CC BY
35
УДК 669.018.44:669.245
Е.В. Филонова1, М.М. Бакрадзе1, А.Я. Кочубей1, Н.Л. Вавилин1
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРНО-ФАЗОВОГО СОСТОЯНИЯ СПЛАВА ВЖ175 В ПРОЦЕССЕ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Установлено влияние термомеханических параметров деформации (температуры и скорости), а также термической обработки на процесс рекристаллизации структуры жаропрочного сплава на никелевой основе ВЖ175. Построена структурная диаграмма и определены условия формирования в сплаве однородной рекристаллизованной мелкозернистой микроструктуры.
Ключевые слова: деформация, температура, скорость, термическая обработка, рекристаллизация, зерно, структура.
The effect of thermomechanical deformation parameters (temperature and speed) and heat treatment on the recrystallization process of nickel-based superalloy VZh175 has been investigated in this article. The structural diagram and the conditions for the formation a recrystallized homogeneous fine-grained alloy microstructure were obtained.
Keywords: deformation, temperature, speed, heat treatment, recrystallization, grain, structure.
"'Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации
[Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» State research center of the Russian Federation] E-mail: admin@viam.ru
Введение
Жаропрочные никелевые сплавы в ближайшем будущем будут оставаться одними из основных материалов для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, они в значительной мере определяют эксплуатационные характеристики и конкурентоспособность силовой установки летательных аппаратов [1, 2].
Структура жаропрочных сплавов, в том числе деформируемых, наряду с химическим составом, является одним из основных факторов, обусловливающих их свойства, такие как прочность, жаропрочность, пластичность, сопротивление усталости и другие. Поэтому получение оптимальной для данного сплава структуры является важным условием обеспечения требуемых свойств и высокой работоспособности материала [3, 4].
Структурные диаграммы горячедеформиро-ванных сплавов отражают качественные и количественные зависимости характеристик структуры от параметров деформационного и термического воздействия [5-7]. Значение этих диаграмм состоит в возможности прогнозирования получения заданной структуры в материале. Изменяя основные параметры деформации (степень, скорость, температура), можно получить полный набор структур - от нерекристаллизованной до полностью рекристаллизованной.
В данной работе для нового жаропрочного сплава на никелевой основе марки ВЖ175 исследовали изменения структурно-фазового состояния в процессе горячей деформации и термической обработки (закалки). Задачей работы являлось
построение структурной диаграммы для оптимизации технологических параметров производства штамповок дисков турбины из этого материала.
Материалы и методы
Исследования проводили на модельных цилиндрических образцах из сплава ВЖ175 диаметром 15 мм, высотой 20 мм, прошедших горячую осадку в изотермических условиях по различным режимам на универсальной испытательной машине М^ 50. Температурный интервал деформации (1100-1160°С) установлен в двухфазной области, что обусловлено необходимостью получения мелкозернистой структуры после окончательной термической обработки для обеспечения высоких прочностных характеристик сплава. При этом максимальная температура деформации не должна превышать температуры закалки и полного растворения у'-фазы.
Для выбора параметров деформации проведен анализ публикаций и технической документации по сплаву ВЖ175 и технологии его производства [8-17]. Установлено, что в процессе изготовления заготовок дисков из сплава ВЖ175 разовая степень деформации на операциях осадки и штамповки должна составлять ~30%. В этих условиях формируется равномерная макро- и микроструктура, материал деформируется без образования трещин. Интервал скоростей деформации 10-2-10-1 с-1 выбран с учетом возможностей существующего промышленного прессового оборудования металлургических заводов отрасли и на основании опыта производства штамповок дисков из трудноде-
а) 6) в)
Рис. 1. Дифрактограммы, структуры и данные ЕВSD-анализа образцов из сплава ВЖ175 после деформации (скорость 3,3 10-2 с-1, разовая степень деформации едеф=30%) при температуре деформации 1160 (а), 1140 (б) и 1120°С (в)
формируемых жаропрочных сплавов ЭК151, ЭП975 и др.
