ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ МИКРОПОРИСТОСТИ В МОНОКРИСТАЛЛАХ НИКЕЛЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

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.

1. Naze L., Maurel V, Eggeler G., et al. Nickel base single crystals across length scales. — Amsterdam: Elsevier, 2021. — 610 p.

2. 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:10.18577/2307-6046-2021-0-3-3-15

3. Петрушин 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:10.18577/2307-6046-2021-0-4-3-15

4. Lecomte-Beckers J. Study of microporosity formation in nickel-base superalloys / Metall. Trans. A. 1988. Vol. 19. N 9. P 2341-2348. DOI:10.1007/BF02645058

5. Толораия 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.

6. 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:10.26896/1028-6861-2022-88-5-34-41

7. Anton 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)90091-6

8. Epishin 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:10.3139/146.110924

9. 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.

10. 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:10.1080/14786430410001663240

11. le 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.2017.03.083

12. Fullagar 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:10.1115/1.2816600

13. Epishin 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/20141408003

14. Touratier 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.278.7

15. Jacques 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/s11661-018-4770-5

16. Гаузнер С. И., Кивилис С. С , Осокина А. П., Павловский А. Н. Измерение массы, объема и плотности. — М.: Изд-во стандартов, 1972. — 623 с.

17. Stock S. R. MicroComputed Tomography Methodology and Application. — CRC Press, 2022. — 392 p.

18. 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/metl0081034

19. Epishin 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.202001220

20. Harris 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/BF02661730

21. Светлов 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.

22. Гарбер Р. И., Коган В. С , Поляков Л. М. Рост и растворение пор в кристаллах / ЖЭТФ. 1958. Т. 35. № 6. С. 1364-1368.

23. 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/jl00884a027

24. Jang 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.2018.11.138

25. Speight J. G. The properties of water. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 2020. DOI:10.1016/B978-0-12-803810-9.00002-4

26. 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.

27. 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:1026199017598