Необратимые изменения тонкой структуры монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов в процессе длительной эксплуатации турбинных лопаток
Представлены результаты исследований микро- и субструктуры монокристаллических рабочих лопаток турбины высокого давления из литейного жаропрочного никелевого сплава ЖС32-ВИ в процессе длительных ресурсных испытаний газотурбинного двигателя. Показано, что выделение частиц ТПУ фаз в сплаве в процессе высокотемпературных испытаний сопровождается уменьшением параметра кристаллической решетки γ-твердого раствора, что подтверждается данными рентгеновского структурного, рентгеноспектрального микроанализа и растровой электронной микроскопии. Выдвинуто положение, что уменьшение степени легирования γ-твердого раствора в результате выделения ТПУ фаз, богатых тугоплавкими элементами, приводит к падению жаропрочности материала. Кроме того, ТПУ фазы оказывают негативное влияние на механические характеристики сплава из-за локального нарушения когерентности межфазных границ в зоне их возникновения.
Введение
Технические характеристики авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) современных летательных аппаратов во многом обусловлены работоспособностью лопаток ротора ГТД (турбины высокого давления – ТВД) в условиях частых смен температурных режимов и нагрузок, а также периодических забросов по температуре газового потока, поступающего на рабочие лопатки ТВД.
Проблема увеличения длительной прочности и других эксплуатационных характеристик рабочих лопаток ТВД в тяжелых температурно-силовых условиях решается специалистами ВИАМ в соответствии со Стратегическими направлениями развития материалов и технологий [1–3], ориентированными на обеспечение безопасности [4] и конкурентоспособности российской авиационной техники. В ВИАМ также ведутся исследования и разработка новых литейных жаропрочных сплавов для турбины ГТД на основе никеля [5–7] и новых жаростойких и теплозащитных покрытий для деталей горячего тракта ГТД [2, 8].
Высокая анизотропия механических свойств монокристаллических жаропрочных сплавов на основе никеля [9–11] и значительное различие упругих, прочностных, пластических и теплофизических характеристик литейных жаропрочных сплавов, жаростойких интерметаллидных и теплозащитных керамических покрытий предопределили смену традиционных подходов к задачам разработки конструкций литых охлаждаемых рабочих лопаток ТВД. В связи с вышеуказанными проблемами создание литых охлаждаемых монокристаллических лопаток ТВД для двигателей пятого поколения неразрывно связано с процессом конструирования лопаток по технологии современного производства. Химический и фазовый состав жаропрочных материалов – основной фактор, определяющий свойства изделий для работы в условиях высоких температур и переменных механических нагрузок [12, 13].
Оценка точности расчета запасов статической и динамической прочности рабочих лопаток ГТД и назначенного ресурса двигателя доказывается данными стендовых испытаний и, кроме того, последующими всесторонними исследованиями структуры и свойств конструкционных материалов и функциональных покрытий, входящих в состав лопаток [14–18].
Материалыиметоды
Структуру монокристаллических лопаток ротора ТВД из литейного никелевого жаропрочного сплава ЖС32-ВИ исследовали как после полного цикла изготовления лопаток, так и после длительных ресурсных испытаний газотурбинного двигателя.
Анализ структурных изменений и повреждений никелевого жаропрочного сплава выполнили в наиболее горячем сечении пера лопатки в сравнении со структурой сплава в хвостовике лопатки. Общий вид рабочей лопатки с указанием сечения, в котором проводилось детальное исследование микро- и субструктуры, и схемой распределения температур на крейсерском режиме работы ГТД представлен на рис. 1.
Рис. 1. Рабочая лопатка турбины высокого давления ГТД (общий вид со стороны входной кромки; стрелкой указано положение восьмого перфорационного отверстия)
Исследование микроструктуры и химического состава фаз выполнили на металлографических шлифах после механического шлифования и полирования, электрохимического травления в насыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте. Типичная микроструктура входной кромки рабочей лопатки ГТД приведена на рис. 2.
Рис. 2. Микроструктура входной кромки рабочей лопатки ТВД в сечении восьмого перфорационного отверстия
Анализ микроструктуры никелевого жаропрочного сплава проводили методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе JSM-6490LV в режимах отраженных электронов и вторичных электронов. Определение локального состава фаз выполнили с помощью системы энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) INCA x-sight.
Определение параметров кристаллических решеток γ-твердого раствора на основе никеля и γ′-фазы на основе соединения Ni3Al на образцах из монокристаллического жаропрочного сплава ЖС32-ВИ выполнили методом рентгеноструктурного анализа (РСА) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-4. Съемка рентгеновской дифрактограммы для прецизионного определения параметров кристаллических решеток γ- и γ′-фаз и их размерного несоответствия (мисфита) проведена в монохроматическом Fe Ka-излучении. Методика рентгеновского структурного анализа монокристаллов жаропрочных сплавов подробно описана в работах [16, 17].
