы. Молибден, являясь упрочните-
лем твердого раствора, вносит существенный вклад
в изменение параметра γ-твердого раствора и, как
следствие, морфологию упрочняющей вторичной γ′-
фазы, делая ее кубической, способствует возникно-
вению высокого значения сопротивления ползуче-
сти жаропрочных сплавов. Компенсировать полное
исключение ниобия, положительно влияющего на
жидкотекучесть сплава при литье, возможно только
в результате комплексного изменения соотношения
легирующих элементов, варьирующих параметры
γ-твердого раствора и упрочняющей γ′-фазы [1—4].
Из всех элементов легирующего комплекса, вхо-
дящих в жаропрочные сплавы, наибольшей раство-
римостью в γ- и наименьшей в γ′-фазе характеризу-
ется рений, коэффициенты распределения Kс (в
Т а б л и ц а 1 . Основные компоненты химического состава высокохромистых коррозионностойких литейных жаропрочных
сплавов, мас. %, на основе никеля (по стандарту СНГ)
Марка сплава Ni С Cr Co Mo Fe Al
ЦНК-7П 60,2 0,10 14,8 8,7 0,6 1,0 3,9
ЦНК-8МП (НК) 61,4 0,01 12,2 8,7 0,4 1,0 4,1
ЦНК-21П 56,9 0,07 21,0 10,7 1,5 1,0 2,4
ЗМИ-3 64,5 0,08 13,2 5,5 1,2 1,0 2,9
ЗМИ-3У 64,8 0,15 13,0 5,0 1,0 1,0 3,0
ЧС88 (моно) 57,6 0,09 15,6 10,7 1,9 0,5 3,0
ЧС88У 57,0 0,06 15,9 11,0 1,9 0,5 3,05
ЧС104 57,9 0,10 20,9 10,2 0,6 0,5 2,5
Окончание табл. 1
Марка сплава B Ti W Zr Nb Y Hf Ce
ЦНК-7П 0,008 4,0 6,7 — — — — —
ЦНК-8МП (НК) — 4,5 6,7 — 1,0 — — —
ЦНК-21П 0,008 3,4 2,3 — 0,7 — — —
ЗМИ-3 0,015 4,9 6,0 0,01 0,7 — — —
ЗМИ-3У 0,010 5,0 7,0 — — — — —
ЧС88 (моно) 0,005 4,6 5,3 — 0,11 — 0,5 —
ЧС88У 0,080 4,6 5,3 0,05 0,2 0,03 0,3 0,015
ЧС104 0,007 3,5 3,5 0,05 0,25 — — —
42
осях дендритов и междендритном пространстве) леги-
рующих элементов которого находятся между γ′- и
γ-фазами – K/Kс = 0,1 [5, 6]. Преимущественное
растворение рения в аустенитной матрице сплава
понижает скорость диффузионных процессов, кон-
тролирующих разупрочнение металла в условиях
высокотемпературной ползучести, тем самым тор-
мозя скорость коагуляции и растворения γ′-фазы.
Это способствует сохранению длительной прочно-
сти в результате увеличения высокотемпературной
стабильности твердого раствора.
Эмпирически доказано, что повышение концен-
трации легирующих элементов с большими атомны-
ми радиусами более существенно влияет на измене-
ние параметра решетки γ-фазы, чем γ′-фазы. По-
скольку рений и тантал имеют атомный радиус
больший, чем никель (соотношение для рения
1,063), они положительно воздействует на несоот-
ветствие периодов кристаллических решеток γ- и
γ′-фаз (так называемый мисфит – Δаγ — γ′ = (аγ —
— аγ′)/аγ), что является определяющим фактором
длительной прочности поли- и монокристаллов жа-
ропрочных сплавов при высоких температурах.
Отличаясь наименьшим коэффициентом диф-
фузии в никеле, рений также тормозит процессы
коагуляции упрочняющей γ′-фазы, тем самым повы-
шая ее термическую стабильность. Кроме того, и
рений, и тантал способствуют повышению темпера-
туры растворения γ′-фазы и ТS, что сужает интервал
кристаллизации и, как правило, положительно ска-
зывается на жаропрочности, особенно в состоянии
НК [1—4].
