PŘÍSPĚVEK K OPTIMALIZACI MATERIÁLU PRO LOPATKY LETECKÝCH TURBIN Tomáš Vlasák, Jan Hakl, Pavel Kovařík 1, Pavel Novák 1, Radovan Pech 2, SVÚM a.s., Areál VÚ, 190 11 Praha 9, svum@mbox.vol.cz 1 WALTER, a.s., Jinonická 329, 158 01 Praha 5, pkovarik@walter.cz 2 REMS s.r.o., Saská 3, 118 00 Praha 1 ABSTRACT High-temperature Ni-base alloy ŽS6K is a basic creep-resisting material for blades used in aircraft gas turbine M-601. SIGMA phase was found in structure of some blades when service life of turbine had been prolonged. An occurrence of this brittle phase is unacceptable for safe service of turbine. The contribution deals with prediction of ŽS6K alloy propensity to creation of SIGMA phase in dependence on chemical composition. The results of long term creep tests of optimised alloy in intervals of temperature <600;975>oC and stress <65;540>MPa in comparison with creep strength of alloy ŽS6K are given. 1. ÚVOD Značná část superslitin na bázi Ni, legovaných těžkými prvky pro zpevnění tuhého roztoku γ a zvýšení stability intermetalické fáze γ, může být v provozních podmínkách náchylná k vylučování topologicky těsně uspořádaných fází. Přítomnost těchto strukturních složek velmi negativně ovlivňuje stěžejní užitné vlastnosti, zejména žárupevnost, plasticitu a odolnost proti vysokoteplotní korozi, čímž je snižována životnost a spolehlivost částí z těchto slitin vyrobených. Bylo zjištěno [1,2], že k vylučování uvedených fází dochází jen při některých nevhodných kombinacích obsahů legujících prvků, přičemž slitina je z hlediska přípustných rozsahů složení jednotlivých prvků zcela vyhovující. Snahou je proto optimalizovat složení tak, aby k tvorbě nežádoucích fází nedocházelo. Jedním z příkladů superslitin tohoto typu je ŽS6K, jejíž složení podává tab.i. Patří do tzv. I.generace vakuově litých Ni slitin, vhodných pro výrobu turbinových lopatek s ekviaxiální strukturou. Má vyhovující užitné vlastnosti a je široce technologicky i provozně ověřena. U nás je slitina ŽS6K používána jako materiál oběžných lopatek motoru M601, jehož výrobcem je Walter a.s. Praha. Turbovrtulový motor M601 je vyráběn v řadě modifikací a prošel dlouhým vývojem. Při snaze o prodloužení životnosti se však ukázalo, že ve struktuře některých lopatek se po určité době provozu vyskytuje fáze SIGMA. Cílem předložené práce je uvedení postupu, který vedl k optimalizaci chemického složení slitiny ŽS6K tak, aby během provozu se fáze SIGMA nevylučovala. 2. MOŽNOSTI PREDIKCE NÁCHYLNOSTI K SIGMATIZACI Náchylnost k vylučování fáze SIGMA lze u slitin s austenitickou matricí predikovat výpočtem z chemického složení. Tento postup, běžně označovaný PHACOMP (akronym 1
pro Phase Computation) vychází z původní práce [1] a v literatuře lze nalézt řadu modifikací, lišících se zjednodušujícími podmínkami výpočtu (viz kupř.[3]). Základním předpokladem metody je, že fáze SIGMA je elektronovou sloučeninou a její výskyt je podmíněn určitou hodnotou neobsazených míst v elektronových obalech (tzv. elektronových vakancí) prvků, tvořících tuhý roztok. Výpočet pak spočívá v určení N v = min vi (1) i kde N v je střední hodnota elektronových vakancí prvků, tvořících tuhý roztok, m i je atomový zlomek i-tého prvku v tuhém roztoku N vi je množství elektronových vakancí v elektronových obalech i-tého prvku. Kritérium vhodnosti složení je N v N vkrit (2) kde N vkrit je kritická