Структура и свойства никелевых жаропрочных сплавов с гафнием (статья)

В настоящей работе исследовали влияние модифицирования гафнием жаропрочных сплавов ЖС6У-ВИ и ЖСЗДК-ВИ на их структуру и свойства. Сплавы ЖС6У-ВИ и ЖСЗДК-ВИ выплавляли в вакуумной индукционной печи и модифицировали гафнием в количестве от 0 до 1,5 % (по расчету) с помощью никель-гафниевой лигатуры. Показано, что модифицирование гафнием уменьшает размеры и количество хрупкой составляющей в изломе, расстояние между осями дендритов второго порядка, а также изменяет морфологию карбидов. С увеличением количества гафния механические свойства при комнатной температуре обоих сплавов и жаропрочность сплава ЖСЗДК-ВИ повышаются.

Сплавы выплавляли методом переплава мерной заготовки в вакуумной индукционной печи УППФ-ЗМ в тигле с основной футеровкой и вместимостью 7,5 кг. В нагретый до 1600 °С расплав за 1.5 мин до его слива присаживали через загрузочное устройство печи навеску гафний-никелевой лигатуры фракцией 1 - 3 мм. По расчету в сплав ЖС6У-ВИ вводили 0; 0,5; 1,5% Hf*, в сплав ЖСЗДК-ВИ — 0: 0,8; 1,0; 1,2 % Hf. Блоки пальчиковых образцов изготовляли методом точного литья по выплавляемым моделям (температура заливки 1560- 1580 °С).

Определяли химический состав сплавов исследуемых вариантов модифицирования, изучали макро- и микроструктуру до и после термической обработки (гомогенизация при 1210 °С 4 ч, охлаждение на воздухе), морфологию основной упрочняющей интерметаллидной  у'-фазы при увеличении х 10000 на растровом электронном микроскопе JSMT-300. При комнатной температуре определяли временное сопротивление разрыву  , относительное удлинение  и ударную вязкость KCU. Испытания на длительную прочность проводили на установке ДСТ-5000. Определяли время до разрушения образцов сплава ЖС6У-ВИ в процессе выдержки при t = 760 °С, а = 590 МПа и t = 975 °С,

Здесь и далее по статье содержание элементов дано в массовых долях.

а = 230 МПа, сплава ЖСЗДК-ВИ — при t = 850 °С и а = 350 МПа.

По химическому составу сплавы ЖС6У-ВИ и ЖСЗДК-ВИ (табл. 1) удовлетворяли требованиям ОСТ 1.90.126-85. Усвоение гафния в данных сплавах составило 55 %.

Результаты фрактографического анализа термически обработанных разрушенных ударных образцов сплава ЖСЗДК-ВИ показаны на рис. 1,а-г, а сплава ЖС6-ВИ — на рис. 1,д-ж. Видно, что в изломах сплава ЖС6У-ВИ без добавок гафния содержится хрупкая составляющая в виде фасеток грубых сколов по осям ветвей дендритов в местах выделений эвтектических карбидов (рис. 1,д). Сплав ЖСЗДК-ВИ по сравнению со сплавом ЖС6У-ВИ содержит значительно меньше вольфрама, что обусловливает отсутствие в нем крупных эвтектических карбидов. В связи с этим хрупкой составляющей в изломах образцов сплава ЖСЗДК-ВИ заметно меньше (рис. 1, а ). С увеличением присадок гафния в изломах обоих сплавов наблюдается уменьшение количества и размеров хрупкой составляющей (рис. 1, б - г, е, ж).

При изучении дендритной структуры сплавов установлено, что с увеличением количества гафния в сплаве заметно уменьшается расстояние между осями второго порядка (рис. 2). Следовательно, добавки гафния

Металлографическими исследованиями показано, что модифицирование сплавов  гафнием способствует изменению морфологии карбида МС, имеющего форму типа "китайских иероглифов' в сплаве   ЖС6У-ВИ   и   полиэдров   —   в   сплаве ЖСЗДК-ВИ, до карбида с практически равноосной  глобулярной морфологией (рис. 3). Известно [1], что карбиды и виде "китайских иероглифов" представляют собой твердый раствор на основе (Ti, Nb)C. По сравнению с глобулярными карбидами они содержат большее количество титана и вольфрама. Форма этих карбидов характеризуется высокой энергией раздела фаз.

Влияние небольших добавок гафния на изменение формы карбидов, по-видимому, обусловлено высокой карбидообразующей способностью этого элемента (в несколько раз выше, чем у титана [2]).

Так, уже при модифицировании сплава 0,5 % Hf наблюдается дробление ветвей карбидов типа "китайские иероглифы" с образованием более компактных частиц, имеющих меньшее отношение длины к ширине. Введение 1,2-1,5 % Hf (по расчету) приводит к глобуляризации практически всех карбидов.

Электронно-микроскопические исследования морфологии основной упрочняющей у'-фазы в осях денд-ритов показали, что модифицирование обоих сплавов гафнием не оказывает существенного влияния на ее размеры и форму. Повышение концентрации гафния в литых сплавах приводит к увеличению количества эвтектики (рис. 4). Наиболее эффективно это проявляется в сплаве ЖСЗДК-ВИ.

С увеличением добавок гафния механические свойства сплавов при комнатной температуре повышаются (табл. 2). Однако долговечность сплава ЖС6У-ВИ при испытаниях на длительную прочность снижается (как при высоких, так и при средних температурах), что, очевидно, связано с увеличением количества и видоизменением эвтектики у-у' (рис. 5, а, б). С ростом количества гафния долговечность сплава ЖСЗДК-ВИ при испытании на длительную прочность немного повышается. Это, вероятно, обусловлено тем, что гафний концентрируется в основном в упрочняющей у'-фазе и карбидах, увеличивает их количество, повышая (при определенных концентрациях) жаропрочность.

Гомогенизирующий отжиг при 1210 °С сплава ЖСЗДК-ВИ без гафния, а также с его присадками до 1,0 % способствует полному растворению избыточной фазы у - у' в твердом растворе (рис. 5, в ). При введении > 1,2% гафния после гомогенизации небольшое количество фазы у - у' сохраняется (рис. 5, г). При этом морфология у-у'-фазы в процессе высокотемпературного нагрева претерпевает существенные изменения (рис. 5).

Увеличение содержания эвтектики у - у' в сплавах, модифицированных гафнием, можно объяснить ликвацией гафния в междендритные области и на границы зерен, а также тем, что он входит в состав эвтектики.

 

Выводы. 1. Модифицирование сплавов ЖС6У-ВИ и ЖСЗДК-ВИ гафнием уменьшает долю хрупкой составляющей в изломе, а также расстояние между осями второго порядка в дендритах. Добавки гафния способствуют росту скорости кристаллизации сплавов.

2. Добавки гафния изменяют морфологию карбидов типа "китайских иероглифов" в сплаве ЖС6У-ВИ и полиэдров в сплаве ЖСЗДК-ВИ — они приобретают равноосную глобулярную форму.

3. С увеличением содержания гафния повышаются механические свойства обоих сплавов, а у сплава ЖСЗДК-ВИ и жаропрочность.

4. Снижение жаропрочности сплава ЖС6У-ВИ, модифицированного гафнием, по-видимому, обусловлено увеличением содержания эвтектики у — у'.