Механические свойства дисперсноупрочненных жаропрочных сплавов

Сплавы. В табл. 7.6 перечислены наиболее известные дисперсноупрочненные сплавы. Более других к широкому промышленному применению в настоящее время близки сплавы фирмы «Inсо alloys» МА754, МА6000 и МА956. Далее свойства этих сплавов рассматриваются подробнее. Связь свойств со структурой и действующими механизмами упрочнения обсуждалась ранее. Там же содержится некоторая информация о структуре сплавов. Их коррозионная стойкость и стойкость к окислению описаны далее. Сплавы фирмы «Inco alloys» являются представителями трех групп жаропрочных сплавов: 1) на основе никеля, упрочняемые у'-фазой (МА6000); 2) на основе никеля без упрочняющей у'-фазы (МА754); 3) на основе железа (МА956). Свойства перечисленных сплавов следует сравнивать со свойствами тех из числа обычных литых и деформируемых жаропрочных сплавов, которые работают при наиболее высоких температурах в течение наиболее длительного времени. Именно в таких условиях преимущества дисперсноупрочненных сплавов проявляются особенно ярко. Поэтому современные сплавы предполагается использовать для изготовления рабочих (MA6000), направляющих (МА754) лопаток и камер сгорания (МА956) газовых турбин. Возможны также и другие применения в области преобразования энергии, где материалы находятся под воздействием высоких температур. Однако традиционным лидером остается производство турбин.

Сплав МА6000. Это сплав на основе никеля, одновременно упрочняемый выделениями у'-фазы и дисперсными частицами оксидов (см. табл. 7.7). Сплав содержит около 2,5% (объемн.) оксидных частиц средним размером ~30 нм (структуру сплава см. рис. 7.1). Объемное содержание у'-фазы составляет ~50—55%. Сплав имеет структуру с вытянутой, сигарообразной формой зерна (см. табл. 7.3) и текстуру типа 111 (см. табл. 7.4).

Сплав МА6000 обладает длительной прочностью, которая даже при очень высоких температурах превосходит прочность лучших литых сплавов (рис. 7.40—7.42). При 1093 °C длительная (1000 ч) прочность МА6000 более чем в два раза выше прочности традиционных сплавов. Однако при Т<900 °C МА6000 уступает некоторым из лучших литых жаропрочных сплавов. Таким образом, применение сплава МА6000 может дать некоторые преимущества лишь при очень высоких температурах. С точки зрения длительной прочности T и время играют одинаковую роль. Поэтому использование сплава МА6000 при более низких температурах может быть выгодным в тех случаях, когда требуются очень длительные сроки службы.

Поскольку, превосходя обычные сплавы при высоких температурах, сплав МА6000 уступает им при средних температурах, целесообразность его применения во многом определяется конструкцией лопатки, что наглядно показал Митхэм.

Перо лопатки испытывает относительно невысокие напряжения по сравнению с замковой частью. Поэтому использование сплава МА6000 в составных лопатках наиболее эффективно и позволяет повысить рабочую T на 100 °C и более.

Удлинение до разрушения при 760 °C для сплава МА6000 находится в диапазоне 2—6%, а при 1093 °C составляет 0,5—3%. Разрушение носит транскристаллитный характер при условии, что коэффициент неравноосности достаточно велик, чтобы исключить зернограничное расслаивание. Зависимость предела текучести от T для сплава МА6000 и других дисперсноупрочненных сплавов представлена на рис. 7.43. Для сравнения на рис. 7.44 показано изменение с температурой предела текучести сплавов DS MAR-M200 и IN738. Обращает на себя внимание очень высокий предел текучести сплава МА6000 при комнатной Т. Вклад различных механизмов упрочнения в общую прочность сплава подробно обсуждается в 7.2.

На рис. 7.45 показана зависимость степени деформации до разрушения при растяжении от T. Пластичность при растяжении сплава МА6000 по порядку величины близка к пластичности литых сплавов (рис. 7.46), хотя характер ее температурной зависимости иной. В отличие от литых сплавов, имеющих минимум пластичности в среднем интервале температур, сплав МА6000 имеет в этом интервале максимум пластичности. Эта особенность, по-видимому, типична для дисперсноупрочненных сплавов.

