Технологические аспекты управления структурой жаропрочных

ВИАМ/1993-201465
Технологические аспекты
управления структурой жаропрочных
сплавов при направленной кристаллизации
Е.Н. Каблов
В.В. Герасимов
А.В. Дубровский
Ноябрь 1993
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ) – 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 тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в четырех 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 «Литейное
производство», № 4, 1994 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Технологические аспекты управления структурой
жаропрочных сплавов при направленной кристаллизации
Е.Н. Каблов, В.В. Герасимов, А.В. Дубровский
Всероссийский институт авиационных материалов
В
ВИАМе
разработан
процесс
высокоскоростной
направленной
кристаллизации (ВНК) лопаток ГТД с применением жидкометаллической
охлаждающей среды и двухзонного нагревателя печи подогрева форм,
который позволяет за счет регулирования технологических параметров
обеспечить широкий спектр макро- и микроструктур отливок, включая
требуемый
размер
структурных
составляющих
и
заданную
кристаллографическую ориентацию (рис. 1).
Рисунок 1. Макроструктура лопаток из сплава типа ЖС:
а – равноосная; б – направленная, тонкостолбчатая; в – направленная, крупностолбчатая;
г – монокристаллическая; д – смешанная (перо – моно, замок – равноосный)
Наглядное представление о микроструктурных изменениях в жаропрочном
сплаве ЖС6У, вызванных влиянием технологических параметров при
направленной кристаллизации (НК), дает рис. 2. Данные структуры получены в
одном слитке, со скоростями v кристаллизации 4 (а); 20 (б); 40 (в); 0,1 мм/мин
(г). Структура сплава после НК со скоростями 4–40 мм/мин (а–в) –
дендритная,
с
различной
степенью
дисперсности
структурных
составляющих. На продольных шлифах II она характеризуется наличием
хорошо видимых дендритов, оси первого порядка которых параллельны
направлению [001]. В поперечном сечении I дендриты имеют вид
«мальтийских крестов». В междендритных участках расположены карбиды и
γ+γ'-фаза эвтектического происхождения (ФЭП).
Рисунок 2. Микроструктура сплава типа ЖС в зависимости от скорости
направленной кристаллизации: I – в поперечном к [001] сечении, II – в продольном
(×100 ×2); III – морфология карбидов и эвтектической фазы (×800);
IV – морфология γ′-фазы (×10000 ×4)
Повышение
составляющих
v
вызывает
сплава:
резкое
измельчение
дендритов,
всех
карбидов,
структурных
γ+γ'-ФЭП.
Кристаллографическая ориентация рассмотренного образца близка к [001].
Микроструктуру шлифов выявляли с помощью молочного травителя
(кислоты) состава, мг: 30 молочной, 20 азотной, 10 соляной. Метод НК с
применением жидкометаллических охлаждающих сред позволяет получить
малоисследованные в отечественной практике бездендритные, ячеистые и
переходные структуры сплавов и обеспечить прецизионное регулирование
микроструктуры сплава по высоте одной отливки для получения деталей с
оптимальным комплексом свойств.
Для бездендритной структуры (рис. 2, I, г; II, г) характерно полное
отсутствие
дендритного
рисунка
на
протравленных
шлифах.
Она
представляет собой поле γ/γ' с включениями карбидов «глыбообразной»
морфологии. Карбиды относительно равномерно расположены по сечению
шлифа, γ+γ'-ФЭП почти полностью отсутствует. Шлифы в продольном и
поперечном направлениях выглядят практически одинаково.
Ячеистая структура из-за отсутствия дендритного рисунка на шлифе
также может быть отнесена к типу бездендритных структур. Она
характеризуется на продольном шлифе наличием ячеек, вытянутых по оси
образца и разделенных между собой γ+γ'-ФЭП. Карбиды в такой структуре
имеются как внутри ячеек, так и по их границам. В поперечном сечении
ячейки выглядят как правильные или сильно вытянутые шестиугольники.
Наглядное представление об изменении морфологии карбидов и γ+γ'-ФЭП
в зависимости от технологических параметров НК дает рис. 2, III. При
увеличении v карбиды становятся не только мельче, но и приобретают
глобулярную форму (рис. 2, III, б, в), также уменьшается и размер
включений γ+γ'-ФЭП. При малых v эвтектика γ+γ' исчезает совсем (для
сплава ЖС6У), а карбиды выстраиваются в линии параллельно оси образца,
по границам ячеек, или располагаются равномерно по сечению шлифа в виде
«глыбообразных» включений (рис. 2, III, г).
