zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-ll-32-40zldm-1789Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. PHYSICAL METHODS OF TESTING AND QUALITY CONTROLОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ МИКРОПОРИСТОСТИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИКЕЛЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВDETERMINATION OF THE VOLUME FRACTION OF THE MICROPOROSITY IN NICKEL-BASED SUPERALLOY SINGLE CRYSTALSЕпишинА. И.EpishinA. I.

Александр Игоревич Епишин

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д. 8

Alexander I. Epishin

142432, Moscow obl., Chernogolovka, ul. Akademika Osipyana, 8

a.epishin2021@gmail.comАлымовМ. И.AlymovM. I.

Михаил Иванович Алымов

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д. 8

Mikhail I. Alymov

142432, Moscow obl., Chernogolovka, ul. Akademika Osipyana, 8

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения имени А. Г. Мержанова РАНРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, RASRussian Federation20222311202288113240Copyright © Епишин А.И., Алымов М.И., 20222022Епишин А.И., Алымов М.И.Epishin A.I., Alymov M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1789

Микропористость — опасный дефект, наблюдающийся в монокристаллических газотурбинных лопатках, отливаемых из жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС). Объемная доля пористости в монокристаллических сплавах не превышает нескольких десятых долей процента, однако она многократно сокращает долговечность материала лопатки газовых турбин в условиях усталостного нагружения. В работе представлены результаты определения объемной доли пористости в монокристаллических ЖНС. В качестве тест-объекта использовали монокристаллы ЖНС CMSX-4, полученные по технологии, применяемой в промышленности для изготовления монокристаллических лопаток. Установлено, что применяемые для определения методы, за исключением оптической микроскопии, имеют точность, достаточную для измерения объемной доли микропористости величиной около 0,2 % об. Наибольшую точность со статистической ошибкой ±0,01% об. показал метод Архимеда с использованием в качестве жидкости дистиллированной воды. Метод позволяет измерять небольшие (до нескольких сотых долей процента объема) увеличения пористости в процессе высокотемпературной ползучести. Полученные результаты могут быть использованы при прецизионном определении пористости в монокристаллических ЖНС до и после эксплуатации. Кроме того, процесс высокотемпературной ползучести можно моделировать, применяя корреляционное соотношение между повышением пористости монокристаллического материала и накопленной деформацией ползучести.

Microporosity is a dangerous defect of single crystal gas turbine blades cast from nickel-based superalloys (NBS). The volume fraction of the porosity in single crystal alloys does not exceed a few tenths of a percent, however, it can result in manyfold shortening of the lifetime of the blade material under fatigue loading. We present the results of determining the volume fraction of the porosity in single crystal NBS. Single crystals of NBS CMSX-4 obtained according to the industrial technology of manufacturing the single crystal blades of gas turbines were used as a test object. It is found that the applied methods, with the exception of optical microscopy, have an accuracy sufficient for measuring the volume fraction of the microporosity of about 0.2 %vol. The highest accuracy with a statistical error of about ±0.01 %vol. was attained using the Archimedes method using distilled water as a liquid. The method provides the determination of small (up to a few hundredths of a percent by volume) increase of the porosity during high-temperature creep. The results obtained can be used for precise determination of the porosity in NBS single crystals before and after service. Moreover, the process of high-temperature creep can be modeled using a correlation relationship between an increase in the porosity of single crystal material and the accumulated creep strain.

