Физика металлов и металловедение, 2020, T. 121, № 1, стр. 60-71

ВВЕДЕНИЕ

Жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС), используемые для изготовления газотурбинных двигателей (ГТД) по назначению разделяют на сплавы для лопаток, сплавы для дисков и сплавы для других деталей горячего тракта ГТД. Лопатки и диски относятся к классу особо ответственных деталей. Они работают в экстремальных и принципиально различающихся условиях [1–4]. Основное требование к ЖНС для лопаток – высокое сопротивление ползучести при температурах 950–1100°С при напряжениях 150–250 МПа [2, 4]. Для обеспечения необходимого ресурса новые поколения ЖНС для дисков должны удовлетворять жестким и трудно совместимым требованиям: при температурах от комнатной до ~ 550°С они должны иметь предел прочности σ_В ≥ 1500 МПа, условный предел текучести σ_0.2 ≥ 1150 МПа, относительное удлинение δ ≥ 12% и KCU (ударная вязкость образца с U-образным надрезом) ≥ 24 Дж/см². При температуре 650°С и напряжении σ = 1078 МПа при испытании на длительную прочность на гладких образцах и на образцах с надрезом долговечность должна составлять ≥100 ч [3]. Число циклов при испытании на малоцикловую усталость (МЦУ) (Т = 650°С, σ = 1098 МПа) должно быть ≥20 000.

Для понимания закономерностей влияния легирования и термической обработки на механические характеристики и эксплуатационные свойства ЖНС важно знать структурно-фазовое состояние сплавов и химический состав фазовых составляющих [5]. К последним относится высоколегированный переходными металлами γ-твердый раствор и распределенные в его объеме частицы γ'-фазы с объемной долей ≥50%, а также частицы карбидов, боридов и карбоборидов. Эти данные помогают выбирать оптимальный химический состав сплава и температурно-временные условия этапов технологии изготовления изделий, от которых зависит комплекс свойств и ресурс деталей в условиях эксплуатации [6, 7]. Для выяснения деталей структурно-фазового состояния ЖНС в атомном масштабе в настоящее время стартовали исследования с применением атомно-зондовой томографии (АЗТ) [8, 9].

Целью настоящей работы является исследование методами АЗТ-структуры материала серийно изготовленных крупногабаритных заготовок дисков из нового гранулируемого высокопрочного ЖНС ВВ751П, разработанного в ОАО “ВИЛС”. Сплав ВВ751П является базовым дисковым материалом ГТД “ПД-14” для отечественного пассажирского лайнера МС-21 и военно-транспортного самолета ИЛ-276. Изучалась морфология и химический состав наноразмерных частиц γ- и γ'-фаз, межфазные границы между ними, особенности пространственного расположения частиц γ- и γ'-фаз.

МЕТОДИКА

Для исследования химического состава структурных составляющих материала применяли атомно-зондовый томограф с фемтосекундным лазерным испарением ПАЗЛ-3D, разработанный в НИЦ “Курчатовский институт” – ИТЭФ [10, 11]. В проведенном исследовании использовали детектор на линиях задержки DLD80 с эффективностью детектирования ~90%. 3D-реконструкцию расположения атомов в образце проводили специальным программным обеспечением “КВАНТМ-3D” [12].

Представленные данные были получены при постоянном напряжении на образце 2–9 кВ, длительности лазерного импульса – 300 фс, частоте лазерных импульсов – 25 кГц, мощности лазера ~11 мВт, гармонике – 515 нм, температуре образца – 50 К, вакууме в процессе исследования –на уровне (5–7) × 10⁻¹⁰ Торр. Средняя интенсивность испарения: 5 атомов на 1000 воздействий лазером. Оптимизация условий сбора данных выполнена аналогично [13].

Для АЗТ исследований брали образцы в виде иглы с радиусом закругления кончика несколько десятков нанометров. Для приготовления образцов использовали: электроэрозионную резку и последующее электрохимическое утонение заготовки до достижения требуемой формы вершины. Контроль формы образца проводили в просвечивающем электронном микроскопе JEOL 1200 EX.

