Анализ методик оптимизации составов жаропрочных сплавов на основе никеля

Жаропрочные сплавы (суперсплавы) на никелевой основе благодаря значительной высокотемпературной прочности вплоть до температур порядка 1000 °С, термической стабильности и высокому сопротивлению коррозии широко используются в аэрокосмической отрасли и энергетике для изготовления деталей ракетных двигателей и газовых турбин [1, 2].

Основным требованием к таким сплавам является стабильность фазовой структуры твёрдого раствора на основе никеля, упрочняющих γ′-фазы и карбидных фаз. Особенностями такого типа сплавов являются сложность состава матричной γ-фазы, имеющей никель-хромовую основу, а также неустойчивость (изменчивость) структуры при термической обработке и высокотемпературной эксплуатации, обусловленную взаимодействием матрицы и упрочняющих карбидных и интерме-таллидных фаз.

Марочный состав сплавов всегда характеризуется определёнными интервалами допустимых колебаний концентраций компонентов сплава. Как правило, эти интервалы столь широки, что свойства сплавов, формально относимых к одной марке, могут очень сильно отличаться. В связи с этим актуальной является задача оптимизации составов сплавов, сужение коридора их легирования, опираясь на различные аналитические методики.

В силу сложности и многокомпонентности жаропрочных никелевых сплавов полноценный термодинамический анализ фазовой стабильности этих систем с помощью построенных диаграмм состояния (таких, например, как представленные в работах [3–6]) в настоящее время очень затруднён.

Известны методики, позволяющие оценивать фазовый состав никелевых суперсплавов по данным об их составе и представлениям об их электронной структуре на предмет определения того, выделяются ли в объёме таких сплавов вредные, топологически плотноупакованные (ТПУ) фазы, и каково количество образующихся полезных упрочняющих фаз. К числу таких методик относится известный с 60-х годов XX века метод PHACOMP, а также принципиально подобные методы, которые позволяют учесть неоднородность распределения легирующих элементов в микроструктуре сплава, связывание легирующих добавок в карбидные и другие фазы и т. п. (new-PHACOMP, Solubility index, метод расчёта дисбаланса легирования Г.И. Морозовой). При этом, несмотря на значительные успехи в предсказании условий неустойчивости фазового состава никелевых суперсплавов, в этой области остаётся много нерешённых проблем.

Основной целью настоящего исследования стало сопоставление различных опирающихся на электронную структуру компонентов, методик оценки фазовой стабильности жаропрочных никелевых сплавов.

В ходе настоящей работы разные алгоритмы оценки фазовой стабильности никелевых суперсплавов реализованы в виде проектов в среде Mathcad. Для 75 различных традиционных отечественных и зарубежных никелевых суперсплавов (использованы составы, представленные в [1] и [2]) рассчитаны значения параметров Nν (PHACOMP) [1], Md и Bo, а также Mdγ (New-PHACOMP [7]), ΔE (метод расчёта дисбаланса легирования [8–10]). Для вычисления количественных соотношений между фазами, образующими структуру сплава (γ и γ′-фазы, различные карбиды и бориды), использован модифицированный алгоритм, описанный в работе [1].

Некоторые результаты проведённых расчётов и последующего их сопоставления представлены на рис. 1–4.

Сопоставление параметров использованных методик позволило обнаружить, что зависимость между любой парой параметров из Nν, Md, Mdγ, ΔE оптимальным образом аппроксимируется полиномом первой степени. При этом во всех парах наблюдаются достаточно высокие по модулю линейные коэффициенты корреляции (от 0,7806 до 0,8863). Это позволяет сделать вывод о принципиальной эквивалентности рассматриваемых методик и о возможности оценки значений критических параметров одной методики, опираясь на известные критические значения другой. Известно, что автор метода расчёта дисбаланса легирования [8–10] рекомендует, чтобы значение ΔE никелевых сплавов находилось в интервале от –0,04 до 0. Нетрудно посчитать, что в этом случае оптимальное

Рис. 1. Сопоставление рассчитанных значений параметров Md (New-PHACOMP) и Nν (PHACOMP) никелевых суперсплавов (точки) и аппроксимирующая прямая ( Nν = 5,3208Md – 2,8436 ). Коэффициент корреляции r = 0,7806