никелевые жаропрочные сплавымонокристаллыпористостьэлектронная микроскопиярентгеновская томографияnickel-based superalloyssingle crystalsporosityelectron microscopyX-ray tomography.Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда (проект № 22-19-00126).ReferencesNaze L., Maurel V, Eggeler G., et al. Nickel base single crystals across length scales. — Amsterdam: Elsevier, 2021. — 610 p.Naze L., Maurel V, Eggeler G., et al. Nickel base single crystals across length scales. — Amsterdam: Elsevier, 2021. — 610 p.Петрушин H. В., Висик E. M., Елютин E. С. Усовершенствование состава и структуры литейного жаропрочного никелевого сплава с малой плотностью. Ч. 1 / Труды ВИАМ. 2021. Т. 97. № 3. С. 3-15. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-3-3-15Petrushin N. V, Visik E. M., Elyutin E. S. Improvement of the chemical composition and structure of castable nickel-based superalloy with low density. Part 1 / Tr. VIAM. 2021. Vol. 97. N 3 [in Russian]. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-3-3-15Петрушин Н. В., Висик Е. М., Елютин Е. С. Усовершенствование состава и структуры литейного жаропрочного никелевого сплава с малой плотностью. Ч. 2 / Труды ВИАМ. 2021. Т. 98. № 4. С. 3-15. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-4-3-15Petrushin N. V, Visik E. M., Elyutin E. S. Improvement of the chemical composition and structure of castable nickel-based superalloy with low density. Part 2. / Tr. VIAM. 2021. Vol. 98. N 4. P 3-15 [in Russian]. DOI:10.18577/2307-6046-2021-0-4-3-15Lecomte-Beckers J. Study of microporosity formation in nickel-base superalloys / Metall. Trans. A. 1988. Vol. 19. N 9. P 2341-2348. DOI:10.1007/BF02645058Lecomte-Beckers J. Study of microporosity formation in nickel-base superalloys / Metall. Trans. A. 1988. Vol. 19. N 9. P 2341-2348. DOI:10.1007/BF02645058Толораия В. H., Зуев А. Г., Светлов И. Л. Влияние режимов направленной кристаллизации и термообработки на пористость в монокристаллах никелевых жаропрочных сплавов / Известия АН СССР. Металлы, 1991. № 5. С. 70-75.Toloraya V N., Zuev A. G., Svetlov I. L. Effect of conditions of directed solidification and heat treatment on porosity in creep resistant nickel alloy single crystals / Izv. AN SSSR. Metally 1991. N 5. P 70-75 [in Russian].Висик Е. М., Филонова Е. В., Ечин А. В., Чабина Е. Б. Исследование влияния условий направленной кристаллизации на структуру литых лопаток из жаропрочных никелевых сплавов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 5. С. 34-41. DOI:10.26896/1028-6861-2022-88-5-34-41Visik E. M., Filonova E. V, Echin А. В., Chabina E. B. The effect of conditions of directional crystallization on the structure of cast blades made of nickel superalloys / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2022. Vol. 88. N 5. P 34-41 [in Russian]. DOI:10.26896/1028-6861-2022-88-5-34-41Anton D. L., Giamei A. F. Porosity distribution and growth during homogenization in single crystals of a nickel-base superalloy / Mater. Sci. Eng. A. 1985. Vol. 76. P 173-180. DOI:10.1016/0025-5416(85)90091-6Anton D. L., Giamei A. F. Porosity distribution and growth during homogenization in single crystals of a Nickel-base superalloy / Mater. Sci. Eng. A. 1985. Vol. 76. P 173-180. DOI:10.1016/0025-5416(85)90091-6Epishin A., Link Т., Svetlov I., et al. Mechanism of porosity growth during homogenisation in single crystal nickel-based superalloys / Int. J. Mater. Res. 2013. Vol. 104. N 8. P 776-782. DOI:10.3139/146.110924Epishin A., Link Т., Svetlov I., et al. Mechanism of porosity growth during homogenisation in single crystal nickel-based superalloys / Int. J. Mater. Res. 2013. Vol. 104. N 8. P 776-782. DOI:10.3139/146.110924Comenda J., Henderson P. Growth of pores during the creep of a single crystal nickel-dase superalloys / Scripta Mater. 