СТРУКТУРНІ І ФАЗОВІ ЗМІНИ В МОНОКРИСТАЛІЧНИХ ЖАРОМІЦНИХ НІКЕЛЕВИХ СПЛАВАХ ПІСЛЯ ТРИВАЛИХ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ВИТЯГІВ

Зміна розміру і хімічного складу у- і у'-фаз в монокристалічних сплавах, освіту рафт-структури і нанорозмірних частинок у "/ у'н в процесі високотемпературних витягів

Після проведення стандартної термообробки для ЖНС типова структура, представлена на рис. 6.1 і 6.2. Видно, що в результаті такої обробки отримана однорідна дисперсна (у + у ') - структура з високою об'ємною часткою упрочняющей у'-фази (70-75%) розміром 0,3-0,4 мкм. У междуосних ділянках розмір у'-фази декілька більше, а окремі частинки досягають розмірів порядку 1 мкм. Частинки у'-фази мають характерну кубовидную форму. Електронографіческіх і мікродіфракціонний аналіз показують, що частинки у'-фази в сплавах збудовані в напрямках типу [100] _у монокристалла.

Для сплаву ЖС-32 В І після термовакуумной обробки (ТВО) характерна наступна структура:

• • однорідна за розміром і формою частинок у'-фази (у + у ') - струк турна складова в дендритних комірці, форма у'-частинки близька до кубовидной з ребром куба близько 0,5 мкм;
• • уздовж кордонів дендритних осередків розташовується (у + у ^ -структурная складова з типовим розміром у'-частинок близько 2 мкм;
• • в межосних просторах присутні кристали нерівноважної евтектичною (у + у ') - фази, розміри яких змінюються в широких межах; • в межосних просторах присутні евтектичних виділення первинних карбідів (Та, Nb) C (рис. 6.3).

Мал. 6.1. Тонка структура сплаву ЖС36-ВІ після повної термообробки:

а- РЕМ; 6 ПЕМ

Мал. 6.2. Тонка структура сплаву ВЖМ5-ВІ після повної термообробки (ПЕМ): а, б, в - структура (у + у '): г - мікродифракції з ділянки в

Мал. 6.3. Тонка структура сплаву ЖС32-ВІ після ТВО: а - межа дендритних осередку; б - междуосной; в - вісь дендрита

Для високолегованих сплавів при кристалізації з невисоким термічним градієнтом в зоні кристалізації характерна підвищена ізоляція легуючих елементів. Після проведення повної термообробки не відбувається повного усунення ліквационноє неоднорідності сплавів ЖС32-ВІ, ЖС36-ВІ і ВЖМ5-ВІ: осі дендритних осередку значно збагачені W, Re, Мо, Сг в порівнянні з междуосним простором (табл. 6.1).

Зміст елементів в різних точках дендритних осередку сплавів ЖС36-ВІ, ЖС32-ВІ

Таблиця 6.1

Закінчення табл. 6.1

Видно, що при коефіцієнті ликвации До _л > 1 легуючі елементи сплавів W, Re, Сг, Со концентруються в осях дендритів, а при К _л <1 легуючі елементи Al, Ti, Та, Nb - в междуосном просторі і глобули нерівноважної евтектики (у + у '). З порівняння коефіцієнтів К _л і К _р (табл. 6.1) видно, що для таких елементів, як А1, Сг, Со, Ti, W ці величини приблизно рівні, і тільки для Re є велика різниця.

При формуванні нерівноважної (у + у ') - евтектики у-твердий розчин в її складі збіднений ренієм в порівнянні з осями дендритів, а у'-фаза збагачена танталом.

Результати експериментальних досліджень фазового і хімічного складу сплавів ЖС32-ВІ і ЖС36-ВІ наведені в табл. 6.2.

Таблиця 6.2

Фазовий і хімічний склад монокристалічних жароміцних нікелевих сплавів

Отримані дані показують, що Re в основному входить до складу у-твердого розчину. Він має найнижчий коефіцієнт розподілу, що визначається його незначною розчинністю (близько 1 ат.%) В у'-фазі Ni ₃ Al і свідчить про високу ефективність ренію як основного упрочнителя твердого розчину ЖНС. Вольфрам рівномірно розподіляється між у'- і у-фазами, а тантал переважно легують у '-фазу.

