Введение

Современные требования к материалам для высокоресурсных газотурбинных двигателей определяют способы решения задач по повышению жаропрочности никелевых сплавов. Одним из путей повышения термостойкости и выносливости является использование монокристаллов с медленным разупрочнением при эксплуатации. Редкое сочетание различных свойств монокристаллов позволяет повысить эффективность применения изготовленных из них лопаток в турбинах как авиационных двигателей, так и двигателей наземных газоперекачивающих установок [1, 2].

Для изготовления лопаток турбин разработаны несколько поколений жаропрочных никелевых сплавов. Сплавы первого поколения легированы элементами, характерными для жаропрочных поликристаллических сплавов на основе никеля, такими как хром, алюминий, вольфрам, молибден, кобальт, титан и др. [3]. Переход к сплавам второго (ЖС36) и третьего (ВЖМ4 и ВЖМ5) поколения осуществлен путем максимального снижения содержания углерода и легирования рением в количестве 2–4 и 5–6 %. В следующих поколениях жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов наряду с использованием основных легирующих элементов в различных сочетаниях, снижением содержания углерода и примесей, таких как кислород, азот, сера, фосфор и  др., дополнительно введены рутений и иридий. Такое легирование обеспечивает рост монокристаллов с заданной ориентацией, отсутствие выделений хрупких топологически плотноупакованных фаз, а следовательно, высокий уровень свойств и стабильности микроструктуры за все время эксплуатации лопаток в двигателе [1–6].

В тонкой структуре монокристаллических материалов, как и традиционных поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов [7–10], наблюдается высоколегированный γ-твердый раствор с выделениями дисперсных частиц упрочняющей γ′-фазы (до 70 % после окончательной термической обработки), сформированной на основе соединения Ni₃Al с упорядоченной структурой. В зависимости от кристаллографической ориентации (КГО) монокристалла в поперечном сечении образцов выделения γ′-фазы имеют различную форму в плоскости шлифа: квадратную при КГО <001>, прямоугольную при КГО <011> и треугольную при КГО <111> [1–3].

Монокристаллические лопатки из жаропрочных никелевых сплавов отличаются высокой чувствительностью к степени их структурного совершенства. в условиях дендритного роста макроструктура кристалла может быть фрагментирована, содержать разориентированные блоки и «паразитные» зерна. Хотя отсутствие межзеренных границ и достигаемое при легировании увеличение несоответствия параметров решеток γ- и γ′-фаз значительно затормаживают скорость передвижения дислокаций, повышая жаропрочность и термостойкость, качество структуры монокристалла значительно влияет на упругие, прочностные и пластические характеристики изделий и является важнейшим технологическим критерием, определяющим выход годной продукции и ее себестоимость [5, 6]. Для определения соответствия требуемой по технологической документации КГО заготовок лопаток разработаны различные методики неразрушающего контроля [11–13].

Необходимо отметить, что получение монокристаллических отливок связано с преодолением технологических трудностей. Фактически отливка монокристалла [001] представляет собой один дендрит, зародившийся от одного зародыша или затравки. Однако по ряду причин в структуре могут возникать «паразитные» зерна.

Так, при наличии неметаллических включений, выступающих в качестве центра кристаллизации, возможно образование зерен, имеющих отличную от основной ориентации отливки КГО, которая не изменяется при росте. Другой причиной образования «паразитных» зерен являются тонкие столбчатые кристаллы («прострелы») или зерна, возникающие на кромке стартовой полости роста. Появлению «паразитных» зерен могут способствовать термические напряжения в зоне температур эффективного интервала кристаллизации и температуры выделения упрочняющей γ′-фазы. Кроме того, в отливках в результате струйчатой ликвации, связанной с особенностями легирования сплава (наличие в составе W и Re) и скоростью роста кристаллов, иногда возникают цепочки равноосных зерен. Особый вид дефекта представляет собой скопление столбчатых субзерен (полосчатость), появляющихся обычно на пере лопатки. Разориентация такой структуры возрастает по мере роста, и на определенной высоте пера субзерна переходят в столбчатые зерна.

