Термодинамическое проектирование свойств литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе


А. А. ГЛОТКА

С. В. ГАЙДУК












ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ


Монография
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 669.018.44
ББК 34.35
     Г54










    Глотка, А. А.

Г54      Термодинамическое проектирование свойств литейных жаро      прочных сплавов на никелевой основе : монография / А. А. Глотка, | С. В. Гайдук |. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 264 с.: ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0536-2


     Определены параметры структурной стабильности традиционными методами PHACOMP и New PHACOMP. Для литейных жаропрочных никелевых сплавов с различным типом легирования выполнены расчеты методом CALPHAD химических составов у- и у'-фаз, а также карбидов. На основе математической обработки данных получены универсальные регрессионные модели для прогнозирования параметров структурной стабильности и соотношения элементов в составе сплава.
     Для инженерно-технических работников в области металловедения и термической обработки. Может быть полезно студентам, аспирантам и преподавателям металлургических специальностей.

УДК 669.018.44
ББК 34.35








ISBN 978-5-9729-0536-2

  © Глотка А. А., |Гайдук С. В. |, 2021
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ГЛАВА 1. Комплексная расчетно-аналитическая методика для проектирования литейных жаропрочных никелевых сплавов.........................5

ГЛАВА 2. Примениение calphad-метода для расчета количества y'-фазы и прогнозирования длительной прочности литейных жаропрочных никелевых сплавов.....32

ГЛАВА 3. Получение прогнозирующих математических моделей для расчета термодинамических параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов...............43

ГЛАВА 4. Математические регрессионные модели для прогнозирующих расчетов коррозионных параметров литейных жаропрочных никелевых сплавов....55

ГЛАВА 5. Применение аналитических методов
   для расчета химического состава y-, y'-ФАЗ и параметров фазовой стабильности литейных жаропрочных никелевых сплавов........................67

ГЛАВА 6. Моделирование термодинамических процессов выделения фаз в монокристаллических жаропрочных никелевых сплавах........................79

ГЛАВА 7. Прогнозирование свойств монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов........................87

ГЛАВА 8. Математическое моделирование высокотемпературной коррозии жаропрочных никелевых сплавов....................................98

ГЛАВА 9. Распределение легирующих элементов в карбидах жаропрочных никелевых сплавов равноосной кристаллизации...........................110

ГЛАВА 10. Специфика распределения элементов в карбидах многокомпонентных никелевых систем равноосной кристаллизации...........................125


3

ГЛАВА 11. Распределение легирующих элементов в структуре жаропрочных никелевых сплавов во вторичных карбидах................................141

ГЛАВА 12. Многокритериальная оптимизация состава жаропрочного литейного коррозионностойкого никелевого сплава для получения лопаток методом направленной (моно) кристаллизации...................157

ГЛАВА 13. Технологически свариваемый литейный жаропрочный коррозионностойкий никелевый сплав.......172

ГЛАВА 14. Применение методов пассивного и активного эксперимента к оценке влияния гафния на характеристические температуры многокомпонентного никелевого сплава.................186

ГЛАВА 15. Исследование влияния гафния на фазовый состав литейного жаропрочного коррозионностойкого никелевого сплава с применением метода пассивного эксперимента.........195

ГЛАВА 16. Оценка влияния тантала на критические температуры в литейном свариваемом жаропрочном никелевом сплаве с применением расчетных и экспериментальных методик................205

ГЛАВА 17. Применение calphad-метода к расчету фазового состава литейного свариваемого жаропрочного коррозионностойкого никелевого сплава с танталом.........................215

ГЛАВА 18. Сравнительные исследования свариваемости литейных жаропрочных никелевых сплавов...............224

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................234


4

ГЛАВА 1. КОМПЛЕКСНАЯ РАСЧЕТНО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ МЕТОДИКА ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ



