Закономерности поведения азота при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов и повышение их эксплуатационных свойств

Необходимость дальнейшего повышения температуры газа на входе в турбину высокого давления до 2000 — 2200 К (что на 300 — 400 К выше температуры газа на современных газотурбинных двигателях 4-го поколения) потребовало разработки в ВИАМе нового поколения жаропрочных сплавов с заданной монокристаллической структурой, что позволяет улучшить тактико-технические характеристики двигателей, их надежность и ресурс.

В настоящее время применение рабочих лопаток с монокристаллической структурой в перспективных ГТД является генеральной линией всех авиационных КБ, поскольку это направление является одним из эффективных способов повысить температуру газа в двигателе.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, получить высококачественные лопатки с бездефектной монокристаллической структурой возможно только при использовании для их отливки сплавов с ультранизким содержанием в них вредных примесей, в частности азота. Это обусловлено тем, что образующиеся при содержании этого элемента выше критического значения нитриды, карбонитриды выделяются внутри монокристалла и являются, с одной стороны, концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин, а с другой стороны, источником гетерогенного зарождения «паразитных» зерен. Нитриды и карбонитриды могут закрывать каналы дендритов и снижать жидкотекучесть последней порции жидкости, вызывая появление микропористости. Таким образом, эти включения существенно снижает выход годных лопаток, а также уровень и стабильность их эксплуатационных свойств.

Для решения этих проблем и совершенствования технологии получения лопаток из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов необходимо изучение условий и механизмов образования нитридов и карбонитридов и связанного с их появлением образования «паразитных» зерен.

Цель работы. Исследование закономерностей поведения азота при выплавке монокристаллических жаропрочных сплавов и разработка эффективных способов рафинирования никелевого расплава в условиях вакуумной индукционной плавки.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести термодинамический анализ и экспериментальные исследования по разработке эффективных способов получения монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов с ультранизким содержанием азота.

2. Разработать модель образования кристаллитов произвольной ориентировки в монокристаллической заготовке никелевого жаропрочного сплава при повышенном содержании в нем азота.

3. На основе результатов термодинамического анализа, разработанной модели и экспериментальных данных оптимизировать содержание в монокристаллическом жаропрочном никелевом сплаве примесей азота.

4. Опробовать результаты исследований при производстве опытных и промышленных партий монокристаллических жаропрочных сплавов.

Научная новизна.

1. Методами термодинамического анализа установлено предельно допустимое содержание азота, не вызывающее появления «паразитных» зерен в монокристаллическом жаропрочном сплаве заданного химического состава.

2. Впервые изучено влияние азота на макрои микроструктуру монокристаллов, их эксплуатационные характеристики и предложен механизм влияния азота на образование «паразитных» зерен на поверхности монокристаллов.

3. Проведена термодинамическая и кинетическая оценка закономерности поведения азота при получении монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов.

Практическая ценность.

1. Разработана опытно-промышленная технология высокотемпературного рафинирования в вакууме жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья лопаток ГТД, обеспечивающая получение в сплавах ультра низкого содержания азота (менее 0,001%).

2. Определены источники поступления азота в сплавы на различных этапах плавки и отливки монокристаллических лопаток и с помощью термодинамического анализа и экспериментальных исследований найдены условия для максимально полного удаления азота из расплава в вакууме.

3. Результаты работы использованы при выплавке промышленных партий жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ, что позволило заметно повысить выход годных лопаток с монокристаллической структурой у потребителя (ОАО КМПО, г. Казань).

4. Полученные в работе результаты использованы также при разработке технологии выплавки высокожаропрочных ренийсодержащих сплавов ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ. Полупромышленные партии металла этих сплавов были поставлены на ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь.

На защиту выносятся:

1. Основные закономерности поведения примеси азота в жаропрочных никелевых сплавах на различных этапах плавки и отливки монокристаллических заготовок. Выявленное неравномерное распределение азота при его повышенном содержании по высоте отливок с монокристаллической структурой.

2. Установлена зависимость между содержанием примеси азота в жаропрочном никелевом сплаве и уровнем брака в получаемых отливках монокристаллических заготовок. Предельно допустимое содержание в сплаве азота (0,001%), при котором во время кристаллизации формируются совершенные не содержащие «паразитных» зерен монокристаллы с пониженным уровнем микропористости.