1977. Vol. 37. N 1. P 1821-1826.Comenda J., Henderson P. Growth of pores during the creep of a single crystal nickel-dase superalloys / Scripta Mater. 1977. Vol. 37. N 1. P 1821-1826.Epishin A., Link T. Mechanisms of high-temperature creep of nickel-based superalloys under low applied stresses / Philos. Mag. 2004. Vol. 84. N 19. P 1979-2000. DOI:10.1080/14786430410001663240Epishin A., Link T. Mechanisms of high-temperature creep of nickel-based superalloys under low applied stresses / Philos. Mag. 2004. Vol. 84. N 19. P 1979-2000. DOI:10.1080/14786430410001663240le Graverend J.-B., Adrien J., Cormier J. Ex-situ X-ray tomography characterization of porosity during high-temperature creep in a Ni-based single-crystal superalloy: Toward understanding what is damage / Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 695. P 367-378. DOI:10.1016/j.msea.2017.03.083le Graverend J.-B., Adrien J., Cormier J. Ex-situ X-ray tomography characterization of porosity during high-temperature creep in a Ni-based single-crystal superalloy: Toward understanding what is damage / Mater. Sci. Eng. A. 2017. Vol. 695. P 367-378. DOI:10.1016/j.msea.2017.03.083Fullagar K., Broomfield R., Hulands M., et al. Aero engine test experience with CMSX-4® alloy single-crystal turbine blades / J. Eng. Gas Turbines Power. 1996. Vol. 118. N 2. P 380-388. DOI:10.1115/1.2816600Fullagar K., Broomfield R., Hulands M., et al. Aero engine test experience with CMSX-4® alloy single-crystal turbine blades / J. Eng. Gas Turbines Power. 1996. Vol. 118. N 2. P 380-388. DOI:10.1115/1.2816600Epishin A., Link Т., Fedelich В., et al. Hot isostatic pressing of single-crystal nickel-base superalloys: mechanism of pore closure and effect on mechanical properties / MATEC Web Conf 2014. Vol. 14. 08003. DOI:10.1051/matecconf/20141408003Epishin A., Link Т., Fedelich В., et al. Hot isostatic pressing of single-crystal nickel-base superalloys: mechanism of pore closure and effect on mechanical properties / MATEC Web Conf 2014. Vol. 14. 08003. DOI:10.1051/matecconf/20141408003Touratier E, Viguier В., Siret C, et al. Dislocation mechanisms during high temperature creep experiments on MC2 alloy / Adv. Mater. Res. 2011. Vol. 278. P 7-12. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.278.7Touratier E, Viguier В., Siret C, et al. Dislocation mechanisms during high temperature creep experiments on MC2 alloy / Adv. Mater. Res. 2011. Vol. 278. P 7-12. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMR.278.7Jacques A., Trehorel R., Schenk T. High-temperature dislocation climb in the y' rafts of single-crystal superalloys: the hypothesis of a control by dislocation entry into the rafts / Metall. Mater. Trans. A. 2018. Vol. 49. P 4110-4125. DOI:10.1007/s11661-018-4770-5Jacques A., Trehorel R., Schenk T. High-temperature dislocation climb in the y' rafts of single-crystal superalloys: the hypothesis of a control by dislocation entry into the rafts / Metall. Mater. Trans. A. 2018. Vol. 49. P 4110-4125. DOI:10.1007Ы1661-018-4770-5Гаузнер С. И., Кивилис С. С , Осокина А. П., Павловский А. Н. Измерение массы, объема и плотности. — М.: Изд-во стандартов, 1972. — 623 с.Gauzner S. I., Kivilis S. S., Osokina A. P., Pavlovskii A. N. Measurement of mass, volume, and density. — Moscow: Izd. standartoy, 1972. — 623 p. [in Russian].Stock S. R. MicroComputed Tomography Methodology and Application. — CRC Press, 2022. — 392 p.Stock S. R. MicroComputed Tomography Methodology and Application. — CRC Press, 2022. — 392 p.Camin В., Hansen L. In situ 3D-p-tomography on particle-reinforced light metal matrix composite materials under creep conditions / Metals. 2020. Vol. 10. N 8. P 1034. DOI:10.3390/metl0081034Camin В., Hansen L. In situ 3D-p-tomography on particle-reinforced light metal matrix composite materials under creep conditions / Metals. 