Основным требованием к структуре отливок из данных сплавов является полное отсутствие «паразитных» зерен. Это связано с тем, что зернограничная прочность в этих безуглеродистых сплавах чрезвычайно низка и такие зерна могут выкрашиваться даже при механической обработке лопатки. «паразитные» зерна допускаются только в тех местах отливки, где они будут удалены при последующей обработке. Для предотвращения образования рекристаллизованных зерен механическую обработку поверхности отливок необходимо проводить после высокотемпературной обработки (гомогенизирующего отжига). Особая осторожность должна соблюдаться при выбивке отливок из литейного блока. Не допускается пескоструйная очистка поверхности отливки после удаления керамической формы. Особенно опасны зерна так называемой объемной рекристаллизации, прорастающие на все сечение отливки. Следует отметить, что объемная рекристаллизация может возникнуть не только от мест механического наклепа, но и от дефектов монокристаллической структуры типа «полосчатость» [2, 5].

В данной статье рассмотрены особенности разрушения монокристаллических лопаток, в том числе при наличии «паразитных» зерен.

полученные результаты исследований являются продуктом деятельностиАО «ОДК».

Материалы и методы

Исследованы причины разрушения при усталостных испытаниях пяти рабочих лопаток из сплава ЖС32-ВИ. Условия испытаний и наработка лопаток из сплава ЖС32-ВИ:

Аналогичным образом исследованы четыре лопатки из сплава ЖС26-ВИ, разрушенные в процессе эксплуатации. Наработка лопатки 1 составила 50 ч, лопаток 2–4 – 1600 ч.

Металлографический анализ структуры лопаток проводили методами оптической микроскопии в соответствии с ГОСТ 5639–82, исследование структуры и фрактографический анализ – с применением растрового электронного микроскопа высокого разрешения.

Результаты

Лопатки из сплава ЖС32-ВИ после усталостных испытаний

Лопатки 1–3 из сплава ЖС32-ВИ разрушились в начале испытаний по достижении заданной нагрузки, лопатка 4 – во время испытаний. Лопатка 5 успешно выдержала испытания.

Визуальный осмотр показал, что наружная поверхность лопаток после проведенных усталостных испытаний чистая, матовая, без следов механических повреждений.

При исследовании с помощью электронного микроскопа на внутренней поверхности спинки пера лопатки 1 в прикомлевой зоне обнаружена трещина, пересекающая выходную кромку и продвигающаяся в сторону ее щели (рис. 1, а). На внутренней поверхности спинки в зоне образования трещины наблюдаются рекристаллизованные зерна. Трещина частично проходит по границам зерен и частично их пересекает. Отмечено выкрашивание отдельных рекристаллизованных зерен по линии развития трещины (рис. 1, б–г).

Рис. 1. внутренняя поверхность с трещинами между рекристаллизованными зернами
на лопатке 1 из сплава ЖС32-ВИ

Фрактографический анализ поверхности вскрытого по трещине излома показал, что лопатка разрушалась по усталостному механизму (рис. 2). Усталостное разрушение развивалось от границ рекристаллизованных зерен, находящихся на внутренней поверхности спинки пера лопатки вблизи выходной кромки, а также на ее наружной поверхности и на выходной кромке (рис. 2, б). От очага усталостная трещина распространяется по спинке, выходя на ее наружную поверхность. Имеются сколы по отдельным рекристаллизованным зернам.

Рис. 2. Поверхность вскрытого по трещине излома в лопатке 1 из сплава ЖС32-ВИ

Исследование микрошлифа, изготовленного из верхней части пера лопатки в поперечном сечении, показало, что рекристаллизованные зерна присутствуют вдоль всей наружной поверхности со стороны спинки, а также на внутренней поверхности спинки вблизи выходной кромки (рис. 3).

Рис. 3. рекристаллизованные зерна у поверхности (а) и характерная микроструктура (б)
лопатки 1 из сплава ЖС32-ВИ

Люминесцентный контроль выявил наличие двух трещин на пере лопатки 2 (рис. 4, а, б). Фрактографический анализ показал, что первая трещина, обнаруженная в прикомлевой зоне, образовалась по усталостному механизму. Усталостное разрушение развивалось от границы рекристаллизованного зерна. По краям данного рекристаллизованного зерна отмечено выделение интерметаллидной фазы с высоким содержанием тугоплавких элементов (вольфрам, рений, тантал, молибден, ниобий), что также могло спровоцировать зарождение усталостной трещины (рис. 5).

