Введение

Литейный жаропрочный никелевый сплав ВЖМ200 предназначен для изготовления ответственных и высоконагруженных деталей газотурбинных двигателей, таких как рабочие лопатки с направленной структурой, работоспособные до температуры 1000 °С. Данный сплав применяется в конструкции перспективного авиационного двигателя ПД-8 [1, 2] с тягой 8 тонн, созданного с целью импортозамещения французского двигателя SaM-146 для авиалайнера Sukhoi Super Jet NEW (SSJ-NEW) [3].

Для обеспечения высокой потребности в новых двигателях [4] в ПАО «ОДК-Сатурн» организовано современное производство турбинных лопаток, в том числе из сплава ВЖМ200. В процессе производства образуется значительное количество литейных кондиционных отходов, представляющих собой бракованные отливки, прибыльные части и металл из литниково-питающих систем. С ростом потребления сплава пропорционально увеличивается количество образующихся литейных отходов, содержащих дорогостоящие и дефицитные элементы – в первую очередь редкие металлы (например, содержание гафния в сплаве ВЖМ200 составляет 1,65 % (по массе)), возврат которых в производство рационален при использовании ограниченных природных ресурсов.

Кроме того, для повышения конкурентоспособности нового двигателя целесообразно снизить стоимость применяемого материала путем вовлечения в цикл производства максимального количества отходов, при этом необходимо обеспечить уровень качества продукции, соответствующий сплаву, изготовленному из первичных (свежих) шихтовых материалов. Эта задача осложняется наличием в литейных отходах повышенного содержания вредных примесей и газов: в прибыльных частях отливок концентрируются легкие неметаллические включения, а расплав загрязняется в результате взаимодействия с керамикой литейной формы [5]. Для сплава ВЖМ200 данный фактор имеет особое значение, поскольку входящий в его состав гафний является химически активным элементом и обладает высоким сродством к кислороду, а в процессе направленной кристаллизации расплав длительное время контактирует с керамикой литейной формы.

Поэтому для разработки технологии переработки отходов сплава ВЖМ200 целесообразно предварительно провести исследования по влиянию содержащихся в них примесей на механические и эксплуатационные свойства сплава. Подобные исследования ранее проводили на литейных жаропрочных никелевых сплавах с равноосной [6–13] и монокристаллической [13–18] структурами. Однако структура отливок из сплава ВЖМ200 представляет собой множество тонкостолбчатых однонаправленных зерен и является уникальной, так как в России не отливают детали с такой структурой из других отечественных жаропрочных никелевых сплавов. Для формирования данной макроструктуры применяют метод направленной кристаллизации с использованием поликристаллических затравок с заданной кристаллографической ориентацией <001> [19].

В представленной работе проведены исследования влияния наиболее вредных примесей для литейных жаропрочных никелевых сплавов (серы, фосфора, кремния и азота) на основные характеристики сплава ВЖМ200: длительную усталостную прочность и кратковременные механические свойства.

Материалы и методы

Объектом исследования являлся литейный жаропрочный никелевый сплав марки ВЖМ200. Определено содержание легирующих элементов и микродобавок в сплаве ВЖМ200, % (по массе) [20]:

Выплавку сплава проводили из свежих шихтовых материалов в промышленной вакуумной индукционной печи вместимостью тигля 350 кг. Для получения отливок с направленной структурой полученные литые прутковые заготовки после механической обработки переплавляли с заливкой в керамические блоки в плавильно-заливочной установке УВНК-9 [21–23] с применением поликристаллических затравок с кристаллографической ориентацией <001>. При литье заготовок совместно с литой прутковой заготовкой дополнительно вводили навеску, содержащую примесные элементы: кремний – в чистом виде, фосфор и серу – в виде лигатур с железом, азот – в виде азотированного феррохрома.

Отливки подвергали термической обработке, включающей закалку (гомогенизацию) и старение в камерных электропечах сопротивления, после чего изготавливали образцы для испытаний механических свойств.

Содержание примеси серы в отливках определяли инфракрасным методом, азота – кондуктометрическим методом, примесей кремния и фосфора – масс-спектрометрическим методом с тлеющим разрядом [24].

На термически обработанных образцах проводили испытания механических свойств: на растяжение при температуре 20 °С, на длительную прочность при температурах 900 и 1000 °С, на многоцикловую усталость при температуре 900 °С на базе 10⁷ циклов при коэффициенте асимметрии R = –1, на гадких образцах.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Как показывает опыт, в жаропрочных никелевых сплавах, применяемых для литья отливок с направленной или монокристаллической структурой, особое внимание следует уделять примесям кремния, фосфора, серы и азота.

