The influence of changes in the value of the heatinput on the structural features of ZHS6U alloy products formed by the .pdf Введение Жаропрочные стали и сплавы на основе никеля и кобальта являются востребованными материалами в производстве компонентов горячего тракта газотурбинных двигателей и установок. Подобные сплавы обладают высокими значениями таких свойств, как длительная прочность, стойкость к высокотемпературной ползучести и коррозии [1-3]. При производстве изделий, работающих в подобных экстремальных условиях, стараются добиться формирования монокристаллической либо направленной структуры [3]. В настоящее время изделия с подобной структурой получают литьем по технологии Бриджмена - Стокбаргера, заключающейся в медленном перемещении кристаллизующейся заготовки из зоны нагрева в зону охлаждения. Так как охлаждение при подобном подходе осуществляется только за счет радиационного отвода тепла, то и температурные градиенты у фронта кристаллизации достигают небольших значений (10-20 °С/см). Данная технология получила развитие в виде процесса направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем. Отличие от традиционного метода Бриджмена - Стокбаргера заключается в том, что зона охлаждения представлена расплавом легкоплавкого материала в виде алюминия или олова. Новый подход позволяет увеличить значение температурного градиента до 200 °С/см [4]. Тенденция повышения температурного градиента обусловлена возможностью уменьшить размеры дендритов (расстояние между осями дендритов первого порядка), пористость, а также снизить дендритную ликвацию [5]. В последние годы происходит активное развитие аддитивных технологий [6]. За это время выделилось несколько подходов к формированию изделий из чистых металлов и сплавов на их основе. Так, в качестве теплового источника могут выступать электронный пучок, лазерный луч или электрическая дуга. Материал может подаваться в зону плавления в виде порошка или проволоки, или же процесс формирования происходит в порошковой ванне [6]. Аддитивные технологии привлекательны тем, что позволяют снизить объемы отходного материала, упрощают формирование изделий сложной геометрической формы, а также дают возможность комбинировать разнородные исходные материалы (за счет последовательной или параллельной подачи филаментов). Аддитивное производство характеризуется локальностью процессов плавления и кристаллизации, что приводит к увеличению значений температурного градиента и скорости охлаждения. В связи с этим появились работы, посвященные формированию изделий с направленной либо монокристаллической структурой методами аддитивных технологий [7]. Одно из направлений применения направленной кристаллизации в аддитивном производстве - залечивание дефектов изделий, полученных традиционным литьем. Второе направление - формирование новых изделий с применением монокристаллических подложек. Так как после завершения аддитивного процесса подложку необходимо удалять от конечного изделия, то использование монокристаллических подложек значительно увеличивает стоимость производства. В связи с этим появляется интерес реализации направленной кристаллизации аддитивными методами с применением подложек из более доступных материалов. 1. Материалы и методы Формирование аддитивного изделия происходило при помощи установки проволочного электронно-лучевого аддитивного производства, разработанной в ИФПМ СО РАН [8]. В качестве исходного материала выступали прутки литого сплава ЖС6У (марочный химический состав представлен в табл. 1). Таблица 1 Марочный химический состав сплава ЖС6У, вес. % [9] Cr C Al Ti W Nb Co Fe 8.0-9.5 0.13-0.2 5.1-6.0 2.0-2.9 9.5-11.0 0.8-1.2 9.0-10.5 ≤ 1 Mo Ni Остальное (Si, S, Mn, P, Ce, Zr, B, Pb, Bi, Y) 1.2-2.4 Основа До 0.93 Данный сплав относится к жаропрочным сплавам первого поколения, при его разработке предполагалось получение деталей авиационных двигателей с равноосной структурой. Однако, как показали предыдущие исследования [10, 11], аддитивные технологии позволяют добиться направленной структуры изделий из жаропрочных сплавов первого и второго поколений. В работе [10] процесс аддитивного формирования изделия из жаропрочного сплава проходил на подложке из аустенитной стали 12Х18Н9 в вакууме. Прутки исходного материала поочередно подавались в фокус электронного пучка, где происходило их плавление. При перемещении рабочего стола и подъеме системы подачи прутков осуществлялось послойное формирование аддитивного