CC BY
23
_ МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.762:669.24
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-1-37-44
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАГОТОВОК ДИСКОВ ИЗ ГРАНУЛИРУЕМОГО СПЛАВА ЭП962П, ЗАКАЛЕННЫХ В ВАКУУМНЫХ ПЕЧАХ
Алексей Михайлович Казберович, канд. техн. наук, Леонид Борисович Бер, докт. техн. наук, Владимир Анатольевич Зенин, канд. техн. наук, Виктор Владимирович Белоцерковец, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. Разработана технология закалочного охлаждения заготовок дисков из гранулируемого жаропрочного никелевого сплава ЭП962П в вакуумных печах MODULTHERM и MONOTHERM фирмы ALD газообразным гелием под высоким давлением. Проведен анализ средних значений ств и ст02 на материале 117 серийных заготовок дисков из гранул сплава ЭП962П. Характеристики пластичности
5, KCU, а также характеристики длительной прочности и сопротивления МЦУ при 650 °С удовлетворяют требованиям ТУ. На сплаве ЭП962П достигнут уровень механических характеристик при комнатной температуре и сопротивления МЦУ, превышающий требования технических условий к материалу заготовок дисков из высокопрочного сплава ВВ751П. Размер частиц у'-фазы в заготовках из сплава ЭП962П существенно меньше, чем в заготовках из сплавов ЭП741НП и ВВ751П.
Ключевые слова: гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы, сплав ЭП962П, закалка заготовок дисков, характеристики материала, размеры частиц у'-фазы
Research of the Structure and Mechanical Characteristics of Disc Blanks Made from PM EP962P Alloy Quenched in Vacuum Furnaces. Cand. of Sci. (Eng.) Alexey M. Kazberovich, Dr. of Sci. (Eng.) Leonid B. Ber, Cand. of Sci. (Eng.) Vladimir A. Ze-nin, Cand. of Sci. (Eng.) Viktor V. Belotserkovets.
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. A technology to quench disk blanks made of PM EP962P heat-resistant Ni-based alloy in ALD's MODULTHERM and MONOTHERM vacuum furnaces with gaseous helium under high pressure has been developed. The average values of UTS and YS02 of 117 serial disk blanks made of PM EP962P alloy were analyzed. It was shown that the plasticity characteristics such as 8, KCU, and rupture strength and LCF at 650 °C meet to the standard requirements. The level of mechanical characteristics at room temperature and LCF exceeding the requirements of standards for the disk blanks made of VV751P high-strength alloy was achieved for the EP962P alloy. The particle size of the y'-phase in EP962P alloy blanks is significantly smaller than that in EP741NP and VV751P alloy blanks.
Key words: PM heat-resistant N-based alloys, EP962P alloy, quenching of disk blanks, material characteristics, y'-phase particle sizes
Введение
Гранулируемый жаропрочный никелевый сплав ЭП962П, как и другие гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы (ЖНС), используется для дисков и валов турбины и компрессоров высокого и низкого давления газотурбинных двигателей (ГТД). Сплав был разработан в ВИЛСе как материал, имеющий более высокую прочность, чем гранулируемый отечественный дисковый сплав ЭП741НП. По сравнению со сплавом ЭП741НП в сплав ЭП962П введены добавки V и Та. В нем больше Сг (в 1,5 раза), 71 (в 2,1 раза), С (в 1,5 раза), меньше А1 (в 1,3 раза), Со (в 1,7 раза), W (в 2 раза) и примерно одинаковое количество ЫЬ, Мо, ИТ, В (табл. 1).