Так, кремний и фосфор переходят в расплав вследствие взаимодействия с материалом литейной формы, содержащей связующие на основе оксидов данных элементов. Эти примеси отрицательно влияют на основные характеристики литейных жаропрочных никелевых сплавов. Кремний увеличивает количество легкоплавкой фазы, способствует образованию карбидов неблагоприятной игольчатой формы [25], что приводит к снижению жаропрочности и пластичности. Кроме того, кремний способствует выделению из твердого раствора топологически плотноупакованных фаз [12] при длительной эксплуатации лопаток из литейных жаропрочных никелевых сплавов. Обогащенная фосфором фаза концентрируется в междендритных областях и является источником образования и распространения трещин. Это ускоряет процесс разрушения сплава при высоких температурах и снижает показатели прочности и пластичности [9, 26], а соединение NiP имеет низкую температуру плавления (850 °С), что отрицательно влияет на жаропрочность материала и ресурс лопаток, эксплуатируемых при температурах >900 °С.

Помимо данных элементов, для исследований выбрана сера как одна из наиболее вредных примесей, оказывающих отрицательное влияние на комплекс эксплуатационных свойств жаропрочных никелевых сплавов. Сера образует неметаллические включения в виде сульфидов, которые являются концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин при эксплуатации лопаток. Она образует с никелем легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 643 °С [10]. Кроме того, в ряде работ [17, 27, 28] отмечается отрицательное влияние серы на стойкость к высокотемпературному окислению и сульфидной коррозии защитных покрытий, наносимых на детали из жаропрочных никелевых сплавов. Сера поступает в сплав из первичных (свежих) шихтовых материалов, поскольку неизбежно присутствует в них как примесь. При переработке отходов литейных жаропрочных никелевых сплавов в виде деталей, отработавших свой ресурс, следует учитывать вероятность дополнительного загрязнения их серой за счет насыщения продуктами сгорания топлива. Кроме того, источником загрязнения литейных отходов жаропрочных никелевых сплавов данной примесью являются смазывающие охлаждающие жидкости и масла, содержащие соединения серы. Данные вещества должны быть удалены с поверхности металла перед использованием его в производстве, однако существует риск неполного удаления таких загрязнений.

При литье фасонных отливок расплав неизбежно взаимодействует с остаточными газами (кислородом и азотом) в рабочей камере вакуумной печи, поэтому имеется вероятность насыщения отходов литейного производства данными примесями, особенно при многократном переплаве металла. Повышенное содержание газов также снижает свойства литейных жаропрочных сплавов. Известно, что с повышением содержания азота увеличивается микропористость в жаропрочных никелевых сплавах [29, 30]. Для сплавов с монокристаллической структурой азот – вредная примесь, в том числе потому, что при наличии сильных нитридообразователей, таких как титан, он способствует образованию карбонитридов, которые при кристаллизации, в свою очередь, способствуют зарождению «паразитных» зерен [14, 15].

На установке УВНК-9 проведена серия плавок сплава ВЖМ200 с добавками примесей кремния, фосфора, серы и азота. В плавку с условным номером 0 (далее – стандартная плавка) примеси не вводили. Содержание примесей в металле данной плавки составило, % (по массе): 0,021 кремния, 0,00065 фосфора, 0,00022 серы, 0,0007 азота. В плавки 1–3 вводили кремний. Остаточное содержание данной примеси составило соответственно 0,093; 0,166 и 0,243 % (по массе) при норме по ТУ: ≤0,2 % (по массе). В плавки 4 и 5 вводили фосфор, в результате получено его остаточное содержание соответственно 0,0054 и 0,0141 % (по массе) при норме по ТУ: ≤0,015 % (по массе). На плавках с введением серы (6–8) содержание данной примести составило соответственно 0,0038; 0,0067 и 0,0130 % (по массе) при норме по ТУ: ≤0,01 % (по массе). На плавках 9 и 10, при проведении которых введен азот, получено его остаточное содержание соответственно 0,0018 и 0,0033 % (по массе) (содержание азота в сплаве ВЖМ200 не регламентируется).