hodnota N v (materiálová konstanta). Pokud je vztah (2) splněn, slitina daného složení není náchylná k tvorbě fáze SIGMA. V opačném případě slitina nevyhovuje. Metoda PHACOMP je založena na několika zjednodušeních a její jednotlivé kroky jsou schematicky uvedeny v tab.ii. Úplný postup, upravený pro práci na počítači, lze nalézt v [4]. Hlavním problémem aplikace metody PHACOMP je znalost hodnoty N vkrit. Obvykle se číselná hodnota této konstanty pohybuje v rozmezí 2,0-2,5, což je interval poměrně široký. Pro slitinu ŽS6K bylo tedy nutno N vkrit experimentálně určit. 3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3.1. Pokusné tavby Standardním postupem vakuové metalurgie bylo ve slévárně přesného lití Motorlet- Jinonice odlito 19 experimentálních taveb slitiny ŽS6K s různými kombinacemi stěžejních prvků, ovlivňujících sigmatizaci (tj. Cr,Mo,W,Al,Ti). V experimentu byly zahrnuty jak tavby, jejichž složení bylo blízké nominálnímu, tak i tavby s obsahem prvků mimo rozsahy, které předpis pro slitinu ŽS6K připouští. Rozsahy chemického složení zkoušených taveb udává tab.iii, čemuž odpovídala čísla hodnot elektronových vakancí N v v rozmezí 1,57 až 2,87. První fází hodnocení taveb byly krátkodobé zkoušky žárupevnosti, realizované při atestačních parametrech pro atestaci provozních taveb odlitků ze slitiny ŽS6K. Při teplotě 900 C a napětí 296 MPa musí být doba do lomu minimálně 40 h. Zkoušky byly provedeny na vzorcích z 9 taveb, lišících se odstupňovanými hodnotami N v. Výsledky zkoušek jsou uvedeny v tab.iv. Odtud je zřejmé, že požadované doby do lomu bezpečně splňují tavby, u nichž je N v 2,18. Druhou fází experimentů bylo žíhání vzorků ze všech taveb při teplotách 850, 900 a 950 C pro doby 100, 300 a 1000 h a následné metalografické zkoumání výskytu SIGMA fáze při aplikaci kvantitativní stereologické analýzy. Z těchto prací vyplynulo, že z hlediska vylučování nežádoucí fáze jsou bezpečné tavby, charakterizované hodnotami N v 2,05. Kromě toho bylo konstatováno, že precipitace SIGMA fáze je nejintenzivnější při teplotě 850 C a nejméně výrazná při 950 C. Úplný přehled provedených experimentů a jejich výsledků podává práce [5]. Na základě popsaných experimentů bylo navrženo zúžit přípustné rozmezí obsahů legujících prvků ve slitině ŽS6K a stanovit jako rozhodující kritérium pro přejímku hodnotu 2
N v 2,05. Mimoto byly specifikovány navíc i maximální přípustné obsahy nežádoucích stopových prvků. Pro tuto slitinu bylo zvoleno označení ŽS6W [6]. 3.2. Dlouhodobé žíhání Pro ověření dosavadních poznatků bylo na materiálu 4 taveb provedeno dlouhodobé žíhání při teplotě 850 C do dob expozice až 10.000 h. Byly k tomu použity vzorky cca 20x20x10 mm, které byly odebrány ze zhruba 1t taveb ingotů, zakoupených u specializovaných firem AVITECHNOLOGIA v Rusku (tavby A,B,C) a ROSS and CATHERAL ve Velké Británii (tavba D). Tavby byly charakterizovány rozdílnou hodnotou N v (viz tab.v). Vzorky byly žíhány v komorové peci na vzduchu (bez aplikovaného napětí) a v pravidelných intervalech vyjímány pro metalografické hodnocení výskytu SIGMA fáze. K tomu účelu byla použita semikvantitativní metoda, zavedená ve Walter a.s. Praha [7]. Spočívá ve vizuálním porovnání obrazu výbrusu na mikroskopu s etalony, tvořící pětistupňovou škálu (viz obr.1). Výsledky tohoto zpracování jsou uvedeny v tab.v. Je zřejmé, že pouze tavba D s hodnotou N v =2,05 (tedy slitina ŽS6W) byla prosta výskytu SIGMA fáze ve struktuře [8]. 