Mdγ

Рис. 2. Сопоставление рассчитанных значений параметров Mdγ (New-PHACOMP) и ΔE (метод расчёта дисбаланса легирования) никелевых суперсплавов (точки) и апп оксими ю ая п ямая ( ΔE = –5 4336Md + 4 9504 ). Ко

Md

Рис. 3. Сопоставление рассчитанных значений параметров Md (New-PHACOMP) и ΔE (метод расчёта дисбаланса легирования) никелевых суперсплавов (точки) и аппроксимирующая прямая ( ΔE = –4,3875Md + 4,1958 ). Коэффициент корреляции r = –0,8545

ис. . опоставление расч тного значения доли атомов в составе упрочняющей γ ′ -фазы от общего количества атомов сплава со значением ΔE никелевых суперсплавов. Аппроксимация полиномом третьей степени

значение Md должно лежать в пределах от 0,956 до 0,965 (рядом с этим интервалом находится максимум вычисленного значения доли атомов, входящих в состав γ′-фазы, рис. 4).

Особенно интересным представляется тот факт, что высокие значения линейного коэффициента корреляции характерны не только в парах Nν и Mdγ, Md и ΔE, т. е. между параметрами, вычисляемыми исходя из рассчитываемого состава матричной γ-фазы, и параметрами, вычисляемыми исходя из общего состава сплава соответственно, но и в парах, образованных разнородными параметрами. Это даёт основания при оптимизации состава сплава в некотором приближении отказаться от вычисления состава γ-фазы. Сама эта процедура существенно зависит от состава сплава и допускаемых предпосылок и даёт неоднозначные результаты. Отказ от неё значительно упрощает процесс расчёта и, судя по результатам нашего сопоставления, практически не влияет на точность оценок.

Важным с точки зрения оптимизации составов никелевых суперсплавов параметром является их плотность. Для упрочнения γ-фазы используются тяжёлые элементы, такие как вольфрам, рений, тантал, молибден. В то же время увеличение массы вращающихся деталей (лопаток и дисков) газовых турбин нежелательно.

В работе [11] предложена формула для расчёта плотности монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов исходя из их средней атомной массы (A c ):

d (г/см³) = 0,144A c .

Проведённое нами сопоставление результатов расчёта по этой формуле для 21 литейного сплава из [1] c литературными значениями демонстрирует удовлетворительную сходимость данных и, следовательно, применимость приведённой выше формулы для такого рода сплавов (рис. 5). Моделирование плотности деформируемых сплавов, вероятно, требует использования иной зависимости.

Расчитанная плотность сплавов (г/см3)

Рис. 5. Сопоставление рассчитанных по формуле из [11] и литературных [1] значений плотностей 21 литейного никелевого суперсплава (точки) и аппроксимирующая прямая. Коэффициент корреляции r = 0,9810

..                                                               , для 53 деформируемых никелевых суперсплавов (точки) и аппроксимирующая прямая. Коэффициент корреляции r = 0,9184

Используя данные о составах 53 зарубежных и отечественных деформируемых никелевых суперсплавов [1, 2] и литературные значения плотностей этих сплавов, в настоящей работе получили следующее выражение, связывающее их среднюю атомную массу с плотностью:

d (г/см³) = 0,112A c + 1,887.

Результаты расчёта по этой формуле представлены в виде линии на рис. 6. Следует отметить, что для деформируемых сплавов наблюдается существенно больший разброс фактических значений плотностей относительно расчётных, нежели для литейных сплавов. Из 53 сплавов ошибка более 1 % наблюдалась для 19 сплавов, а из них для 3 сплавов ошибка превысила 2 % (у литейных ошибка более 1 % наблюдалась для 4 из 21 сплава).

Опираясь на представленные результаты, а также на некоторые другие, полученные в ходе работы данные, были разработаны проекты для среды Mathcad, позволяющие для сложных многокомпонентных сплавов, характеризуемых значительными допустимыми колебаниями концентраций легирующих элементов, находить такие составы, которые соответствуют оптимальным значениям специальных параметров методик оценки.

Работа осуществлена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 11-08-12046-офи-м-2011.