Введение

Из данных научно-технической литературы следует, что одним из перспективных направлений повышения экономичности производства газотурбинных двигателей является изготовление лопаток по технологии монокристаллического литья из жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) с пониженным содержанием рения [1–4]. К таким сплавам можно отнести российские литейные ЖНС марок ЖС36, ВЖМ7, ВЖМ9 [5, 6], а также зарубежные сплавы марок CMSX-8, LEK94, TMS-82+, DD6, ExA17 [7–11]. Номинальный химический состав и свойства указанных сплавов приведены в табл. 1 и 2 соответственно.

Таблица 1

Химический состав литейных жаропрочных никелевых сплавов

с низким содержанием рения

Таблица 2

Физико-химические свойства и длительная прочность

<001> монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов с низким содержанием рения

Все перечисленные сплавы являются многокомпонентными и имеют двухфазную γ/γ′-структуру, кроме сплава ВЖМ9, содержащего 0,08 % (по массе) углерода, который имеет трехфазную структуру γ/γ′ + МС (где γ – никелевый твердый раствор, γ′ – фаза на основе интерметаллида Ni₃Al, МС – карбидная фаза на основе титана и тантала) [15].

Из данных табл. 1 и 2 следует, что введение в сплавы даже небольшого количества рения (1,5–2,45 % (по массе)) позволило достичь уровня удельной длительной прочности при температуре 1000 °С, сопоставимого с таковым для монокристаллических ЖНС второго поколения с содержанием рения 3–4 % (по массе), к которым относятся сплавы CMSX-4 (γ/γ′-структура, /d = 29,9 МПа/(г/см³)) [16] и ЖС32 (структура γ/γ′ + МС, /d = 26,8‒28,4 МПа/(г/см³)) [6, 17].

В НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработан литейный ЖНС марки ВЖЛ22 с пониженным содержанием рения (2 % (по массе)), предназначенный для изготовления турбинных лопаток как с поликристаллической равноосной (столбчатой), так и с монокристаллической структурами [18]. Сплав ВЖЛ22 имеет трехфазную структуру γ/γ′ + МС, количество упрочняющих частиц γ′-фазы в которой составляет 64 % (объемн.) с температурой γ′-сольвус 1272 °С (в состоянии после литья). Удельная длительная прочность монокристаллов из сплава ВЖЛ22 с кристаллографической ориентацией (КГО) <001> при температуре 1000 °C за 100 ч достигает ~28 МПа/(г/см³) (табл. 2).

Эффективность положительного влияния рения на сопротивление высокотемпературной ползучести ЖНС (так называемый «рениевый эффект») в научно-технической литературе [19–24] объясняется его способностью значительно повышать температуру солидус никелевых сплавов, концентрироваться в матричном γ-твердом растворе вследствие низкого коэффициента распределения между γ′- и γ-фазами (K_с (Re) ≈ 0,1) и образовывать в процессе ползучести комплексы «ядро дислокации−атомы рения» в виде атмосфер Коттрелла. Эти комплексы, наряду с низкой скоростью диффузии атомов рения в никелевой матрице [25], блокируют движение межфазных границ γ/γ′, повышая сопротивление ползучести многокомпонентных никелевых сплавов. Однако ренийсодержащие ЖНС при длительном высокотемпературном воздействии склонны к фазовой нестабильности, проявляющейся в образовании разнообразных топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз (в ЖНС с карбидным упрочнением – также двойных карбидов типа М₆С), которые различаются химическим составом, морфологией, типом кристаллической решетки и объемной долей [26–29].

Для стабилизации фазового состава ренийсодержащие монокристаллические ЖНС легируют рутением [30–32], который замедляет скорость выделения ТПУ-фаз и снижает их объемную долю [33, 34]. При этом установлено, что совместное введение в монокристаллические ЖНС рения и рутения приводит к существенному увеличению периода кристаллической решетки γ-твердого раствора сплава и, следовательно, абсолютной величины γ/γ′-мисфита (до |0,6| % при 20 °С) – важного структурного параметра, с возрастанием которого повышается эффективность дисперсионного упрочнения сплавов, термическая стабильность рафт-структуры γ′-фазы и снижается скорость ползучести [32–36]. В значительной мере эти преимущества рений-рутенийсодержащих ЖНС удалось реализовать в первом отечественном (НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ) монокристаллическом сплаве четвертого поколения ВЖМ4, содержащего (% (по массе)) 6Re и 4Ru, с уровнем длительной прочности  = 170 МПа [6, 32].

