Приближенная оценка плотности монокристаллических

ВИАМ/1991-200807
Приближенная оценка плотности
монокристаллических жаропрочных
никелевых сплавов
Н.В. Петрушин
И.А. Игнатова
Л.А. Дьячкова
Март 1991
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
в
журнале «Металловедение и термическая обработка металлов»,
№9, 1991г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Приближенная оценка плотности монокристаллических
жаропрочных никелевых сплавов
Н.В. Петрушин, И.А. Игнатова, Л.А. Дьячкова
Всероссийский институт авиационных материалов
На основе обобщения и анализа собственных и литературных
экспериментальных
данных
получена
аналитическая
зависимость
плотности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов от их
химического состава, который характеризовали средней атомной массой
сплава.
При создании жаропрочных никелевых сплавов основное внимание
уделяется повышению длительной прочности, достигаемому легированием
элементами с большим атомным весом – вольфрамом, танталом, рением,
молибденом. В результате увеличивается плотность никелевых сплавов и
возникают проблемы, связанные с увеличением массы лопаток и дисков
газовых турбин. В связи с этим представляет интерес установить
аналитическую зависимость плотности сплавов от содержания легирующих
элементов с целью ее прогнозирования и использования в качестве
оптимизирующего параметра в расчетных методах разработки никелевых
жаропрочных сплавов.
Такая попытка была сделана автором работы [1], который предложил
модель зависимости плотности сплавов на основе никеля и железа от
химического состава. Однако анализ результатов расчета по этой модели и
сопоставление
с
экспериментальными
данными
для
ряда
монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов показывают, что
полученное
в работе
[1]
уравнение регрессии
неудовлетворительно
описывает концентрационную зависимость плотности от состава.
В системе легирования монокристаллических жаропрочных никелевых
сплавов нет углерода и бора. В связи с этим структура сплавов состоит из
γ-твердого раствора легирующих элементов в никеле и дисперсных выделений
γ'-фазы на основе Ni 3Al. Периоды кристаллических решеток γ- и γ'-фаз близки
и, как правило, их размерное несоответствие не превышает 0,5% [2]. Последнее
позволяет
с
известной
степенью
приближения
принять
в
качестве
геометрической модели структуры сплава ГЦК-структуру с результирующим
параметром элементарной ячейки а=1/2 (a γ+aγ'), где aγ, aγ' – периоды
кристаллических решеток γ- и γ'-фаз соответственно. В этом случае для расчета
плотности ρ (г/см3) может быть использована хорошо известная формула [3]:
6,64 ⋅ 10 −24 Аср
ρ=
,
V
(1)
где A ср – средняя атомная масса сплава, V – объем элементарной ячейки, V=а3.
В данной работе определяли периоды решеток γ- и γ'-фаз методом
рентгеновского анализа [4] и оценивали плотность монокристаллических
образцов ряда экспериментальных сплавов методом гидростатического
взвешивания [3] . В табл. 1 приведены экспериментальные результаты этих
исследований и данные расчета плотности по формуле (1). При расчете
использовали результаты определения a γ и a γ' рентгеновским методом. Из
сравнения расчетных и экспериментальных значений ρ следует, что они
удовлетворительно совпадают, отличаясь не более чем на 1,2%.
Таблица 1.
Сплав
1
2
3
4
5
6
7
CMSX-2 [5]
Al
5,0
5,6
5,4
5,0
5,3
5,8
5,9
5,6
Cr
6,2
2,5
2,5
2,5
3,6
5,2
3,9
8,0
Содержание элементов, %
Ti
W
Мо
–
7,7
4,7
–
12,6
4,3
–
9,7
4,8
–
13,8
4,6
–
11,1
4,9
–
6,2
5,5
–
10,7
4,5
0,9
7,9
0,6
aγ
Та
7,3
5,4
4,0
3,3
4,1
5,8
5,5
5,8
Со
–
6,1
6,0
5,9
–
–
–
4,6
a γ'
нм
0,35951 0,35858
0,36056 0,35847
0,35941 0,35820
0,35958 0,35830
0,36006 0,35821
0,35973 0,35835
0,36056 0,35830
0,35815 0,35865
ρ, г/см3
8,84/8,89
9,06/9,04
8,94/8,84
9,10/9,09
9,01/8,91
8,68/8,66
8,89/8,87
8,56/8,61
Примечания: 1. Химический состав экспериментальных сплавов соответствует известным
монокристаллическим жаропрочным никелевым сплавам типа SC-83 [6].
2. В числителе дана плотность ρ, определенная экспериментально, в знаменателе – расчетным методом.
Таким образом, показано, что по формуле (1) с использованием данных
рентгеновского анализа по определению периода решеток γ- и γ'-фаз можно
получить зависимость плотности от химического состава сплавов. Однако не
для всех сплавов имеются рентгеновские данные по оценке a γ и a γ' . Кроме
того,
приведенные
зависимости
в
периодов
литературе
решеток
аналитические
от
химического
концентрационные
состава
фаз
[7]
характеризуют влияние на a γ и a γ' только основных легирующих элементов.