3.3. Zkoušky pevnosti při tečení Druhým způsobem verifikace poznatků, získaných na laboratorních tavbách, byly creepové zkoušky. K tomu účelu byla použita tavba D, jejíž úplné chemické složení udává tab.vi. Z litých polotovarů byla po tepelném zpracování postupem 1210±5 C/4 h/vzd. vyrobeno 74 zkušebních tyčí. Creepové zkoušky byly provedeny v intervalu teplot 800 až 975 C a napětí 65 až 540 MPa. Tyto parametry byly voleny tak, aby bylo možno vyhodnotit třísložkovou závislost mezi dobou do lomu, napětím a teplotou pro předpokládané aplikace lopatek z hodnocené slitiny s životností v tisících hodin. Pro úplnost lze dodat, že celková doba do lomu vzorků v hodnoceném souboru (vesměs zkoušky ukončené lomem) představovala skoro 54 000 h. Jako srovnávací soubor byla použita data, charakterizující žárupevnost slitiny ŽS6K, vyhodnocená v rámci projektu [9]. Lze podotknout, že tehdy se stopové prvky ve slitině neurčovaly a dodavatelem slitiny byl výhradně SSSR. Pro zjištění žárupevnosti bylo zhotoveno 53 zkušebních tyčí a testy byly provedeny v rozsahu napětí 100 až 360 MPa a teplot 800 až 950 C. Celková doba zkoušek byla téměř 75 000 h. Oba soubory dat, srovnatelné rozsahem byly vyhodnoceny dvěma modely. V prvém případě se jednalo o vztah [10], který je v SVÚM aplikován nejčastěji, a to log ( t ) = A + A log + A log log( sinh( A T R ) r 1 + A 4 2 log 1 T 1 A ( sinh( A T R ) 6 5 3 1 T 1 A 5 6 + (3) kde T je teplota R je napětí t r je doba do lomu A 1 -A 6 jsou materiálové konstanty Druhý přístup se opíral o vztah Seiferta [11] log R = B + (4) 2 1 + B2PLM B3PLM 3
kde PLM = T(log t r + B4 ) T je teplota R je napětí t r je doba do lomu B 1 -B 4 jsou materiálové konstanty Regresní konstanty ze vztahů (3) a (4) obou srovnávaných slitin jsou uvedeny v tab.vii. Grafické vyhodnocení pevnosti při tečení modelem (3) je pro hodnocené slitiny na obr. 2 a 3. Některé vzorky po creepové expozici z tavby D (viz tab.viii) pak byly vybrány pro metalografické analýzy. Ani v jednom případě nebyla nalezena SIGMA fáze. Hodnota konstanty N vkrit pro sledovanou slitinu byla tedy verifikována jak při žíhání bez zatížení tak i při kombinovaném dlouhodobém působení teploty a napětí. Porovnání pevnosti při tečení je pro vybrané teploty a životnosti uvedeno v tab.ix. Odtud pro výrobce motoru vyplývá, že ŽS6W není horší než ŽS6K. 4. ZÁVĚR Slitina ŽS6K patří mezi superslitiny na bázi Ni, u nichž během provozních podmínek nelze vyloučit výskyt SIGMA fáze ve struktuře. K precipitaci této nežádoucí fáze však dochází pouze v případě nevhodné kombinace obsahů legujících prvků. Aplikací metody PHACOMP bylo zjištěno, že lze nalézt optimální složení slitiny tak, aby k vylučování SIGMA fáze nedocházelo. Pro optimalizovanou slitinu, pro níž byl zvolen název ŽS6W, platí podmínka kritického množství elektronových vakancí N vkrit 2,05. Tato skutečnost byla nejprve specifikována na základě relativně krátkodobých laboratorních experimentů a následně ověřena metalografickými analýzami vzorků po žíhání (bez aplikovaného napětí) při teplotě 850 C po doby až 10.000 h a dále po creepových experimentech v rozsahu napětí 65 až 540 MPa a teplot 800 až 975 C při expozicích až do cca 3.700 h. Pro výrobce leteckých motorů a Úřad letecké inspekce je zásadním zjištěním poznatek, že žárupevné vlastnosti optimalizované slitiny ŽS6W nejsou horši než dosud užívané ŽS6K. LITERATURA [1] WOODYATT,L.R.