Цели второй части данной работы:

– получение ориентированных вдоль кристаллографического направления <001> монокристаллов нового ЖНС марки ВЖЛ22 и выполнение экспериментальных исследований их структуры, фазового состава, а также характеристик кратковременной и длительной прочности в диапазоне рабочих температур;

– оценка влияния рутения на механические свойства <001> монокристаллов сплава ВЖЛ22;

– оценка фазовой стабильности монокристаллов сплава ВЖЛ22 по результатам исследований микроструктуры после высокотемпературных испытаний на длительную прочность.

Работа выполнена при поддержке ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Материалы и методы

В качестве исследуемого материала использовали монокристаллические цилиндрические отливки образцов длиной 165 мм и диаметром 15 мм с аксиальной КГО <001>. Заготовки изготовлены из нового литейного ЖНС марки ВЖЛ22, а также из его модифицированного варианта, отличающегося пониженным содержанием углерода (0,07 % (по массе)) и дополнительным легированием рутением в количестве 2,5 % (по массе) (далее ‒ сплав ВЖЛ22 + Ru); концентрации других легирующих элементов (Re, Al, Cr, Mo, W, Ta, Co, Ti) в этих сплавах были практически одинаковыми. Номинальный химический состав сплава ВЖЛ22 представлен в табл. 1. Данные сплавы получены методом вакуумной индукционной плавки с использованием технологии, применяемой при производстве литейных ренийсодержащих ЖНС [37].

Направленную кристаллизацию для получения монокристаллических отливок образцов из сплавов проводили на промышленной установке типа УВНК по технологическим параметрам литья, выбранным на основе анализа регрессионных уравнений, полученных в первой части данной работы [38]. Для формирования <001> монокристаллической структуры в отливках образцов использовали затравочные монокристаллы (затравки) из сплава системы Ni–W [39].

Для полученных отливок образцов определены КГО методом рентгеноструктурного анализа [40] на дифрактометре ДРОН-4 в характеристическом излучении Cu K_α1. Для этого применяли стартовые конусы, отрезанные от монокристаллических отливок образцов. Поперечный срез стартового конуса с выявленной дендритной структурой располагался перпендикулярно продольной оси цилиндрической отливки. Регистрацию результатов осуществляли по дифракционным рефлексам отражений от плоскостей (004), соответствующих аксиальной ориентации <001> монокристалла сплава.

Для проведения испытаний на растяжение и длительную прочность из монокристаллических отливок с КГО <001>, подвергнутых полной термической обработке, принятой для монокристаллических ЖНС [41], вытачивали образцы с рабочей частью длиной 25 мм и диаметром 5 мм. Термическая обработка литых монокристаллических отливок из сплавов включала высокотемпературную гомогенизацию и двухступенчатое старение. Температуру гомогенизационного отжига выбирали в интервале температур, превышающих температуру γ′-сольвус (температура полного растворения γ′-фазы в матричном γ-растворе) сплавов, но не достигающих температуры локального плавления выделений эвтектической (перитектической) γʹ-фазы. Для уточнения этих температурных границ методом дифференциального термического анализа определены температуры фазовых превращений в литых монокристаллических отливках из исследуемых сплавов. Полученные экспериментальные значения температур фазовых превращений и другие свойства <001> монокристаллов этих сплавов, рассчитанные с использованием компьютерного метода конструирования литейных ЖНС, приведены в табл. 3 [12].

Отметим, что, согласно работам [13, 42], химический состав сплава считается сбалансированным и, следовательно, сплав – фазово-стабильным при выполнении условий: +0,02 ≥ ΔE ≥ −0,04 и (Md)_γ ≤ 0,930 эВ. Как следует из данных табл. 3, сплавы ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru в соответствии с указанными условиями можно считать фазово-стабильными, они имеют близкие значения характеристических температур, но различаются по плотности, γ/γ′-мисфиту и длительной прочности. Эти различия обусловлены легированием сплава ВЖЛ22 + Ru ключевым элементом рутением, который концентрируется преимущественно в матричной γ-фазе и в меньшей мере – в γ′-фазе [43, 44].