Следует отметить, что при введении в сплавы
рения и тантала содержание хрома может быть сни-
жено, поскольку эти элементы, особенно рений, по-
вышают сопротивление ВТК. С учетом указанных
факторов благоприятного влияния легирования ре-
нием и танталом на служебные характеристики жа-
ропрочных никелевых сплавов авторы данной рабо-
ты с целью недопущения выделения охрупчиваю-
щих фаз при введении этих элементов в оптимизи-
руемую высокохромистую композицию на основе
марки сплава ЧС104 [7] применили эксперимен-
тально-расчетные методы определения температур-
но-временных интервалов выделения ТПУ фаз по-
сле длительной высокотемпературной выдержки [5,
6]. Показано, что гарантировано «безопасным» от-
носительно выделения охрупчивающих ТПУ фаз
является комплексное введение 1,5 % рения + 1,5 %
тантала при общем суммарном содержании
24,4 мас. % тугоплавких элементов [5, 6, 8—10]).
Задачей данного исследования является анализ
влияния температурно-временных параметров про-
цесса кристаллизации на физико-механические
свойства при значениях комнатной и высоких тем-
ператур, в том числе на длительную прочность в
литом и термообработанном состояниях, а также на
коррозионную стойкость оптимизируемого высоко-
хромистого сплава, комплексно-легированного ре-
нием и танталом в равноосном и направленно-крис-
таллизованном состояниях.
Методики исследования. Для модельных сплавов
во ФТИМС НАНУ выплавляли цилиндрические
заготовки из первичной шихты на литейных агре-
гатах УППФ-2 и УППФ-3М (РФ, г. Ржев) по раз-
работанной для сплавов этого класса технологичес-
кой карте (давление в печи 1,2...2,5 Па, температу-
ра заливки металла в формы – 1560...1580, фор-
мы – 950 °С).
Отработку температурно-скоростных парамет-
ров процесса получения отливок с образцами-свиде-
телями проводили в условиях комбинированного
(радиационного и конвективного) охлаждения фор-
мы (жидкий алюминий) при вариации значений
скорости кристаллизации vкр = 2; 5; 10 мм/мин на
установке для направленной кристаллизации
УВНК-8П совместно с ГП НПКГ «Зоря»—«Маш-
проект», г. Николаев.
Для выплавки первичных заготовок использо-
вали основные шихтовые материалы: кобальт элек-
тролитический K0, K1 (ГОСТ 123—98), никель
электролитический Н0, катодный марки Н1 (ГОСТ
849—80), хром электролитический рафинирован-
ный ЭРЖ либо хром металлический Х0, молибден
в штабиках технически чистый, алюминий марки
А99 (ГОСТ 1405—83), тантал (пруток 99,9 мас. %),
рений (сплав Rе0, Rе1).
Температуры основных фазовых превращений
(ТS; ТL; Тп.р – температура полного растворения γ′-
фазы) определяли методом высокотемпературного
дифференциального термического анализа (ВДТА)
на установке ВДТА-8М с погрешностью ±5 °С.
Количество основных компонентов сплавов и
примесей определяли химическим методом по стан-
дартным методикам, микролегирующие добавки
контролировали химико-спектральным методом с
погрешностью ±0,001 %. Фазовый анализ сплавов
выполняли путем электрохимического изолирова-
ния интерметаллидных и карбидных фаз в мета-
нольном травителе с последующим рентгенострук-
турным и химическим анализом анодных осадков.
Распределение легирующих элементов между фаза-
ми изучали на микроанализаторах JXA8600 фирмы
«JEOL» (Япония) и Саmeca-MS46 фирмы «Came-
ca» (Франция). Для исследования макро- и микро-
структуры применяли световой «Neofot 2» и элек-
тронный микроскопы. Анализ содержания газов
(кислорода, азота, водорода), углерода и серы в
твердом металле осуществляли на анализаторах
фирмы «LECO» – RO-17, TN15, RH2, CS-144.