Большое значение при выборе материала для турбинных лопаток имеет также его усталостная прочность. По сопротивлению высокоцикловой усталости сплав МА6000 намного превосходит не только традиционные литые сплавы, но и сплавы направленной кристаллизации. Это подтверждается рис. 7.47—7.49. О высоком сопротивлении усталости свидетельствуют также значения коэффициента выносливости (табл. 7.7), определяемого как отношение предела выносливости к пределу прочности.

Как показывают измерения скоростей роста трещин, высокие значения Nf обусловлены не столько общим снижением скорости распространения трещины, сколько малым размером дефектов в сплаве (рис. 7.50). Величина коэффициента интенсивности напряжений (по крайней мере по результатам ранних экспериментов) чрезвычайно низка.

Сплав МА6000 отличается повышенным сопротивлением не только высокоцикловой, но и малоцикловой усталости. На рис. 7.51 сравниваются характеристики малоцикловой усталости МА6000 (1) сплава направленной кристаллизации (2) и обычных литых сплавов (3). Данные, характеризующие усталость при комнатной T (4) и при 760 °C (5), представлены на одном графике и по существу совпадают, что говорит о слабой температурной зависимости малоцикловой усталости сплава в этом интервале температур.

Результаты, опубликованные NASA, свидетельствуют об очень высоком сопротивлении сплава МА6000 термической усталости (рис. 7.52). Весьма вероятно, что эту характеристику можно дополнительно улучшить, создавая в сплаве текстуру типа 100, характеризующуюся низким модулем упругости, взамен текстуры 110. Влияние текстуры на сопротивление термической усталости продемонстрировал Бэйли. Высокое сопротивление сплава МА6000 термической усталости отражает его повышенную стойкость к окислению (см. 7.7) и малоцикловой усталости.

Если при использовании дисперсноупрочненных сплавов конструкция замка лопатки не меняется, необходимо обратить особое внимание на сопротивление сдвигу, низкое у сплавов МА6000 по сравнению со сплавами обычной технологии (рис. 7.53 и 7.54).

Кратковременные испытания (см. рис. 7.53) проводились в условиях наложения сдвиговых и растягивающих напряжений. Такое напряженное состояние существенно отличается от напряженного состояния в замке лопатки, где на сдвиговые напряжения накладываются напряжения сжатия. Сжимающие напряжения повышают сопротивление сдвигу. Кроме того, данные рис. 7.53 относятся к экструдированному материалу. Возможно, что сопротивление сдвигу можно заметно улучшить путем дополнительной горячей обработки давлением.

Тем не менее, испытания на ползучесть, проведенные на образцах, имитирующих форму замка турбинной лопатки, также показали очень низкие значения сопротивления сдвигу.

По-видимому, исчерпывающее решение этого вопроса возможно лишь на основе всесторонних испытаний лопаток, в том числе в условиях циклических нагрузок.

Сплав МА6000 проявляет сильную анизотропию свойств. Выше рассматривались свойства, которые демонстрирует сплав при испытаниях в продольном направлении, т. е. в том случае, когда нагрузка действует вдоль направления экструзии и длинной оси зерна Свойства в поперечном направлении оказываются ниже.

На рис. 7.55 показано, как снижается сопротивление ползучести, если нагрузка прикладывается не в продольном, а в поперечном направлении. Это различие усиливается с повышением T и увеличением времени до разрушения (100 ч). На величине предела текучести изменение направления приложения нагрузки не сказывается. Это свидетельствует о том, что анизотропия прочности обусловлена не присутствием дисперсных оксидов, а формой зерна и текстурой.

Сопротивление высокоцикловой усталости в поперечном направлении ниже, чем в продольном примерно в 2 раза (см. рис. 7.47). При этом скорость распространения трещины не увеличивается (см. рис. 7.50). Очевидно, анизотропия усталостных свойств связана с анизотропией зарождения трещин, а не их роста.

Анизотропия прочности не создает больших неудобств при использовании таких сплавов, как МА6000 в лопатках турбин, где нагрузки также анизотропны. Ho и пластичность, по-видимому, намного ниже в поперечном направлении, чем в продольном, как это видно из сравнения рис. 7.56 с рис. 7.45. Материал, применяемый в лопатках, должен обладать определенным минимальным запасом пластичности, обеспечивающим возможность пластической деформации в области замка лопатки, что необходимо для равномерного распределения нагрузки.

Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что сплав МА6000 представляет очень большой интерес как материал для лопаток газовых турбин, так как обладает высоким сопротивлением ползучести и усталости. Однако при его применении возникает ряд проблем, обусловленных низкими значениями предела прочности на сдвиг и пластичности в поперечном направлении. Для поддержания на удовлетворительном уровне сопротивления сдвигу и пластичности сплава МА6000 необходимо тщательно контролировать технологию его получения.

Сплав МА754. Сплав МА754 по существу представляет собой упрочненный дисперсными оксидами нихром (химический состав сплава см. в табл. 7.6). Частицы дисперсной фазы состоят из алюминатов иттрия, образующихся в результате реакции между вводимым в сплав оксидом Y2О3, присутствующим в порошке избыточным кислородом и следами алюминия, который вводят для связывания кислорода. Образование смешанных оксидов приводит к увеличению объемной доли упрочняющих частиц.

Стабильность таких сложных оксидных соединений изучалась Бенджамином и др. Средний диаметр частиц и их объемная доля в сплаве МА754 составляют, как установлено, 15 нм и 1,3% соответственно. Форма зерна в дисперсноупрочненных сплавах в какой-то мере отражает форму частиц, образующихся при размоле. Зерно промышленно выпускаемого сплава МА754, как и сплава МА6000, имеет сигарообразную форму, но значительно меньше по размеру и несколько менее вытянуто. Длина зерен в сплаве МА754 составляет всего 1/50 от длины зерна сплава МА6000 (см. табл. 7.3), что отражает различия в условиях TMO этих сплавов. Рекристаллизацию сплава МА754 осуществляют в изотермических условиях, а сплава МА6000 — путем зонного отжига. Для сплава МА754 характерна текстура типа 111 (см. табл. 7.4).

По сопротивлению ползучести сплав превосходит обычные литые сплавы при T = 1000°C (см. рис. 7.41). При малом времени до разрушения (T испытания 760 °С) сплав МА754 не проявляет чувствительности к надрезам (рис. 7.57), но не исключено, что он окажется чувствительным к ним при более длительных испытаниях. Значения удлинения до разрушения при 760, 982 и 1093 °C составляют приблизительно 3—17, 1—3 и 1—2% соответственно. Удлинение до разрушения увеличивается с ростом скорости деформации и уменьшается с повышением Т. Разрушение при ползучести в сплаве МА754 происходит вдоль границ зерен. Это отличие от сплава МА6000 указывает на возможность дальнейшего улучшения сопротивления ползучести сплава МА754 за счет увеличения размера зерна или степени его неравноосности, а также за счет устранения грубых частиц, располагающихся на межзеренных границах.

Интересно отметить, что сплав МА753, который есть ни что иное как Nimonic 80А, упрочненный дисперсными оксидами, не намного прочнее, чем МА754. В этом проявляется малая эффективность упрочнения выделениями у' фазы в сплаве Nimonic 80А в условиях высокотемпературной ползучести, очевидная также из рис. 7.42. Предел текучести сплава МА753, естественно, значительно выше, чем у МА754. Сплав МА754 претерпевает большие деформации до разрушения. Таким образом, введение мелких частиц оксидов не всегда приводит к низкой пластичности.

На рис. 7.58 приведены некоторые данные, характеризующие поведение сплава МА754 в условиях высокоцикловой усталости. Его коэффициент выносливости (см. табл. 7.8) не столь высок, как у сплава МА6000, что находится в соответствии с большой величиной отношения предела прочности к пределу текучести.

Тьен с сотрудниками изучали ползучесть сплава МА754 в условиях циклического нагружения. Проведенные ими испытания на циклическую ползучесть по существу не отличались от испытаний на малоцикловую усталость при контролируемом напряжении при 760 °С и соответствовали значению R=41/221. На рис. 7.59 показана зависимость степени деформации от времени выдержки под максимальной нагрузкой при разной частоте нагружения. Выдержка при минимальной нагрузке во всех случаях была равна выдержке при максимальной нагрузке. При большой частоте нагружения (соответствующей малой выдержке) происходит циклическое упрочнение. Этот положительный эффект, отсутствующий в обычном жаропрочном сплаве U700, обусловлен, по-видимому, неоднородностью сдвига в сплаве МА754. Однако при малых частотах (соответствующих длительной дополнительной выдержке при минимальной нагрузке) наблюдается, как и следовало ожидать, циклическое разупрочнение.

