Введение к работе
Актуальность работы. Интерметаллическое соединение Ni3Al со сверхструктурой типа Ы2 является основной упрочняющей фазой жаропрочных никелевых сплавов, представляющих важную группу высокопрочных материалов. Эти сплавы применяются для изготовления турбинных лопаток, ответственных и наиболее нагруженных деталей авиационных и стационарных газотурбинных установок [1]. В настоящее время большое внимание уделяется увеличению мощности и к.п.д. газотурбинных установок, что обеспечивается значительным повышением температуры эксплуатации и рабочих напряжений. При этом для турбинных лопаток, работающих в форсированном режиме, используются те же сплавы, что и при стандартных режимах без замены их на более жаропрочные и дорогостоящие. Сплавы при этом оказываются в экстремальных условиях по температуре и уровню напряжений. С этой точки зрения актуальной задачей является изучение механизмов деформации сплавов на основе №зА1 с целью оценки стабильности структурного состояния в условиях высокотемпературного нагружения.
Понимание физической природы и механизмов высокотемпературной деформации представляет интерес как для развития металлофизики, так и для выбора оптимального режима эксплуатации и в последующем для разработки новых жаропрочных материалов. Вместе с тем остается не решенным целый ряд вопросов, связанных с высокотемпературной деформацией таких сплавов.
В данной работе исследования проведены на сплавах с различной объемной долей интерметаллидной фазы - двойном интерметаллиде Ni3Al и двух группах легированных сплавов с различной исходной структурой: классических жаропрочных никелевых сплавах ЧС-70ВИ и ЭП-800 (40 об. % интерметаллидной /-фазы), в которых вьщеление дисперсных частиц /-фазы происходит при охлаждении из у-твердого раствора и сплавы типа ВКНА на интерметаллидной основе (близких к эвтектике у+у, 90 об. % /-фазы). Интерметаллид Ni3Al выступает в качестве модельного материала.
Интерметаллическое соединение Ni3Al обладает аномальным ростом предела текучести с повышением температуры (в зависимости от состава сплава пик находится в интервале температур 700-800С). Поведению сплава в этой области температур посвящены многочисленные исследования [2].
Механическим свойствам сплава при более высоких температурах уделялось меньше внимания.
Многие аспекты деформационного поведения интерметаллида Ni3Al исследованы подробно [2, 3]. Известно, что при деформации Ni3Al могут реализовываться несколько вариантов дислокационных реакций, включающих присутствие планарных дефектов. В том числе, реакция
Марцинковского: а[0Ц]->— [011] + — [ОН] + АФГ, где АФГ - антифазная
граница. По мере приближения к температуре плавления преобладающим должен стать другой тип реакции, который включает расщепление полной дислокации а[011] на частичные дислокации с образованием сверхструктурного дефекта упаковки (СДУ) между ними:
а[011]->— [121] + — (ЇЩ+СДУ В литературе предложено несколько
возможных механизмов образования СДУ в сверхструктуре Ы2. Один из них включает взаимодействие дислокаций о/2<110>, скользящих по различным плоскостям; другой предполагает образование СДУ в петлях дислокаций. Какой именно механизм будет реализован, по-видимому, определяется характером нагружения образца в данном температурном интервале. При этом в литературе отсутствуют экспериментальные данные о механизме деформации сплава Ni3Al при активном нагружении выше 1100С. Такие эксперименты в интервале 1000-1100С проводились только на образцах с субмикрокристаллической структурой. Представляет интерес изучение структуры Ni3Al в монокристаллическом состоянии после активного нагружения в интервале температур 1100-1250С.
Сплавы типа ВКНА имеют верхнюю границу эксплуатации 1200С. В настоящее время дискутируется возможность повышения ее до 1250С. В литературе присутствуют отрывочные данные о механических свойствах в области температур 1200-1250С [4], можно найти подробное описание структуры сплава в исходном состоянии, но практически отсутствует информация об изменении структурного состояния в ходе высокотемпературной деформации.
Для исследования использованы монокристаллические образцы сплавов на основе Ni3Al. При этом надо иметь в виду, что если направленно закристаллизованные образцы Ni3Al после гомогенизирующего отжига однофазны и точно соответствуют определению монокристалла, то сплавы типа ВКНА не однофазны и термин «монокристалл» применяется к ним в
том смысле, что в таком объекте отсутствуют большеугловые границы. Данная терминология является общепринятой.
Верхним пределом эксплуатации турбинных лопаток из сплавов ЧС-70ВИ и ЭП-800 является 900С, но, как правило, они используются при более низкой температуре. До предела должен оставаться запас в 50-100С, обеспечивающий структурную стабильность сплава в случае неконтролируемого заброса температуры. В настоящее время в энергетике предпринимаются попытки использовать лопатки из этих сплавов на экспериментальных газотурбинных установках повышенной мощности, работающих при 880С. При этом в литературе отсутствуют систематические данные о деформационном поведении сплавов ЧС-70ВИ и ЭП-800 в условиях экстремально высоких напряжений и температур.
Необходимо сформировать представление о механизмах релаксации, структурном состоянии жаропрочных никелевых сплавов и их стабильности при высокотемпературной деформации. Отсутствие такой информации приводит, в конечном счете, к неверному выбору рабочих режимов и аварийному разрушению турбинных лопаток непосредственно во время эксплуатации.