Объемную долю и размер фазовых составляю-
щих изучали на анализаторе «Квантимет-720», сов-
мещенном с растровым микроскопом JSM-840. От-
носительная погрешность определения значений
указанных величин составила 5...10 %. Для опре-
деления коэффициентов ликвации легирующих
элементов использовали количественный поэлемен-
тный анализ, проводимый методом микрорентгено-
структурного анализа (МРСА).
Механические испытания на кратковременную
прочность выполняли на стандартных цилиндри-
43
ческих образцах с рабочей частью диаметром 5 и
длиной 25 мм по ГОСТ 9651—84 при значениях тем-
пературы 20...950 °С на разрывной машине марки
УМЭ-10ТМ. Испытания на длительную прочность
проводили по ГОСТ 10145—81 на разрывных маши-
нах марки АИМА-5-2 при параметрах, предусмот-
ренных для сплавов нормативной документацией.
Материалом литейных форм служила много-
слойная керамика на основе электрокорундовой
суспензии с модификаторами, повышающими тер-
мическую прочность форм [9]. В качестве стержней
для формирования внутренней полости лопатки
опробовали стержни на основе корунда и циркона,
модифицированного кремнием и комплексным мо-
дификатором Al + Si [11].
Проведение экспериментов и обсуждение резуль-
татов. На основании расчетов [11, 12] и в соот-
ветствии с условиями эксперимента (установка
УВНК-8П, сплав типа ЧС104, рабочие лопатки тур-
бины высокого давления) определили теплофизи-
ческие параметры процесса НК. Локальные значе-
ния параметров процесса НК в течение всего техно-
логического цикла измеряли по распределению тем-
пературы в кристаллизуемой отливке, построенной
на основе экспериментально измеренных значений
температуры в шести точках вдоль оси отливки с
помощью термопарного чехла с шестью вольфрам-
рениевыми термопарами (тип ВР 5/20, диаметр
электродов 0,30 мм). При этом все теплофизические
свойства металла и формы принимали постоян-
ными. Теплопроводность формы, металла, охлади-
теля, температуру нижнего основания определяли
по условиям теплообмена через дно формы к холо-
дильнику установки (табл. 2). Температура наруж-
ной поверхности формы для литья лопаток с поли-
кристаллической структурой изменялась по высоте
в пределах 950...1050 °С и принималась постоянной
(975 °С с погрешностью 2...3 %).
Анализ условий НК на эксплуатируемой уста-
новке УВНК-8П в существующих условиях пока-
зал, что температура холодильника может быть ос-
тавлена неизменной. Полученные значения гради-
ента температуры G и скорости кристаллизации vкp
дали возможность рассчитать соотношение
G/vкp – критерия стабильности плоского фронта
кристаллизации, обеспечивающего получение регу-
лярной дендритной структуры вдоль продольной
оси лопатки, включая массивную замковую часть и
тонкостенную перьевую. При этом дрейф фронта
кристаллизации можно контролировать по ско-
рости перемещения формы.
Отметим, что скорость извлечения формы из на-
гревателя, согласно основному требованию к про-
цессу НК, должна быть не больше минимальной
скорости естественного роста твердой фазы, состав-
ляющего 0,006 см/с (3,6 мм/мин), определенной
по наклону касательной к кинетической кривой.
Таким образом, начальная скорость движения фор-
мы составила 2,0...3,5 мм/мин после предваритель-
ной выдержки в течение 5...6 мин. Далее скорость
изменяли до 5...7; 7...10; 10...15 мм/мин.
На основе анализа основных структурных эле-
ментов модельных сплавов с рением и танталом
(образцов-спутников и лопаток ГТД) установлено,
что формирование дендритно-ячеистой структуры
происходит в расширяющихся частях отливок, на
боковой поверхности которых в некоторых случаях
возникают новые центры кристаллизации вне су-
ществующего плоского фронта роста.
Металлографический анализ модельных спла-
вов показал, что при изучении макроструктуры
после процесса НК можно выделить несколько ти-
пов субзерен: представляющие собой отдельные
дендритные ветви в пределах одной колонии, раз-
меры которой коррелируют с размерами последних,
а разориентация составляет 0,5...1,0°; принадлежа-
щие к различно ориентированным группам дендрит-
ных ветвей одного направления, имеющие размеры,
сопоставимые с размерами отливки и с разориента-
цией между ними 1...3°; наиболее мелкие субзерна
с размерами 20...30 мкм и разориентацией 20...30°.
