Моделирование процесса горячего изостатического прессования монокристаллов никелевого жаропрочного сплава с учетом пластического течения и диффузии вакансий

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложена комплексная модель аннигиляции пор в процессе ГИПа, учитывающая одновременное действие механизмов пластического течения материала и диффузионнного растворения пор вследствие эмиссии вакансий поверхностью поры. Полученные математические уравнения применены для анализа кинетики аннигиляции пор в монокристаллах никелевого жаропрочного сплава CMSX-4 в процессе ГИПа, применяемого к этому сплаву в промышленности. Из проведенного анализа следует, что в данных условиях оба механизма (пластического течения и диффузии вакансий) вносят сопоставимый вклад в сокращение объема пор. С повышением давления ГИПа вклад пластического течения увеличивается, тогда как вклад диффузии вакансий понижается. Крупные поры сокращаются в объеме в основном по механизму пластического течения, однако на окончательной стадии закрытия пор более активен механизм диффузии вакансий. Для обеспечения надежного залечивания пор по вакансионному механизму ГИП следует проводить при умеренном давлении аргона в газостате.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Епишин

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН

Email: a.epishin2021@gmail.com
Россия, Черноголовка

Д. С. Лисовенко

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: lisovenk@ipmnet.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Шалин Р.Е., Светлов И.Л., Качанов Е.Б., Толораия В.Н., Гаврилин О.С. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. М: Машиностроение, 1997. 333 с.
  2. Reed R.C. The Superalloys: Fundamentals and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 372 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511541285
  3. Epishin A., Link T., Brückner U., Portella P.D. Investigation of porosity in single-crystal nickel-base superalloys // Proc. the 7th Liege Conference on Materials for Advanced Power Engineering. FZ Jülich, 2002. P. 217–226.
  4. Link T., Zabler S., Epishin A. et.al. Synchrotron tomography of porosity in single-crystal nickel-base superalloys // Mat. Sci. Eng. A. 2006. V. 425. P. 47–54. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.03.005
  5. Epishin A., Link T., Svetlov I.L. et.al. Mechanism of porosity growth during homogenisation in single crystal nickel-based superalloys // Int. J. Mater. Res. 2013. V. 104. P. 776–782. https://doi.org/10.3139/146.110924
  6. Lecomte-Beckers J. Study of microporosity formation in nickel-base superalloys // Metall. Trans. A. 1988. V. 19. № 9. P. 2341–2348. https://doi.org/10.1007/BF02645058
  7. Anton D.L., Giamei A.F. Porosity distribution and growth during homogenization in single crystals of a nickel-base superalloy // Mater. Sci. Eng. 1985. V. 76. P. 173–180. https://doi.org/10.1016/0025-5416(85)90091-6
  8. 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. Akad. Nauk SSSR. Metally. 1991. № 5. P. 70–76.
  9. Fullagar K.P.L., Broomfield R.W., Hulands M. et al. Aero engine test experience with CMSX-4® alloy single-crystal turbine blades // J. Eng. Gas Turbines Power. 1996. V. 118. P. 380–388. https://doi.org/10.1115/1.2816600
  10. Epishin A.I., Link T., Fedelich B. et al. Hot isostatic pressing of single-crystal Ni-base superalloys: mechanism of pore closure and effect on mechanical properties // MATEC Web of Conferences. 2014. V. 14. P. 08003. https://doi.org/10.1051/matecconf/20141408003
  11. Reed R.C., Cox D.C., Rae C.M.F. Damage accumulation during creep deformation of a single crystal superalloy at 1150 °C // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V. 448. № 1–2. P. 88–96. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.11.101
  12. Epishin A., Fedelich B., Link T. et al. Pore annihilation in a single-crystal nickel-base superalloy during hot isostatic pressing: Experiment and modelling // Mat. Sci. Eng. A. 2013. V. 586. P. 342–349. https://doi.org/10.1016/j.msea.2013.08.034
  13. Епишин А.И., Бокштейн Б.С., Светлов И.Л. и др. Вакансионная модель аннигиляции пор в процессе горячего изостатического прессования монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов // Материаловедение. 2017. № 5. С. 3–12.
  14. Епишин А.И., Лисовенко Д.С., Алымов М.И. Модель диффузионной аннигиляции газонаполненных сферических пор в процессе горячего изостатического прессования // Известия РАН. МТТ. 2025. № 1. С. 136–157. https://doi.org/10.31857/S1026351925010071
  15. Čadek J. The back stress concept in power law creep of metals: A review // Mater. Sci. Eng. 1987. V. 94. P. 79–92. https://doi.org/10.1016/0025-5416(87)90324-7
  16. Epishin A., Fedelich B., Nolze G. et al. Creep of single crystals of nickel-based superalloys at ultra-high homologous temperature // Metall. Mater. Trans. A. 2018. V. 49. P. 3973–3987. https://doi.org/10.1007/s11661-018-4729-6
  17. Epishin A.I., Fedelich B., Viguier B. et al. Creep of single-crystals of nickel-base γ-alloy at temperatures between 1150 °C and 1288 °C // Mater. Sci. Eng. A. 2021. V. 825. P. 141880. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141880
  18. Epishin A., Camin B., Hansen L. et. al. Refinement and experimental validation of a vacancy model of pore annihilation in single-crystal nickel-base superalloys during hot isostatic pressing // Adv. Eng. Mater. 2020. V. 23. № 7. P. 2100211. https://doi.org/10.2139/ssrn.3751560
  19. Klingelhöffer H., Epishin A., Link T. Low cycle fatigue of the single-crystal nickel-base superalloy CMSX-4 - Anistropy and effect of creep damage // Mater. Testing. 2009. V. 51. № 5. P. 291–294. https://doi.org/10.3139/120.110035
  20. Епишин А.И., Алымов М.И. Деформация и разрушение монокристаллов никелевых жаропрочных сплавов CMSX-4 и CMSX-10 в условиях ползучести и усталостного нагружения // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 1. С. 11–18. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2023-1-11-18
  21. Epishin A.I., Nolze G., Alymov M.I. Pore morphology in single crystals of a nickel-based superalloy after hot isostatic pressing // Metall. Mater. Trans. A. 2023. V. 54. P. 371–379. https://doi.org/10.1007/s11661-022-06893-x
  22. Орлов М.А. Технологическое обеспечение ресурса рабочих лопаток первых ступеней турбины авиационных и наземных газотурбинных двигателей. Дисс. …д-ра тех. наук. М., 2008. 207 с.
  23. Epishin A., Link T., Portella P.D., Brückner U. Evolution of the γ/γ′ microstructure during high-temperature creep of a nickel-base superalloy // Acta Mater. 2000. V. 48. № 16. P. 4169–4177. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(00)00197-X
  24. Wilkinson D.S, Ashby M.F Pressure sintering by power law creep // Acta Metallurgica. 1975. V. 23. № 11. P. 1277–1285. https://doi.org/10.1016/0001-6160(75)90136-4

