Влияние высокотемпературных выдержек на длительную прочность монокриталлических сплавов

Испытания на длительную прочность образцов из сплавов ВЖМ5-ВИ [001] и ЖС36-ВИ [001] после высокотемпературных выдержек дали следующие результаты (рис. 7.19 и 7.20).

Рис. 7.19. Длительная прочность образцов из сплава ВЖМ5-ВИ [001] (о = 360 МПа, Т— 975 °С) после выдержек при высоких температурах.

Рис. 7.20. Длительная прочность образцов из сплава ЖС36-ВИ [001] (о = 340 МПа, Т = 975 °С) после выдержек при высоких температурах Под действием высокой температуры и напряжений в сплавах происходит сращивание частиц у'-фазы и образование рафт-структуры на начальной и установившейся стадиях ползучести. Долговечность сплава будет определяться продолжительностью стационарной стадии, которая контролируется скоростью пластической деформации (скольжение дислокаций в пластинах у-фазы с образованием дислокационных сеток на границах у/у' и перерезанием пластин у'-фазы). Основная часть удлинения (около 99%) при ползучести монокристаллических ЖНС приходится на дислокационную ползучесть, что является классическим случаем для ЖНС с (у + у')-структурой. При этом дислокации скользят и переползают как в областях у-фазы, так и в частицах у'-фазы различного размера. В месте образования шеек образца наблюдается повышенная концентрация пор, особенно в зоне разрушения. В конце стационарной и на ускоренной стадиях ползучести на микропорах зарождаются микротрещины, приводящие к разрушению образца. Микропористость контролирует продолжительность только ускоренной стадии ползучести, вклад которой в общую долговечность мал.

При испытаниях на длительную прочность образцов ЖНС в исходном состоянии (после стандартной термической обработки) происходят следующие процессы: сращивание частиц у'-фазы и образование рафт-структуры, на границе у/у' наблюдаются дислокационные сетки, выделения ТПУ-фаз (рис. 7.21). ТПУ-фазы окружены крупной у'-фазой, потому что в процессе своего роста они поглощают у-образующие элементы сплава (Re, W, Со, Сг) из окружающих областей, что приводит к у-«у' переходу вокруг ТПУ-фаз. В этом состоянии сплавы обладают самой высокой длительной прочностью, так как рафт-структура является барьером для перемещения дислокаций и развития ползучести.

После проведения ПТО сплавов ЖС36-ВИ и ВЖМ5-ВИ в междуосном пространстве образуются сферические гомогенизационные микропоры. При испытании на длительную прочность сплавов эти микропоры растут, приобретают форму вытянувшегося эллипса вдоль оси напряжения и на них зарождаются микротрещины. При ползучести эти микротрещины развиваются перпендикулярно приложенному напряжению (рис. 7.22) и происходит разрушение образца.

Рис. 7.21. Тонкая структура (ПЭМ) сплава ЖС36-ВИ [0011 после ПТО и испытаний на длительную прочность: а, б — (у + у')-структура; в, г — выделения p-фаз на фоне у'-фазы.

Рис. 7.22. Образование микротрещин в сплаве ЖС36-ВИ 10 011 после ПТО (а) и испытаний на длительную прочность (б, в).

В у'-фазе Re практически не растворяется, поэтому преобразование у->у' возможно только после того, как атомы Re покинут свои матричные места (области). Медленная диффузия Re приводит к уменьшению подвижности границ у/у'-фаз и замедлению их огрубления.

Обнаружено влияние объемной доли ТПУ-фаз, выделяющихся в оси дендрита во время высокотемпературных выдержек, на длительную прочность сплавов. Проведен расчет среднего арифметического содержания ТПУ-фазы по результатам измерений в 10 точках размером 100×100 мкм, расположенных в осях дендритной ячейки (рис. 7.23). Объемная доля ТПУ-фаз в структуре сплавов определяется температурно-временным интервалом выдержки.

Рис. 7.23. Объемная доля ТПУ-фазы в оси дендрита образцов из сплава ЖС36-ВИ 10 011.

Установлено, что долговечность монокристаллических образцов сплавов ВЖМ5-ВИ и ЖС36-ВИ при испытаниях на длительную прочность при Т= 975 °C определяется интенсивностью образования ТПУфаз в дендритных осях сплавов при высокотемпературных выдержках (рис. 7.24).

ТПУ-фазы в сплавах обогащены тугоплавкими элементами (Re, W, Мо) и окружены у'-фазой, при этом происходит обеднение у-твердого раствора по Re, W, Мо. Это снижает сопротивление скольжения дислокаций в у-фазе, что приводит к понижению жаропрочности сплава. ТПУ-фазы в сплавах являются концентратами напряжений, и зарождение микротрещин происходит на этих выделениях на третьей (ускоренной) стадии ползучести. Рост трещины и разрушение образцов происходит по границе раздела у'-фаза/ТПУ-фазы (рис. 7.25).

Рис. 7.24. Зависимость объемной доли ТПУ-фазы в оси дендритной ячейки (1) и времени до разрушения (2) при испытаниях на длительную прочность сплава.

ЖС36-ВИ 1001), обусловленная длительностью предварительной выдержки при 1100 °C Тонкая структура сплава ЖС36-ВИ после высокотемпературной выдержки и испытания на длительную прочность показана на рис. 7.26.

Итак, опасным температурным интервалом для долговечности сплавов ВЖМ5-ВИ и ЖС36-ВИ являются длительные выдержки в интервале температур 1050— 1150 °C. Они приводят к формированию сеток эпитаксиальных дислокаций на поверхности раздела у/у'-фаз, огрублению и разупрочнению частиц у'-фазы, выделению многочисленных ТПУ-фаз различной морфологии. Длительная прочность сплавов после рассматриваемых выдержек самая низкая.

Высокотемпературные выдержки при 1200−1300 °С приводят к коагуляции и растворению у'-фазы в сплавах, а при последующем охлаждении на воздухе выделяются новые упрочняющие частицы у'-фазы. Вследствие этого после такой обработки структура сплавов ВЖМ5-ВИ и ЖС36-ВИ сходна с их структурой после неполной гомогенизации и охлаждения на воздухе. ТПУ-фазы не обнаруживаются. Долговечность сплавов при этом немного ниже, чем у сплавов в исходном состоянии после ПТО.

При высокотемпературных выдержках стабильность микроструктуры и фазового состава сплавов ВЖМ5-ВИ [001] и ЖС36-ВИ [0011 является важнейшим фактором, определяющим длительную прочность сплавов.

Рис. 7.25. Структура (РЭМ) сплава ЖС36-ВИ [001] в зоне разрушения после предварительной выдержки при Т— 1100 °C, т = 500 ч и испытаниях на длительную прочность при Т = 975 °C.

⁷*=rr.

Рис. 7.26. Тонкая структура сплава ЖС36-ВИ [001] после высокотемпературных выдержек при Т= 1050 °C, 500 ч (а—в), Т= 1100 °C, 500 ч (г—е) и испытания на длительную прочность:

а, г — рафт-структура у/у'; б, в — p-фаза на фоне у'-фазы и микродифракция от участка, выделенного кружком, со схемой ее расшифровки соответственно; д, е — ТПУ-фаза пластинчатой формы на фоне однородной у'-фазы и микродифракция от участка, выделенного кружком, со схемой ее расшифровки соответственно.