тонкостенного изделия. Основные технологические параметры электронно-лучевого аддитивного процесса были следующие: ускоряющее напряжение и скорость перемещения рабочего стола не менялись при печати одного изделия; ток пучка монотонно уменьшался по мере увеличения высоты изделия, что связано с необходимостью снижать погонную энергию [12] вследствие снижения теплоотвода. Стоит также отметить, что при печати изделия № 2 применялось динамическое изменение тока пучка. То есть в начале и в конце формирования каждого из слоев значение тока пучка снижалось на 1-2 мА относительно значения в середине слоя. Готовые изделия содержали 20 аддитивно нанесенных слоев и имели высоту 4.19 см (изделие № 1) и 4.53 см (изделие № 2). Технологические параметры аддитивного процесса, используемые при получении изделий, приведены в табл. 2. Таблица 2 Технологические параметры аддитивного процесса Маркировка изделия Ускоряющее напряжение, кВ Скорость перемещения рабочего стола, мм/мин Ток пучка, мА № 1 30 20 Первый слой: 28 Последний слой: 16 № 2 30 20 Первый слой: 25 Последний слой: 10 Из полученных изделий вырезались образцы для последующего исследования макро- и микроструктуры, химического и фазового состава методами световой микроскопии и растровой электронной микроскопии (РЭМ). Для оценки величины температурного градиента производили измерения расстояний между осями дендритов первого порядка. С целью выявления структуры после шлифовки и полировки образцы подвергались химическому травлению в реактиве Марбле (20 мл HCl, 5 г CuSO4•5H2O и 80 мл H2O) и последующему исследованию при помощи светового микроскопа. Изучение тонкой структуры и определение фактического химического состава структурных элементов проводили при помощи растровых электронных микроскопов Zeiss LEO EVO 50 и Tescan MIRA 3 LMU, оснащенных энергодисперсионными рентгеновскими спектрометрами Oxford Instruments Ultim Max 40. 2. Результаты и их обсуждение Внешний вид изделий из жаропрочного сплава представлен на рис. 1. Полученные изделия в форме стенок не содержали поверхностных макродефектов в виде трещин, непроплавов и отслоений. У изделия № 1 наблюдается нарушение геометрии. Рис. 1. Внешний вид изделий из жаропрочного сплава ЖС6У, сформированных методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии: а - изделие № 1; б - изделие № 2 Основные параметры электронно-лучевого аддитивного процесса - ускоряющее напряжение (U, кВ), ток пучка (I, мА) и скорость перемещения рабочего стола (v, мм/мин), удобно выражать через погонную энергию (Q, кДж/мм) [13]: . (1) С учетом выражения (1) и данных табл. 2 видно, что погонная энергия меняется по мере увеличения высоты следующим образом: в изделии № 1 от 2.79 до 1.08 кДж/мм, в изделии № 2 от 2.25 до 0.90 кДж/мм. При формировании изделий использовалась однонаправленная печать (слои наносились последовательно друг на друга в одном направлении) и было нанесено 20 слоев, однако уменьшение погонной энергии (в случае изделия № 2) привело к меньшему отклонению от заданной геометрии и большей высоте конечного изделия. На рис. 2 приведено изображение макроструктуры изделия № 1 в продольном сечении. Видно, что в макроструктуре выявляются колонии дендритов, растущие эпитаксиально через слои от подложки в направлении аддитивного выращивания (АВ). При этом наблюдается наклон в направлении печати (НП) в слоях. Рис. 2. Макротруктура изделия № 2 из сплава ЖС6У, полученного методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии. Стрелки указывают направление АВ и НП Ранее проведенные исследования показали, что наклон колоний дендритов в направлении печати обусловлен искривлением фронта кристаллизации [10]. В свою очередь, неплоская вогнутая форма фронта кристаллизации является следствием достаточно быстрого движения фронта кристаллизации в аддитивном процессе. Характерной чертой структуры аддитивного изделия также является наличие ярко выраженных границ слоев и ванн расплава, схематично показанных на рис. 2 штриховыми прямыми и кривыми линиями соответственно. Микроструктура материала аддитивных изделий отличается от исходного материала в литом состоянии меньшими размерами структурных элементов в виде дендритов и выделений вторичных фаз, а также единым направлением роста осей дендритов первого порядка и значительным измельчением осей второго порядка (рис. 3). На границе с подложкой (в области максимального температурного градиента) наблюдаются наиболее тонкие