Comparative analysis of the complex of properties of nickel-based superalloy

Abstract

EN: Purpose. To conduct comparative studies of the complex of physico-mechanical properties of the imported alloy N-155 and the domestic alloy ЗМІ-11 in order to increase the service life of the rotating blades. To conduct comparative tests on the short-term and long-term strength of the alloys in the initial state (after heat treatment), to conduct comparative tests on the short-term and long-term strength of the alloys after prolonged thermal action at T = 850 C, 950 C for 1000, 3000, 5000 hours and to conduct research by metallographic method and micro-X-ray spectral analysis of the microstructure and phase composition of the alloys. Research methods. Alloy samples were made from ingots weighing 10 kg in a vacuum induction furnace УППФ-3M in an argon environment at a pressure of 1.4–5.3 Pa in crucibles with the main lining with simultaneous pouring of samples of equiaxed crystallization. Chemical analysis was carried out by standard methods in accordance with the requirements of TU 14-1689-73 and OST 1.90127-85. Microstructure studies were carried out on microsections, the plane of which was oriented normal to the surface on a light optical microscope “Olympus IX-70” with a digital video camera “ExwaveHAD color video camera Digital Sony” at magnifications ×200, ×500, ×1000. Strength tests (GOST 1497-61, GOST 9651-61, GOST 1497-84) were carried out on standard cylindrical samples (diameter of the working part 5 mm, length 25 mm) at temperatures 200, 800, 900 and 1000C on a УМЕ-10TM brand tensile machine. Long-term strength tests (GOST 10145-81) were carried out on standard cylindrical samples at temperatures 800, 900, 10000 C and corresponding loads 600, 400, 180 MPa on an AIMA-5-2 machine. Obtained results. It was found that during tests at 800 and 900С, the tensile strength of the N-155 alloy is 1.2 times lower than that of ЗМІ-11, and the long-term strength is 5.2 times lower, respectively. It was shown that the amount of the strengthening phase in the ЗМІ-11 alloy is 6…10 % more, evenly distributed throughout the alloy body. It was established that in the composition of the strengthening phase of the ЗМІ-11 alloy, the concentration of chromium, tungsten, and molybdenum remains practically unchanged and does not depend on the presence of niobium. At the same time, in the composition of the strengthening phase of the ЗМІ-11 alloy, the concentration of cobalt increases by 1.4 times, and the concentration of aluminum and titanium decreases by 1.1 times compared to the N-155 alloy. It was established that in the process of dissolving non-equilibrium eutectic precipitates, microvolumes arise, locally supersaturated with tungsten, chromium, and titanium, in which the probability of the formation of carbides on a more complex basis increases. It was found that during prolonged thermal action carbides based on tantalum TaC and on a mixed basis (Ta, Ti) C in the ЗМІ-11 alloy are thermally more stable than carbides in the N-155 alloy. Scientific novelty. The obtained results allow us to understand the thermodynamics of phase formation processes in two alloying systems and to establish the relationships between alloying elements concentration and the phase composition of the alloy. Practical value. The obtained results allow us to recommend the domestic ЗМІ-11 as a substitute for the foreign alloy N-155 without loss of properties and service life. UK: Мета роботи. Провести порівняльні дослідження комплексу физико-механічних властивостей імпортного сплаву N-155 і вітчизняного сплаву ЗМІ-11 з метою збільшення ресурсу роботи лопаток, що обертаються. Провести порівняльні випробування на короткочасну і тривалу міцність сплавів в початковому стані (після термообробки), провести порівняльні випробування на короткочасну і тривалу міцність сплавів після тривалої теплової дії при Т = 850 С, 950 С впродовж 1000, 3000, 5000 годин. Методи дослідження. Зразки сплавів виготовляли зі зливків вагою 10 кг у вакуумній індукційній печі УППФ-3М в середовищі аргону при тиску 1,4–5,3 Па в тиглях з основним футеруванням з одночасною заливкою зразків рівновісної кристалізації. Хімічний аналіз проводили стандартними методами згідно з вимогами ТУ 14-1689-73 і ОСТ 1.90127-85. Дослідження мікроструктури проводили на мікрошліфах, площина яких орієнтована по нормалі до поверхні на світловому оптичному мікроскопі «Olympus IX-70» з цифровою відеокамерою «ExwaveHAD color video camera Digital Sony» при збільшеннях ×200, ×500, ×1000. Випробування міцності (ГОСТ 1497-61, ГОСТ 9651-61, ГОСТ 1497-84) проводили на стандартних циліндричних зразках (діаметр робочої частини 5мм, довжина 25мм) при температурах 200, 800, 900 і 1000 С на розривній машині марки УМЭ-10ТМ. Випробування на тривалу міцність (ГОСТ 10145-81) проводили на стандартних циліндричних зразках при температурах 800, 900, 1000С і відповідних навантаженнях 600, 400, 180 МПа на машині АИМА-5-2. Отриманні результати. Встановлено, що при випробуваннях 800 та 900С границя міцності сплаву N-155 в 1.2 рази нижча ніж ЗМІ-11, а довготривала міцність в 5.2 рази менша відповідно. Показано, що кількість зміцнючої фази в сплаві ЗМІ-11 більше на 6…10 %, з рівномірним розподілом по тілу сплаву. Встановлено, що у складі зміцнюючої фази сплаву ЗМІ-11 концентрація хрому, вольфраму і молібдену залишається практично незмінною і не залежить від наявності ніобію. В той же час, у складі зміцнюючої фази сплаву ЗМІ-11 підвищується концентрація кобальту в 1,4 разу і знижується в 1,1 разу концентрація алюмінію і титану в порівнянні із сплавом N-155. Встановлено, що в процесі розчинення нерівноважних евтектичних виділень виникають мікрооб’єми, локально пересичені вольфрамом, хромом, титаном, в яких підвищується вірогідність утворення карбідів на складнішій основі. В ході досліджень було встановлено, що в процесі тривалої теплової дії карбіди на основі танталу TaC і на змішаній основі (Ta, Ti) C в сплаві ЗМІ-11 термічно стабільніші, ніж карбіди в сплаві N-155. Наукова новизна. Отримані результати дають змогу зрозуміти термодинаміку процесів фазоутворення в двох системах легування та встановити залежності між легуючими елементами та фазовим складом сплаву. Практична цінність. Отримані результати дають змогу рекомендувати як замінника закордонним N-155 на вітчизняний ЗМІ- 11 без втрати властивостей та ресурсу експлуатації.