Осаженные по выбранным режимам цилиндрические образцы из сплава ВЖ175 разрезали пополам вдоль оси деформации электроискровой резкой на установке АРТА-120.
Структура образцов изучалась в параллельной оси деформирования плоскости в состоянии после деформации и охлаждения с печью, а также после закалки по стандартному режиму: предварительный отжиг перед нагревом под закалку при температуре Гпру'-40°С+закалка в двухфазной области с температуры Гпру'-20°С [8].
Исследование проводили методами рентгено-структурного анализа на дифрактометре D/MAX-2500 с применением ю-сканирования и растровой электронной микроскопии, включая метод дифракции обратноотраженных электронов (EBSD-анализа), на растровом электронном микроскопе JSM-6490LV с HKL Channel 5.
Результаты
На рис. 1 представлена структура образцов из сплава ВЖ175 после деформации. В структуре образцов, продеформированных при высоких температурах (1140 и 1160°С) со скоростью в диапа-
зоне 10-2-10-1 с-1, зерна почти полностью рекри-сталлизованы (см. рис. 1, а, б). При этом их доля в образцах, осаженных при 1160°С, составляет ~95%, в образцах, осаженных при 1140°С: 80%. Наблюдается существенное укрупнение структуры при температуре деформации 1140°С - средний размер зерна составляет 20 мкм, при температуре 1160°С: 40-60 мкм.
На дифрактограммах образцов, продеформи-рованных при 1140°С, наблюдается небольшое количество дискретных пиков высокой интенсивности, в отличие от дифрактограммы при температуре осадки 1160°С, где пики начинаются не от нулевого уровня, а от некоторого уровня фона, что обусловлено наличием в структуре незначительного остаточного наклепа.
При температуре 1120°С во всех образцах основная доля зерен нерекристаллизована, что подтверждается присутствием на дифрактограммах сплошного фона с отдельными пиками (см. рис. 1, в).
По результатам исследования процесса рекристаллизации в интервале температур 1100-1160°С и скоростей деформации 10-2-10-1 с-1 построена структурная диаграмма сплава ВЖ175, отражающая зависимость характеристик структуры от температуры и скорости деформации в условиях
Рис. 2. Структурная диаграмма сплава ВЖ175 с областями без рекристаллизации (I), с частичной (II) и полной рекристаллизацией (III); С-С и СГ-СГ - границы между областями; D - размер зерна
Рис. 3. Дифрактограммы, структуры и данные ЕВSD-анализа образцов из сплава ВЖ175 после деформации (скорость 3,310-2 с-1, разовая степень деформации едеф=30%) и последующей термической обработки (закалка по стандартному режиму) при температуре деформации 1160 (а), 1140 (б) и 1120°С (в)
охлаждения с печью после осадки (рис. 2). На диаграмме показаны области без рекристаллизации (I), с частичной (II) и полной (III) рекристаллизацией, приведены значения размеров зерен (D). Линия С-С представляет собой границу между областями с нерекресталлизованной и частично рекристаллизованной структурами, линия d-d - границу между областями частичной и полной рекристаллизации.
Температура деформации, при которой происходит переход от нерекристаллизованной структуры к рекристаллизованной, находится в интервале от 1120 до 1140°С. В исследованном темпе-ратурно-скоростном интервале изменение скорости деформации при медленном охлаждении по-
сле осадки оказывает меньшее влияние на размер зерен, чем изменение температуры деформации.
В области полностью рекристаллизованной структуры размер зерен при температуре 1160°С равен 40-60 мкм, а при температуре 1140°С: 15-20 мкм. В области частично рекристаллизованной структуры размер рекристаллизован-ных зерен ~5 мкм.
После закалки во всех образцах формируется рекристаллизованная структура с равномерным распределением зерен матрицы (рис. 3). Сравнение дифрактограмм деформированного и термо-обработанного металла показывает, что для температур деформации >1130°С после закалки структура образцов полностью рекристаллизована
(см. рис. 3, а, б). Уровень наклепанного слоя на образце, продеформированном при 1140°С, существенно снизился, а на образце, продеформиро-ванном при 1160°С, полностью отсутствует. В образцах, осаженных при более низких температурах (1100, 1120°С), после закалки количество рекристаллизованных зерен увеличилось и уровень наклепанного слоя снизился (см. рис. 3, в).