Результаты
Исследование микроструктуры монокристаллического никелевого жаропрочного сплава после длительной высокотемпературной наработки в эксплуатационных условиях (порядка нескольких тысяч часов) методами РЭМ показало следующие значимые отличия: несмотря на то, что частицы γ′-фазы (когерентно сопряженные с γ-матричной фазой) сохранили кубоидную форму и внешне почти не изменились по сравнению с исходным состоянием (однако начавшееся огрубление микроструктуры и частичное слияние кубоидных частиц γ′-фазы заметно на фотографии), произошло образование пластинчатых выделений ТПУ фазы. На рис. 3 представлены трещины в рабочей лопатке ТВД, образовавшиеся по механизму термомеханической усталости.
Рис. 3. Трещины в рабочей лопатке ТВД, образовавшиеся по механизму
термомеханической усталости
Рис. 4. Пластины ТПУ фазы в сечении шлифа и в статическом изломе рабочей лопатки турбины среднего давления (ТСД) ГТД Д-18Т из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава после наработки при эксплуатации в течение 7835 ч
Рис. 5. Схема выбора зон (1–5 – см. табл. 1) исследования химического состава ТПУ фазы и γ′-фазы
Образовавшиеся в жаропрочном сплаве пластины ТПУ фазы исследовали методом РСМА. На рис. 4 приведены изображения пластин ТПУ фазы в сечении шлифа и в статическом изломе рабочей лопатки турбины среднего давления ГТД Д-18Т из монокристаллического жаропрочного никелевого сплава после наработки при эксплуатации в течение 7835 ч. Схема выбора зон исследования химического состава ТПУ фазы и γ′-фазы приведена на рис. 5. Химический состав ТПУ фазы и γ′-фазы представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав ТПУ фазы и γ′-фазы в монокристаллическом никелевом
жаропрочном сплаве после высокотемпературной наработки
Фаза | Условный номер зоны анализа | Содержание элементов, % (по массе) | ||||||||
Al | Cr | Co | Ni | Nb | Mo | Ta | W | Re | ||
ТПУ | 1 | 2,75 | 4,02 | 6,30 | 35,14 | 1,05 | 2,81 | 2,19 | 24,28 | 21,45 |
фаза | 2 | 3,87 | 3,96 | 5,52 | 32,91 | 1,00 | 2,05 | 3,41 | 29,46 | 18,83 |
| 3 | 2,54 | 4,99 | 8,84 | 33,45 | 1,20 | 2,33 | 3,35 | 27,84 | 15,47 |
γ′-фаза | 4 | 7,19 | 3,00 | 8,72 | 65,03 | 1,72 | – | 2,41 | 10,17 | 1,77 |
| 5 | 5,46 | 7,22 | 11,55 | 59,96 | 1,51 | 1,20 | 4,35 | 7,69 | 5,57 |
Помимо растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа также проводили рентгеноструктурные исследования для прецизионного определения параметров кристаллических решеток γ- и γ′-фаз на образцах из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава как после высокотемпературной выдержки без нагружения, так и после длительных ресурсных испытаний. Проведенный рентгеноструктурный анализ показал, что происходит устойчивое снижение величины параметра кристаллической решетки γ-твердого раствора после длительных ресурсных испытаний (порядка 1000 часов и более) в сравнении с исходным состоянием сплава; на малых базах испытаний (несколько сотен часов) изменение параметра кристаллической решетки γ-фазы малозаметно. На рис. 6 представлены наиболее характерные дифрактограммы рентгеновского рефлекса (222) в монохроматизированном Fe Ka-излучении как после воздействия высокой температуры без механических нагрузок, так и после длительных ресурсных испытаний. Результаты прецизионного определения параметров кристаллических решеток (γ/γ′)-фаз, а также размерного несоответствия кристаллических решеток фаз (мисфит) представлены в табл. 2.
Рис. 6. Наиболее характерные дифрактограммы рентгеновского рефлекса (222) (γ/γ′)-фаз монокристаллического никелевого жаропрочного сплава в монохроматизированном Fе Ka-излучении как после воздействия высокой температуры без механических нагрузок (а), так и после длительных ресурсных испытаний (б)
Таблица 2
Параметры кристаллических решеток (γ/γ′)-фаз и размерное несоответствие
параметров кристаллических решеток фаз при различных условиях
длительных высокотемпературных испытаний
Условия испытания при температуре 1000°С | Параметр кристаллической решетки а, нм | Размерное несоответствие кристаллических решеток (мисфит), % | ||
продолжительность, ч | нагрузка, МПа | γ-твердого раствора | интерметаллидной γ′-фазы | |
400 | 200 | 0,3520 | 0,35680 | 0,12 |
| Без нагрузки | 0,3521 | 0,35695 | 0,07 |
1800 | 200 | 0,35666 | 0,3592 | -0,07 |
| Без нагрузки | 0,35675 | 0,3590 | -0,04 |
2600 | 200 | 0,35718 | 0,35646 | 0,20 |
| Без нагрузки | 0,35743 | 0,35685 | 0,16 |
Обсуждение и заключения
Выделение ТПУ фаз после длительной наработки подтверждается как данными РЭМ, где на снимке видны выделения фазы пластинчатой морфологии, так и данными рентгеноспектрального микроанализа, указывающими на химический состав ТПУ фазы, богатой рением и вольфрамом. Косвенно о выделении ТПУ фаз в процессе длительной эксплуатации материала свидетельствуют и данные прецизионного определения параметров кристаллических решеток γ-твердого раствора и γ′-фазы: снижение параметров кристаллической решетки характерно не только для γ-фазы, но и для γ′-фазы на основе соединения Ni3Al. Величина снижения параметра кристаллической решетки возрастает с увеличением продолжительности ресурсных испытаний лопаток при высокой температуре.