Данных о влиянии высокотемпературной деформации на магнитные свойства Ni3Al в литературе нет. Жаропрочные никелевые сплавы традиционно воспринимаются как аустенитные, находящиеся в парамагнитном состоянии, и по современным представлениям деформация их не сопровождается образованием каких-либо новых фаз, в том числе, метастабильных.
С другой стороны при пластической деформации в сплавах возможно образование наноразмерных комплексов дефектов (кластеров), которые существенно меняют физические и механические свойства материала. В том случае, когда наноразмерные кластеры обладают ферромагнитными свойствами, их образование в исходно парамагнитной матрице проявляется как деформационно-индуцированный магнетизм. Это явление присуще широкому кругу материалов, наблюдалось оно и в интерметаллическом соединении Ni3Al при холодной деформации прокаткой или в условиях ударно-волнового нагружения [5].
В настоящее время большое внимание уделяется как изучению механизмов самого явления деформационно-индуцированного магнетизма, так и развитию структурных и магнитных методов исследования наноструктурных состояний. Поскольку образование комплексов дефектов внутри упрочняющей интерметаллической фазы при деформации является
предвестником разрушения, результаты проведенных исследований могут быть основой для создания методов и средств неразрушающего магнитного контроля жаропрочных никелевых сплавов в процессе высокотемпературной деформации.
Целью данного исследования являлось изучение механизмов деформации и релаксации напряжений, фазовой и структурной стабильности сплавов на основе Ni3Al с различной объемной долей интерметаллидной фазы в условиях высокотемпературной деформации.
Для достижения этой цели в работе решались следующие задачи:
структурные исследования монокристаллических образцов модельного сплава Ni3Al и сплавов типа ВКНА после механических испытаний с активным нагружением на растяжение в интервале температур 1100-1250С;
структурные и магнитные исследования поликристаллических образцов сплавов ЧС-70ВИ и ЭП-800 после высокотемпературной деформации, в том числе вырезанных из турбинных лопаток после эксплуатации на Якутской ГРЭС по стандартному (800С) и экспериментальному режиму (880С).
Основные результаты работы, определяющие ее научную новизну:
установлен механизм деформации монокристальных образцов <100> интерметаллического соединения Ni3Al в интервале температур 1200-1250С на основе экспериментов с активным нагружением на растяжение. Образцы Ni3Al находятся в состоянии сверхпластичности (при 1200С относительное удлинение 8 достигает 155%). Основным механизмом релаксации напряжений является динамический возврат. При этом в удлинение также вносят вклад другие возможные механизмы релаксации: раскрытие поверхностных микротрещин в местах выхода на внешнюю поверхность образца полос скольжения, динамическая рекристаллизация, двойникование;
показано, что в сплавах типа ВКНА (90% фазы на основе Ni3Al) при высокотемпературных испытаниях монокристаллических образцов <100> на растяжение относительное удлинение 5 не превышает 30%, формируется структура динамического возврата: при 1200С малоугловые границы проходят через области твердого раствора, не затрагивая крупные частицы f-фазы; при 1250С происходит фрагментация самих частиц интерметаллидной /-фазы;
- проведен анализ структурного состояния турбинных лопаток из
жаропрочных никелевых сплавов ЧС-70ВИ и ЭП-800 после эксплуатации на
ГТУ по экспериментальному режиму при повышенной мощности; показано,
что такие лопатки могут быть использованы при 880С при значительном
ограничении времени эксплуатации по сравнению со стандартным режимом
(800С);
обнаружено явление деформационно-индуцированного магнетизма (повышение значений магнитной восприимчивости сплава при деформации) после высокотемпературного нагружения жаропрочных никелевых сплавов, которое связано с образованием устойчивых комплексов дефектов внутри интерметаллидной упрочняющей фазы;
показано, что увеличение степени деформации жаропрочного никелевого сплава приводит к росту значений магнитной восприимчивости.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
механизм деформации монокристаллов интерметаллического соединения Ni3Al и сплавов ВКНА (90% фазы на основе Ni3Al) при испытаниях на растяжение в интервале температур 1100-1250С;
- результаты исследования структурного состояния жаропрочных
никелевых сплавов ЧС-70ВИ и ЭП-800 после эксплуатации лопаток из этих
сплавов на газотурбинной энергоустановке по экспериментальному режиму;
- повышение значений магнитной восприимчивости в образцах
жаропрочного никелевого сплава, вырезанных из турбинной лопатки после
её высокотемпературной эксплуатации (явление деформационно-
индуцированного магнетизма);
рост магнитной восприимчивости жаропрочного никелевого сплава по мере увеличения степени деформации при холодной прокатке;
корреляция между количеством структурных дефектов в различных частях турбинной лопатки и значением магнитной восприимчивости.
Научная и праістическая значимость работы:
Работа развивает физические представления о высокотемпературной деформации жаропрочных никелевых сплавов с различной объемной долей упрочняющей интерметаллидной фазы на основе Ni3Al в условиях экстремально высоких напряжений. На основе этих представлений возможен выбор режима эксплуатации, обеспечивающего безаварийную работу газотурбинных установок при повышении их мощности и к.п.д.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты совместного изучения структуры и магнитной восприимчивости расширяют возможности оценки стабильности структурного состояния турбинных лопаток в процессе их эксплуатации.