     В настоящее время в исследовательских центрах ведущих стран мира активно проводятся работы по разработке и внедрению в промышленность новых жаропрочных материалов. К наиболее перспективным материалам для высокотемпературного применения в газотурбостроении относится класс литейных жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС). До сих пор разработка жаропрочных сплавов данного класса осуществлялась эмпи -рическим путем. Определение эмпирическим путем оптимального хи -мического состава, обеспечивающего требуемый комплекс служебных свойств — задача наукоемкая, требующая больших временных и финансовых затрат, а такжепромышленных и человеческих ресурсов. Поэтому, такой подход как «метод проб и ошибок» применительно к сложно -легированным композициям никелевых сплавов типа ЖС практически себя исчерпал [1-3].
     Применение для этих целей методов математического планирования эксперимента позволило существенно сократить количество непосредст-венно изучаемых композиций разрабатываемого сплава. Но в этом случае общее число опытных плавок, которое необходимо провести и изучить для выявления оптимального состава сплава достаточно велико. Вместе с тем, для широкого номенклатурного ряда литейных ЖНС традиционные мето -ды не достаточно полно и универсально отражают влияние химического состава на те или иные свойства, что требует новых концептуальных подходов при разработке материалов данного класса. В последнее время получили широкое развитие методы компьютерного проектирования сплавов [1-9], в основу которых положены известные регрессионные уравнения (РУ) типа «состав-свойство». Однако следует отметить, что остается до конца невыясненным вопрос в подходе к многокритериальной оптимизации состава сложнолегированных композиций литейных ЖНС, обеспечивающей требуемый уровень служебных характеристик. В свою очередь, это требует как дальнейшего развития научных принципов легирования ЖНС, так и совершенствования методов их проектирования с использованием современных компьютерных технологий [1-8, 10-19].
     В связи с этим, в последнее время формальные методы компью-терного проектирования получают все более широкое распространение и становятся необходимым инструментом для материаловедов при раз -работке современных жаропрочных материалов. По существу, традицион -ный метод «проб и ошибок» заменяется экономичным экспрессным

5

методом «делай правильно с первого раза», что позволяет не только нахо -дить новые перспективные композиции, но и модернизировать химические составы известных промышленных серийных марок [1-4, 6-9].
     Цель настоящей работы — разработать экспрессную комплексную расчетно-аналитическую методику (КРАМ) для проектирования литейных ЖНС, включающую в алгоритм, как традиционные методики, так и полученные математические регрессионные модели, позволяющие с высокой степеньюдостоверности проводить прогнозирующие расчеты по группам важнейших параметров, определяющих работоспособность материалов данного класса.
     С целью получения прогнозирующих универсальных математических регрессионных моделей (РМ) для расчета параметров работоспо-собности, была сформирована и обработана база экспериментальных данных широкого номенклатурного ряда литейных ЖНС. Это результаты исследований более 100 композиций серийных отечественных и зарубежных литейных ЖНС с различными схемами легирования, с их экспериментальными значениями структурно -фазовых, физических, температурных, прочностных и коррозионных характеристик [1-3, 9-12], а также значениями параметров (критериев) структурной стабильности, полученных традиционными методиками Phacomp [5, 9], New Phacomp [13], ЛЕ-метод [14,15].
     После математической обработки большого массива экспериментальной базы данных была сделана выборка из 32-х наиболее известных промышленных отечественных и зарубежныхлитейных ЖНС, представ -ляющих 5 поколений сплавов (TMS-71, ЗМИ-3У, CMSX-10, ЖС-32, ЖС-6К, ЖС-6У, ЖС-26, ЧС-70,ВЖМ1, ВЖМ4, ЖС3ЛС, ЖС-32Э, ВЖЛ12Э, CMSX-4, IN-939, GTD-111, IN-738LC, U-500, U-700, Rene N5, Rene N6, CM186LC, CM247LC, Rene 80, PWA1422, PWA1480, ЖСКС-1, ЖСКС-2, CMSX-11B, CMSX-11C, TMS-162, TMS-196). Выборка сплавов осуществлялась с позиций предоставления химических составов с различными системами легирования, охватывающих широкий диапазон по содержанию основных элементов: С = 0-0,18 мас. %; Cr = 2,0-22,5 мас. %; Co = 3,0-19,0 мас. %; Al = 1,9-6,2 мас. %; Ti = 0-5 мас. %; Mo = 0-6,4 мас. %; W = 0-12,0 мас. %; Nb = 0-1,6 мас. %; Ta = 0-12,0 мас. %; Hf = 0-1,5 мас. %; V = 0-1,0 мас. %; Re = 0-9,0 мас. %; Ru = 0-6,0 мас. %, а также экспериментальных данных по группам параметров исследуемых ЖНС [1-3, 9-11].
     В работах [16-22] сформулированы основные концептуальные под -ходы и принципы к разработке алгоритма методики КРАМ при проекти -ровании литейных ЖНС с требуемым уровнем служебных свойств путем многокритериальной оптимизации состава. На основе обработки обширной экспериментальной базы данных литейных ЖНС, представляющих пять поколений сплавов с различными системами легирования,

6

обоснованы основные критерии (параметры), обеспечивающие их работе -способность. Основные параметры работоспособности литейных ЖНС разделенына 6 основных групп: 1 — параметры структурной стабильности; 2 — структурно-фазовые; 3 — физические; 4 — температурные; 5 — коррозионные; 6 — прочностные.
      Анализ экспериментальных данных, полученных отечественной и зарубежной практикой на широком спектре промышленных литейных ЖНС, позволил установить зависимость целого ряда групп важнейших параметров, которые хорошо коррелируют с «мини» легирующими ком -плексами внутри общего химического состава литейных ЖНС. Например: суммарное содержание у-твердорастворных упрочнителей (Ег) и у'-обра-зующих (Sy) элементов [20], объемное количество (Vy)) у'-фазы [21], параметр коррозии (ПКС) ипараметры структурной стабильности Nvᵣ, Mdᵣ, MdC, dE [22].