Обработка экспериментальных АЗТ-данных включала расшифровку спектров, полученных на установке ПАЗЛ-3D методом времяпролетной масс-спектрометрии, и анализ 3D-распределений химических элементов в исследованных объемах. Для крупных выделений фаз строились сечения и проводился анализ линейных концентраций, а также вырезались объемы внутри этих объектов для получения значений концентраций элементов непосредственно в фазах. Для описания элементов структуры размерами менее 10 нм использовали метод максимального разделения [14]. В настоящей работе процедура поиска наиболее достоверных параметров этого метода была выполнена для каждого объекта отдельно.

Для анализа микроструктуры образцов в большем масштабе были проведены исследования методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на микроскопе KYKY-2800B.

МАТЕРИАЛЫ

Изучали материал серийных крупногабаритных заготовок дисков с условными номерами 1, 2 и 3 из сплава ВВ751П, выплавленных из слитков примерно одинакового химического состава, представленного в табл. 1. Уровень содержания примесей и добавок, таких как Ce, La, Sc, был ниже чувствительности используемых в ОАО “ВИЛС” методик спектрального анализа.

Указанные заготовки были получены по следующей схеме: (1) вакуумно-индукционная плавка цилиндрической заготовки под последующее диспергирование на гранулы; (2) плазменная плавка и центробежное распыление быстровращающейся литой заготовки (Plasma Rotating Electrode Process, PREP) с получением гранул размером 50–100 мкм; (3) горячее изостатическое прессование (ГИП) гранул в стальной капсуле; (4) термическая обработка заготовок после ГИП, включающая обработку на твердый раствор в вакууме, закалочное охлаждение газообразным гелием под давлением более 2 атмосфер, двух- или трехступенчатое старение.

Заготовки № 1 и 2 закаливались в вакуумной печи МОДУЛЬТЕРМ с интервалом температур обработки на тверый раствор (ТОТР) 1200–1215°С, а заготовку № 3 – в вакуумной печи МОНОТЕРМ с ТОТР 1210°С. Выдержка при ТОТР для всех заготовок – 4–8 ч.

Для заготовок № 1 и 3 использовалось трехступенчатое старение: Для заготовки № 2 – двухступенчатое старение. Принципы выбора температурно-временного маршрута закалочного охлаждения изложены в работе [15]. Используемые температурно-временные маршруты закалочного охлаждения и режимы старения являются KNOW-HOW ОАО “ВИЛС”.

Механические свойства образцов из заготовок дисков №№ 1–3 при комнатной температуре, характеристики длительной прочности и МЦУ при температуре 650°С представлены в табл. 2.

Видно, что σ_В и σ_0.2 образцов, вырезанных из заготовок №№ 1, 2, выше, чем σ_В и σ_0.2 образцов, вырезанных из заготовки № 3. Более высокие значения указанных характеристик соответствуют меньшему размеру частиц γ'-фазы, что обусловлено более высокой скоростью охлаждения заготовок №№ 1, 2 при закалке.

ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ РЭМ

На рис. 1 представлены результаты исследования микроструктуры заготовок дисков №№ 1–3 методом РЭМ во вторичных электронах. Размер зерен γ-матрицы – 30–50 мкм. На фоне сравнительно светлой γ-фазы (матрицы с ГЦК-решеткой) в объеме зерен видны образовавшиеся в ходе распада пересыщенного γ-твердого раствора при закалочном охлаждении и последующем старении более темные кубоидные субмикроскопические частицы γ'-фазы с кристаллической решеткой, упорядоченной по типу L1₂. Эти частицы имеют размеры 0.15–0.25 мкм. Из-за близости периодов решетки а_γ- и ${{a}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}}$-частицы γ- и γ'-фаз когерентны. Выделяющиеся при распаде частицы γ'-фазы растут, их объемная доля увеличивается. Когда размер кубоида превышает ~0.5 мкм, из-за роста внутренних когерентных упругих напряжений, пропорциональных (а_γ – ${{a}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}}$)², кубоидная форма частицы становится неустойчивой. Из-за малой величины межфазной поверхностной энергии энергетически выгодным становится разделение одной кубоидной частицы на октет из 8 частиц (рис. 1б и 1в). На границах зерен частицы γ'-фазы имеют пластинчатую форму и размер 0.3–0.8 мкм. Самые светлые частицы на рис. 1а и 1б – это карбиды и карбобориды типа М(В,С) размером 0.3–1.0 мкм, где М – Ti, Nb, Hf.