Размер зерен в образцах после закалки зависит от температуры деформации. Так, в заготовках после осадки при 1100, 1120°С и последующей закалки размер зерен ~10 мкм, после осадки при 1140°С и закалки - составляет ~25 мкм, после деформации при 1160°С: 60 мкм.
Обсуждение и заключения
По результатам исследований процессов рекристаллизации сплава ВЖ175 построена структурная диаграмма, отражающая переход от нере-кристаллизованной структуры к рекристаллизо-ванной в заданном интервале температур и скоростей деформации.
По диаграмме установлен температурно-скоростной интервал деформации, при котором в образцах из сплава ВЖ175 с после закалки по стандартному режиму формируется требуемая для получения высокого уровня свойств однородная рекристаллизованная микроструктура с размером зерен ~25 мкм.
ЛИТEРAТУРA
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития
материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Созда-
ние современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двига-телестроения //Крылья Родины. 2012. №3-4. С. 34.
3. Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Чабина Е.Б., Филоно-
ва Е.В. Взаимосвязь структуры и свойств высокожаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей //Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 25-30.
4. Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А.
Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с монокристаллической и композиционной структурой //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 3-8.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки метал-
лов и сплавов. М.: Металлургия. 1982. 392 с.
6. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекри-
сталлизация металлов и сплавов. М.: МИСиС. 2005. 432 с.
7. Вайнблат Ю.М., Шаршагин Н.А., Варфаломеева Э.А.
Диаграммы структурных состояний и механизмов деформации алюминиевых сплавов. М.: ВИЛС. 1985. 123 с.
8. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Особен-
ности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3-8.
9. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Новый
жаропрочный никелевый сплав для дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) //Материаловедение. 2010. №7. С. 24-28.
10. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава: пат. 2365657 Рос. Федерация; опубл. 27.08.2009 Бюл. №24.
11. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе M.M., Maзa-лов И.С. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей газотурбинных двигателей /М.виационные материалы и технологии. 20i2. №S. С. 52-57.
12. Ovsepyan S., Lomberg B., Bakradze M., Mazalov I. New nickel-base wrought superalloys for high temperature rotor and stator parts of gas turbine engines /In: Materials Science and Engineering Conference. 2012. http://www.dgm.de/tagungen.
13. Рынденков Д.В., Перевозов A.C, Ломберг Б.С., Бакрадзе M.M. Первый опыт производства крупногабаритных штамповок из сплава ВЖ175-ИД в OAO «СMK» /В сб. тезисов докл. конф. «Современные деформируемые жаропрочные сплавы и стали для деталей ГТД». M.: ВИAM. 20i3 (CD-диск).
14. Бакрадзе M.M., Ломберг Б.С., Овсепян С.В. и др. Разработка нового жаропрочного деформируемого сплава на никелевой основе для дисков ГТД /В сб. тезисов докл. Meждунaродной науч.-технич. конф. «Aктуaльныe вопросы авиационного материаловедения». M.: ВИAM. 2007. С. i46.
15. Ломберг Б.С., Бубнов M^., Бакрадзе M.M., Aр-бина В.П. Изготовление поковок дисков газотурбинных двигателей из сплава ВЖ175 //Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 20i3. №9. С. 2i-23.
16. Каблов E.K, Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Комплексная инновационная технология изотермической штамповки на воздухе в режиме сверхпластичности дисков из супержаропрочных сплавов /М.виационные материалы и технологии. 20i2. №S. С. i29-i4i.
17. Каблов E.K, Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С., Сидоров В.В. Приоритетные направления развития технологий производства жаропрочных материалов для авиационного двигателестроения //Проблемы черной металлургии и материаловедения. 20i3. №3. С. 47-54.