-SIMS,C.T.-BEATTIE,H.J.: Prediction of SIGMA Phase Occurrence from Composition in Austenitic Alloys. Trans. AIME, 236 (1966), 519. [2] SIMS,C.T: The Occurrence of Topologically Close-Packed Phases. In: The Superalloys, p.259, ed. C.T.Sims and W.C.Hagel, John Wiley, N.York, 1972 [3] STICKLER,R.: Phase Stability in Superalloys. In.: High-Temperature Materials in Gas Turbines, p.115, ed. P.R.Sahm and M.O.Speidel, Elsevier, Amsterdam, 1972. [4] HAKL,J.-VLASÁK,T.: Vývoj žáropevné Ni slitiny pro lopatky plynových turbin se zvýšenými požadavky na životnost a provozní spolehlivost. Výzk. zpráva č. 0310011/a, SVÚM Praha, 2000. [5] PECH,R.-KUDRMAN,J.-HRBÁČEK,K.-ANDR,J.: Predikce náchylnosti slitiny ŽS6K k vylučování škodlivých fází s topologicky těsným uspořádáním. Zpráva REMS č. 006/91, Praha 1991. [6] BREJŠA,P.: Návrh technických podmínek niklové žáropevné slitiny pro lopatky GT M 601. Interní dokument 17/TPV-MI/98, Walter a.s. Praha, 1998. [7] NOVÁK,P.-BREJŠA,P.: Postup pro kontrolu mikrostruktury lopatek. Interní dokument Mg 0707/95, Walter a.s. Praha, 1997. 4
[8] POSPÍCHAL,V.-KOVAŘÍK,P.: Porovnání dlouhodobé strukturní stability slitin ŽS6K- VI a ŽS6W ve vztahu k parametru PHACOMP. Interní dokument č.2333/00, Walter a.s. Praha, 2001. [9] PECH,R.-KNEIFL,M.-HAKL,J.-KUDRMAN,J.-HRBÁČEK,K.: Výzkum vlastností vybraných žárupevných materiálů používaných v PBZKG pro energetické a speciální zařízení. Výzk. zpráva SVÚM Praha, Z-88-5852, 1988. [10] PECH,R.-KOUCKÝ,J.-BÍNA,V.: Matematické hodnocení pevnosti při tečení československých ocelí pro výrobu trub. Strojírenství 2(1979), č.7,s.389. [11] SEIFERT,W.-MELZER,B.: Rechnerische Auswertung von Zeitstandversuchen am Beispiel des Stahles 13CrMo4-4.Vortragsveranstaltun Langzeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe. Düsseldorf, 6,11,1992. [12] VLASÁK,T.-BÍNA,V.-HAKL,J.: Vyhodnocení výsledků zkoušek pevnosti při tečení slitiny ŽS6W. Tech. zpráva č. 0310008, SVÚM a.s. Praha, 2000. PODĚKOVÁNÍ: Práce byly realizovány díky podpoře Ministerstva průmyslu a obchodu v rámci projektu FB- C3/57/00. 5
Tab.I - Chemické složení slitiny ŽS6K (%hm.) Prvek Rozmezí Prvek Rozmezí C 0,13 0,20 Mn max 0,4 Cr 9,5 12,0 Si max 0,4 Co 4 5,5 Zr max 0,02 W 4,5 5,5 B max 0,02 Mo 3,5 4,8 Ce max 0,015 Ti 2,5 3,2 S max 0,015 Al 5 6 P max 0,015 Fe max 2,0 Ni base Tab.II. Postup výpočtu hodnoty elektronových vakancí 1 Převod chemického složení slitiny z %hm na %at 2 Předpoklady pro výpočet fázového složení Jedna polovina C tvoří karbidy typu MC. Zbývající C tvoří karbidy M 23 C 6. Veškerý B je vázán v boridech M 3 B 2 Al, Ti tvoří fázi γ Ni 3 (Al,Ti) Určení chemického složení (v % at.) tuhého roztoku odečtením prvků vázaných v karbidech, 3 boridech a fázi γ. 4 Výpočet atomových zlomků jednotlivých prvků tuhého roztoku. 5 Výpočet hodnoty elektronových vakancí podle vzorce: N v =0,66Ni+1,71Co+2,66Fe+3,66Mn+4,66(Cr+Mo+W)+5,66V+0,66(Si+Zr) Tab.III. Rozmezí obsahů v experimentálních tavbách v % hm, Ni=zákl. prvek rozmezí prvek rozmezí C 0,11-0,24 Co 3,72-5,17 Mn 0,01-0,02 Cr 8,15-11,35 Si 0,01-0,15 Nb 0,029-0,075 Mo 3,58-4,85 Fe 0,25-0,41 W 4,13-6,71 Zr 0,012-0,068 Ti 2,27-3,59 Cu 0,008-0,025 Al 3,76-6,47 B 0,004-0,025 Tav.IV. Výsledky zkoušek pevnosti při tečení experimentálních taveb při 900 C a 296 MPa. označení tavby čas do lomu (h) tažnost A 5 (%) N V 3 61 2,9 1,75 3 80 3,5 1,75 4 61 1,5 1,89 4 56 2,5 1,89 8 100 3,65 2,06 8 118 2,5 2,06 11 49 2,5 2,18 11 85 2,5 2,18 12 24 5,65 2,27 12 33 4,25 2,27 14 36 4,0 2,53 14 43 3,25 2,53 15 25 4,0 2,51 15 36 3,25 2,51 17 26 4,4 2,69 17 20 4,25 2,69 19 29 3,65 2,85 19 31 4,25 2,85 6