Таблица 3

Свойства жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой

Микроструктурные исследования выполняли методом сканирующей электронной микроскопии, локальный элементный состав сплава и фаз определяли методом электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА) на сканирующем электронном микроскопе с применением энергодисперсионного спектрометра. Объектами исследований служили микрошлифы, приготовленные из литых и термически обработанных отливок сплавов, а также из рабочих частей образцов из сплавов после испытаний на длительную прочность (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид образца из сплава ВЖЛ22, разрушившегося при испытании на длительную прочность: 1 – головка; 2 – исследуемая поверхность; 3 – рабочая часть

Испытания образцов на растяжение проводили в диапазоне температур 20–1100 °С в воздушной атмосфере без защитных покрытий. При этом определяли статический модуль упругости E, предел прочности σ_в, условный предел текучести σ_0,2, относительное удлинение δ и сужение ψ согласно ГОСТ 1497–2023 и ГОСТ 9651–84. Для оценки длительной прочности образцы испытывали при температурах 900, 1000 и 1050 °С и различных уровнях приложенного растягивающего напряжения по ГОСТ 10145–81, фиксируя время до разрушения τ_р (долговечность, ч). Проведена статистическая обработка полученных данных, с использованием уравнения длительной прочности [17, 45] рассчитаны пределы длительной прочности сплавов при каждой температуре:

                                                         (1)

где τ_р − время до разрушения (долговечность), ч; σ – растягивающее напряжение, МПа; A и n –коэффициенты, характеризующие материал при постоянной температуре.

Результаты и обсуждение

Микроструктура и фазовые характеристики

Микроструктура сплава ВЖЛ22 в термообработанных <001> монокристаллических отливках, из которых изготавливали образцы для механических испытаний, представлена на рис. 2. Видно, что отливки имеют характерную для ЖНС с интерметаллидно-карбидным упрочнением дендритную структуру (рис. 2, а). В междендритных пространствах расположены фазовые выделения, которые, по данным ЭЗМА, соответствуют эвтектической (перитектической) γʹ-фазе и карбидной фазе на основе тантала (МС-карбид), образовавшихся в процессе кристаллизации междендритного расплава. МС-карбиды представлены в форме пластин и глобулей и отличаются химическим составом (табл. 4): пластинчатые карбиды содержат меньшее количество титана и молибдена, но большее количество вольфрама, чем глобулярные карбиды. Концентрационная неоднородность этих карбидов термической обработкой не устраняется (табл. 5), легирующих элементов алюминия и рения в составе карбидной фазы, а также карбидных выделений типа М₆С и ТПУ-фаз в структуре монокристаллических отливок из сплава ВЖЛ22 не обнаружено. Выделения эвтектической (перитектической) γʹ-фазы в структуре монокристаллических отливок из сплава ВЖЛ22 после литья и термической обработки имеют практически одинаковые концентрации легирующих элементов, рений в их составе не обнаружен (табл. 4 и 5).

Образовавшиеся при термической обработке сплава дисперсные микрочастицы γ′-фазы в γ-матрице дендритов и междендритных пространств имеют кубоидную форму (рис. 2, в, г). При этом в междендритных пространствах размеры частиц γ′-фазы превышают их размеры в осях дендритов. Такая неоднородность связана с сохраняющейся после гомогенизации микросегрегацией легирующих элементов в пределах дендритных ячеек монокристаллической отливки и является характерной особенностью всех литейных ЖНС [41, 46]. Количественно дендритная микросегрегация характеризуется коэффициентами сегрегацииK_с (i), которые для i-х легирующих элементов рассчитывали следующим образом [29]:

                                              (2)

где C_м.д (i) и С_{о.д.п (i)} – концентрации i-го элемента в γ/γ′-матрице междендритных пространств и осей дендритов первого порядка соответственно; n = ±1.

Если C_м.д (i) > С_{о.д.п (i)}, тогда n = +1 и K_с (i) = C_м.д (i)/С_{о.д.п (i)} > 1, сегрегация считается прямой. Если C_м.д (i) < С_{о.д.п (i)}, тогда n = −1 и K_с (i) = −(С_{о.д.п (i)}/C_м.д (i)) < −1 и сегрегация считается обратной.