Рис. 1. Общий алгоритм компьютерного расчета разработанной методики КРАМ для проектирования литейных ЖНС с требуемым уровнем служебных характеристик

     На рисунке 1 представлен общий алгоритм разработанной методики КРАМ для проектирования литейных ЖНС с требуемым уровнем служебных свойств, включающий наряду с известными методиками получен -ные группы математических РМ для прогнозирующих расчетов важнейших параметров, определяющих работоспособность литейных ЖНС (табл. 1).


7

Таблица 1

Основные параметры для многокритериальной оптимизации состава при проектировании литейных ЖНС

                 Контролируемые параметры                   Ед. измер.
Суммарное кол-во электронных вакансий в у-тв. растворе, Nvv    ---    
Суммарное кол-во валентных электронов в у-тв. растворе, Mdy    ---    
Параметр дисбаланса системы легирования, ДЕ = ±0,04            ---    
Суммарное количество валентных электронов в сплаве, MdC        ---    
Удельная плотность сплава, р                                  г/см3   
Мисфит 5 = 2- (a,у - ay)/(ay' + ау)                             %     
Температура солидус, ts                                         °С    
Температура полного растворения у'-фазы, tn.Py'                 °С    
Температура локального плавления эвтектики, tear                °С    
Средняя скорость коррозии, Vq t                              г/м2 • с 
Количество упрочняющей у'-фазы, V/                           %, мас.  
Предел кратковременной прочности, Ов t                         МПа    
Предел длительной прочности, от t                              МПа    

      В результате математической обработки большого массива экспериментальных данных по классу литейных ЖНС с разными системами многокомпонентного легирования был получен ряд универсальных расчет -ных прогнозирующих математических РМ для каждой группы параметров, которые представляют собой зависимости типа «состав-свойство» или «параметр -свойство».
      Математическая обработка расчетных данных по параметрам группы 1 (структурная стабильность) проводилась известными методами [5, 9, 10, 13-15], по параметрам групп 2 и 3 (структурно-фазовые и физические) проводилась CALPHAD-методом [16, 17].
      Математическая обработка экспериментальных данных по параметрам групп 4, 5 и 6 (температурным, коррозионным и прочностным) про -водилась в программном комплексе EXCEL с помощью прикладного па -кета «Регрессионный анализ». Это позволило построить графики функций (линии трендов) и получить математические уравнения регрессионных моделей, которые для каждой конкретной группы оптимально описывают зависимость параметров от величины определенного «мини» легирующего комплекса.


8

Рис. 2. Математические регрессионные модели для расчета параметров структурной стабильности литейных ЖНС — а, б

9

Окончание рис. 2. Математические регрессионные модели для расчета параметров структурной стабильности литейных ЖНС — в

     Полученные универсальные математические РМ позволяют с вы -сокой степенью достоверности проводить прогнозирующие расчеты для соответствующих групп параметров при проектировании как новых сплавов, так и модернизации составов серийных промышленных марок.
     На основании результатов математической обработки данных по химическому составу у-твердых растворов исследованных литейных ЖНС традиционными методами PHACOMP [5, 9], New PHACOMP [13], были получены регрессионные модели для расчета параметров структурной ста -бильности Nvy, Mdy [20]. После обработки данных по параметру дисбаланса системы легирования исследованных литейных ЖНС известным АЕ-методом [14, 15], была получена регрессионная модель для расчета параметра структурной стабильности Mdc по величине параметра АЕ — сбалансированности системы легирования [22].
     На рисунке 2 ив таблице 2 представлены полученные математические РМ для расчета параметров (группа 1) структурной стабильности Nvy, Mdy по величине соотношения Cr / Cr + Mo + W = ПТПУ, а параметра Mdc по величине дисбаланса системы легирования ЛЕ, апробированные наисследованных литейных ЖНС. Расчеты проводились в ат. %.
     Из рисунка 2 видно, что зависимость параметров структурной стабильности (группа 1) Nvy, Mdy от величины соотношения элементов


10

в сплаве _[Cr / Cr + Mo + W] = ПтПу (% ат.), а также зависимость параметра Mdc от величины дисбаланса системы легирования ЛЕ в исследованных ЖНС наиболее оптимально описывается линейной функцией, имеющей общий вид: y = a • x + b.