Рис. 1.

РЭМ-изображения микроструктуры заготовок № 1 (а), 2 (б) и 3 (в). В кружках видны октеты.

РЕЗУЛЬТАТЫ АЗТ-ИССЛЕДОВАНИЙ ОБРАЗЕЦ ИЗ ЗАГОТОВКИ № 1

Карты распределения атомов в исследованном объеме образца из заготовки № 1 представлены на рис. 2. Количественные данные о содержании элементов в частицах γ-фазы (C_iγ) и в частицах γ'‑фазы (${{C}_{{{\text{i}}\gamma {\kern 1pt} '}}}$) собраны в табл. 3.

Рис. 2.

Атомные карты распределения химических элементов в исследованном объеме заготовки № 1. Количество зарегистрированных атомов ~4 × 10⁶.

Обнаружено, что значения ${{C}_{{{\text{i}}\gamma {\kern 1pt} '}}}$ для атомов Ni, Al, Ti, Nb значительно (в 2–30 раз) больше, чем соответствующие значения C_iγ, а для атомов Co, Cr, Mo, С значения C_iγ существенно (в 3–8 раз) больше, чем соответствующие значения ${{C}_{{{\text{i}}\gamma {\kern 1pt} '}}}$. Содержание W, Fe и Si в γ-фазе в 1.2–1.5 раза больше, чем в γ'-фазе, а атомов В в частицах γ'-фазы в 1.3 раза больше, чем в частицах γ-фазы.

Для анализа химического состава частиц γ- и γ'-фаз и величины переходного слоя между ними были построены концентрационные профили вдоль линии, пересекающей частицу γ-фазы. На рис. 3 показана процедура вырезания из исследованного объема цилиндрической области для построения концентрационных профилей, и сами концентрационные профили.

Рис. 3.

а – процедура вырезания цилиндрической области для построения линейных концентрационных профилей. На рис. а показано распределение атомов Cr. б, в – Концентрационные профили вдоль линии, пересекающей частицу γ‑фазы, показанную на рис. а. Заготовка № 1.

Значения концентраций C_iγ, ${{C}_{{{\text{i}}\gamma {\kern 1pt} '}}}$ (из табл. 3) были использованы для оценки объемной доли γ'‑фазы в исследованном объеме с помощью правила рычага: ${{f}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}} = {{\left( {{{C}_{n}} - {{C}_{\gamma }}} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {{{C}_{n}} - {{C}_{\gamma }}} \right)} {\left( {{{C}_{\gamma }} - ~{{C}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}}} \right)}}} \right. \kern-0em} {\left( {{{C}_{\gamma }} - ~{{C}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}}} \right)}},$ где C_n среднее содержание i-го элемента в материале.

На рис. 4 а представлена зависимость разности (C_n – C_γ) от разности (C_γ – ${{C}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}}$). Значение f_γ´ объемной доли γ' фазы в изученном объеме заготовки № 1, вычисленное по наклону прямой, построенной методом наименьших квадратов отклонений, составляет 68 ± 1%.

Рис. 4.

Зависимости разности средней концентрации элемента и его концентрации в γ-фазе (C_n – C_γ) от разности атомных концентраций элементов в γ- и в γ'-фазе (C_γ – ${{C}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}}$) в образцах из заготовок № 1 (а), № 2 (б) и № 3 (в).

ОБРАЗЕЦ ИЗ ЗАГОТОВКИ № 2

На рис. 5 представлены карты распределения атомов в исследованном объеме заготовки № 2. Данные о содержании различных элементов C_iγ, ${{C}_{{{\text{i}}\gamma {\kern 1pt} '}}}$ для образца из заготовки 2 также собраны в табл. 3. В верхней части исследованного объема (рис. 5) находится небольшая частица γ-фазы, ниже – частица γ'-фазы, еще ниже – частица γ‑фазы, внутри которой находятся 4–5 частиц γ'-фазы.

Рис. 5.

Атомные карты распределения химических элементов в исследованном объеме заготовки № 2. Количество зарегистрированных атомов ~2 × 10⁷.