Рис. 2. Микроструктура (сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах плоскости (001) монокристалла сплава ВЖЛ22 после термической обработки): а – дендритная структура с выделениями в междендритных пространствах эвтектической γʹ-фазы (черные частицы) и МС-карбидов (белые частицы); б – пластинчатые МС-1 и глобулярные МС-2 карбиды; в, г – кубоидные микрочастицы γʹ-фазы в γ-матрице дендритов (в) и междендритных пространств (г)

В табл. 4 и 5 для монокристаллического сплава ВЖЛ22 как в литом состоянии, так и после термической обработки приведены усредненные (по 6–8 измерениям) значения концентраций легирующих элементов в дендритах первого порядка, междендритных пространствах, эвтектических (перитектических) выделениях γ′-фазы и МС-карбидах, а также рассчитанные по формуле (2) значения коэффициентов дендритной микросегрегации легирующих элементов сплава K_с (i). Видно, что в состояниях после литья дендриты монокристаллических отливок из сплава ВЖЛ22 обогащены элементами с обратной сегрегацией (кобальт, вольфрам и рений), элементы с прямой сегрегацией (алюминий, титан, хром, молибден и тантал) концентрируются в междендритных пространствах. При этом кобальт и хром показали незначительную сегрегацию.

Таблица 4

Локальный химический состав и коэффициенты микросегрегации

легирующих элементов в монокристаллических отливках из сплава ВЖЛ22 после литья

Таблица 5

Локальный химический состав и коэффициенты микросегрегации

легирующих элементов в монокристаллических отливках

из сплава ВЖЛ22 после термической обработки

В результате термической обработки в монокристаллических отливках из сплава ВЖЛ22 достигнуто практически полное устранение дендритной микросегрегации алюминия, хрома и кобальта, тогда как сегрегации титана, тантала, молибдена, вольфрама и рения хотя и снизились в абсолютном значении, но остаются на высоком уровне: K_с (Ti) = 2,1; K_с (Ta) = 1,5; K_с (Mo) = 1,3; K_с (W) = −1,8 и K_с (Re) = −1,9.

Результаты ЭЗМА монокристаллических отливок из сплава ВЖЛ22 + Ru, представленные в табл. 6, показали, что введение в сплав рутения не внесло принципиальных изменений ни в характер дендритной сегрегации легирующих элементов, ни в фазовый состав. Закономерности дендритной микросегрегации легирующих элементов и их распределения в карбидной фазе этого сплава аналогичны таковым для сплава ВЖЛ22. Отметим только, что рутений при направленной кристаллизации сплава ВЖЛ22 + Ru проявляет незначительную сегрегацию по дендритным ячейкам монокристаллической отливки (концентрация рутения в оси дендрита первого порядка немного больше, чем в междендритном пространстве, K_с (Ru) ≈ −1,1), подтверждая известную закономерность: рутений, подобно хрому, молибдену и кобальту, относится к слабосегрегирующим элементам в никелевых сплавах [47]. На коэффициенты дендритной микросегрегации других легирующих элементов рутений влияния не оказывает. Легирующих элементов алюминия, рения и рутения в составе карбидной фазы сплава ВЖЛ22 + Ru не обнаружено.

В процессе термической обработки монокристаллических отливок из сплава ВЖЛ22 + Ru полного выравнивания локального химического состава по дендритной ячейке не происходит (табл. 7), однако значения коэффициентов сегрегации легирующих элементов снижаются по сравнению с литым состоянием. Состав эвтектической γ′-фазы и МС-карбидов практически не изменяется.

Таблица 6

Локальный химический состав и коэффициенты микросегрегации легирующих элементов в монокристаллических отливках из сплава ВЖЛ22 + Ru после литья

Таблица 7

Локальный химический состав и коэффициенты микросегрегации

легирующих элементов в монокристаллических отливках

из сплава ВЖЛ22 + Ru после термической обработки

Механические свойства

Свойства при кратковременном растяжении

На рис. 3 и в табл. 8 приведены результаты определения температурных зависимостей механических характеристик (модуль упругости, предел прочности σ_в, условный предел текучести σ_0,2 и показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ) монокристаллов сплава ВЖЛ22 с КГО <001>. Для сравнения также приведены соответствующие зависимости характеристик прочности при растяжении этого же сплава с равноосной поликристаллической структурой из работ [6, 48].

Анализ данных, представленных на рис. 3, показывает, что в исследованном температурном интервале монокристаллический сплав ВЖЛ22 характеризуется более высокими значениями предела прочности и относительного удлинения по сравнению с поликристаллическим состоянием. В то же время условный предел текучести σ_0,2 практически не зависит от структурного состояния сплава. В диапазоне температур от 20 до 600 °С отмечается постепенное уменьшение предела прочности σ_в, тогда как при повышении температуры до ~750 °С наблюдается его увеличение с достижением максимального уровня, после чего происходит разупрочнение сплава. Предел текучести монокристаллического сплава в этом интервале температур демонстрирует менее выраженную температурную зависимость. Следует отметить, что при пиковой температуре монокристаллический сплав характеризуется существенно более высокими уровнями пределов прочности (1200 МПа) и текучести (1000 МПа), чем сплав с равноосной поликристаллической структурой.