Поскольку сплавы на основе никеля имеют гра-
нецентрированную кубическую решетку, то форми-
рование ветвей дендритов первого порядка проис-
ходит вдоль кристаллографических направлений
[001], причем тех, которые образуют минимальный
угол с вектором градиента температуры G в про-
цессе НК. При этом ветви первого порядка выст-
раиваются параллельными рядами вдоль плоско-
стей {001}, декорируя тем самым пространственное
положение этих плоскостей в отливке. Межденд-
ритное расстояние λ в рассматриваемом случае –
это среднестатистическое расстояние между денд-
ритными осями первого порядка, измеренное в
кратчайшем направлении, т. е. [001], и определяе-
мое графически с помощью среднего расстояния λ
на поперечном сечении слитка произвольной ори-
ентации соотношением λп = eп cos α, где α – угол
между плоскостью {001}, образовавшей след, и осью
слитка [1, 12].
Величину e рассчитывали по плотности дендрит-
ных рядов, укладывающихся в линейный ряд на
микрофотографиях в перпендикулярном рядам на-
правлении в соответствии с методикой работы [11].
Для статистической достоверности рассматривали
не менее трех полей зрения в пяти зернах, сos α
Т а б л и ц а 2 . Температурно-временные параметры про-
цесса НК (литейный агрегат УВНК-8П)
Задержка движения
формы, мин
Начальная скорость
движения формы из
нагревателя, мм/мин
Градиент на фронте
затвердевания, K/см
5...6 2,0...3,5 25...30
2...3 6,0...8,0 35...50
Примечание. Температура формы составляла 1450, распла-
ва – 1570 °С.
44
измеряли по продольному разрезу, рассекающему
тело зерна на поперечном шлифе.
Исследованиями подтверждено, что в осях и ме-
жосных пространствах форма и размеры частиц γ′-
фазы существенно различаются (табл. 3). Следует
отметить также, что и степень дисперсности первич-
ной γ′-фазы, и объемная доля эвтектической γ′-фа-
зы, располагающейся в межосных пространствах в
виде «островков» неправильной формы, зависят от
скорости кристаллизации (табл. 3), возрастая с уве-
личением скорости, что свидетельствует о неравно-
весном характере этой фазы. Точное количествен-
ное определение объемной доли частиц γ′-фазы в
осях дендритов и межосных пространствах затруд-
нено из-за очень малых размеров частиц. Морфо-
логические изменения в структуре при росте или
снижении скорости кристаллизации изменяют и
уровень ликвации элементов в сплаве, что и приво-
дит к появлению обширных областей эвтектической
высокотемпературной γ′эвт-фазы.
Поскольку основная масса карбидов МеС на
основе (Ti, Та)С, располагаясь в межосных прост-
ранствах, выделяется из расплава вблизи темпера-
туры солидуса (рис. 1), то и размеры карбидов,
подобно «островкам» эвтектической γ′-фазы, умень-
шаются с ростом скорости кристаллизации согласо-
ванно с размером дендритной ячейки (табл. 3).
Кроме того, обнаружено, что введение тантала
в базовый сплав типа ЧС104 приводит к образова-
нию большего количества сложных карбидов Ме6С
Т а б л и ц а 3 . Влияние скорости кристаллизации на ха-
рактеристики макро- и микроструктуры модельного спла-
ва, комплексно-легированного танталом и рением
Скорость
кристал-
лизации,
мм/мин
Параметры структурных составляющих, мкм
Меж-
денд-
ритное
расстоя-
ние λп,
мкм
Средний
размер
«островков»
γэвт′ -фазы
Средний размер
частиц
вторичной
γ′-фазы в
межосных
пространствах/
осях дендритов
Средний
размер
частиц
карбидов
типа МеС
2 265 10,0 0,65/0,70 2,4
5 250 8,7 0,53/0,45 2,2
10 210 7,0 0,4/0,3 1,5
Рис. 1. Значения температуры основных фазовых превращений (ТS, ТL, Тп.р) модельного (1,5 % рения и 1,5 % тантала) и базового
сплавов
Рис. 2. Распределение тантала в карбидной фазе (МРСА, в ха-
рактеристических лучах тантала), ×3000
45
(рис. 2), которые, по данным МРСА, содержат до
10 мас. % хрома и тантала.