Tab.V. Výsledky hodnocení výskytu fáze SIGMA v provozních tavbách po žíhání při 850 C. Tavba Doba žíhání (h) A B C D N V 2,24 2,23 2,14 2,05 Rozsah sigmatizace 0 0 0 0 0 500 1 2 1 2 0 1000 3 1 2 2 0 1500 3 2 0 2000 3 2 0 2500 3 4 2 0 3000 3 4 2 2 3 0 4000 3 4 2 2 3 0 5000 3 4 2 2 3 0 6000 3 4 2 2-3 0 7000 3 4 2 0 8000 3 4 2 0 9000 0 10000 3-4 2 0 Tab.VI. - Chemické složení slitiny ŽS6W (tavba D) prvek hmotnostní obsah prvek hmotnostní obsah prvek hmotnostní obsah C 0,174% Cr 9,91% Pb 0,4ppm Si <0,10% Cu <0,01% Sb <1,0ppm Mn <0,10% Fe <0,05% Se <1,0ppm P <0,002% Ga <12,2ppm Sn <5,0ppm S <0,002% In <0,1ppm Ta <0,10% Ag <0,1ppm Mg <19,8ppm Te <0,5ppm Al 5,28% Mo 3,53% Ti 2,70% As <5,0ppm Ce 0,012% Tl <0,2ppm B 0,009% N 5,0ppm W 5,32% Bi <0,1ppm Nb <0,10% Zn <1,0ppm Cd <0,1ppm Ni 67,87% Zr 0,027% Co 5,05% O 5,0ppm Tab.VII. - Materiálové parametry regresních modelů (3) a (4) Slitina vztah (3) vztah (4) A 1 91,658262573308820 B 1-2,82319657923231 A 2 28,596197409139910 B 2 0,00069111904603 ŽS6K A 3-33,335195835922290 B 3-0,00000002181783 A 4-107,648689910145400 B 4 14,39744038841550 A 5 10,703125E+003 A 6 3,595104574293555E-006 A 1-418,262253385071700 B 1-2,67751606283455 A 2-174,195609546003900 B 2 0,00066035027086 ŽS6W A 3-1,849027053700203 B 3-0,00000001953999 A 4-6,638710220056878 B 4 16,30290786817580 A 5 0,21562500E+003 A 6 6,773759559084442E-006 Parametry jsou platné pro R [MPa], T [K], t r [h] 7
Tab. VIII - Vybrané vzorky pro metalografickou analýzu po creepové expozici Teplota [ C] 800 850 900 Napětí [MPa] Doba do lomu [h] Teplota [ C] Napětí [MPa] Doba do lomu [h] 245 3711,5 * 180 977 360 3570 900 220 544 360 2891,5 300 140 420 1783 130 453,75 950 520 276 150 358,25 220 2444 65 1612 250 1652 80 924 320 623 975 90 893 400 186 110 598 295 1280 125 305 118 2391 155 1209 * Zkouška přerušena Tab.IX - Tabelární hodnoty meze pevnosti při tečení slitiny ŽS6K a slitiny ŽS6W určené pomocí modelů (3) a (4) Střední hodnota meze pevnosti [MPa] Teplota [ C] Doba do lomu Slitina ŽS6K Slitina ŽS6W [h] model (3) model (4) model (3) model (4) 800 1000 289 299 425 414 800 3000 246 255 355 343 800 6000 220 227 311 301 850 1000 223 224 287 285 850 3000 181 181 223 223 850 6000 158 156 185 189 900 1000 156 156 178 180 900 3000 119 119 125 133 900 6000 99 99 97 108 950 1000 92 101 100 105 950 3000 64 72 64 73 950 6000 51 57 48 57 975 1000 64 79 73 78 975 3000 42 54 46 52 975 6000 33 42 34 40 8
Stupeň 1 Stupeň 2 Stupeň 3 Stupeň 4 Měřítko 0,01mm Stupeň 5 Obr. 1. - Strukturní etalony charakterizující jednotlivé stupně rozvoje fáze σ 9
10000 Doba do lomu [h] 1000 100 800 C 800 C 850 C 900 C 950 C 975 C 950 C 900 C 850 C 10 50 100 150 200 250 300 350 400 Napětí [MPa] Obr. 2. - Vyhodnocení žárupevnosti slitiny ŽS6K regresním modelem (3) 10000 Doba do lomu [h] 1000 800 C 800 C 100 850 C 900 C 950 C 975 C 975 C 950 C 900 C 850 C 10 50 150 250 350 450 550 Napětí [MPa] Obr. 3. - Vyhodnocení žárupevnosti slitiny ŽS6W regresním modelem (3) (prázdné symboly značí zkoušky neukončené lomem) 10