дендриты без осей второго порядка. Данные изменения обусловлены тем, что процесс кристаллизации в аддитивных технологиях носит локальный характер, что, в свою очередь, приводит к повышению температурного градиента на фронте кристаллизации и, как следствие, к увеличению скорости охлаждения. Стоит отметить, что изделие № 2 имеет более выраженный направленный рост дендритов. Рис. 3. Микроструктура сплава ЖС6У в исходном литом состоянии (а) и в изделиях, полученных методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии: б - изделие № 1; в - изделие № 2 Удобной структурной характеристикой материала изделий с направленной структурой является расстояние между осями дендритов первого порядка (λ1, мкм) [5]. В случае литого материала λ1 ≈ 200 мкм, для изделия № 1 оно изменяется от 18.7 мкм у подложки до 48.4 мкм у верхнего торца изделия, а для изделия № 2 в аналогичных локациях от 22.5 до 46.0 мкм. Зависимости расстояний между осями дендритов первого порядка от расстояния до подложки изделий представлены на рис. 4. Видно, что в случае изделия № 1 имеет место монотонное увеличение λ1, в то время как в изделии № 2 λ1 значительно возрастает только на двух последних слоях. Очевидно, что отличия в расстояниях между осями дендритов первого порядка связаны со значениями подведенной погонной энергии и применением динамического изменения тока электронного пучка в случае изделия № 2. Увеличение λ1 по мере удаления от подложки (высоты изделия) зависит от уменьшения отвода тепла в подложку посредством теплопроводности и возрастающей радиационной составляющей, что более подробно рассмотрено в работе [10]. Рис. 4. Зависимости средних расстояний между осями дендритов первого порядка от расстояний до подложки в изделиях № 1 (а) и № 2 (б) Как было отмечено выше, при формировании изделия № 2 ток электронного пучка менялся в пределах каждого из слоев изделия. Для выявления отклика структуры на эти изменения проводились дополнительные исследования средствами световой и сканирующей электронной микроскопии одного из слоев, локализованного на расстоянии около 20 мм от подложки. Было установлено, что λ1 (расстояние между осями дендритов первого порядка) в начале этого слоя имеет значение 27.7, к середине слоя оно монотонно уменьшается до 20.0 мкм, а затем также монотонно возрастает до 33.0 мкм в конце слоя. Для изделия № 1 (где ток пучка был постоянен при формировании каждого из слоев) λ1 монотонно возрастает от 28.6 мкм в начале слоя до 37.15 мкм в конце без заметного снижения значения λ1 в середине слоя. Очевидно, что большие значения λ1 в начале и в конце слоя (вблизи от боковых торцевых поверхностей изделия) в случае изделия № 2 обусловлены возрастанием вклада радиационной составляющей теплоотвода через свободные поверхности изделия. Отметим, что в материале изделия № 2 выявляется заметно бóльшая доля колоний дендритов с большеугловыми разориентировками относительно друг друга, чем в изделии № 1. Руководствуясь оцененными значениями λ1 и особенностями выявленной микроструктуры, можно утверждать, что в изделии № 1 в пределах одного слоя формируется более стабильная структура. Для определения величин температурных градиентов применяли зависимость λ1 от параметров кристаллизации [14]: , (2) где G - температурный градиент, °C/см; R - скорость кристаллизации, мм/мин. Как видно из выражения (2), при постоянной скорости кристаллизации основное влияние на изменение λ1 оказывает температурный градиент. Учитывая экспериментально определенные величины λ1 и принимая R за скорость перемещения рабочего стола, были вычислены значения температурных градиентов в процессе формирования аддитивных изделий. Для изделия № 1 температурный градиент по мере увеличения высоты уменьшается с 577 до 15 °C/см, а для изделия № 2 - с 284 до 18 °C/см. В исследованиях различных авторов, например [10, 15, 16], было установлено, что в последних слоях изделий, полученных с помощью аддитивных технологий, всегда образуются равноосные структуры либо сильно разориентированные колонии дендритов. Применительно к изделиям с направленной структурой эти области, как правило, удаляются на финишной стадии изготовления. Следовательно, особенности структуры последних слоев аддитивных изделий можно не учитывать. В результате было установлено, что оптимальные значения расстояний между осями дендритов первого порядка для изделия № 2 лежат в пределах 22.5-26.3 мкм, что соответствует диапазону температурных градиентов 