По сравнению с обычными литыми сплавами, сплав МА754 обладает несколько повышенным сопротивлением термической усталости, однако оно не столь велико, как у МА6000 или сплавов с монокристаллической структурой (см. рис. 7.52). Хотя сплав МА6000 имеет менее благоприятную текстуру, ее влияние, по-видимому, компенсируется повышенной усталостной прочностью и благоприятной зеренной структурой.

Отношение пределов прочности на сдвиг и растяжение при 760 °C для сплава МА754 сравнительно велико Можно надеяться, что это исключит проблемы, связанные с конструкцией замковой части лопатки

Описанные свойства сплава относятся к таким условиям испытания, при которых нагрузка прикладывается вдоль направления экструзии и длинной оси зерна. Как и в случае сплава МА6000, свойства в поперечном направлении оказываются более низкими. На рис. 7.60 показано отношение длительной прочности в продольном и поперечном направлениях (2 — 100 ч; 3 — 10000 ч). Расхождение между ними увеличивается с ростом T и времени до разрушения. В то же время предел текучести (1) почти не зависит от направления приложения нагрузки при всех температурах.

На рис. 7.61 представлено изменение пределов текучести и прочности при растяжении от угла между осью образца и направлением прокатки ф. Очевидно, что при ф = 60° наблюдается максимум прочности.

Анизотропия присуща не только прочности, но и пластичности. Пластичность в продольном направлении намного выше, чем в любом другом (см. рис. 7.5 и 7.61). Удлинение до разрушения при ползучести в направлении, перпендикулярном к продольной оси, может падать до значений <1%.

Анизотропия механических свойств сплава МА754 должна быть соотнесена с особенностями его текстуры и зеренного строения. Помимо этого, определенную роль играют строчечные включения, образуемые крупными частицами, выстраивающимися вдоль направления прокатки. Качественно анизотропия свойств проявляется в сплавах МА754 и МА6000 одинаково, хотя в сплаве МА6000 эти эффекты выражены более ярко. Это может быть связано с большей анизотропностью его зеренной структуры.

Виттенбергер проводил испытания на растяжение при комнатной T сплава МА754, предварительно подвергнутого деформации в условиях ползучести при 1092 °C. Он обнаружил резкое снижение предела прочности и относительного удлинения. По мнению Виттенбергера, оно является следствием диффузионной ползучести, приводящей к образованию зон, свободных от упрочняющих частиц, вдоль межзеренных границ, служащих источниками вакансий. В связи с этим он рекомендует ограничить область применения сплава такими условиями (напряжения, Т), при которых отсутствует диффузионная ползучесть. Марлин и др. изучали влияние предварительной деформации с относительно высокими скоростями при 760 °C на сопротивление ползучести при той же Т. Они установили, что предварительная деформация сокращает протяженность первой стадии ползучести и приводит к некоторому уменьшению минимальной скорости ползучести.

Сплав МА956. Это сплав ферритного класса (о.ц.к.-решетка), относящийся к системе Fe—Cr—Al, который дополнительно упрочнен дисперсными частицами оксидов (состав см. в табл. 7.7).

Ферритные сплавы на основе железа как высокотемпературные материалы имеют ряд преимуществ. Одно из них заключается в высокой Tm, сочетающейся с низкой плотностью и малым коэффициентом термического расширения. Другим их достоинством является высокая стойкость к окислению и коррозии (см. 7.7). Сплав отличается хорошей технологичностью и производится в форме прутка и листа. Различия в условиях TMO прутков и листа определяют различия в свойствах материала. Приводимые далее свойства относятся (если обратное не оговорено специально) к листовому материалу.

Основным дисперсным упрочнителем в сплаве МА956 служат частицы 3Y2О3*5AlО3, а также Y2O3*Al2O3. Кроме того, как и во всех механически легированных сплавах, образуются соединения Ti (С, N) и AI2O3 (размеры частиц и средние расстояния между ними см. в табл. 7.2). Установлено, что частицы нитрида титана средним размером 200 нм располагаются преимущественно на границах зерен. Частицы Al2O3 крупные и иногда образуют длинные строчки.