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Модель для описания кинетики аннигиляции пор в процессе ГИПа – толстостенная изотропная сфера с центральной порой под действием внешнего давления ГИПа pe и поверхностного натяжения поры gM.

Скачать (213KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Точки – зависимость минимальной скорости ползучести монокристаллов сплава CMSX-4 различных кристаллографических ориентаций от прикладываемого напряжения [16]. Сплошная и штриховая линии – аппроксимация точек для ориентации [001] соответственно с sB ≠ 0 и sB = 0. Штрихпунктирная линия – предполагаемая зависимость для низкосимметричных ориентаций [011] и [123].

Скачать (188KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Нахождение оптимального значения степени n путем максимизации коэффициента детерминации r 2 = f (n).

Скачать (168KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кинетика уменьшения диаметра поры в предположении различных механизмов ГИПа. Пластическое течение (P), диффузия вакансий (D) и совместно P+D под внешним давлением pe – соответственно синяя, зеленая и штриховая красная кривые. Сплошная красная кривая – пластическое течение с диффузией под суммарным давлением Sp = pe + pL (давление Лапласа).

Скачать (229KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Кинетика ГИПа в условиях совместного действия механизмов пластического течения с диффузией под суммарным давлением Sp = pe + pL. (а) Изменение общей и парциальных скоростей сжатия поры. (б) Общее изменение объема поры (в %) и вклады в него пластической деформации и диффузии.

Скачать (206KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимость времени аннигиляции пор разного начального диаметра Dp,0 от давления ГИПа.

Скачать (377KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Вклады (в %) механизмов пластической деформации (сплошные кривые) и диффузии (штриховые кривые) в объемное сжатие пор разного начального диаметра Dp,0 при различных давлениях ГИПа.

Скачать (478KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Экспериментальные факты, свидетельствующие о механизмах аннигиляции пор, действующих в никелевых жаропрочных сплавах в процессе ГИПа. (а, б) Сплав CMSX-4 после 0.5 ч ГИПа при температуре 1288 °C и давлении 103 МПа. (а) – Полосы скольжения у поверхности поры. ПЭМ [12]. (б) – Оболочка γ′-фазы вокруг поры и фасетация ее поверхности. СЭМ [21]. (в) – Образование кольцеобразной рафт-структуры γ′-фазы вокруг поры в сплаве ЖС6У-ВИ в процессе ГИПа при температуре 1210 °C (ниже γ′-солвуса) и давлении 150 МПа. СЭМ [22].

Скачать (293KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025