На спеціальних зразках були досліджені калориметричні ефекти (ДСК) при нагріванні і охолодженні зі швидкістю 20 ° С / хв в термоаналізатор (рис. 6.4-6.6). Криві ДСК показують екзо і ендотермічні піки реакцій в зразку при нагріванні і охолодженні.

Мал. 6.4. ДСК (1,2) і похідна ^ ДСК (3,4) при нагріванні (1, 3) і охолодженні (2,4) сплаву ЖС36-ВІ

Пік ДСК при 874 ° С в процесі нагрівання відповідає початковим процесам розчинення у'-фази в твердому розчині, а в інтервалі до 1000 ° С відбувається розчинення у'-частинок, що мають бімодальне розподіл за розміром. При Т = тисяча двісті сорок п'ять ° С у'-фаза починає інтенсивно розчинятися, досягаючи максимальної швидкості при 1260 ° С, при Т = 1312 ° С відбувається повне розчинення у'-фази і залишків нерівноважної евтектики (у + у '), а сплав ЖС36- ВІ переходить в однофазне стан у-твердого розчину.

При охолодженні зразка в температурному інтервалі 1257-1200 ° С на кривій ДСК спостерігається інтенсивна екзотермічна реакція (виділення енергії), яка свідчить про початок розпаду у-твердого розчину з утворенням частинок у'-фази. Початок виділення у'-фази відповідає 1257 ° С, максимальна швидкість виділення у'-фази відповідає 1225 ° С, а перехід сплаву ЖС36-ВІ в двофазне (у + у ') - стан закінчується при 1000 ° С.

Результати вимірювання ДСК показують, що темп розчинення зміцнюючої у'-фази в сплаві ЖС36-ВІ в інтервалі температур 950-1200 ° С дуже низький, що надзвичайно важливо для оцінки температурно-напруженого стану лопаток ТВД сучасних ГТД.

Дослідження калориметричних ефектів (ДСК) при нагріванні і охолодженні сплаву ЖС32-ВІ показало (рис. 6.5), що температура початкових процесів розчинення у'-фази в твердому розчині становить 814 ° С.

Мал. 6.5. ДСК (1, 3) і похідна 4ДСК (2,4) при нагріванні (а) і охолодженні (б) сплаву ЖС32-ВІ

В інтервалі температур 800-900 ° С відбувається розчинення дрібних частинок у'-фази і до 1038 ° С її кількість в сплаві практично не змінюється. При подальшому підвищенні температури починається процес розчинення у'-фази, а при тисячу двісті п'ятьдесят п'ять ° С частки у'-фази починають інтенсивно розчинятися, досягаючи максимальної швидкості при 1275 ° С; при 1300 ° С відбувається повне розчинення у-частинок у'-фази ву-твердому розчині.

При охолодженні зразка в температурному інтервалі 1262-1210 ° С на кривій ДСК відображається екзотермічна реакція, яка свідчить про початок розпаду у-твердого розчину з освіту частинок у'-фази. Початок виділення у'-фази відповідає тисяча двісті шістьдесят два ° С, максимальна швидкість - тисяча двісті тридцять вісім ° С, а перехід сплаву в (у + у ') - стан закінчується при 1080 ° С.

Результати вимірювання ДСК безпосередньо дозволили визначити температурний інтервал стабільності структури (у + у ') - сплаву ЖС32-ВІ 1000-1200 ° С.

При нагріванні сплаву ВЖМ5-ВІ після повної термообробки у'-фаза починає інтенсивно розчинятися при Т = 1257 ° С, і сплав переходить в стан у-твердого розчину при Т = 1309 ° С. При охолодженні загартованого зразка початок виділення у'-фази з твердого розчину відповідає 1259 ° С, максімачьная швидкість виділення - 1228 ° С, а перехід сплаву в (у + у ') - стан закінчується при 1000 ° С (рис. 6.6).

Слід зазначити, що при збільшенні концентрації Та в сплаві ВЖМ5-ВІ відбувається зміщення температур початку та кінця розчинення у'-фази в область більш високих температур, що значно підвищує стабільність у'-фази і, отже, тривалу міцність сплаву.