Методом ВДТА установлено смещение уровня
значений для критических точек ТL, Тп.р в сторону
повышения как при введении1,5...3,0 мас. % рения
[9], так и при комплексном легировании рением и
танталом суммарно до 3 мас. % (рис. 1), что под-
тверждает возможность увеличения температурно-
го уровня работоспособности разрабатываемой ком-
позиции прежде всего за счет повышения темпера-
турного порога растворения γ′-фазы и сужения тем-
пературного интервала кристаллизации.
Вторичная дисперсная γ′-фаза, локализованная
в междендритных пространствах, также измельча-
ется, сохраняя преимущественно форму, близкую
к сферической, меняя размеры от 0,4...0,6 до 0,2...
...0,3 мкм. Увеличение vкр сопровождается появле-
нием в структуре большого количества частиц кар-
бидной фазы шрифтовой морфологии типа МеС на
основе титана, являющихся термически менее ус-
тойчивыми, по сравнению с дисперсными огранен-
ными карбидами MeC.
Все фиксируемые металлографически количес-
твенные и морфологические изменения структур-
ных элементов при превышении скорости кристал-
лизации более 10 мм/мин являются следствием
усиления степени неравновесности сплава, что, как
показали испытания механических свойств, влечет
за собой снижение уровня и длительной прочности
и пластичности.
В области контролируемого роста при vкр = 5 и
10 мм/мин степень регулярности дендритной
структуры удовлетворительна, на поперечном шли-
фе можно обнаружить, что дендриты представлены
в виде «мальтийского креста» с расстоянием между
осями дендритов λ ≈ 130...150 мкм.
Анализ влияния технологических параметров
процесса направленного затвердевания и выбор оп-
тимальной скорости кристаллизации, обеспечиваю-
щей формирование регулярной ориентированной
структуры на модельных сплавах типа
ХН6ОКМЮВТ, позволил перейти к выбору режи-
ма термической обработки сплавов с целью повы-
шения их эксплуатационных характеристик. Время
термической обработки, требуемое для растворения
эвтектик γ/γ′, зависит от дендритных расстояний в
сплаве – чем меньше λ и объемные «островки»
γ/γ′, тем меньший промежуток времени потребует-
ся для гомогенизации, способствующей частичному
снижению уровня ликвационной неоднородности
дендритных сегрегаций. При λ =150...180 мкм и
среднем поперечном сечении «островков» γ/γ′-эв-
тектики 18...25 мкм в исходном состоянии до тер-
мообработки оптимальное время гомогенизации со-
ставило 3 ч при температуре (1220±5) °С, в отличие
от термообработки сплава ЧС104. Выбранный ре-
жим термической обработки способствовал раство-
рению значительной части γ/γ′-эвтектики. Так, до
термообработки объемная доля эвтектики составля-
ла 2,5...3,0 %, а после термообработки – 1,5...
...2,0 %, средний диаметр «островков» γ/γ′-фазы
уменьшался до 15...20 мкм. Одновременно повы-
шалась и объемная доля дисперсной γ′-фазы, соп-
ровождаемая измельчением ее частиц до 0,2...
...0,5 мкм (рис. 3).
Следует отметить, что поскольку современные
лопатки ГТД имеют форму изогнутого эллипса, то
толщина сечений пера лопаток также изменяется по
параболическому закону и уменьшается в сторону
входной и выходной кромок. Естественно, что рас-
пределение температуры в сечении пера имеет пара-
болический характер, что существенно влияет на
степень дисперсности и начало процесса коагуля-
ции выделяющейся фазы в массивных частях и на
кромках, определяет прочностные характеристики
и коррозионную стойкость лопатки в целом (рис. 4,
табл. 4 ). Такую особенность конструкции следует
Рис. 3. Особенности морфологии упрочняющей γ′-фазы (лопатка
ТВД, замковая часть): а – после литья (вакуумно-индукционная
плавка, равноосное состояние); б – после НК; а, б – ×3000
Рис. 4. Выделения γ′-фазы фазы на границе входная кромка
лопатки—срединная область после длительного старения (Т =
= 900 °С, 1000 ч), угольные реплики с экстракцией
46
особенно учитывать при выборе температуры термо-
обработки.
