30
Май
2016

Исследование температурно-временных особенностей формирования γ’-фазы в жаропрочном никелевом сплаве ЭП741НП методами ПЭМ в динамических in situ экспериментах с нагревом образца

Рынденков Д.В.1, Рыбанцова Е.1, Казанский П.Р.2, Дмитриева Т.Г.2

1 ОАО «Ступинская Металлургическая компания», г.Ступино МО, РФ
2 ООО «Системы для Микроскопии и Анализа», г. Москва, РФ

Жаропрочные никелевые сплавы, или, как из называют в зарубежной литературе, «суперсплавы» относятся к многокомпонентным системам. В состав наиболее легированных может входить более десятка основных и до пяти микролегирующих элементов.

Уникальные свойства суперсплавов связаны с их фазовым составом. Матрица суперсплавов представлена плотноупакованной аустенитной γ-фазой с г.ц.к. решеткой. Упрочняющая γ’-фаза, представляющая собой интерметаллидное соединение Ni3(Al, Ti) также имеет г.ц.к. решетку и когерентна матрице. В зависимости от степени несоответствия параметров решетки матрицы и γ’-фазы, её выделения могут иметь сферическую, кубическую, пластинчатую и иную форму [1, 2]. При повышении температуры γ’-фаза растворяется в матрице и сплав переходит в однофазную область. Для наибольшего количества сплав эта температура составляет 1100-1200 ºС [3].

Сплав ЭП741НП был разработан начале 80-х годов прошлого века специально для изготовления дисков и других элементов турбины авиационного двигателя методом металлургии гранул. В настоящее время это самый массовый отечественный гранулируемый сплав, используемый в двигателестроении. Его получают путём однократного либо двойного вакуумного переплава, после чего распыляют в аргоно-гелиевой смеси на гранулы размером 50-140 мкм, из которых методом горячего изостатического прессования получают заготовку диска, максимально приближенную по форме к конечному изделию. Температура полного растворения γ’-фазы у него составляет 1190 ºС [4].

Целью настоящей работы является уточнение диаграммы фазовых превращений при старении сплава ЭП741НП с определением фазовых областей реализации максимальных жаропрочных свойств в динамическом эксперименте с нагревом образца insitu в колонне ПЭМ.

Изучаемый образец взят от кольцевого припуска серийного диска, прошедшего полный технологический цикл, включая термическую обработку, заключающуюся в закалке из однофазной области и последующем двухступенчатом старении.

Для приготовления образца использовалась двухлучевая установка FEI Helios 660i, оснащенная электронной и ионной колоннами (FIB/SEM), газоинжекционной системой и микроманипулятором для извлечения и перемещения образца. Финальное доутонение образца осуществлялось фокусированным ионным пучком на нагревательном элементе МЭМС чипа DENSsolutions.

Готовый образец на МЭМС чипе крепился в специальном держателе DENSsolutions, оснащенном четырехконактными вводами для нагрева и контроля температуры образца. Система управления экспериментом обеспечивает динамический нагрев / охлаждение образца с произвольной скоростью (до > 300 ºС/мс) при точности контроля температуры < 0,5 ºС.

Структурное исследование температурно-временных особенностей фазовых превращений в сплаве ЭП741НП в температурном диапазоне 900 – 1300 ºС, проведенное в колонне просвечивающего электронного микроскопа FEI Tecnai G2 F20, позволило получить следующие результаты:

  • Описана динамика формирования γ’-фазы на начальных стадиях старения.
  • Проведено уточнение построенной ранее диаграммы фазовых превращений при старении (ДФПС), установлены температурно-временные области существования фаз с определением фазовых областей реализации максимальных жаропрочных свойств.

Проведенное исследование позволяет в перспективе получать различные фазовые композиции, соответствующие требуемому комплексу свойств и обосновывает применение ступенчатых режимов термообработки сплава ЭП741НП.

1. Ч. Симс, В. Хагель Жаропрочные сплавы. Пер. с английского. М., Металлургия, 1976, 568 с.

2. Суперсплавы II: жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок / Под. ред. Симса Ч.Т., Столлофа Н.С., Хагеля У.К. Пер. с английского. в 2-х книгах. Кн. 1 / Под ред. Шалина Р.Е. – М., Метеллургия, 1995. 384 с.

3. Логунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). – М.: Наука и технологии, 2013.

4. Л.Б. Бер, В.И. Еременко, Е.Ю. Пономорёва и др. Влияние режимов закалки на морфологию частиц g’-фазы и предел текучестви заготовок турбинных дисков из гранулированного сплава ЭП741НП // Технология лёгких сплавов, №1, 2008, с. 37-46.