По кривим ДСК і їх похідних (

Таблиця 6.3

Температури фазових переходів в (у + у '(- структурі сплавів при їх нагріванні і охолодженні

Закінчення табл. 6.3

Мал. 6.6. ДСК (1, 3) і похідна <7ДСК (2,4) при нагріванні (а) і охолодженні (б) сплаву ВЖМ5-ВІ

Досліджено зміну тонкої структури сплаву ЖС36-ВІ після короткочасних нагревов до різних температур: а) нагрів до 1100 і 1150 ° С відповідав стабільного стану (у + у ') - структури сплаву зі збільшенням розміру у'-частинок; б) нагрівання до 1230 ° С відповідав початку інтенсивного розчинення у'-фази, а нагрів до 1300 ° С - переходу (у + у ') - структури сплаву в однофазну у-фазу.

Тонка структура сплаву ЖС36-ВІ після даних нагревов показана на рис. 6.7, 6.8. Видно, що зміна структури сплаву після короткочасних нагревов до різних значень температури (розміри, форма у'-фази і товщина у-прошарків) відповідає певним по ДСК температурним інтервалах фазових переходів в сплаві.

Прошарку у-фази при нагревах до 1240 ° С мають складну будову: вони складаються з ультрамелкімі суміші (у + у ') - фаз (рис. 6.8, а, б).

Мал. 6.7. Тонка структура (РЕМ) сплаву ЖС36-ВІ [001] після короткочасних нагревов (витримка 30 хв): а-Т = 1100 ° С; б-Т = 1150 ° С; в - Т = 1230 ° Сг-Т = 1300 ° С

Виділень ТПУ-фаз в сплаві ЖС36-ВІ [001] після короткочасних нагревов практично не виявляється. Іноді в сплаві зустрічаються окремі вторинні частки округлої форми (рис. 6.9), які розташовані в у'-фазі Ni ₃ AI, збагачені важкими елементами сплаву W, Re, Мо, Сг і являють собою p-фазу. Між кристалічними гратами р- і у'-фаз виконується суворе кристалографічної ориентационное співвідношення.

Мал. 6.8. Тонка структура (ПЕМ) сплаву ЖС36-ВІ [001] після короткочасних нагревов (витримка 30 хв): а - Т = 1100 ° С; б - 7 = 1150 ° С; * - Т = 1230 ° С; г - Т = 1300 ° С

Мал. 6.9. Дрібнодисперсні виділення ц-фаз в сплаві ЖС36-ВІ [001] після короткочасних нагревов (Т = 1100 ° С, т = 30 хв)

Основною проблемою ливарних ЖНС є термічна стабільність структури і фазового складу сплавів в процесі експлуатації.

При впливі високих температур (вище 1050 ° С) і напружень відбуваються процеси коалесценції, зрощування частинок у'-фази з утворенням рафт-структури і розчинення у'-фази. В процесі експлуатації в сложнолегірованних жароміцних сплавах можуть утворитися ТПУ-фази різного типу: ромбоедрична p-фаза, тетрагональна ст-фаза і орторомбические Р-фаза.

В процесі тривалих високотемпературних витягів сплаву ЖС36-ВІ 1 001] в інтервалі температур 1050-1200 ° С у'-фаза втрачає свою кубовидную огранювання, відбувається її зрощення і інтенсивне зростання в напрямку, перпендикулярному [001], тобто відбувається утворення рафт-структури ( рис. 6.10, 6.11). Формування такої структури зумовлено перерозподілом легуючих елементів в матриці (у-фазі), збагаченням граней кубовидной у'-фази у'-утворюють елементами сплаву. Рушійною силою такого зміни морфології у / у'-структури сплаву під впливом температури є невідповідність параметрів решіток і модулів пружності у- і у'-фаз.

Зміни тонкої структури сплавів ЖС32-ВІ і ВЖМ5-ВІ після високотемпературних витягів наведені на рис. 6.12-6.15.