Одной из основных характеристик, обеспечивающих комплекс служебных свойств литейных жаропрочных никелевых сплавов, является длительная прочность при рабочей температуре. Результаты испытаний на длительную прочность при температуре 1000 °С и напряжении 200 (на базе 100 ч) и 145 МПа (на базе 500 ч) сплава ВЖМ200 с различным содержанием примесей представлены в табл. 1.

В сплаве ВЖМ200 с добавкой кремния (плавки 1 и 2) время до разрушения при температуре 1000 °С и напряжении 200 МПа на базе 100 ч уменьшилось на 24–26 % относительно стандартной плавки, в которую примеси не вводили, однако при испытании на длительной базе (500 ч) при напряжении 145 МПа значения данной характеристики находятся приблизительно на одном уровне со стандартной плавкой. Отрицательное влияние на жаропрочность сплава повышенного содержания кремния (плавка 3: 0,243 % (по массе) [Si]) проявляется при напряжении как 200 (= 60 ч), так и 145 МПа (= 411 ч), т. е. время до разрушения соответственно на 36 и 21 % меньше, чем у стандартной плавки.

На плавке 4 (0,0054 % (по массе) [P]) наблюдается некоторое снижение времени до разрушения при температуре 1000 °С и напряжении 200 МПа, однако при напряжении 145 МПа долговечность сплава ВЖМ200 соответствует уровню стандартной плавки. При содержании фосфора в сплаве ВЖМ200 практически на верхнем допустимом пределе (0,0141 % (по массе) на плавке 5 при норме ≤0,015 % (по массе)) жаропрочность сплава при температуре 1000 °С снижается: время до разрушения при напряжении 200 МПа составило  = 61 ч, что на 38 % меньше, чем у стандартной плавки, а при напряжении 145 МПа – = 420 ч, т. е. на 19 % меньше.

Таблица 1

Результаты испытаний сплава ВЖМ200 с различным содержанием примесей

на длительную прочность при температуре 1000 °С

на базах 100 и 500 ч (средние значения)

В сплаве с содержанием серы, % (по массе): 0,0038 – плавка 6; 0,0067 – плавка 7; 0,0130 – плавка 8, жаропрочность при температуре 1000 °С понижена относительно стандартной плавки. Наиболее выраженное влияние серы наблюдается на плавке 8 (0,0130 % (по массе) [S]): при напряжении 200 МПа – = 77 ч, а при 145 МПа – = 424 ч, что соответственно на 22 и 18 % меньше, чем у стандартной плавки.

Установлено также снижение жаропрочности сплава ВЖМ200 с повышением содержания азота при температуре 1000 °С: на плавке 9 (0,0018 % (по массе) [N]) время до разрушения при напряжении 145 МПа составило = 475 ч против 520 ч на стандартной плавке (0,0007 % (по массе) [N]). На плавке 10 (0,0033 % (по массе) [N]) время до разрушения при напряжении 200 МПа составило всего = 59 ч, а при 145 МПа – = 444 ч, т. е. соответственно на 40 и 15 % меньше, чем на стандартной плавке.

Важное место среди механических свойств литейных жаропрочных никелевых сплавов занимают усталостные характеристики [31], так как детали из данных материалов в большинстве случаев претерпевают циклические и знакопеременные нагрузки. Вредные примеси могут оказывать отрицательное влияние на сопротивление материала усталостному разрушению, что показано в работе [32]. Результаты испытаний на многоцикловую усталость (МнЦУ) сплава ВЖМ200 с различным содержанием примесей при температуре 900 °С на базе 10⁷ циклов представлены в табл. 2. При прохождении образцом удвоенной базы (2·10⁷ циклов) испытание прекращали, образец снимали до разрушения.

Таблица 2

Результаты испытаний на многоцикловую усталость сплава ВЖМ200

с различным содержанием примесей (температура 900 °С

на базе 10⁷ циклов при σ_max = 275 МПа, гладкие образцы)

Видно, что при испытании на МнЦУ при температуре 900 °С с амплитудой нагружения 275 МПа базу из 10⁷ циклов прошли все образцы с добавками кремния (кроме одного образца плавки 2, который разрушился близко к базе испытаний, спустя 9 617 704 циклов), фосфора и серы. Самый низкий результат получен на плавке 10 с содержанием азота 0,0033 % (по массе), причем один из образцов не прошел базу и разрушился спустя всего 779 443 циклов. Снижение числа циклов до разрушения отчетливо наблюдается с увеличением содержания азота в сплаве ВЖМ200: на плавке 9 (0,0018 % (по массе) [N]) оба испытанных образца сняты до разрушения после прохождения удвоенной базы испытаний, тогда как на плавке 10 (0,0033 % (по массе) [N]) оба образца разрушились.