При люминесцентном контроле лопатки 3, также разрушенной в начале испытания, обнаружены свечения люминофора на корыте в виде линии протяженностью ~5 мм, расположенной в верхней части пера у выходной кромки, и на спинке в виде штриха протяженностью ~0,5 мм (рис. 4, в, г) в верхнем углу у выходной кромки.

Рис. 4. Вид трещин при люминесцентном контроле лопаток 2 (а, б) и 3 (в, г) из сплава
ЖС32-ВИ: а, в – корыто; б, г – спинка

Через вторую трещину, обнаруженную на лопатке 2, изготовлен микрошлиф. Металлографическое исследование выявило, что данная трещина начинается от радиуса перехода перемычки к поверхности спинки и распространяется на глубину ~0,4 мм. Поверхность разрушения имеет характерный для усталостного разрушения вид (рис. 5, а, б). Трещина проходит через слой рекристализованных зерен размером до 30 мкм (рис. 5, в, г), который наблюдается по всей внутренней поверхности спинки пера вблизи выходной кромки, на поверхности перемычки, а также по наружной поверхности пера со стороны как корыта, так и спинки.

Рис. 5. Строение излома и микроструктура лопатки 2 из сплава ЖС32-ВИ: а – общий вид излома; б, в – очаг разрушения; г–е – микротрещина в области перемычки; ж, з – характерная микроструктура

В местах свечения люминофора на лопатке 3 обнаружены плотные трещины. Фрактографическое исследование вскрытых трещин показало, что трещина на корыте пера образовалась в результате воздействия циклических нагрузок, наблюдается многоочаговый усталостный характер разрушения. Очаги усталостного разрушения расположены в радиусе перехода первой (считая от торца) перемычки выходной кромки к корыту пера. От перемычки усталостная трещина распространяется по корыту пера, выходя на его наружную поверхность (рис. 6, а, в). Трещина на спинке пера также образовалась в результате воздействия циклических нагрузок, отмечен многоочаговый усталостный характер разрушения. Множественные очаги усталостного разрушения расположены на перемычке внутренней полости, в радиусе перехода к спинке пера. Усталостная трещина распространяется через стенку спинки пера, выходя на ее наружную поверхность (рис. 6, б, г).

Рис. 6. строение излома и структура лопатки 3 из сплава ЖС32-ВИ: а, в, д – корыто;
б, г, е – спинка

В поперечном сечении пера микроструктура материала лопатки не выровнена, наблюдается значительная разница в размерах упрочняющей γ′-фазы, расположенной по осям и межосным зонам дендритов; эвтектическая фаза без признаков растворения. Выявлены рекристаллизованные зерна размером до 30 мкм на поверхности пера, что не характерно для монокристаллического строения лопатки (рис. 6, д, е). Отдельные зерна также видны на внутренней поверхности спинки пера в зоне выходной кромки.

Для сравнения рассмотрим разрушение лопаток из сплава ЖС32-ВИ с более длительной наработкой при испытаниях. Во время испытания на лопатке 4 зафиксировано образование трещины, рост которой привел к разрушению в зоне выходной кромки пера. Трещина проходит через первую перемычку, считая от выходной кромки и от торца пера лопатки (рис. 7, а). Общая протяженность трещины по выходной кромке составляет ~12 мм.

Рис. 7. строение излома и структура лопатки 4 из сплава ЖС32-ВИ: а–в – общий вид излома и очаговой зоны; г – микроструктура

В результате фрактографического анализа установлено, что разрушение прошло по усталостному механизму. Очаговая зона усталостного разрушения находится во внутренней полости лопатки в радиусе перехода перемычки к спинке пера со стороны, обращенной к торцу. От очаговой зоны усталостная трещина распространяется по спинке пера в две противоположные стороны: к торцу и к нижней части пера (рис. 7, б).

На перемычке в зоне начала разрушения присутствует защитное покрытие толщиной 40 мкм. На поверхности покрытия в очаговой зоне отмечены многочисленные надрывы (рис. 7, в), от которых усталостная трещина проходит вглубь покрытия на перемычке и далее в основной материал, выходя на наружную поверхность спинки.