В связи с этим для оценки параметра V использовали известные
экспериментальные
данные
по
плотности
двухфазных
никелевых
жаропрочных сплавов [8, 9], которые приведены в табл. 2. В этой же таблице
даны рассчитанные по формуле (1) значения параметра V для этих сплавов.
Из табл. 2 следует, что рассчитанное по данным [8, 9] среднее значение
V cp =(46,311±0,25)⋅1024
см3
для
доверительной
вероятности
d=0,95
соответствует экспериментальным с точностью ±0,6%. Подставляя значение
V cp в формулу (1), получаем аналитическое описание зависимости плотности
ρ (г/см3) монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов от
химического состава, характеризуемого средней атомной массой:
ρ=0,144А ср .
(2)
Сравнительный анализ показал, что экспериментальные и расчетные
значения плотности сплавов близки.
Таким образом, по предлагаемой формуле можно рассчитывать плотность
монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов в широкой области
концентраций с погрешностью не более 1,2%.
Таблица 2.
Сплав
Cr
PWA 1480
NASA IR-100
CMSX-2
203Е
RN4
RRSR99
MXON
RR2000
TMS-1
АМ3
1
2
3
4
5
6
7
Co
10,0 5,0
9,0
–
8,0 4,6
5,0
–
9,0 7,5
8,5 5,0
13,0 10,0
10,0 15,0
5,5 7,5
8,0 5,5
6,2
–
2,5 6,1
2,5 6,0
2,5 5,9
3,6
–
5,2
–
3,9
–
Содержание элементов, %
Ti
Al Мо W
Та Nb
1,5
1,2
1,0
1,0
4,2
2,2
–
4,0
–
2,0
–
–
–
–
–
–
–
5,0
5,8
5,6
5,5
3,7
5,5
6,1
5,5
5,2
6,0
5,0
5,6
5,4
5,0
5,3
5,8
5,9
–
1,0
0,6
2,0
1,5
–
2,0
3,0
–
2,25
4,7
4,3
4,8
4,6
4,9
5,5
4,5
А ср
V
Re
4,0 12,0 –
–
– 60,7390
10,5 3,3 –
–
– 59,6110
8,0 6,0 –
–
– 59,7300
5,0 6,5 – 0,5 3,0 60,6570
6,0 4,0 0,5 –
– 59,3751
9,5 2,8 0,6 –
– 58,8960
8,0 6,0 –
–
– 59,9630
–
–
– 1,0 – 54,9960
16,6 5,1 –
–
– 63,7750
5,0 3,5 –
–
– 57,5080
7,7 7,3 –
–
– 62,0080
12,6 5,4 –
–
– 63,1530
9,7 4,0 –
–
– 61,4890
13,8 3,3 –
–
– 63,2870
11,1 4,1 –
–
– 62,1470
6,2 5,8 –
–
– 60,3870
10,7 5,5 –
–
– 61,9960
ρ,
г/см3
V⋅1024,
см3
8,67
8,59
8,56
8,53
8,57
8,50
8,56
7,80
9,16
8,25
8,844
9,057
8,944
9,097
9,014
8,678
8,887
46,5170
46,0793
46,3330
47,2171
46,0038
46,0084
46,5132
46,8175
46,5351
46,2685
46,5549
46,2867
45,6495
46,1939
45,7791
46,2049
46,3211
Литературный
источник
[8]
[9]
Наши
данные
Список литературы:
1. Hull F.С. Estimating Alloy Densities // Metal Progress. 1969. V. 96, №5. P. 139–140.
2. 'Nathal М.V., Mackay R.A., Garlick R.G. Temperature Dependence of γ–γ'-Lattice Mismatch
in Nickel-Base Superalloys // Materials Science and Engineering. 1985. V. 75. №11.
P. 195–205.
3. Лифшиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. – М.: Машгиз, 1959. 368 с.
4. Определение несоответствия периодов решеток фаз в никелевых жаропрочных
сплавах
методом
Фурье-анализа
рентгеновских
дифракционных
рефлексов
/
А.И. Самойлов, И.А. Игнатова, А.И. Кривко и др. // Заводская лаборатория. 1983. №6.
С. 42.
5. Khan Т., Caron P. Effect of processing conditions and heat treatments on mechanical
properties of single-crystal superalloy CMSX-2 // Materials Science and Technology. 1986.
V. 2. P. 486–492.
6. Ohno Т., Watanabe R., Tanaka K. Development of a Nickel-Base Single Crystal Superalloy
Containing Molybdenum by an Alloy Designing Method // J. of the Iron and Steel Inst. of
Japan. 1988. V. 74, №11. P. 133–140.
7. Harada H., Yamazaki M. Alloy Design γ' Precipitation Hardened Nickel-Base Superalloys
Containing Ti, Та and W // Tetsu-to-Hagane. 1979. V. 65, №7. P. 1059–1069.
8. Akira Ohtomo. Progress in Materials for Aircraft Engine // J. Japan Soc. Heat Treat. 1988.
V. 28, №2. P. 106–112.
9. Khan T., Caron P., Brun M. Progres recents dans le domaine des superalliages
monocristallins pour abes de turbines // Materiaux Mechanique Electricite. 1988. Mai. №425.
P. 32–36.