Для более детального анализа этого объема на рис. 5 горизонтальными прямыми выделен фрагмент А. Внутри фрагмента А видна частица γ-фазы с размером по вертикали ~ 35 нм, внутри которой находятся частицы γ'-фазы с размером 11 ± 4 нм (предвыделения γ'-фазы). Плотность данных частиц составляет ~10²³ м^–3. В нижней части исследованного объема находится крупная частица γ'-фазы с однородно распределенными равноосными скоплениями Cr и Co размером 1–4 нм (предвыделения γ-фазы).

На рис. 6 представлены концентрационные профили различных элементов внутри фрагмента, содержащего переходный слой между частицами γ'-фазы и γ-фазы. Направление нормали к указанной частице γ-фазы указано стрелкой.

Рис. 6.

Линейные концентрации вдоль линии, пересекающей одну из обнаруженных частиц γ-фазы в исследованном объеме заготовки № 2 (АЗТ анализ).

На рис. 7а представлена атомная карта распределения Al и Co в объеме, приведенном на рис. 5, а на рис. 7б дано увеличенное изображение распределения атомов Al, Ti и Nb в выделенном фрагиенте на рис 7а. Видно, что атомы указанных элементов есть как в частицах γ-фазы, так и в частицах γ'-фазы, но в частицах γ'-фазы их концентрация существенно выше.

Рис. 7.

Карты распределения атомов Al и Co в исследованном объеме заготовки № 2 – а; б – карты распределения атомов Al, Ti, Nb в красном прямоугольнике, выделенном на рис. а.

На рис. 8а показана одна из частиц γ'-фазы размером ~6 × 10 нм из фрагмента А. На рис. 5 построены концентрационные профили распределения атомов вдоль линии, пересекающей эту частицу. В анализируемой частице γ'-фазы концентрация Al, Ti и Nb значительно больше, а Mo, Co и Cr значительно меньше, чем в γ‑фазе. Концентрация W, V и Fe в данной частице γ'‑фазы и в окружающей ее γ-матрице примерно одинакова.

Рис. 8.

Концентрационные профили элементов вдоль линии, пересекающей одну из частиц γ'-фазы в исследованном объеме заготовки № 2.

На картах распределения атомов Co и Cr внутри крупной (более 30 нм по вертикали) частицы γ'-фазы в нижней части рис. 5 можно видеть однородно распределенные скопления атомов Co и Cr размером 1.5–2.0 нм.

В другом фрагменте заготовки № 2 (рис. 9) видны строчки ультрадисперсных уплощенных скоплений атомов Co, Cr и Mo, обедненных по Al и Ni. Средний размер этих скоплений ~2 ± 1 нм. Построены концентрационные профили, перпендикулярные этим строчкам (рис. 10). Концентрация атомов Ti, которая в γ'-фазе обычно гораздо выше, чем в γ-фазе, в указанных скоплениях и в окружающей γ'-фазе близка. Содержание атомов V, Fe, Nb и W в этих скоплениях и в γ'-фазе тоже почти одинаково.

Рис. 9.

Атомные карты распределения Al, Co, Cr, Mo отдельного фрагмента, исследованного образца заготовки 2.

Рис. 10.

Карты распределения атомов Al в исследованном объеме заготовки № 2 – а; б – профили линейных концентраций химических элементов вдоль линии, пересекающей строчки скоплений γ-фазы (см. выделенный объем на рис. а).

Для исследованного объема заготовки № 2 построена диаграмма зависимости (C_n – C_γ) от (C_γ – ${{C}_{{\gamma {\kern 1pt} '}}}$) на рис. 4б. Значение объемной доли γ'-фазы в данном объеме, полученное из наклона прямой, составляет ~61 ± 2%.

ОБРАЗЕЦ ИЗ ЗАГОТОВКИ № 3

Карты распределения атомов различных элементов в исследованном объеме образца из заготовки № 3 представлены на рис. 11, а данные о содержании элементов – в табл. 3.

Рис. 11.

Атомные карты распределения химических элементов в исследованном объеме заготовки № 3. Выделены участки: 1 (γ-фаза); 2 (частица γ'-фазы внутри γ-фазы) и 3 (частицы γ и γ'-фаз).