Определение основных эксплуатационных ха-
рактеристик образцов из модельных сплавов пока-
зало, что прочностные характеристики при введе-
нии рения и тантала в базовый сплав в установлен-
ных ранее авторами оптимальных количествах
(суммарно до 3 мас. %) [13] в случае сохранения
фазово-структурной стабильности после длительно-
го старения способствуют улучшению работоспо-
собности материала, в том числе длительной проч-
ности, вероятно, за счет упрочнения как твердого
раствора, повышения температуры полного растворе-
ния γ′-фазы, так и межосных участков матрицы после
НК большим объемным количеством стабильных
дисперсных выделений МеС- и Ме6С-карбидов с вы-
соким содержанием хрома и тантала. Появление этих
карбидов может снизить вероятность выделения в
твердом растворе при длительном высокотемператур-
ном воздействии на сплав охрупчивающих фаз типа
σ и μ в результате снижения растворимости этих ту-
гоплавких элементов в твердом растворе.
Исследование стойкости модельных составов
против высокотемпературной коррозии в солевых
расплавах в соответствии с методикой, приведенной
в работе [14], при минимальном (15,0 мас. %) и
максимальном (17,0 мас. %) содержаниях хрома,
согласно заявленным в паспортных данных на ба-
зовый сплав ЧС104, позволило сделать вывод о том,
что значение скорости коррозии при комплексном
легировании танталом и рением при минимальном
значении хрома в образцах было в среднем на 0,25...
...0,30 мас. % выше, чем при максимальном вве-
дении хрома в марочный сплав ЧС104. Таким обра-
зом, уровень коррозионной стойкости может быть
повышен вследствие легирования танталом и рени-
ем при меньшем содержании хрома в сплаве (до
15,0 мас. %), что существенно снижает риск выде-
ления в процессе эксплуатации охрупчивающих
ТПУ фаз как в равноосном, так и НК состояниях.
Вероятно, образование большинства карбидов типа
МеС на базе тантала и титана во время введения
активного карбидообразователя, которым является
тантал, приводит к тому, что большая часть хрома
не тратится на карбиды Ме23С6, а остается в аус-
тенитной матрице, повышая коррозийную стой-
кость материала.
Выводы
Проведенный анализ влияния температурно-вре-
менных параметров процесса направленной крис-
таллизации на структурные особенности, механи-
ческие свойства при комнатных и высоких темпера-
турах, а также высокотемпературную коррозион-
ную стойкость в солевых расплавах модельного
сплава ХН58КВТМЮБР (базовая марка ЧС104),
дополнительно легированного рением и танталом
(суммарно до 3 мас. %), показал положительное
влияние этих элементов на комплекс эксплуата-
ционных характеристик, что позволило снизить
содержание хрома в сплаве с целью повышения его
структурной стабильности в процессе длительной
наработки.
1. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигате-
лей. – М.: МИСиС, 2001. – 632 с.
2. Симс Ч.Т., Столофф Н.С., Хагель У.К. Суперсплавы ІІ:
Жаропрочные материалы для аэрокосмических и про-
мышленных энергоустановок. – М.: Металлургия,
1995. – Т. 1. – 384 с.
3. Яцык С.И. Производство высокотемпературных литых
лопаток авиационных. – М.: Машиностроение, 1995. –
256 с.
4. Толораия В.Н., Орехов Н.Г. Чуварова Е.Н. Безуглеро-
дистые ренийсодержащие сплавы для турбинных лопа-
ток // Литейн. пр-во. – 2012. – № 6. – 16 с.
5. Получение ориентированной структуры в отливках из жа-
ропрочного никелевого сплава, легированного рением /
Г.Ф. Мяльница, И.И. Максюта, Ю.Г. Квасницкая и
др. // Процессы литья. – № 6. – 2012. – С. 54—61.
