Длительная прочность и ползучесть монокристаллов

Ресурс работы рабочих лопаток турбины изЖНС измеряется тысячами и десятками тысяч часов. В процессе работы ЖНС постоянно испытывает действия статической составляющей эксплуатационных нагрузок, вызванной центробежными силами. При длительном статическом нагружении под действием высокой температуры в сплаве происходит медленное накопление пластической деформации. Это явление называется ползучестью. Способность материалов оказывать сопротивление разрушению при длительном (несколько — сотни тысяч часов) статическом нагружении называется длительной прочностью.

Пластическая деформация конструкционных сплавов при ползучести может происходить при напряжениях, которые в несколько раз меньше предела текучести, определяемого при кратковременных испытаниях. Это объясняется тем, что термические флуктуации энергии способствуют преодолению дислокациями активного сопротивления решетки. Помимо энергетического фактора, на скорость ползучести заметное влияние оказывает структурный фактор, который включает характеристики макро-, микрои тонкой структуры сплава. Так сплав в поликристаллическом состоянии значительно уступает по длительности на стадии установившейся ползучести этому же сплаву со столбчатой структурой (рис. 5.12). Столбчатая структура, в свою очередь, уступает по долговечности монокристаллической структуре. С точки зрения длительной пластичности наиболее неблагоприятна поликристаллическая структура, при которой относительная деформация образцов в 4—5 раз меньше, чем у образцов со столбчатой и монокристаллической структурами. Подобный характер кривых ползучести тесно связан межзеренным проскальзыванием с механизмом высокотемпературного разрушения жаропрочных сплавов.

В сплавах с монокристаллической макроструктурой отчетливо проявляется кристаллографическая анизотропия ползучести. Для большинства никелевых жаропрочных сплавов образцы с ориентировкой имеют более высокую долговечность, чем образцы с ориентировками и (рис. 5.13). Это объясняется различием значений напряжений сдвига, приведенных к действующей системе скольжения {111}. В области умеренно высоких температур может наблюдаться инверсия долговечности ориентировок и (рис. 5.14, а) в связи с созданием благоприятных условий для формирования барьеров Кира — Вильсдорфа и развития скольжения в плоскости куба {001}. При дальнейшем увеличении температуры доля «кубического» скольжения уменьшается, и образцы с ориентировкой вновь занимают лидирующее положение по долговечности (рис. 5.14, б).

Рис. 5.12. Кривые ползучести сплава MAR-M200 в различном структурном.

состоянии:

1 — поликристалличсская макроструктура; 2 — направленная макроструктура (столбчатая структура); 3 — монокрисгаллическая макроструктура (а = 206 МПа, Г= 982 °С).

Рис. 5.13. Кривые ползучести монокристаллов сплава ЖС6Ф при Т = 1000 °С и о = 140 МПа.

Рис. 5.14. Анизотропия ползучести монокристаллов сплава PWA 1480 в зависимости от температуры: а-Т= 760 °С, б-Т= 982 °C На эффекты анизотропии скорости, ползучести монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов при температурах термоактивационного механизма движения дислокаций (выше 800 °С) накладывается эффект взаимодействия движущихся дислокаций с когерентными частицами упрочняющей у'-фазы.

При высокой дисперсности частиц у'-фазы, движущиеся дислокации легко их огибают, и вклад в упрочнение сплава сверхструктуры интерметаллида Ni₃Al снижается. В этом случае свойства сплава в большей мере определяются твердорастворным упрочнением никелевой у'-матрицы, дополнительно упрочненной частицами второй фазы по механизму Орована. По мере увеличения размера частиц упрочняющей у'-фазы происходит смена механизма взаимодействия дислокаций с у'-фазой, от огибания к перерезанию, при этом скорость ползучести сплава CMSX-2 снижается для монокристаллов с ориентировкой и повышается для монокристаллов с ориентировкой (рис. 5.15).

Эта особенность монокристаллического сплава CMSX-2 обусловлена развитием «кубического» скольжения дислокаций в интерметаллиде №зА1, ориентационная зависимость которого определяется величиной фактора Шмида для системы скольжения {001}, равной для направления 0,471, в то время как для системы скольжения {111} его значение составляет 0,272.

При ориентировке, «кубические» системы скольжения не действуют, так как для них фактор Шмида равен нулю.

Рис. 5.15. Анизотропия ползучести монокристаллов сплава CMSX-2 при Т= 760 °C, о = 750 МПа в зависимости от среднего размера частиц у'-фазы: а — 0,23 мкм; б — 0,30 мкм; в — 0,45 мкм Одной из основных характеристик ползучести является предел ползучести Оф — напряжение, которое вызывает за установленное время т при заданной температуре Топределенную деформацию ползучести е. Пределы ползучести некоторых жаропрочных сплавов приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Средние значения пределов ползучести монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов

Дополнительной характеристикой ползучести материала является относительное время накопления деформации ползучести, которое выражается отношением т_!:/т_р, где т_с— время до достижения относительной деформации образца с; т_р— время до разрушения образца. Это отношение характеризует долю продолжительности первичной стадии ползучести в общей долговечности образца. Ниже приведены данные об относительном времени накопления деформации ползучести т0,5/т_р для монокристаллов жаропрочного сплава ЖС32 при температуре 1000 °С:

…0,04.

…0,26.

В качестве основной характеристики длительной прочности конструкционных материалов используют предел длительной прочности a[_/t — максимальное напряжение, вызывающее разрушение за определенное время х_р при фиксированной температуре Т. Аналогично характеристикам ползучести макроструктура жаропрочных сплавов оказывает заметное влияние на длительную прочность.