На участках 1 и 2 видна частица γ-фазы с размером по вертикали более 130 нм. На участке 2 внутри этой частицы наблюдется уплощенная частица γ'-фазы размером ~7×13 нм. На участке 3 справа и слева от частицы γ'-фазы размером >70 нм находятся две области γ-фазы, а снизу еще одна область γ-фазы. Концентрационные профили, измеренные вдоль линии, пересекающей частицу γ'-фазы на участке 2, показаны на рис. 12.

Рис. 12.

Концентрационные профили химических элементов вдоль линии, пересекающей частицу γ'-фазы на участке 2 (рис. 11). Образец из заготовки № 3.

На рис. 13 представлены концентрационные профили переходного слоя между частицей γ'-фазы и областью γ-фазы, расположенного на границе участков 2 и 3. Частица γ'-фазы обогащена Al, Ti, Nb, V. В γ-фазе выше содержание Co, Cr, Mo, Fe (см. табл. 3). Содержание W в обеих фазах примерно одинаково. Содержание В и С в γ- и γ'-фазах в образце из заготовки № 3 не имеет выраженной тенденции.

Рис. 13.

Концентрационные профили элементов вдоль линии, перпендикулярной границе между частицей γ-фазы на участках 1 и 2 и частицей γ'-фазы на участке 3 (см. рис. 11). Образец из заготовки № 3.

Анализ зависимости, представленной на рис. 4в, показывает, что значение объемной доли γ'-фазы в образце № 3 составляет ~62 ± 4%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

РЭМ-исследование структурно-фазового состояния материала заготовок дисков из жаропрочного никелевого сплава ВВ751П с различной термической обработкой демонстрирует наличие зерен γ-матрицы размерами 30–50 мкм и кубоидных субмикроскопических частиц γ'-фазы. Выполненное АЗТ-исследование этих материалов позволило проанализировать в атомном масштабе распределение химических элементов в наноразмерных частицах γ- и γ'-фаз и в межфазных слоях. В исследованных объемах образцов жаропрочного никелевого сплава обнаружены только частицы γ- и γ'-фаз. Показано, что области γ'-фазы обогащены Al, Ti, Ni, Nb (γ'-образующие элементы), а в γ-фазе повышено содержание Co, Cr, Mo (γ-образующие элементы).

Такие элементы, как V, W, Fe, Si, В и С, имеют сравнительно близкое содержание в γ- и γ'-фазах, причем характер обогащения фаз этими элементами зависит от их размера. Показано, что кроме обычно наблюдаемых частиц γ'-фазы в γ-матрице, внутри крупных частиц γ'-фазы, имеются ультрадисперсные области γ-фазы, а точнее – примерно равноосные однородно распределенные скопления γ-образующих элементов размером 1–3 нм.

Это подтверждает аналогичные результаты зарубежных АЗТ-исследований жаропрочных никелевых сплавов, высоколегированных γ-образующими элементами [8, 9]. Кроме указанных ультрадисперсных равноосных скоплений в настоящей работе впервые обнаружены строчки из ультрадисперсных уплощенных скоплений примерно того же химического состава. Для изученных образцов построены зависимости концентраций элементов в частицах γ- и γ'-фаз от среднего значения концентрации рассматриваемого элемента.

Оцененные по этим графикам величины объемной доли γ'-фазы в образцах из заготовок № 1, 2 и 3 составили 68 ± 1, 61 ± 2, 62 ± 4%, соответственно. Продемонстрировано, что образцы из заготовки № 1 с наибольшей жаропрочностью содержат максимальную объемную долю γ'-фазы. Наибольший условный предел текучести имели образцы из заготовки № 2, в которых обнаружены ультрадисперсные выделения γ-фазы.

Обсуждение причин позиционирования элементов в γ- и γ'-фазах, возможные причины возникновения ультрадисперсных скоплений γ-образующих элементов и строчек из аналогичных скоплений, особенностей переходных слоев между фазами предполагается провести в отдельной работе. Полученные результаты важны как для дальнейшего углубления представлений о физической природе ЖНС, так и для решения практических вопросов оптимизации химического состава и температурно-временных условий различных этапов технологии изготовления дисков из ЖНС.