2020. Vol. 10. N 8. P 1034. DOI:10.3390/metl0081034Epishin A., Camin В., Hansen L., et al. Synchrotron sub-p X-ray tomography of Kirkendall porosity in a diffusion couple of nickel-base superalloy and nickel after annealing at 1250°C / Adv. Eng. Mater. 2021. Vol. 23. N 4. 2001220. DOI:10.1002/adem.202001220Epishin A., Camin В., Hansen L., et al. Synchrotron sub-p X-ray tomography of Kirkendall porosity in a diffusion couple of nickel-base superalloy and nickel after annealing at 1250°C / Adv. Eng. Mater. 2021. Vol. 23. N 4. 2001220. DOI:10.1002/adem.202001220Harris K., Erickson G., Sikkenga S., et al. Development of two rhenium containing superalloys for single crystal blade and directionally solidified vane applications in advanced turbine engines / J. Mater. Eng. Perform. 1993. Vol. 4. N 2. P 481-487. DOI:10.1007/BF02661730Harris K., Erickson G., Sikkenga S., et al. Development of two rhenium containing superalloys for single crystal blade and dfrectionally solidified vane applications in advanced turbine engines / J. Mater. Eng. Perform. 1993. Vol. 4. N 2. P 481-487. DOI:10.1007/BF02661730Светлов И. Л., Кулешова Е. А., Монастырский В. П. и др. Влияние направленной кристаллизации на фазовый состав и дисперсность структуры никелевых сплавов / Известия АН СССР. Металлы. 1990. № 1. С. 86-93.Svetlov I. L., Kuleshova E. A., Monastyrsky V P., et al. The influence of directional solidification on the phase composition and disperse structure of nickel base alloys / Izv. AN SSSR. Metally. 1991. N 1. P 86-93 [in Russian].Гарбер Р. И., Коган В. С , Поляков Л. М. Рост и растворение пор в кристаллах / ЖЭТФ. 1958. Т. 35. № 6. С. 1364-1368.Garber R. I., Kogan V S., Polyakov L. M. Growth and dissolution of pores in crystals / Zh. Eksp. Teor. Fiz. 1958. Vol. 35. N 6. P 1364-1368 [in Russian].Schmidt R. L., Randall J. С , Clever Н. L. The surface tension and density of binary hydrocarbon mixtures: benzene-rehexane and benzene-re-dodecane / J. Phys. Chem. 1966. Vol. 70. P 3912-3916. DOI:10.1021/jl00884a027Schmidt R. L., Randall J. C, Clever H. L. The surface tension and density of binary hydrocarbon mixtures: benzene-rehexane and benzene-re-dodecane / J. Phys. Chem. 1966. Vol. 70. P 3912-3916. DOI:10.1021/jl00884a027Jang G. M., Kim N. I. Surface tension, light absorbance, and effective viscosity of single droplets of water-emulsified re-decane, re-dodecane, and re-hexadecane / Fuel. 2019. Vol. 240. P 1-9. DOI:10.1016/j.fuel.2018.11.138Jang G. M., Kim N. I. Surface tension, light absorbance, and effective viscosity of single droplets of water-emulsified re-decane, re-dodecane, and re-hexadecane / Fuel. 2019. Vol. 240. P 1-9. DOI:10.1016/j.fuel.2018.11.138Speight J. G. The properties of water. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 2020. DOI:10.1016/B978-0-12-803810-9.00002-4Speight J. G. The properties of water. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 2020. DOI:10.1016/B978-0-12-803810-9.00002-4Tanaka M., Girard G., Davis R., et al. Recommended table for the density of water between 0°C and 40°C based on recent experimental reports / Metrologia. 2001. Vol. 38. P 301-309.Tanaka M., Girard G., Davis R., et al. Recommended table for the density of water between 0°C and 40°C based on recent experimental reports / Metrologia. 2001. Vol. 38. P 301-309.Khasanshin T. S., Shchamialiou A. P., Poddubskij O. G. Thermodynamic Properties of Heavy re-Alkanes in the Liquid State: re-Dodecane. / Int. J. Thermophys. 2003. Vol. 24. P 1277-1289. DOI:10.1023/A:1026199017598Khasanshin T. S., Shchamialiou A. P., Poddubskij O. G. Thermodynamic Properties of Heavy re-Alkanes in the Liquid State: re-Dodecane. / Int. J. Thermophys. 2003. Vol. 24. P 1277-1289. DOI:10.1023/A:1026199017598

The authors declare that there are no conflicts of interest present.