Монокристаллический сплав ВЖЛ22 по показателю относительного удлинения при растяжении, характеризующего пластичность сплава, значительно превосходит его поликристаллический аналог (рис. 3, в). Для поликристаллического состояния характерно заметное снижение пластичности (с 7,5 до 1,5 %) при увеличении температуры с 20 до 1100 °С. В случае монокристаллов уменьшение пластичности с 20 до 11 % фиксируется лишь в интервале температур 600–750 °С. При дальнейшем повышении температуры наблюдается существенное увеличение относительного удлинения, достигающее 26 и 22 % при 1000 и 1100 °С соответственно. Следует подчеркнуть, что в интервале температур 700‒750 °С, расположенном ниже температурного максимума прочностных характеристик (рис. 3, а, б), для монокристаллического сплава проявляется характерный «провал» пластичности (снижение относительного удлинения до 11‒12 %), что является характерной особенностью ЖНС с <001> монокристаллической структурой различных систем легирования и хорошо согласуется с данными, приведенными в научно-технической литературе [6, 41].

Таблица 8

Кратковременные механические свойства <001> монокристаллов

жаропрочных никелевых сплавов в интервале температур 20‒1100 °С

Как следует из данных табл. 8, <001> монокристаллысплава с добавкой рутения (сплав ВЖЛ22 + Ru) по результатам испытаний на растяжение при температуре 20 °С показали при практически равных значениях модуля упругости существенно более высокие показатели прочности (σ_0,2, σ_в) и меньшие значения характеристик пластичности (δ, ψ), чем у сплава ВЖЛ22.

Длительная прочность

На рис. 4представлены результаты испытаний монокристаллических образцов из сплавов ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru на длительную прочность при температурах 900, 1000, 1050 °С и различных уровнях растягивающих напряжений. Значения времени до разрушения (долговечность), полученные при различных растягивающих напряжениях (экспериментальные точки на рис. 4), использовали для определения численных значений коэффициентов Aиnуравнения (1) для каждой из температур испытания. С помощью этого уравнения построены расчетные кривые длительной прочности (рис. 4) монокристаллов сплавов ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru с КГО <001> при температурах 900, 1000 и 1050 °С. Средние значения пределов длительной прочности, рассчитанные для баз испытаний 100, 500 и 1000 ч по данному уравнению для монокристаллов сплавов ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru с КГО <001>, приведены в табл. 9. Там же для сравнения приведены аналогичные характеристики сплава ВЖЛ22 с равноосной поликристаллической структурой [48] и сплава-аналога по применению ЖС32 с <001> монокристаллической структурой, содержащего 4 % (по массе) рения [17].

Рис. 4. Кривые длительной прочности <001> монокристаллических образцов из сплавов ВЖЛ22 (●) и ВЖЛ22 + Ru (▲) при температурах 900, 1000 и 1050 °С (точками показаны экспериментальные данные)

Из данных табл. 9 следует существенное преимущество монокристаллического сплава ВЖЛ22 перед его поликристаллическим вариантом по длительной прочности во всем температурно-временно́м диапазоне (особенно при 1050 °С и базе испытаний 1000 ч). Этот эффект обусловлен положительным влиянием монокристаллической структуры (отсутствие большеугловых границ) на характеристики высокотемпературной ползучести ЖНС. Из данных табл. 9 также следует, что по характеристикам длительной прочности монокристаллический сплав ВЖЛ22 с 2 % (по массе) рения не уступает монокристаллическому сплаву ЖС32 с 4 % (по массе) рения. Следовательно, монокристаллические изделия, изготовленные из сплава ВЖЛ22, будут более экономичными в сравнении с изделиями, полученными из сплава ЖС32, за счет меньшего (в 2 раза) содержания дефицитного дорогостоящего рения.

Таблица 9

Длительная прочность жаропрочных никелевых сплавов

Представленные в табл. 9 результаты свидетельствуют о преимуществе сплава ВЖЛ22 + Ru по длительной прочности во всем исследованном температурно-временно́м диапазоне по сравнению со сплавом ВЖЛ22. При этом разница в значениях длительной прочности уменьшается с увеличением долговечности и температуры.