284-156 °C/см. В процессе комплексных РЭМ-исследований средствами энергодисперсионного спектрального микроанализа был определен химический состав различных структурных элементов материалов в исходном литом состоянии и в аддитивных изделиях. Было установлено, что сплав ЖС6У имеет следующие структурно-фазовые составляющие: оси дендритов, междендритное пространство, карбиды типа МС (где M - Ti, Nb, W) и типа М6С (где M - Cr, Mo, W). Экспериментально выявленный химический состав структурно-фазовых составляющих сплава представлен в табл. 3. Таблица 3 Химический состав структурных элементов материала ЖС6У в исходном литом состоянии и в материале аддитивных изделий, вес. % Материал Структурные элементы Al Ti Cr Co Ni Nb Mo W Исходный слиток Дендриты 12.50 2.14 9.91 10.42 59.87 0.24 0.99 3.83 Междендритное пространство 13.17 3.49 11.28 9.44 58.65 0.53 1.34 2.13 МС карбиды 0.82 54.49 1.55 0.62 4.32 17.74 3.31 17.28 М6С карбиды 1.45 3.78 35.89 3.25 10.36 4.10 22.72 18.42 Изделие № 1 Дендриты 11.84 2.44 10.59 10.32 60.39 - 1.04 3.91 Междендритное пространство 12.29 3.53 10.09 9.73 61.07 - 0.98 2.96 МС карбиды - 42.89 4.07 1.86 11.24 21.21 - 18.76 М6С карбиды 2.92 4.43 24.23 5.82 27.96 - 13.75 20.89 Окончание табл. 3 Материал Структурные элементы Al Ti Cr Co Ni Nb Mo W Изделие № 2 Дендриты 11.26 1.99 9.66 10.74 60.43 0.22 0.96 4.25 Междендритное пространство 11.93 2.67 10.28 10.23 59.64 0.36 1.04 3.44 МС карбиды 1.87 41.89 4.20 2.15 13.33 13.27 4.47 18.66 Как видно из табл. 3, переход от литьевого производства к аддитивным технологиям не оказывает влияния на распределение химических элементов в различных структурно-фазовых составляющих сплава ЖС6У. То же самое можно сказать и об изменении параметров проволочного электронно-лучевого аддитивного производства (сравнивая изделия № 1 и 2), выражающемся в изменении величины погонной энергии. Стоит отметить, что в изделии № 2 методом РЭМ не было обнаружено карбидов типа М6С вследствие их значительного измельчения. Это требует проведения более тонких исследований фазового состава в дальнейшем. Заключение В ходе проведения исследований получены изделия из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У методом проволочной электронно-лучевой аддитивной технологии. Установлено, что в условиях локальной металлургии структурно-фазовое состояние материала аддитивных изделий крайне чувствительно к изменениям технологических параметров аддитивного процесса. Выявлено, что, несмотря на управляемое уменьшение погонной энергии по мере послойного формирования изделий, происходит монотонное укрупнение размеров основных структурных элементов материала изделий из жаропрочного никелевого сплава в виде осей дендритов первого порядка. Показано, что сочетание монотонного уменьшения погонной энергии и варьирования тока электронного пучка при формировании каждого из слоев приводит к меньшим отклонениям от заданной геометрии изделия и сдерживанию увеличения среднего расстояния между осями дендритов первого порядка 1 по мере формирования новых слоев. Так, у изделия с неизменной величиной тока пучка в слоях значение 1 лежит в диапазоне от 18.7 до 45.5 мкм у подложки и в верхних слоях изделия соответственно. В случае же варьируемого тока пучка в каждом из слоев 1 соответствует узкому диапазону 22.5-26.3 мкм практически по всей высоте изделия, за исключением финальных слоев в верхней области изделий с равноосными структурами. Однако при данном подходе в структуре каждого из слоев заметно возрастает доля колоний дендритов с большеугловыми разориентировками относительно друг друга при одновременном увеличении неоднородности по величине λ1. В условиях аддитивного процесса в приповерхностных областях формируемого изделия фактором, определяющим тип макроструктуры, является соотношение отвода тепла от ванны расплава за счет радиационного излучения и теплопроводности в подложку через ранее сформированные слои изделия. Показано, что при формировании изделий средствами аддитивных технологий становится возможным поддерживать температурный градиент в области 200°/см. Это соответствует современным подходам к реализации направленной кристаллизации материала аддитивных изделий из жаропрочных никелевых сплавов. При этом не наблюдается какого-либо перераспределения содержания химических элементов в структурно-фазовых составляющих материала аддитивных изделий из сплава ЖС6У в сравнении с литым состоянием.

Скачать электронную версию публикации