Мал. 6.10. Структура (РЕМ) сплаву ЖС36-ВІ 10011 після високотемпературних витягів: а - Т = 1250 ° С, 5 ч ; б-Т = 1200 ° С, 10 ч; в - Т = 1150 ° С, 500 ч; г-Т = 1100 ° С, 1000 год; д Т = 1050 ° С, 500 ч; е- Т = 1050 ° С, 1000 год

Мал. 6.11. Тонка структура (ПЕМ) сплаву ЖС36-ВІ [001] після високотемпературних витягів: а- Т = 1150 ° С, 500год 6 Т = 1100 ° С, 1000ч; в- Т = 1050 ° С, 500 ч; г- Т = 1050 ° С, 1000ч

Мал. 6.12. Структура (РЕМ) сплаву ВЖМ5-ВІ після високотемпературних витягів:

а-Т = 1200 ° С, 200 ч; б - Т = 1150 ° С, 500 ч; в - Т = 1100 X, 500 ч; г- Т = 1100 "З, 1000ч

Мал. 6.13. Структура (ПЕМ) сплаву ВЖМ5-ВІ після високотемпературних витягів:

а- Т = 1200X, 200ч; б-Т = 1150 ° С, 500год; в - Т = 1I00X, 500год; г- Т = 1100Х, 1000ч

Мал. 6.14. Зміна змісту легуючих елементів в первинній у'-фазі Ni ₃ Al і її середнього розміру (d _cp ) в сплаві ЖС36-ВІ в процесі витягів: а - при 1100 ° С; б - при 1150 ° С; 6? - при 1200 ° С

При зміні Al, Ti, W і Re в первинної у'-фазі, а також її середнього розміру в процесі високотемпературних витягів видно, що в процесі витягів відбувається значне зростання розміру первинної у'-фази, її збагачення AI, Ti і значне зменшення вмісту W і Re (рис. 6.14).

Таким чином, в сплаві ЖС36-ВІ [001] при високотемпературних витримках відбувається зміна фазового складу, морфології і розмірів у'- і у-фаз.

При високотемпературних витримках відбувається і зростання прошарків у-твердого розчину, і значна його збагачення тугоплавкими елементами W, Re, Сг, Мо. При охолодженні зразків від температури витримки на повітрі відбувається розпад у-фази за схемою у - *? У "+ у ' _н і утворюється ультрамелкодіспсрсная суміш (у _н + у' _н ) наноразмерно- го рівня (рис. 6.15, 6.16). Дрібні частинки у ' _н -фази мають розміри 20-60 нм, а прошарку у "-фази між частинками у' ,, мають товщину близько 10-20 нм. Формування у ' "- фази також відбувається на кордонах великої у'-фази з сумішшю (у _н + у' _н ).

У темнопольному зображенні в сверхструктурном рефлекс (001) _у . «Світяться» великі частки первинної у'-фази і вторинні ультрамел кодісперсние частки у ' _н -фази (рис. 6.16).

Нанорозмірні частинки уізменяют свою форму і розмір в залежності від температури витримки: при Т = 1050 ... 1100 ° С вони мають округлу форму в матриці з у-фази (рис. 6.16, а, б), а при Т> 1150 ° С частинки у ' _н -фази приймають кубовидную огранений форму (рис. 6.16, в, г) і їх розмір збільшується з 20 по 100 нм.

На кордоні первинна у'-фаза / (у ' _н + у ") - частинки у' _н -фази мають витягнуту форму уздовж кордону розділу і їх розмір становить понад 100 нм в довжину (рис. 6.16, а, б).

На кордоні розділу велика (первинна) у'-фаза / (у " '+ у") в площині фольги видно дислокаційні скупчення (мал. 6.17, а-в) від декількох систем ковзання, що свідчить про зрив когерентності між у- і у "-фази.

Звивистість ліній дислокацій, ймовірно, пов'язана з наявністю у цих кордонів розділу у ' _н -фази нанорозмірного рівня (рис. 6.17, б, в). На рис. 6.17, г показаний контраст дислокацій на кордоні розділу первинна у'-фаза / (у _н '+ у _н ), а також окремі дислокації на тлі (Ун' + у _н ) -Структури.