Размер зерна и текстура определяются условиями деформации. В листовом материале зерна плоские и очень крупные, хотя такой материал подвергают только изотермической рекристаллизации (сведения о размере зерна и текстуре приведены в табл. 7.3 и 7.4).

Длительная прочность сплава МА956 ниже, чем у никелевых сплавов (см. рис. 7.41), и его пластичность при ползучести очень мала (рис. 7.62). Виттенбергер показал, что при определенных условиях сплав разрушается по механизму зарождения и роста трещин почти без предварительной деформации.

Прочность при растяжении сплава МА956 ниже, чем у сплавов на основе никеля (см. рис. 7.43). При высоких температурах удлинение до разрушения падает до очень низких значений (см. рис 7.45). Температура, при которой наблюдается это падение, снижается с уменьшением скорости деформации. Снижение пластичности обусловлено изменением характера разрушения, которое становится подобным хрупкому разрушению при ползучести.

Результаты испытаний на высокоцикловую усталость приведены на рис. 7.63. Они позволяют расчитывать на то, что сплав будет иметь высокий коэффициент выносливости. Сопротивление сплава МА956 малоцикловой усталости также представляется достаточно хорошим (рис. 7.64). Наблюдается образование очень мелких транскристаллитных трещин, зарождающихся на поверхности. Их пересечение с межзеренными границами приводит к межзеренному растрескиванию. Как видно из сравнения со сплавом HDA8077, сплав МА956 обладает довольно низкой скоростью распространения трещин, что является одним из его достоинств.

Проблемы, возникающие при использовании сплава МА956, в основном относятся к области термической усталости. Испытания, проведенные тремя лабораториями независимо друг от друга, показали низкое сопротивление сплава термической усталости. Испытания клиновидных образцов (рис. 7.52 и 7.65) и испытания по методу «горячего пятна» (рис. 7.66) дали одинаковые результаты. В испытаниях по методу горячего пятна диск диаметр 75 мм подвергали термоциклированию в интервале от 538 до 982 °С, поочередно воздействуя на него пламенем кислородно ацетиленовой горелки и потоком холодного воздуха. Эти испытания имитируют условия работы облицовки камер сгорания лучше, чем испытания клиновидных образцов, предназначенные для моделирования условий службы турбинных лопаток.

Причины низкого сопротивления термической усталости сплава МА956 не до конца ясны. Делались попытки ее объяснения неблагоприятной кристаллографической ориентацией зерна. Для дисперсноупрочненных сплавов на основе Ni положительное влияние текстуры, понижающей модуль упругости, доказано со всей очевидностью (рис 7.67). Оно объясняется тем, что при малой величине модуля возникающие в материале под действием градиента температуры деформации не создают в нем больших напряжений. С другой стороны, сплав МА6000 демонстрирует очень хорошее сопротивление термической усталости, несмотря на «неправильную» текстуру

Низкое сопротивление термической усталости, несомненно, сужает область возможного применения сплава МА956. В связи с этим большой интерес вызывает подход, основанный на уменьшении растягивающих термических напряжений в детали за счет изменений в ее конструкции.

Неоднократно замечено, что воздействие высоких температур на сплав МА956 приводит к снижению его пластичности при комнатной Т. Этот эффект показан на рис. 7.68 (T выдержки 1093 °С). По мнению фирмы-производителя, он обусловлен образованием окалины на поверхности сплава, удаление которой приводит к восстановлению пластичности. Поскольку охрупчивание наблюдается не на всех партиях материала в одинаковой степени, фирма в настоящее время проводит поиск, направленный на устранение окалины путем изменения состава сплава. He исключено, что между охрупчиванием сплава и его низким сопротивлением термической усталости существует определенная связь.

Анизотропия свойств выражена в сплаве МА956 менее ярко, чем в других дисперсноупрочненных сплавах (см. рис. 7.55). При этом она сильнее проявляется в прутках, чем в листовом материале, что вполне естественно. Из сплава МА956 изготавливались также трубы. Их окружная прочность при испытаниях под давлением оказалась близкой к номинальному значению предела прочности сплава.