6. Обеспечение фазово-структурной стабильности высоко-
хромистых жаропрочных сплавов для лопаток ГТУ /
Г.Ф. Мяльница, И.И. Максюта, Ю.Г. Квасницкая и
др. // Металл и литье Украины. – 2012. – № 11. –
С. 16—20.
7. Монокристаллические никелевые ренийсодержащие спла-
вы для турбинных лопаток / Е.Н. Каблов, В.Н. Толо-
раия, Н.Г. Орехов, Е.Н. Каблов // Металловед. и терм.
обраб. металлов. – 2002. – № 7. – С. 2—5.
8. Каблов Е.Н. Физико-химические и технологические осо-
бенности создания жаропочных сплавов, содержащих ре-
ний // Вестник Москов. ун-та. Сер. 2: Химия. –
2005. – 46, № 3. – С. 155—157.
9. Толораия В.Н., Орехов Н.Г., Ломберг Б.С. Коррозионно-
стойкие жаропрочные сплавы для крупногабаритных мо-
нокристальных турбинных лопаток // Металловед. и
терм. обраб. металлов. – М.: ФГУП ВИАМ. – 2001. –
№ 1. – С. 30—32.
10. Процессы формирования ориентированной структуры ли-
тых деталей в жаропрочных сплавах на никелевой основе /
В.М. Симановский, И.И. Максюта, Ю.Г. Квасницкая //
Процессы литья. – № 3. – 2010. – С. 69—75.
Т а б л и ц а 4 . Сравнительные прочностные характеристики и коррозионная стойкость исследуемого сплава ЧС104
Температура
испытания,
°С
Предел
текучести,
МПа
Временное
сопротивле-
ние, МПа
Относительное
удлинение, %
Относительное
сужение, %
Ударная
вязкость,
МДж/м
2
Предел
выносливости
на базе 2⋅10
7
циклов, МПа
Жаро-
прочность,
МПа, 100 ч
Скорость
коррозии vq,
мг/(м
2
⋅ч)⋅10
4
20 790...870
820...840
920...1050
900...980
4...7
2...3
5...10
4...5
0,10...0,18 185
160
— —
900 570...680
440...460
640...750
610...690
9...16
2...8
9...12
7...13
— — 280
310
3,2
3,3
950 —
370...390
—
460...470
—
13...18
—
24...28
— — — 4,2
4,5
47
11. Теплофизические особенности формирования структуры
отливок, полученных методом направленной кристаллиза-
ции / В.М. Симановский, И.И. Максюта, Ю.Г. Квасниц-
кая // Там же. – 2010. – № 6. – С. 8—13.
12. Обеспечение фазово-структурной стабильности высоко-
хромистых жаропрочных сплавов для лопаток ГТУ /
И.И. Максюта, Ю.Г. Квасницкая, Е.В. Михнян,
А.В. Нейма // Металл и литье Украины. – 2012. –
№ 11. – С. 16—20.
13. Вибір легуючого комплексу нового корозійностійкого
сплаву для соплових лопаток ГТД / Г.П. Мяльниця,
І.І. Максюта, Ю.Г. Квасницька, О.В. Михнян // Мета-
лознавство та обробка металів. – 2013. – № 2. –
С. 29—33.
14. 105.15—2001. Инструкция И ЖАКИ. Сплавы жаропроч-
ные литейные для лопаток газовых турбин (Паспорт спла-
ва ЧС104 ВИ). – Доп. в 2012 г.
Analyzed were correlation relations between the technological parameters of crystallization process, macro- and micros-
tructure and also operation characteristics (short- and long-term strength, corrosion resistance) of high-chromium com-
position of heat-resistant nickel alloy of type KhN58KVTMYuBR alloyed by rhenium and tantalum. The obtained results
gave a possibility to optimize the technological process of manufacture of blades of hydro turbine installations of a
certain type and size with an oriented structure, characterized, as compared to the applied grades, by increased resistance
against high-temperature creep and corrosion fracture in aggressive evolutions of heavy fuel and salts of sea water.
Ref. 14, Tables 3, Figures 4.
K e y w o r d s : heat-resistant alloys; nozzle blades; high temperature corrosion; rhenium; tantalum; strength; ductility
Поступила 18.10.2013
48
|