3. Установлена закономерность, заключающаяся в том, что при формировании монокристалла методом направленной кристаллизации сплава содержащего более азота 0,0010% (масс.) в верхней части жидко-твердой зоны, где ещё не закончилось формирование дендритного каркаса растущего монокристалла, наблюдается образование дисперсных нитридов, являющихся зародышами будущих карбонитридов полиэдрической формы, являющихся в свою очередь центрами зародышеобразования «паразитных» кристаллов. В образцах с содержанием азота менее 0,0010% карбидные выделения имеют вытянутую шрифтовую морфологию в виде «китайских иероглифов», располагаются строго в междендритных областях и не являются зародышами «паразитных» зерен.

4. Модель образования «паразитных» зерен произвольной ориентировки в монокристаллической заготовке никелевого жаропрочного сплава при повышенном содержании в нем азота. Модель основана на механизме двойникова-ния-раздвойникования, предложенного ранее для мартенситного и перлитного превращений в сталях. Модель подтверждается кристаллогеометрическими характеристиками образования карбида хрома со структурой каменной соли при азотировании.

5. Показано, что при снижении в монокристаллических ЖНС содержания азота до 0,0010% и менее: повышается сопротивление ползучести и долговечность при испытаниях на длительную прочность, в 1,5 раза увеличивается число циклов до разрушения при испытании на малоцикловую усталость, повышается пластичность при кратковременном разрыве.

6. Результаты термодинамических расчетов, показавших, что при снижении в ЖС30-ВИ количества азота до 0,0015% полностью устраняется образование нитридов титана, но сохраняется некоторое количество нитридов гафния. При содержании азота в сплаве 0,0006−0,0007% количество нитрида гафния составляет 0,04% (масс.).

7. Результаты расчета скорости деазотации при рафинировании расплава. Скорость возрастает с увеличением температуры и составляет 0,26 -10″ 4 г/(с-кг) при температуре 1680 °C. Содержание азота во времени т уменьшается по зависимости:

Сн = 10″ 6- х2 — 0,0001- т +0,0051. Установлена экспоненциальная зависимость скорости деазотации от температуры рафинирования ^ имеющая вид: 3−10~13-ехр (0,0109−1-).

8. Режимы термовременной обработки никелевого расплава под вакуумом (1 — 5) • 10″ 3 мм. рт. ст., при температуре 1680 ± 10 °C и продолжительности от 10 до 40 минут, обеспечивающие максимальную очистку металла от азота. А также разработанную на основе этих режимов промышленную технологию высокотемпературного рафинирования в вакууме жаропрочных никелевых сплавах для монокристаллического литья лопаток ГТД.

9. На основании проведенных исследований разработана опытно-промышленная технология высокотемпературного рафинирования в вакууме жаропрочных никелевых сплавах для монокристаллического литья лопаток ГТД (нагрев расплава до температуры г > 1680 °С), которая обеспечивает получение в сплаве ультранизкого содержания азота.

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

К—равновесный коэффициент распределения,.

С5 — концентрация растворенного компонента в твердой фазе,.

С/ - концентрация растворенного компонента в жидкой фазе, а — массовая доля твердой фазы,.

— массовая доля жидкой фазы,.

Кл — коэффициент ликвации,.

Содконцентрация компонента в оси дендрита,.

Смо— концентрация компонента в межосном пространстве,.

X — междендритное расстояние, мкм;

О — градиент температуры на фронте кристаллизации, °С/мм;

Я — скорость перемещения фронта кристаллизации, мм/мин;

X — расстояние между осями дендритов, мкм;

Р — скорость роста отливки, мм/мин;

Я — газовая постоянная, 8,314 Дж-моль^-К" 1;

0о, 2 — условный предел текучести, МПа;

67В — временное сопротивление разрыву, МПаа — предел длительной прочности, МПаок — предел выносливости, МПаНУтвердость по ВиккерсуКСи — ударная вязкость, МДж/м — 3 — относительное удлинение, %- у/ - относительное сужение, %- Е — модуль Юнга, ГПаО — модуль сдвига, ГПаа — температурный коэффициент линейного расширения, «С» 1- ак — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2- °С) — Хкоэффициент теплопроводности, Дж-м^-с^-ТГ1- с — удельная теплоемкость, Дж/(кг-°С) ;

А О0- свободная энергии образования, Дж/моль т— время, с- - температура в градусах Цельсия, °С;

Г — температура в градусах Кельвина, К;

Тпр — температура полного растворения у' - фазы, К.

Условные сокращения.

ЖНС — жаропрочный никелевый сплав,.