Таблица 2

Математические регрессионные модели для расчета параметров структурной стабильности (группа 1) литейных ЖНС

   Расч.       Условия        Коэфф.                Вид регрессионной           
 параметр     стабиль-      детермини-              модели (группа 1)           
                ности     рованности, R2                                        
   Птпу          ---      ---              Птпу = [Cr : (Cr + Mo + W)], % ат.   
    Nvv         <2,45     0,9112         Nvv = 1,7346 • (Птпу) + 0,7593         
    Mdv         <0,93     0,9813         Mdv = 0,0975 • (Nvv) + 0,6941          
AE [14, 15]  0,00 ± 0,04  ---            AE = ZEi • Ci--- 0,036 • ZArCi --- 6,28
    Mdc     0,980 ± 0,008 0,9886         Mdc = 0,1879 • (Д E) + 0,9803          

     В таблице 3 представлены результаты расчетов параметров структурной стабильности (группа 1) для промышленного сплава ЗМИ-3У, полученные по регрессионным моделям, приведенным в таблице 1, в сравнении с данными традиционных методов Phacomp, New Phacomp и AE-метода [23].


Таблица 3

Сравнительные значения параметров структурной стабильности (группа 1) для сплава ЗМИ-3У [23]

   Сплав     Параметры структурной стабильности     
   ЗМИ-3У     Птпу    NvY     MdY      ЛЕ     Mdc  
Расчет по PM 0,8421  2,2200  0,9106 + 0,0362 0,9871
Phacomp      ---     2,1431  ---    ---       ---  
New Phacomp  ---      ---    0,9065 ---      0,9833
AE-метод     ---      ---    ---    + 0,0362  ---  

     Расчеты структурно-фазовых (группа 2) и физических (группа 3) параметров проводились с помощью метода CALPHAD [16, 21]. Данный

11

тип термодинамических расчетов позволил установить связь между химическим составом сплава и его фазовым составом, а также физическими параметрами (плотность, модуль упругости, теплопроводность, электри -ческое сопротивление, мисфит и др.).
     В таблице 7 и на рисунке 3 представлены математические регрес-сионные модели для расчета температурных параметров (группа 4), полученных на основе математической обработки экспериментальных данных исследованных ЖНС методом дифференциального термического анализа (ДТА) [1-3, 17-24].
     В таблицах 4-6 для промышленного сплава ЗМИ-3У, взятого в качестве примера, представлены значения термодинамических расчетов структурно-фазовых (группа 2) и физических (группа 3) параметров, полученных CALPHAD-методом с помощью компьютерного моделиро -вания процессов нагрева и охлаждения (кристаллизации), в сравнении с экспериментальными данными [23]. Термодинамические расчеты про -водились для сплава ЗМИ-3У среднего уровня легирования, в результате чего был спрогнозирован его наиболее вероятный фазовый состав, количество фаз и их химический состав.

Таблица 4

Химический состав сплава ЗМИ -ЗУ среднего уровня легирования

   Сплав    Содержание основных легирующих элементов, % масс.          
ЗМИ-ЗУ [23]  C      Co     Cr    Al   Ti   Mo   W     B      Y    Ni  
            0,11   5,0    13,3  3,4  4,8  0,8  7,3  0,015  0,03  Осн. 

Таблица 5

Сравнительные данные расчетных и экспериментальных значений структурно-фазовых параметров (группа 2) для сплава ЗМИ-ЗУ [23]

Тип   Кол-во фаз,  Расчетный химический составфаз при 20 °С, %, масс.          
фаз     % масс.      C      Co      Cr    Al   Ti   Mo      W    B    Y   Ni  
      Расч. Эксп.                                                             
Y-    46,07  ---    ---  9,17      26,05 0,35 0,06  0,52  7,63  ---  --- 56,22
 Y-   50,90 44-52   ---  2,39      2,09  5,62 8,21  0,03  5,65  ---  --- 76,01
MC    0,80   0,9   15,13    ---    0,73  ---  57,69 0,16  26,29 ---  --- ---  
M23C6 2,05  1,9    5,10  1,01      71,54 ---  ---   13,45 5,13  ---  --- 3,77 
M3B2  0,18  0,2     ---     ---    21,84 ---  ---   63,88 6,02  8,08 --- 0,18 

12