Мал. 6.15. Структурний стан (у'первічная + суміш у _{н /} у ' _н нанорозмірного рівня) сплаву ЖС36-ВІ [001] після високотемпературних витягів: а-Т = 1200 ° С, 20 ч б-Т = 1150 ° С, 500 ч; в - Т = 1150 ° С, 500 ч; г- Т = 1100 ° С, 500год

Мал. 6.16. Темнопольного зображення в сверхструктурном рефлекс (001).,. Тонкої структури сплаву ЖС36-ВІ [0011 після високотемпературних витягів: а-Т = 1050 ° С, 500 ч; 6 Т = 1100 "З, 500 ч; в, г - Т = 1150 ° С, 500 ч

Аналогічні зміни структури і хімічного складу фаз після тривалих високотемпературних витягів спостерігаються і в мо нокрісталліческом сплаві ВЖМ5-ВІ (рис. 6.18, 6.19). Тривала витримка сплаву ВЖМ5-ВІ при високій температурі призводить до значної зміни хімічного складу у- і у'-фаз; такі елементи сплаву, як Cr, З, Mo, W та Re, концентруються в дрібнодисперсного суміші (у "+ у '"), ^а Al, Ti, Ni і Та - у великій у'-фазі. Слід підкреслити, що Re в основному входить в у-твердий розчин, а Та - в у'-фазу.

Мал. 6.17. Светлопольное зображення кордонів у '/ (у' _н + у ") в сплаві ЖС36-ВІ [001] після високотемпературних витягів:

а, б, в - межа yV (Y'h ⁺ Y) майже паралельна площині фольги сплаву; г - межа у '/ (у' "+ у) в площині фольги сплаву

Мал. 6.18. Зміна тонкої структури (ПЕМ) сплаву ВЖМ5-ВІ після витягів при Т = 1200 ° С: а - вихідна; б - 200 год; в - 500 год; г - 1000 год

Мал. 6.19. Тонка структура і склад у- і у'-фаз сплаву ВЖМ5-ВІ після витримки при Т = 1150 ° С, 500 ч

Таким чином, монокристалічні безуглеродістие сплави ЖС36-ВІ і ВЖМ5-ВІ після високотемпературної витримки в інтервалі 1050-1200 ° С і охолодження мають таке структурний стан: велика Y'первічная + мелкодісперсная суміш у _н / у ' _н нанораз- мірного рівня. Зміна хімічного складу у'- і у-фаз призводить до значної зміни параметрів кристалічних граток у-і у'-фаз і виникнення напружень на міжфазних межах. При релаксації цих напруг виникають дислокації на кордоні у / у'-фаз, а також парні дислокації. Частинки нанорозмірного рівня у ' _н формуються практично без дислокаційних сіток, тому вони знаходяться в більш напруженому стані, ніж частки первинної у'-фази.

Розглянемо тонку структуру сплаву ЖС32-ВІ після витягів зразків при різних температурах (рис. 6.20).

Для сплаву ЖС32-ВІ, що містить вуглець, характерно насамперед виникнення інтерметаллідних фаз (а, ц) на основі тугоплавких елементів (Та, Re, Mo, W). Тому дані процеси найбільш активно розвиваються в осях дендритів. Альтернативна карбідна реакція типу МС -> М ₆ С виражена відносно слабко, очевидно, як внаслідок дефіциту металевих елементів, так і з-за високої стабільності первинних карбідів МС на основі Та й Nb.

Мал. 6.20. Тонка структура (ПЕМ) і освіту надлишкових фаз в сплаві ЖС32-ВІ після різних витягів при температурах на повітрі: а, б-Т = 1050 ° С, т = 300 ч; в, г-Т = 1100 ° С, т = 200 ч; д, е-Т = 1150 ° С, т = 100 ч

При оцінці результатів випробувань сплаву ЖС32-ВІ на екстремальних теплових навантаженнях заслуговує на увагу встановлений факт великий термічної стабільності зон евтектичних колоній в сплаві ЖС32-ВІ, для якого не характерна карбідна реакція МС -> М ₆ С з відповідним збіднінням навколишнього твердого розчину тугоплавкими елементами і зниженням температури розчинення зміцнюючої у'-фази.