Упрочняющая γ'-фаза с уменьшением v вместо кубической, характерной для
высоколегированных сплавов, морфологии (рис. 2, IV, а–в), выделяется в виде
крупных комплексов из двух и более частиц неопределенной формы (рис. 2, IV, г).
Поэтому сплавы с бездендритной структурой должны обязательно подвергаться
термообработке перед эксплуатацией сплава на изделиях.
На рис. 3 представлены основные типы структур жаропрочных сплавов,
включая переходные.
Образцы
∅15
мм во всех описываемых экспериментах получали в
тонкостенных тиглях Подольского завода и в прессованных тиглях,
изготовленных в ВИАМе с толщиной стенки 2–3 мм. Материал тиглей –
электрокорунд.
Температурные
многоточечным
КСП-4,
электродами
фронте
∅0,35
роста
параметры
температуры
–
процесса
термопарами
записывались
ВР-5/ВР-20
с
мм. Для повышения температурных градиентов G на
применяли
тепловые
экраны
насыпной,
слоистой
и
комбинированной
конструкций.
Для
эффективного
управления
G
использовали двухзонный нагреватель сопротивления.
Рисунок 3. Основные типы структур жаропрочных сплавов, ×100, полученные при
различных v, мм/мин: а – бездендритная (0,1); б – ячеистая (1); в – переходная от
ячеистой (1) к тонкодендритной (40); г – тонкодендритная (40); д – переходная от
тонкодендритной (40) к дендритной (4); е – крупная дендритная (4)
Экспериментально установлено, что при малом G (3–30 град/см) и
практически любых v (0,4–100 мм/мин) микроструктура сплавов дендритная
с
различной
степенью
дисперсности
структурных
составляющих.
При G=100–120 град/см и более, при v=0,1 мм/мин структура сплавов ЖС6У,
ЖС6Ф становится бездендритной (рис. 2, г), что свидетельствует о НК сплава
в условиях плоского фронта роста. Снижение G и повышение v вызывает
появление ячеистой структуры (рис. 3, б), которая была получена при
G=70 град/см и v=1 мм/мин.
Существенные
структурные
изменения
в
сплаве,
вызванные
варьированием НК, по влиянию их на свойства можно приравнять к созданию
новых сплавов при неизменном легировании. Поэтому специально для ВНК
были разработаны ЖС26, ЖС26У, ЖС32, которые при v=10–20 мм/мин
обеспечивают
уровень
эксплуатационных
свойств,
не
уступающий
зарубежным аналогам.
Так, повышение скорости НК, вызывая изменение степени дисперсности
структурных
составляющих
сплава,
существенно
повышает
кратковременную и длительную прочность, пластичность и выносливость
сплавов по сравнению с равноосным литьем. При этом повышается
производительность процесса НК и оборудования.
Бездендритные структуры характеризуются чрезвычайно высоким уровнем
пластичности как в литом, так и в термообработанном состоянии (δ≥30%,
ψ≥60,5% при 975°С), в то время как пластичность того же сплава с равноосной
структурой при тех же температурных испытаниях примерно на порядок ниже
(δ=3,6%, ψ=4,7% при 975°С). Высокая пластичность у сплавов с бездендритной
структурой сохраняется и при 20°С (δ≈20%). Некоторые свойства сплавов типа
ЖС в зависимости от структуры представлены в таблице.
Сплав, структура
(v, мм/мин)
ЖС6У, НК
ЖС26, ВНК (20)
ЖС26 (4)
Типа ЖС,
бездендритная (0,1)
900
340/270
410/305
380/295
σ 975
32−34 =280
δ=36–44%
ψ=64
Типа ЖС,
равноосная
σ 975
38 =24
Длительная прочность σ 100 /σ 500 , МПа/МПа
1000
1100
160/120
65/–
200/135
90/55
185/125
80/80 – исп. в вакууме
Кратковременные свойства
T, °С
σ в , МПа
δ, %
ψ, %
20
940–1040
18,6–22,5
19–22,5
800
1010–1190
20–26
21–26
1000
567–609
36–44
56–61
20
750–850
8–10
–
800
850–1000
3–5
–
1000
600–650
7–15
–
Для осуществления управляемой НК в ВИАМе разработана серия
установок:
В-1790,
УВНК-8П,
размерами
отливаемых
деталей,
УВНК-12,
УВНК-17,
производительностью
отличающихся
и
степенью
автоматизации. Наиболее широко в настоящее время в промышленности
применяются установки УВНК-8П, которыми оснащены основные заводы
авиационной промышленности.
Имеется научно-техническая документация на процессы литья лопаток с
направленной и монокристаллической структурой, установки для осуществления
указанных процессов, которые могут быть переданы на коммерческой основе
заинтересованным фирмам как в России, так и за рубежом.