Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2015-0-12-3-3
УДК 620.179:669.018.44:669.245
Р. М. Назаркин, В. Г. Колодочкина, О. Г. Оспенникова, М. Р. Орлов
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.

Ключевые слова: монокристаллический жаропрочный никелевый сплав, растровая электронная микроскопия, рентгеноспектральный микроанализ, рентгеноструктурный фазовый анализ, γ-твердый раствор, упрочняющая γ'-фаза, мисфит, ТПУ фазы, «рафт»-структура, монокарбиды, термоусталостные трещины.

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 (15 – 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”».


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. 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.
2. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19−36
3. 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.
4. Орлов М.Р. Стратегические направления развития Испытательного центра ФГУП «ВИАМ» //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 387–393.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Бондаренко Ю.А., Каблов Е.Н. Направленная кристаллизация жаропрочных сплавов с повышенным температурным градиентом //МиТОМ. 2002. №7. С. 20–23.
11. 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.
12. Морозова Г.И. Закономерность формирования химического состава γ′/γ-матрицы многокомпонентных никелевых сплавов //Доклады Академии наук. 1991. Т. 320. №6. С. 1413–1416.
13. 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.
14. 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.
15. 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.
16. 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).
17. 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.
18. 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.
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33.
2. Ospennikova O.G. Strategiya razvitiya zharoprochnyh splavov i stalej specialnogo naznacheniya, zashhitnyh i teplozashhitnyh pokrytij [Strategy of development of hot strength alloys and steels special purpose, protective and heat-protective coverings] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 19–36.
3. Kablov E.N., Lomberg B.S., Ospennikova O.G. Sozdanie sovremennyh zharoprochnyh materialov i tehnologij ih proizvodstva dlya aviacionnogo dvigatelestroeniya [Creation of modern heat resisting materials and technologies of their production for aviation engine building] //Krylya Rodiny. 2012. №3–4. S. 34–38.
4. Orlov M.R. Strategicheskie napravleniya razvitiya Ispytatelnogo centra FGUP «VIAM» [Strategic directions of development of the Test center FSUE «VIAM»] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 387–393.
5. Kablov E.N., Petrushin N.V., Svetlov I.L., Demonis I.M. Nikelevye litejnye zharo-prochnye splavy novogo pokoleniya [Nickel foundry hot strength alloys of new generation] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. C. 36–52.
6. Petrushin N.B., Ospennikova O.G., Visik E.M., Rassohina L.I., Timofeeva O.B. Zharoprochnye nikelevye splavy nizkoj plotnosti [Heat resisting nickel alloys of low density] //Litejnoe proizvodstvo. 2012. №6. S. 5–11.
7. Kablov E.N. Fiziko-mehanicheskie i tehnologicheskie osobennosti sozdaniya zharoprochnyh splavov, soderzhashhih renij [Physicomechanical and technological features of creation of the hot strength alloys, containing reniye] //Vestnik Moskovskogo universiteta. Ser. 2: Himiya. 2005. T. 46. №3. S. 155–167.
8. 4. Kablov E.N., Muboyadzhyan S.A. Zharostojkie i teplozashhitnye pokrytiya dlja lopatok turbiny vysokogo davleniya perspektivnyh GTD [Heat resisting and heat-protective coverings for turbine blades of high pressure of perspective GTE] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 60–70.
9. Kablov E.N., Petrushin N.V., Bronfin M.B., Alekseev A.A. Osobennosti monokristallicheskih zharoprochnyh nikelevyh splavov, legirovannyh reniem [Features of the single-crystal heat resisting nickel alloys alloyed by rhenium] //Metally. 2006. №5. S. 47–57.
10. Bondarenko Yu.A., Kablov E.N. Napravlennaya kristallizaciya zharoprochnyh splavov s povyshennym temperaturnym gradientom [The directed crystallization of hot strength alloys with the raised temperature gradient] //MiTOM. 2002. №7. S. 20–23.
11. Bondarenko Yu.A., Kablov E.N., Morozova G.I. Vliyanie vysokogradientnoj napravlennoj kristallizacii na strukturu i fazovyj sostav zharoprochnogo splava tipa Rene-N5 [Influence of the high-gradient directed crystallization on structure and phase composition of hot strength alloy of the Rene-N5 type] //MiTOM. 1999. №2. S. 15–18.
12. Morozova G.I. Zakonomernost formirovaniya himicheskogo sostava γ′/γ-matricy mnogokomponentnyh nikelevyh splavov [Pattern of forming of chemical composition γ′/γ-matrix multicomponent nickel alloys] //Doklady Akademii nauk. 1991. T. 320. №6. S. 1413–1416.
13. Kablov E.N., Petrushin N.V. Kompyuternyj metod konstruirovaniya litejnyh zharoprochnyh nikelevyh splavov [Computer method of designing of cast heat resisting nickel alloys] /V kn. Litejnye zharoprochnye splavy. Effekt S.T. Kishkina /Pod red. E.N. Kablova. M.: Nauka. 2006. S. 56–78.
14. Ospennikova O.G., Orlov M.R., Kolodochkina V.G., Nazarkin R.M. Strukturnye izmeneniya i povrezhdenie monokristallicheskih rabochih lopatok turbiny v processe resursnyh ispytanij aviacionnogo gazoturbinnogo dvigatelya [Structural changes and injury of single-crystal working turbine blades in the course of resource tests of the aviation gas turbine engine] //Deformaciya i razrushenie materialov. 2014. №8. S. 22–29.
15. Orlov M.R., Yakimova M.S., Letov A.F. Analiz rabotosposobnosti monokristallicheskih lopatok turbiny vysokogo davleniya v sostave nazemnyh gazoturbinnyh ustanovok [The analysis of operability of single-crystal turbine blades of high pressure as a part of land gas turbine units] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 399–407.
16. Samojlov A.I., Nazarkin R.M., Moiseeva N.S. Opredelenie misfita vo fragmentirovannyh monokristallah nikelevyh zharoprochnyh splavov [Definition miss-fit in fragmental single crystals of nickel hot strength alloys] //Trudy VIAM. 2013. №5. St. 02 (viam-works.ru).
17. Samojlov A.I., Nazarkin R.M., Moiseeva N.S. Misfit kak istochnik i kriterij rabotosposobnosti zharoprochnyh nikelevyh splavov [Misfit as source and criterion of operability of heat resisting nickel alloys] //Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2013. T. 79. №6. S. 33–36.
18. Kablov E.N., Orlov M.R., Ospennikova O.G. Mehanizmy obrazovanija poristosti v monokristallicheskih lopatkah turbiny i kinetika ee ustranenija pri gorjachem izostaticheskom pressovanii [Mechanisms of formation of porosity in single-crystal turbine blades and kinetics of its elimination at hot isostatic pressing] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 117–129.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.