НК — направленная кристаллизация,.

ЗГВ — зернограничные выделения,.

ТПУ — топологически плотно упакованные фазы,.

ПЭМ — просвечивающая электронная микроскопия,.

РСА — рентгеноструктурный анализ,.

МРСА — микрорентгеноспектральный анализ,.

СЭМ — сканирующая электронная микроскопия.

Основные выводы и результаты работы.

1. Показано, что основной причиной брака и снижения эксплуатационных свойств лопаток газотурбинных двигателей из перспективных монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, является примесь азота, вызывающая появление «паразитных» зерен и микропористости.

Впервые установлены основные закономерности поведения примеси азота в жаропрочных никелевых сплавах на различных этапах плавки и отливки монокристаллических заготовок и выявлено неравномерное распределение азота при его повышенном содержании по высоте отливок с монокристаллической структурой. Предельно допустимое содержание в сплаве азота, ниже которого подавляется образование «паразитных» зерен и формируются совершенные монокристаллы, установлено на уровне 0,0010% (масс).

2. Установлено влияние содержания азота на морфологию карбидной фазы: при высоком содержании азота частицы карбидов имеют равноосную полиэдрическую форму, при низком содержании азота частицы карбидов имеют вытянутую форму (морфология типа иероглифического письма) и располагаются исключительно в междендритных областях. Выделений карбидов полиэдрической формы в осях дендритов не обнаружено.

3. Показано, что снижение содержания в монокристаллических сплавах азота до уровня менее 0,0010% (масс.) наряду с устранением «паразитных» кристаллитов, снижением микропористости и изменением морфологии карбидной фазы сопровождается повышением механических свойств сплава: на 40% повышается сопротивление ползучести, на 25% увеличивается долговечность при испытаниях на длительную прочность, в 1,5 раза увеличивается число циклов до разрушения при испытании на малоцикловую усталость, на 20−50% повышается пластичность при кратковременном разрыве.

4. Методами структурного анализа (световая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный и фрактографический анализы) установлено, что при увеличении в металле содержания азота от 0,0005 до 0,0020% (масс.) в монокристаллах сплава ЖСЗО-ВИ увеличивается объемная доля пор, их количество и размеры, увеличивается количество блоков, более интенсивно идут карбидные реакции, увеличивается ликвация основных легирующих элементов, увеличиваются междендритные расстояния, увеличивается количество, площадь, глубина и раскрытие вторичных трещин в зоне разрушения образцов после испытаний на ползучесть.

5. Выполненные термодинамические расчеты позволили оценить фазовый состав расплава и закристаллизованного никелевого сплава ЖСЗО-ВИ, определять наличие в нем нитридов титана и гафния, а также карбидов в условиях равновесия. Снижение количества азота до 0,0015% полностью устраняет образование нитридов титана, но сохраняет некоторое количество нитридов гафния. При содержании азота в сплаве 0,0006−0,0007% количество нитрида гафния составляет 0,4 190% (масс).

6. Предложена кристаллогеометрическая модель, объясняющая образование «паразитных» кристаллитов в монокристаллической заготовке никелевого жаропрочного сплава при повышенном содержании в нем азота. Модель основана на механизме двойникования-раздвойникования, предложенного ранее для мартенситного и перлитного превращений в сталях и подтверждена собственными и опубликованными данными по образованию нитридов в процессе азотирования сталей.

7. Экспериментальными и расчетными методами определены кинетические параметры удаления азота из расплава: зависимости скорости удаления азота от времени и температуры, предложены и статистически обоснованы регрессионные уравнения для этих зависимостей. Сформулированы практические рекомендации (температура, продолжительность обработки, степень вакуума), обеспечивающие достижение заданного уровня азота в сплаве.

8. На основании проведенных исследований разработана опытно-промышленная технология получения монокристаллических заготовок жаропрочных никелевых сплавах для монокристаллического литья лопаток газотурбинных двигателей, позволяющая повысить выход годного. Технология прошла промышленную проверку в условиях производства ОАО КМПО, г. Казань.

9. Полученные в работе результаты по снижению содержания азота были использованы при разработке в ФГУП «ВИАМ» технологии выплавки новых перспективных высокожаропрочных ренийсодержащих сплавов ВЖМ4-ВИ, ВЖМ5-ВИ для монокристаллического литья. Промышленные партии металла этих плавок с содержанием азота менее 0,0010% были поставлены на ОАО «Авиадвигатель» г. Пермь.