Эволюция микроструктуры и фазового состава

в процессе длительных высокотемпературных испытаний

В процессе длительных высокотемпературных испытаний на растяжение в направлении <001> монокристаллических образцов исходная γ/γ′-микроструктура ЖНС изменяется. Изменение микроструктуры обусловлено температурным растворением частиц γ′-фазы в матричном γ-твердом растворе в соответствии с диаграммой состояния никелевых сплавов системы Ni−Al и специфической коагуляцией оставшихся кубоидных частиц γ′-фазы с образованием классической рафт-структуры (N-рафтинг) [49]. Рафт-структура состоит из пластин γ′-фазы с изолированными между ними прослойками матричного γ-твердого раствора. Пластины γ′-фазы ориентированы перпендикулярно оси приложения постоянно действующего растягивающего напряжения в направлении КГО <001> монокристалла сплава и способствуют замедлению высокотемпературной ползучести, блокируя движение дислокаций [50].

На рис. 5 приведена полученная методом сканирующей электронной микроскопии микроструктура сплава ВЖЛ22 после испытаний монокристаллического образца на длительную прочность в течение 1727 ч при температуре 1050 °С и σ = 100 МПа. Видно (рис. 5, а), что в рабочей части образца, испытанного на длительную прочность при высокой температуре, сформировалась рафт-структура из чередующихся γ′-пластин, ориентированных перпендикулярно направлению растягивающего напряжения σ. В прослойках γ-раствора наблюдаются многочисленные дисперсные частицы γʹ-фазы, выделившиеся при охлаждении образца после прекращения испытаний в результате распада пересыщенной γ-фазы.

Рис. 5. Микроструктура сплава ВЖЛ22 в рабочей части образца после испытаний на длительную прочность при температуре 1050 °С и растягивающем напряжении σ = 100 МПа в течение 1727 ч (сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах): а – рафт-структура γ′-фазы; б – выделения МС-карбидов и топологически плотноупакованной (ТПУ) фазы

В ходе испытаний на длительную прочность локальный состав γ/γ′-матрицы по дендритным ячейкам монокристаллической рабочей части образца выравнивается. Составы эвтектической γ′-фазы и МС-карбидов в структуре сплавов ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru, представленные в табл. 10 и 11, практически не изменяются по сравнению с таковыми в состояниях после литья и термической обработки (табл. 4‒7).

Таблица 10

Локальный химический состав монокристаллического образца из сплава ВЖЛ22

после испытаний на длительную прочность при температуре 1050 °С

и растягивающем напряжении 100 МПа в течение 1727 ч

Таблица 11

Локальный химический состав монокристаллического образца из сплава ВЖЛ22 + Ru после испытаний на длительную прочность при температуре 1050 °С

и растягивающем напряжении 110 МПа в течение 1577 ч

Известно, что в ренийсодержащих ЖНС при длительном высокотемпературном воздействии в γ-матрице дендритов выделяются локальные фазы, обогащенные ТПУ-образующими тугоплавкими элементами: Cr, Mo, W, Re и Ru (ТПУ-фазы) [26, 27]. Такие локальные области, содержащие в небольшом количестве отдельные тонкие пластинчатые фазовые образования (частицы) на основе молибдена, никеля, хрома, вольфрама и рения, обнаружены также в структуре сплавов ВЖЛ22 (рис. 5, б) и ВЖЛ22 + Ru (рис. 6), испытанных в течение ~1700 ч на длительную прочность при температурах 1000 и 1050 °С. В то же время в этих частицах практически отсутствуют g¢-образующие элементы (алюминий и титан); g¢-образующий элемент тантал и ТПУ-образующий элемент рутений в них содержатся в небольших количествах. Таким образом, по химическому составу (табл. 10 и 11) и местам образования в структуре сплавов эти пластинчатые выделения следует отнести к ТПУ-фазам.

Рис. 6. Выделения топологически плотноупакованных фаз (тонкие пластинчатые частицы) в локальных областях дендритов рабочей части образцов из сплава ВЖЛ22 + Ru после испытаний на длительную прочность при температуре 1000 °С, растягивающем напряжении 150 МПа в течение 1528 ч (а)и температуре 1050 °С, растягивающем напряжении 110 МПа в течение 1577 ч (б) (сканирующая электронная микроскопия во вторичных электронах)

В структуре образцов сплавов, испытанных при температуре 900 °С на базах 700‒1440 ч, пластинчатые фазовые образования не обнаружены. Данные обстоятельства позволяют заключить, что исследованные монокристаллические ЖНС с интерметаллидно-карбидным упрочнением ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru обладают высокой фазовой стабильностью.