Микроструктура материала лопатки (в зоне перемычки и вне ее) характерна для монокристаллического строения. Структурных признаков перегрева при термообработке не выявлено (рис. 7, г).

С помощью оптического и электронного микроскопов исследовано состояние поверхности пера выдержавшей испытания лопатки 5 в зоне первой перемычки, считая от торца пера и от выходной кромки. Трещины не обнаружены. После разрезки на открывшейся поверхности перемычки трещины также не выявлены. Микроструктуры материала лопаток 4 и 5 аналогичны и характерны для монокристаллического строения. В поверхностных зонах рекристаллизованные зерна отсутствовали. Структурных признаков перегрева при термообработке не выявлено.

Лопатки из сплава ЖС26-ВИ после наработки

Исследование разрушения монокристаллических лопаток из сплава ЖС26-ВИ выявило структуру с рекристаллизованными зернами, аналогичную структуре лопаток из сплава ЖС32-ВИ.

Лопатка 1 разрушилась по перу на уровне ~15 мм от полки замка после наработки 50 ч. Фрактографический анализ показал, что разрушение лопатки имеет усталостный характер с очагом разрушения, расположенным на корыте пера вблизи отверстия перфорации (рис. 8, а, б). В очаговой зоне разрушения на корыте пера обнаружено рекристаллизованное зерно размером ~80 мкм. От границы рекристаллизованного зерна на глубине 100 мкм от поверхности усталостная трещина распространяется на корыто пера, проходя через слой покрытия, а также развивается веерообразно в сторону внутренней поверхности, выходя на перемычки в сторону выходной и входной кромок. На спинке пера и вблизи выходной кромки на корыте пера разрушение представляет собой статический долом (рис. 8, б–г).

Из неповрежденной части пера в поперечном сечении лопатки изготовлен шлиф. Исследование микроструктуры показало, что на корыте пера имеются отдельные рекристаллизованные зерна, закрытые слоем защитного комплексного покрытия (рис. 8, е). Максимальный размер рекристаллизованных зерен на корыте пера составляет ~25 мкм. На спинке пера и на внутренней поверхности пера лопатки рекристаллизованные зерна отсутствуют.

Рис. 8. Строение излома лопатки 1 из сплава ЖС26-ВИ после наработки 50 ч: а, б – общий вид излома; в, г – очаговая зона разрушения с рекристаллизованным зерном; д – граница усталостного разрушения и статического долома; е – рекристаллизованное зерно на корыте разрушенной лопатки

Визуальный осмотр лопатки 2, разрушенной после наработки 1600 ч, показал, что со стороны спинки у входной кромки поверхность шероховатая, присутствует множество мелких повреждений (рис. 9, а), от середины спинки к выходной кромке поверхность гладкая, покрытая тонким слоем нагара. На поверхности корыта также присутствует слой нагара.

Разрушение по перу лопатки произошло на расстоянии 25 мм от полки замка лопатки. Излом содержит гладкие участки, расположенные под характерным углом ~33 градусак оси Z лопатки, поверхность значительно окислена (рис. 9, а, б). установлено, что разрушение развивалось по усталостному механизму от усадочной поры длиной более 100 мкм, расположенной на глубине 150 мкм от поверхности спинки (рис. 9, в, г).

Рис. 9. строение излома лопатки 2 из сплава ЖС26-ВИ после наработки 1600 ч: а – общий вид разрушенной лопатки; б, в – общий вид излома; г, д – пора в очаговой зоне; е – зона перехода усталостного разрушения к долому

При исследовании структуры основного материала лопатки 2 установлено, что в области входной кромки образована рафтовая структура со значительным растворением γ′-фазы; в области корыта, спинки и выходной кромки наблюдается незначительное растворение и коагуляция γ′-фазы с сохранением характерной кубоидной структуры. Выделения вторичной γ′-фазы отсутствуют (рис. 10). Подобное структурное состояние основного материала свидетельствует о длительной наработке лопатки без перегрева.

