СВлияние ликвационной неоднородности на свойство сплава ХН65ВМТЮ (ЭИ893)1 вакуумно-дугового переплава

Объектом исследования служил металл кованой заготовки 0 105 мм сплава ХН65ВМТЮ, изготовленного способом вакуумно-дугового переплава, и заготовки лопаток, штампованные из этого металла. Химический состав исследуемых плавок приведен в табл. 1. Содержание химических элементов соответствует требованиям ГОСТ 5632—72. Металл имеет низкое содержание углерода (0,02...0,03 % при допускаемом 0,07 %).
Металл проверяли на ликвационную неоднородность на темплетах, отрезанных с двух противоположных сторон (не менее двух штанг от каждой плавки). Для выявления ликвационной неоднородности проводилось травление «царской водкой» путем втирания ватным тампоном в течение 5 мин. Осветление поверхности осуществлялось раствором хромпика следующего состава: 10 л воды, 1 л серной кислоты, 500 г хромпика.
Оценка ликвационной неоднородности осуществлялась по шкале 36 ГОСТ 102.243—75 (пятнистая ликвация). Применение вакуумно-дугового переплава не исключает получения ликвационной неоднородности, которую удайось свести до минимума в результате применения заводом-изготовителем специальных методов выплавки и охлаждения слитков. В. табл. 1 приведена оценка ликвационной неоднородности исследуемых штанг каждой плавки.
Наиболее высокой ликвационной неоднородностью отличалась плавка с клеймом ХН. Металл плавок с условными клеймами ХШ, ХЩ, ХЛ характеризовался большой неоднородностью по ликвации (от 0 до 4-го балла). Практически отсутствовала или не превышала 2-го балла ликвация в плавках с клеймами ХЕ, МЛ, ХА, МХ.       Исследование
структуры с помощью оптической металлографии н микро-рентгено-спектрального анализа (МРСА) проводилось до и после термической обработки металлургической заготовки.
На рис. 1 показаны ликвационные скопления в металле заготовки 0105 мм. Исследование с помощью МРСА в поглощенных электронах не травленных шлифов позволило определить, что ликвационные участки состоят из большого количества включений карбонитридов (МС) и боридов (М5В3) размерами 5...15 мкм.^ Состав частиц приведен в табл. 2. В продольном сечении скопления частиц образуют полосы, в поперечном сечении они наблюдаются в виде отдельных зон. Более мелкие частицы (1...5 мкм), выявленные в ликвациоиных участках, являются карбидными включениями, состав которых отличается от крупных : и соответствует МбС (табл. 2).
Анализ образцов металла плавок, различающихся баллом ликвацин, позволил установить, что чем выше балл ликвации, тем больше содержится в ликвациоиных участках борндных частиц. После термической обработки по ступенчатому режиму фазовый состав ликвационных зон не изменяется по сравнению с состоянием без термической обработки. По границам зерен после термической обработки расположены частицы МСд и МбС. В результате рентгеноструктурного анализа осадков, выделенных из образцов металла с высокой ликвационной неоднородностью до термической обработки, в них так-же обнаружены карбиды МС, МбС, бориды М5В3.
В табл. 3 приведены механические свойства металла двух плавок, различающихся ликвационной неоднородностью (испытанных при комнатной температуре): плавка с клеймом ХН характеризуется баллом ликвации 4, плавка с клеймом ХШ — баллом 0. В табл. 4 приведены значения ударной вязкости, определенные на поперечных образцах металла.
Как следует из приведенных таблиц, пластические свойства у металла плавки, чистой по ликвации, примерно на 25 % выше, а уровень ударной вязкости примерно в 2 раза выше, чем у металла с высоким баллом ликвационной неоднородности.
При высоких температурах испытании (650...750 °С) и при испытаниях с постоянной скоростью деформации <0,1 %/ч) пластические свойства металла в пределах исследуемой ликвационной неоднородности высокие, они превышают требования технических условий на сплав ХН65ВМТЮ ВД. Это обусловлено применением ступенчатого режима термической обработки, обеспечивающего высокий уровень пластичности и деформационной способности. В случае высокой деформационной способности (6—20 %), определенной при испытании с постоянной скоростью деформации (0,1 %/ч при 650 °С), вблизи разрушения в ликвационных участках выявлены мелкие надрывы и микротрещины. В связи с высокой пластичностью металла надрывы разобщены и образование макротрещин затруднено. В то же время в более жестких температурно-силовых условиях, при наличии концентраторов напряжения, скорость распространения микротрещин по границам зерен увеличивается, что при наличии той же ликвации может привести к преждевременному хрупкому разрушению лопаток.
Из кованых заготовок с различной ликвационной неоднородностью изготовлены штампованные заготовки турбинных лопаток. На рис. 2 приведена макроструктура хвостовой и перовой части одной из заготовок, изготовленной из штанг со значительной ликвацией (балл 4). В поперечном направлении (перовая часть) ликвационные участки выявлены в виде округлых включений, а в продольном направлении (хвостовая часть) ликвационные зоны вытянуты вдоль направления усилий при штамповке.
Из штампованных заготовок изготовлены образцы с кольцевым надрезом (г=0,15 мм) для испытаний на длительный разрыв, два образца из плавки с клеймом ХЩ с ликвационной неоднородностью до балла 2 и один образец из металла плавки с клеймом ХЛ — балл 3...4. Испытания проводились при температуре 650 °С и наприжении 510 МПа. В работах [1, 2] показано, что при этих условиях испытания наиболее отчетливо выявляется наличие дефектов и влияние концентраторов напряжения. Результаты испытаний приведены в .табл. 5.
Минимальное время до разрушения — 1368 ч соответствует образцу, изготовленному из металла с высоким баллом ликвацин. В этих же условиях образцы, изготовленные из более чистого металла, разрушались через 3000...7600 ч. Исследование микроструктуры испытанных образцов вблизи разрушения обнаружило повышенную ликвацию в образце с минимальным временем до разрушения.
В структуре образцов из более чистой плавки ликвационных зон меньше и они состоят преимущественно из дисперсных частиц карбида МвС.
Исследование металла штампованных заготовок, из^ готовленных из сравнительно чистого по ликвации металла (плавки с клеймами МЛ, ХА, МХ и ХЕ), показало, что в ряде случаев выявлены участки с не полностью рекристаллизованной структурой, со следами границ зерен, образующихся при пластической деформации (рис. 3). Расположение карбидов по этим границам приводит к снижению пластических свойств и ударной вязкости (табл. 6). Образование таких участков обусловлено сложной и недостаточно стабильной технологией при штамповке крупных заготовок лопаток на молоте.
Очевидно, с повышением ликвационной неоднородности в этих условиях изготовления штампованных заготовок структурная неоднородность будет еще более значительной, что приведет к существенному снижению механических свойств. Приведенные данные свидетельствуют о необходимости ограничения ликвационной неоднородности металла марки ХН65ВМТЮ ВД (ЭИ893ВД) баллом 2 шкалы 36 ГОСТ 102.243—75.