В табл. 2 показан гарантированный уровень характеристик по техническим условиям на материал заготовок дисков из гранул сплавов ЭП741НП и ЭП962П после ГИП и паспортизованных режимов закалки и старения. По сравнению с комплексом свойств дисков из сплава ЭП741НП у дисков из сплава ЭП962П гарантированные значения ав и а0.2 выше ~ на 150 МПа, величина 5 ниже на 3 %, у - на 8 %, КСи - на 16,5 Дж/см2. Требования технических условий к сплаву ЭП962П по долговечности при испыта-
ниях на длительную прочность гладких образцов и образцов с надрезом, а также требования к числу циклов до разрушения при испытаниях на сопротивление малоцикловой усталости МЦУ (Мц) при 650 °С более жесткие, чем к сплаву ЭП741НП. Испытания сплава ЭП741НП на длительную прочность при температуре 650 °С и одинаковых требованиях к долговечности (100 ч) проводят при напряжении а = 9801000 МПа, а сплава ЭП962П - при а = 1030 МПа. В случае испытаний на МЦУ при одинаковых значениях требуемого числа циклов до разрушения (Мц 1 5000) значение а для сплава ЭП962П составляет 1030 МПа, что также превышает а для сплава ЭП741НП (980 МПа).
Однако в серийном производстве в период до 1990 г. прошлого столетия указанные в табл. 2 характеристики заготовок дисков из сплава ЭП962П стабильно получить не удалось. Чтобы добиться желаемого результата, химический состав сплава ЭП962П был скорректирован. Содержание ИТ было уменьшено с 0,1-1,0 до 0,1-0,4 % мас., а концентрация Мо увеличена с 3,9-4,7 до 3,9-5,0 % мас.
Традиционно закалку и старение заготовок дисков из гранул сплава ЭП962П в ВИЛСе осуществляли в высокотемпературных воздушных
Химический состав сплава ЭП962П (% мас.) Таблица 1
С Сг 71 А1 Та + ЫЬ Мо W Со V ИТ ЫП
Основные легирующие компоненты
0,06-0,08 12-15 2,4-3,0 3,6-4,0 3,2-3,7 3,9-4,7 2,5-4,0 8,0-10,0 0,1-0,6 0,1-1,0 Ост.
Мд Мп Б1 Ре La В Б Р
Примеси, не более
0,02 0,5 0,5 0,5 0,01 0,015 0,009 0,015
Таблица 2 Требования технических условий к характеристикам материала заготовок дисков из сплавов ЭП962П (1987 г.) и ЭП741НП (1980 г.)
Сплав ав- МПа а0,2' МПа 5, % у, % кси, Дж/см2 Требования ТУ при испытании на длительную прочность Требования ТУ при испытании на МЦУ
ЭП962П 1 1519 1 1078 1 10 1 12 1 22,5 Т = 650 °С, а = 1030 МПа, тгл 1 100 ч Т = 650 °С, а = 1030 МПа, тн 1 100 ч Т = 650 °С, а = 1030 МПа, Ыц 1 5000
ЭП741НП 1 1372 1 932 1 13 1 20 1 39 Т = 650 °С, а = 1000 МПа, тгл 1 100 ч Т = 650 °С, а = 1000 МПа, тн 1 100 ч Т = 650 °С, а = 980 МПа, Ыц 1 5000
печах. Эта технология не обеспечивала стабильного выполнения требований ТУ к материалу заготовок при комнатной и рабочей температурах. В отдельные периоды у значительного числа заготовок результаты определения ств, ст02 и тн не соответствовали требованиям ТУ. Такое положение может быть связано с двумя причинами. Во-первых, сплав ЭП962П обладает узкой областью гомогенности. Разница между температурами сольвуса и солидуса у этого сплава составляет менее 30 °С1.
Закаленные заготовки, находящиеся в одной садке, из-за разных условий закалочного охлаждения в реальном технологическом процессе могли иметь различную структуру, а значит, и свойства. Второй причиной является недостаточная скорость закалочного охлаждения Уохл поверхности заготовок дисков.
В 2015 г. в ВИЛСе были введены в эксплуатацию автоматизированные вакуумные печи МОйЮНЕРМ и МОЫОТНЕРМ фирмы ALD, в которых закалочное охлаждение заготовок осуществляется струями газообразного гелия под высоким давлением [1, 2]. Величина Уохл повысилась в 10-15 раз по сравнению с Уохл в воздушных печах. В работах [3, 4] изучена зависимость механических характеристик заготовок дисков из ЖНС ЭП741НП и ВВ751П, а также микроструктуры этих заготовок от условий закалочного охлаждения.
