ВЖЛ22 с 2 % рения: как скорость и температуры заливки влияют на выход годных монокристаллов

За последние 15–20 лет, пишут авторы, главные успехи в литейных жаропрочных никелевых сплавах связаны с углеродсодержащими сплавами с пониженным содержанием рения – для лопаток и с равноосной, и со столбчатой, и с монокристаллической структурой. Рений дорог, а снизить его, не потеряв жаропрочности, – задача, над которой работают все.

ВЖЛ22 – такой сплав ВИАМ: 2 % рения по массе, высокая фазовая стабильность и повышенная жаропрочность. Удельная длительная прочность его монокристаллов с ориентацией <001> при 1000 °C за 100 часов – около 28 МПа/(г/см³). Но чтобы получить эти свойства в лопатке, нужно сначала научиться стабильно отливать из нового сплава годный монокристалл. Этому и посвящена первая часть работы; механические свойства обещаны во второй.

Что такое годный монокристалл

Авторы напоминают, от чего зависит результат. Монокристаллические отливки после направленной кристаллизации имеют ячеисто-дендритное строение с заметной неоднородностью внутри ячеек. Рений, вольфрам, рутений и кобальт уходят в оси дендритов, а хром, молибден, титан, алюминий, тантал, ниобий и гафний – в междендритные участки: первые повышают температуру плавления никеля, вторые снижают. Отсюда неравновесная эвтектическая γ′-фаза и литейные поры между дендритами. Выход годных, совершенство монокристалла, неоднородность, поры, эвтектика и размер дендритных ячеек сильно зависят от параметров литья.

Годным монокристаллом в работе считается отливка, у которой ось <001> отклонена от оси отливки не больше чем на 10°, разориентация кристаллитов внутри монокристалла не больше 3°, а на поверхности нет большеугловых и малоугловых границ, ликвационных полос (фреклов), «прострелов», равноосных зёрен и других дефектов роста.

Как ставили опыт

Отливали цилиндрические образцы диаметром 15 мм и длиной около 165 мм со стартовым конусом – по девять в блоке, на затравках из сплава системы Ni–W с ориентацией <001>. Сплав выплавлен в вакуумной индукционной печи по технологии для ренийсодержащих сплавов. Установка – промышленная типа УВНК: форма с расплавом перемещается из зоны нагрева через тепловой экран в жидкий алюминий (метод жидкометаллического охлаждения, LMC).

Три фактора варьировали по ортогональному плану второго порядка: 2³ + 2·3 + 1 = 15 режимов. Основные уровни:

• скорость кристаллизации – 4, 7 и 10 мм/мин;
• температура расплава в форме перед началом кристаллизации (задаётся нижним нагревателем) – 1580, 1605 и 1630 °C;
• температура расплава в тигле перед заливкой – 1600, 1640 и 1680 °C.

Кроме восьми угловых точек и центра план содержит шесть «звёздных» точек на 1,215 интервала от центра – по каждому фактору чуть шире основного диапазона. Остальные параметры оставляли такими, как обычно при литье лопаток из ренийсодержащих сплавов на этих установках.

План эксперимента

15режимов, по одной плавке на каждый

9отливок в блоке

3,4–10,6 мм/миндиапазон скоростей с учётом звёздных точек

1,52°средняя разориентация кристаллитов, не зависящая от режима

Выход годных определяли по макроструктуре после травления в растворе соляной кислоты и перекиси водорода. Ориентацию мерили рентгеном на дифрактометре ДРОН-4 методом качания по отражениям (004), на поперечном срезе стартового конуса; по кривым качания считали и отклонение оси <001>, и разориентацию кристаллитов. Доли пор и эвтектики и расстояние между осями дендритов мерили на шлифах.

Что получилось

Полная таблица результатов из статьи – ниже. Значения факторов в звёздных точках мы пересчитали из кодов плана; «–» – доля эвтектики в этих опытах не определялась.

По этим данным построены регрессионные модели, и выводы авторов такие:

• снижение скорости с 10 до 4 мм/мин при всех температурах заметно повышает выход годных;
• максимум выхода – в середине температурного интервала, при 1640 °C в тигле и 1605 °C в форме;
• отклонение оси <001> зависит только от температуры в тигле: при её отходе от среднего значения в любую сторону отклонение уменьшается;
• разориентация кристаллитов, пористость и доля эвтектики в выбранном диапазоне статистически не менялись и в среднем составили 1,52°, 0,12 и 3,0 % (объёмн.);
• сильнее всего на расстояние между осями дендритов влияет скорость: с её ростом оно уменьшается, а отход температур от средних значений это влияние усиливает.

Любопытно, что в таблице видна и обратная сторона высокой скорости: худший выход годных, 0,33, – в опыте 2, при 10 мм/мин и самых низких температурах.

Какая получается структура

Сплав в отливках имеет обычное дендритно-ячеистое строение из дендритов первого и второго порядков и междендритных пространств. Оси дендритов первого порядка идут вдоль оси отливки или отклонены от неё на небольшой угол. Матрица – никелевый γ-твёрдый раствор, упрочнённый кубоидными частицами γ′-фазы на основе Ni₃(Al, Ta); в дендритах эти частицы мельче, чем между ними. В междендритных пространствах – пластинчатые МС-карбиды на основе тантала и эвтектическая (перитектическая) γ′-фаза.

Где границы

Это цилиндрические образцы, а не лопатки с полками и стержнем. Одна установка и один тип охлаждения. По девять отливок на режим – небольшая выборка для оценки выхода годных: один брак меняет долю на 0,11. Регрессионные модели верны только внутри изученного диапазона, и экстраполировать их нельзя.

Работа полезна как ориентир окна режимов для ренийсодержащих сплавов этого класса на жидкометаллическом охлаждении и как пример того, как план эксперимента даёт количественную картину по трём параметрам за 15 плавок вместо перебора.