Из результатов проведенных исследований можно сделать вывод, что снижение содержания легирующих элементов в γ-твердом растворе в результате выделения ТПУ фаз, богатых тугоплавкими элементами, является одной из причин понижения жаропрочности материала. Более того, ТПУ фазы оказывают отрицательное влияние на механические характеристики сплава из-за локального нарушения когерентности межфазных границ в зоне их возникновения, что неминуемо приводит к образованию клиновидных микротрещин в процессе высокотемпературной ползучести материала, по которым в дальнейшем происходит разрушение сплава.
Можно предположить, что контролировать выделение ТПУ фаз in-situ возможно посредством высокотемпературной рентгенографии, а также в процессе высокотемпературных испытаний жаропрочных сплавов под приложенной механической нагрузкой методами прецизионного определения параметров кристаллических решеток (γ/γ′)-фаз по величине снижения параметра решетки. Таким образом, можно будет исследовать кинетику появления ТПУ фаз в зависимости от нагрузок, продолжительности выдержки и температуры, что будет представлять большой интерес для исследователей-материаловедов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Соглашения о предоставлении субсидии №14.595.21.0002 от 22.08.2014 г., уникальный идентификатор №RFMEFI59514X0002, с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания ФГУП „ВИАМ”».
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» //Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33.
- Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19−36
- Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения //Крылья Родины. 2012. №3–4. С. 34–38.
- Орлов М.Р. Стратегические направления развития Испытательного центра ФГУП «ВИАМ» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 387–393.
- Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36–52.
- Петрушин H.B., Оспенникова О.Г., Висик E.M., Рассохина Л.И., Тимофеева О.Б. Жаропрочные никелевые сплавы низкой плотности //Литейное производство. 2012. №6. С. 5–11.
- Каблов Е.Н. Физико-механические и технологические особенности создания жаропрочных сплавов, содержащих рений //Вестник Московского университета. Сер. 2: Химия. 2005.
- Т. 46. №3. С. 155–167.
- Каблов Е.Н., Мубояджян С.А. Жаростойкие и теплозащитные покрытия для лопаток турбины высокого давления перспективных ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 60–70.
- Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Бронфин М.Б., Алексеев А.А. Особенности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, легированных рением //Металлы. 2006. №5. С. 47–57.
- Бондаренко Ю.А., Каблов Е.Н. Направленная кристаллизация жаропрочных сплавов с повышенным температурным градиентом //МиТОМ. 2002. №7. С. 20–23.
- Бондаренко Ю.А., Каблов Е.Н., Морозова Г.И. Влияние высокоградиентной направленной кристаллизации на структуру и фазовый состав жаропрочного сплава типа Rеnе-N5 //МиТОМ. 1999. №2. С. 15–18.
- Морозова Г.И. Закономерность формирования химического состава γ′/γ-матрицы многокомпонентных никелевых сплавов //Доклады Академии наук. 1991. Т. 320. №6. С. 1413–1416.
- Каблов Е.Н., Петрушин Н.В. Компьютерный метод конструирования литейных жаропрочных никелевых сплавов /В кн. Литейные жаропрочные сплавы. Эффект С.Т. Кишкина /Под ред. Е.Н. Каблова. М.: Наука. 2006. С. 56–78.
- Оспенникова О.Г., Орлов М.Р., Колодочкина В.Г., Назаркин Р.М. Структурные изменения и повреждение монокристаллических рабочих лопаток турбины в процессе ресурсных испытаний авиационного газотурбинного двигателя //Деформация и разрушение материалов. 2014. №8. С. 22–29.
- Орлов М.Р., Якимова М.С., Летов А.Ф. Анализ работоспособности монокристаллических лопаток турбины высокого давления в составе наземных газотурбинных установок //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 399–407.
- Самойлов А.И., Назаркин Р.М., Моисеева Н.С. Определение мисфита во фрагментированных монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов //Труды ВИАМ. 2013. №5. Ст. 02 (viam-works.ru).
- Самойлов А.И., Назаркин Р.М., Моисеева Н.С. Мисфит как источник и критерий работоспособности жаропрочных никелевых сплавов //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79. №6. С. 33–36.
- Каблов Е.Н., Орлов М.Р., Оспенникова О.Г. Механизмы образования пористости в монокристаллических лопатках турбины и кинетика ее устранения при горячем изостатическом прессовании //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 117–129.