С увеличением содержания кремния в сплаве ВЖМ200 снижается количество циклов до разрушения: на плавке 1 (0,093 % (по массе) [Si]) все испытанные образцы прошли удвоенную базу испытаний, на плавке 2 (0,166 % (по массе) [Si]) – только один образец, а на плавке 3 (0,243 % (по массе) [Si]) не прошел ни один из испытанных образцов.

На плавке 4 (0,0054 % (по массе) [P]) оба образца прошли удвоенную базу испытаний и не разрушились, а на плавке 5 (0,0141 % (по массе) [P]) среднее число циклов до разрушения для двух образцов составило 12 744 825.

При испытании по данному режиму оба образца плавки 6 (0,0038 % (по массе) [S]) прошли удвоенную базу испытаний, а на плавках 7 (0,0067 % (по массе) [S]) и 8 (0,013 % (по массе) [S]) – только по одному образцу. При этом явного уменьшения числа циклов до разрушения с увеличением содержания серы в сплаве не наблюдается.

Для испытаний на кратковременное растяжение при температуре 20 °С выбраны плавки с наибольшим содержанием примесных элементов: плавки 3 (0,243 % (по массе) [Si]) и 8 (0,013 % (по массе) [S]), в которых содержание кремния и серы превысило норму ТУ (0,2 и 0,01 % (по массе) соответственно), а также плавка 5 (0,0141 % (по массе) [P]), в которой содержание фосфора близко к максимально допустимому (0,015 % (по массе)) для сплава ВЖМ200. Выбраны также обе плавки с добавкой азота – 9 и 10 (0,0018 и 0,0033 % (по массе) [N] соответственно), поскольку его содержание в них превышает стандартный уровень в сплаве ВЖМ200 – например, в металле опытно-промышленных партий, на которых проведена паспортизация данного материала, содержание азота составляло 0,0004–0,0006 % (по массе). Результаты испытаний на растяжение в сравнении с паспортными данными представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты испытаний при растяжении сплава ВЖМ200

с различным содержанием примесей

Повышенное содержание примесей кремния, фосфора, серы и азота снижает пластичность сплава ВЖМ200 при комнатной температуре. Значения относительного удлинения на всех плавках получены ниже минимальных паспортных значений: с добавкой кремния – на 26 %, с добавкой фосфора – на 22 %, с добавкой серы – на 60 %, с добавкой азота – на 33–45 %. Наименьшие значения относительного удлинения получены на плавках 8 (0,013 % (по массе) [S]) и 10 (0,0033 % (по массе) [N]): 4,2 и 5,8 % соответственно. Кроме того, значения пределов прочности (на плавке 8 с добавкой серы и на плавках 9 и 10 с добавкой азота) и текучести (на плавках 8 и 9) снижены относительно минимального паспортного значения. Таким образом, ни на одном образце с добавкой примесных элементов не получены значения предела прочности, соответствующие или превышающие средний паспортный уровень.

Заключения

Установлено, что в сплаве ВЖМ200 с добавкой кремния, фосфора, серы и азота снижается время до разрушения при испытании на длительную прочность при температуре 1000 °С. В металле с повышенным содержанием кремния (0,243 % (по массе)), фосфора (0,0141 % (по массе)) и азота (0,0033 % (по массе)) время до разрушения при температуре 1000 °С и напряжении 200 МПа снижается на 39; 38 и 40 % соответственно, а при температуре 1000 °С и напряжении 145 МПа – на 21, 19 и 15 % соответственно. Влияние серы более выражено при повышенном содержании (0,0130 % (по массе)) – на базе 100 ч время до разрушения снижается на 22 %, а на базе 500 ч – на 18 % относительно стандартной плавки без добавления серы.

Установлено снижение значений циклов до разрушения для сплава ВЖМ200 при испытании на МнЦУ при температуре 900 °С с увеличением содержания кремния, а также отрицательное влияние азота на данную характеристику: наименьшее среднее число циклов до разрушения получено в металле с содержанием азота 0,0033 % (по массе).

В металле с повышенным содержанием примесей кремния, фосфора, серы и азота снижается пластичность сплава ВЖМ200 при комнатной температуре – до 60 % относительно минимального паспортного значения. На 12 % снижен также предел прочности относительно минимального паспортного значения в металле с содержанием серы 0,013 % (по массе).