Визуальный осмотр лопаток 3 и 4 из сплава ЖС26-ВИ показал, что их разрушение произошло по перу у полки замка перпендикулярно оси Z лопатки. Поверхность разрушения имеет грубый рельеф и значительно окислена. Фрактографическое исследование показало, что разрушение проходило с образованием мелких равноосных ямок (рис. 11, б) и ямок среза (рис. 11, е). В покрытии с внутренней поверхности обеих лопаток наблюдаются участки сколов – хрупкого разрушения (рис.  11, в). Рельеф изломов обеих лопаток характерен для статического разрушения от высокой однократно приложенной нагрузки.

Рис. 10. Структура поверхности разрушения и основного материала лопатки 2 из сплава ЖС26-ВИ после наработки 1600 ч: а – усталостные бороздки; б, в – структура покрытия и основного материала в области входной кромки с внутренней и наружной поверхности; г – рафтовая структура; д – частичное растворение γ′-фазы; е – характерное строение γ-γ′-фазы

Рис. 11. строение изломов лопаток 3 (а–в) и 4 (г–е) из сплава ЖС26-ВИ после наработки 1600  ч

Обсуждение

В исследованных изломах монокристаллических лопаток можно выделить характерные для малоцикловой усталости участки [14] – очаг и зону медленного стабильного роста трещины, зону ускоренного развития трещины и зону долома, разрушение в которой происходит по механизмам статического разрушения. Размер зон может значительно меняться, а зона ускоренного роста – полностью отсутствовать, если лопатка снимается с испытаний или эксплуатации в случае обнаружения трещин из-за снижения частоты колебаний при испытаниях или проведения контроля изделия при эксплуатации.

Характерным является распространение магистральной усталостной трещины в направлении, близком к перпендикулярному оси лопатки, вглубь материала. В отличие от поликристаллических материалов, в монокристаллических лопатках усталостная трещина не формирует во время роста характерной веерообразной поверхности разрушения, образуя относительно гладкие фасетки со ступеньками при смене плоскости продвижения. Однако, как и в поликристаллических материалах, анализ строения очаговой зоны позволяет определить причину образования и роста трещины [15].

Причиной разрушения лопаток до прохождения заданного количества циклов при усталостных испытаниях или преждевременного разрушения до достижения установленного срока эксплуатации при наработке на изделии является наличие в структуре рекристаллизованных зерен, значительно сокращающих срок службы лопаток. Рекристаллизованные зерна на поверхности пера лопаток образовались, по-видимому, в результате обдувки поверхности перед нанесением покрытия и последующей термообработки. Согласно требованиям нормативно-технической документации на пере монокристаллических лопаток недопустимо наличие отдельных рекристаллизованных зерен.

Ранее авторы работы [16] также обнаружили в хвостовике лопатки отличающиеся по ориентации зерна, сочетание которых с электроискровым прижогом от маркировки приводит к развитию разрушения при эксплуатации.

Необходимо отметить, что разрушение по усталостному механизму развивается в наиболее ослабленных местах при значительно меньшей нагрузке по сравнению с требованиями, установленными нормативно-технической документацией. Очагами разрушения являются границы рекристаллизованных зерен в основном материале лопаток даже при наличии на поверхности качественного термозащитного покрытия. В исследованных лопатках преждевременное разрушение развивалось со стороны внутренней полости лопаток с выходом на наружную поверхность, что четко прослеживается по направлению роста усталостных трещин.

При отсутствии на лопатках ослабленных участков (наличие рекристаллизованных зерен, трещин в покрытии или растравов на внутренней поверхности лопаток, возникших при удалении керамических стержней) усталостное разрушение происходит, как правило, при большей продолжительности испытаний или эксплуатации в местах механических повреждений наружной поверхности пера либо в наиболее нагруженном сечении пера лопатки – чаще всего у входной или выходной кромки вблизи замка.

Заключения

Наличие рекристаллизованных зерен с ориентацией, отличной от ориентации основного материала, приводит к преждевременному разрушению лопатки из жаропрочного никелевого сплава как в условиях испытаний, так и при наработке на изделии.

Рекристаллизованные зерна являются наиболее уязвимым местом в структуре монокристаллической лопатки, провоцирующим разрастание усталостной трещины. При отсутствии подобных концентраторов напряжений развитие усталостных трещин возможно от внутренних дефектов структуры (например, усадочных пор) или от механических повреждений поверхности детали (грубых рисок, забоин).