Увеличение количества у'-фазы и улучшение ее морфологии в сплаве ЖС36-ВИ привели к значительному росту длительной прочности сплава (рис. 5.16). По мере увеличения размера частиц упрочняющей у'-фазы происходит смена механизма взаимодействия дислокаций с у'-фазой, при этом скорость ползучести возрастает. Под действием высоких температур и напряжений в монокристаллическом сплаве происходит сращивание частиц у'-фазы и образование рафт-структуры, с ростом напряжений она огрубляется и искажается (рис. 5.17).

Рис. 5.16. Влияние размера частиц у'-фазы на длительную прочность сплава ЖС36-ВИ при Т= 975 °C (средние значения):

1 — размер у'-фазы порядка 1 мкм; 2 — размер у'-фазы порядка 0,35 мкм Основу рафт-структуры образует крупнозернистая у'-фаза, которая содержит прослойки у-твердого раствора. На границе у/у' наблюдаются дислокационные сетки. Кристаллографическая ориентировка монокристалла ЖС36-ВИ [001] вдоль оси растяжения не нарушается вплоть до разрушения, наблюдаются лишь локальные азимутальные развороты участков у/у' на не более чем 5°.

Формирование такой структуры обусловлено перераспределением легирующих элементов в матрице (у-фаза) под действием напряжений, обогащением граней кубоидной у'-фазы, параллельных оси растяжения, у'-образующими элементами сплава. Движущей силой такого изменения морфологии у/у'-структуры под влиянием температуры и напряжений является несоответствие параметров решеток и модулей упругости у- и у'-фаз. Возникшая рафт-структура является барьером для перемещения дислокаций и развития ползучести в направлении растягивающих напряжений и в основном будет определять долговечность лопаток в процессе эксплуатации.

Рис. 5.17. Рафт-структура сплава ЖС36-ВИ [001] в продольном сечении образца после испытаний на длительную прочность при Т= 975 °С: а — а = 300 МПа; б — а = 340 МПа Для сплава ЖС36-ВИ [001J получена зависимость длительной прочности (а) от параметра Ларсена — Миллера (Р) (рис. 5.18). На основании параметрической зависимости, а (Р) проведена оценка средних значений длительной прочности сплава при 900, 1000, 1100, 1200 °C и ресурсе до 1000 ч (табл. 5.2). Для сравнения в табл. 5.2 сделано сопоставление по длительной прочности с жаропрочными ренийсодержащими сплавами ЖС32-ВИ, ЖС47-ВИ, ЖС49-ВИ, CMSX-4 и CMSX-10. По уровню длительной прочности сплав ЖС36-ВИ [001] существенно превосходит известный зарубежный сплав 2-го поколения CMSX-4 и сплав ЖС32-ВИ.

Рис. 5.18. Зависимость длительной прочности (сг) от параметра Ларсена — Миллера (Р) для монокристаллического сплава ЖС36-ВИ [001].

Таблица 5.2

Длительная прочность монокристаллических ренийсодержащих сплавов с кристаллографической ориентацией [ 0011 (расчетные данные)

Жаропрочные сплавы с монокристаллической макроструктурой превосходят по длительной прочности сплавы с направленной макроструктурой благодаря полному отсутствию границ зерен. При анализе данных о длительной прочности монокристаллов жаропрочных сплавов на никелевой основе можно выделить ряд общих закономерностей. Максимальная анизотропия пределов длительной прочности в кристаллографических направлениях [001] и [111] наблюдается при температуре 1000 °C (табл. 5.3). Предел длительной прочности в кристаллографическом направлении [111] выше, чем в направлении [001]. В кристаллографическом направлении [011] предел длительной прочности ниже, чем в направлении [111] в среднем в 0,91 раз для сплава ЖС32-ВИ.

Таблица 5.3

Анизотропия пределов длительной прочности монокристаллов сплава ЖС32-ВИ при различных температурах

* Числитель — средние значения, знаменатель — минимальные значения.

Длительная прочность сплава ЖС36-ВИ [001] приразличныхтемпературах и напряжениях показана на рис. 5.19. Видно, что при Т= 975 °C и, а = 340…360 МПа время до разрушения (т_р) больше 40 ч. Длительная прочность образцов из сплава ЖС36-ВИ значительно выше длительной прочности образцов сплава ЖС32-ВИ.

Задача прогнозирования характеристик жаропрочности сводится к поиску зависимостей, позволяющих рассчитывать предел длительной прочности, предел ползучести, долговечность и другого для произвольной ориентировки сплава в определенном интервале температур. Для описания временных температурно-силовых характеристик длительной прочности удобно использовать комбинированные экспоненциально-показательные функции:

где т — время до разрушения, или время накопления заданной величины деформации ползучести, ч; ?, т, у — коэффициенты, учитывающие индивидуальные особенности материала и физические закономерности процесса; о — напряжение, МПа; R — универсальная газовая постоянная; Т — абсолютная температура, К.

Рис. 5.19. Длительная прочность сплава ЖС36-В И [001] (т_р — среднее время до разрушения) при различных температурах и напряжениях:

I — Т= 975 °C, ст = 300 МПа; 2 — Т= 975 °C, ст = 340 МПа;

• 3- Г=975 °С, ст = 360 МПа; 4 — Т= 900 °C, а = 475 МПа;
• 5 — Т= 800 °C, о = 725 МПа; 6 — Т= 700 °C, <�у = 885 МПа