Заключения

Для монокристаллических ЖНС с интерметаллидно-карбидным механизмом упрочнения, содержащих 2 % (по массе) рения (сплав ВЖЛ22 и его модифицированный вариант – сплав ВЖЛ22 + Ru со сниженным содержанием углерода (0,07 % (по массе)) и дополнительным легированием рутением в количестве 2,5 % (по массе)), определены следующие показатели: плотность 8,59 и 8,76 г/см³, температуры γ′-сольвус 1272 и 1289 °С, солидус 1333 и 1330 °С, ликвидус 1389 и 1391 °С, объемная доля дисперсной γ′-фазы ~64 % и эвтектической γ′-фазы ~6 %, γ/γ′-мисфит 0,23 и 0,33 % (период решетки γ-фазы больше, чем γ′-фазы, при 20 °С) соответственно.

В процессе направленной кристаллизации монокристаллов сплавов ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru происходит микросегрегация легирующих элементов, приводящая к неоднородному их распределению по дендритным ячейкам монокристалла: Al, Ti, Ta и Mo обогащают междендритные пространства, Re и W концентрируются в осях дендритов первого порядка. Остальные легирующие элементы (Cr, Co и Ru) имеют незначительную сегрегацию. Гомогенизирующий отжиг сплава ВЖЛ22 + Ru при температуре 1300 °С приводит к снижению коэффициентов сегрегации Al, Ti, Ta и Mo до величины, близкой к 1, полная гомогенизация Re и W при этом не достигается.

Определены кратковременные механические свойства термически обработанных сплавов ВЖЛ22 (в диапазоне температур 20−1100 °С) и ВЖЛ22 + Ru (при 20 °С) с <001> монокристаллической структурой, а также показатели их длительной прочности при температурах 900, 1000 и 1050 °С.

Установлено, что с повышением температуры с 20 до 600 °С предел прочности сплава ВЖЛ22 снижается с 1130 до 1045 МПа, затем возрастает, достигая максимума 1200 МПа при пиковой температуре 750 °С, после чего наблюдается разупрочнение материала. В интервале температур 600–750 °С зафиксирован «провал» пластичности сплава ВЖЛ22 с 20 до 11 %, с дальнейшим повышением температуры она существенно возрастает, достигая 26 и 22 % при 1000 и 1100 °С соответственно.

Монокристаллы сплава ВЖЛ22 + Ru с КГО <001> при температуре 20 °С, характеризуясь близким значением модуля упругости с монокристаллами сплава ВЖЛ22 с КГО <001> (120 и 125 ГПа соответственно), показали существенно более высокий уровень прочностных свойств (σ_0,2 = 950 МПа, σ_в = 1355 МПа) и меньшие значения пластичности (δ = 10,5 %), чем у сплава ВЖЛ22 (σ_0,2 = 855 МПа, σ_в = 1130 МПа, δ = 17,5 %).

Сплав ВЖЛ22 с <001> монокристаллической структурой в диапазоне температур 900‒1050 °С при продолжительности испытаний до 1727 ч имеет следующие значения предела длительной прочности:

По характеристикам длительной прочности в интервале температур 900‒1050 °С и базах до 1000 ч монокристаллический сплав ВЖЛ22 с пониженным содержанием рения (2 % (по массе)) не уступает серийному монокристаллическому сплаву ЖС32 с 4 % (по массе) рения в аналогичном структурном состоянии.

Сплав ВЖЛ22 + Ru с <001> монокристаллической структурой в диапазоне температур 900‒1050 °С при продолжительности испытаний до 1577 ч имеет следующие значения предела длительной прочности:

Полученные данные показывают, что сплав ВЖЛ22 + Ru обладает более высокой длительной прочностью по сравнению со сплавом ВЖЛ22 во всем исследованном температурно-временно́м диапазоне. При этом с увеличением температуры и долговечности различия в значениях длительной прочности сокращаются.

Установлена высокая фазовая стабильность сплавов ВЖЛ22 и ВЖЛ22 + Ru при испытаниях на длительную прочность в диапазоне температур 900‒1050 °С.