''Определение температур сольвуса и солидуса сплава ЭП962П проведено Е.Я. Капуткиным.
Цель данной работы - установить указанные зависимости для заготовок дисков из сплава ЭП962П, химический состав которого существенно отличается от химического состава сплавов ЭП741НП и ВВ751П.
Материал и методика
Материалом для исследований были образцы, вырезанные из кольцевых припусков серийных заготовок дисков из гранул сплава ЭП962П, изготовленных в 2018-2020 гг. Заготовки дисков серийного производства из сплава ЭП962П отличаются относительно небольшой массой (~ 80 кг) и габаритными размерами (Ь < 80 мм, 0 < 550 мм) (рис. 1).
Рис. 1. Заготовки дисков из гранул сплава ЭП962П с закрепленными термопарами и приспособлениями для транспортировки
Рис. 2. Заготовки из сплава ЭП962П перед загрузкой в вакуумные печи:
а - садка из 5 заготовок для печи MODULTHERM; б - садка из 8 заготовок для печи MONOTHERM,
Это позволило в печах MODULTHERM и MONOTHERM проводить групповую закалку данных заготовок (рис. 2).
Технология изготовления заготовок дисков включала получение гранул крупностью -140 + 50 мкм методом плазменного распыления вращающейся заготовки (PREP), вакуумную термическую дегазацию гранул и их герметизацию в капсулах, горячее изостатическое прессование (ГИП), обработку на твердый раствор и закалку в вакуумных печах, старение в воздушных печах по паспортизованным режимам. ГИП и обработку на твердый раствор проводили в однофазной Y-области при температурах на 10-15 °С выше температуры сольвуса у'- фазы2.
Микрошлифы для исследования микроструктуры готовили на боковой поверхности разрушенных ударных образцов. Исследования проводили методами световой микроскопии (СМ) на микроскопе Neophot 21 и методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на микроскопе KYKY-2800B со спектрометром NORAN.
2Определение температур сольвуса и солидуса сплава ЭП962П проведено Е.Я. Капуткиным.
Зависимость комплекса механических характеристик материала заготовок
дисков из гранул сплава ЭП962П от условий термической обработки
На рис. 3 представлены усредненные результаты контрольных и всесторонних испытаний при комнатной температуре 117 серийных заготовок дисков одного шифра из сплава ЭП962П. Все механические характеристики с большим запасом превышают требования технических условий 2005 г. Прочностные характеристики ав и а0,2 заготовок, закаленных в печи МОйиЬТИЕРМ, превышают требования ТУ на 100 и 130 МПа, а характеристики пластичности 5, у и КСи на 4 %, 3 % и на 6,5 Дж/см2 соответственно. В случае заготовок, закаленных в печи МОЫОТИЕРМ, превышение по ав и а0,2 несколько меньше (на 60 и 110 МПа соответственно), а по 5, у и КСи немного больше (на 5 %, 3 % и 6,5 Дж/см2 соответственно). Можно отметить, что полученные значения ав и а0,2 существенно превышают требования ТУ к материалу заготовок дисков из сплава ВВ751П (1 1550 и 1148 МПа соответственно).
Результаты испытаний всех 117 заготовок на длительную прочность при 650 °С на гладких образцах и образцах с надрезом удовлетворя-
MODULTHERM □ MONOTHERM
ст0;2, МПа
1200
1180;
1160
1140
1120
1100
ТУ|
5,%
15-
14-
13-
12-
11-
10-
IV
V. 164
15-
14-
13-
12'
И
10-
%
KCU, Дж/см2
tfCÜ:
RCÜ
ТУ
30-
25-
20-
15'
10-
Рис. 3. Средние значения и доверительные интервалы определения механических свойств образцов, вырезанных из заготовок дисков. Сплав ЭП962П. Испытания при комнатной температуре
ют требованиям ТУ. Только в двух случаях на гладких образцах и в двух случаях на образцах с надрезом понадобились повторные испытания. При испытаниях на МЦУ (Т = 650 °С, а = 1030 МПа) все 234 образца простояли 5000 циклов без разрушения.
Групповая закалка 8 заготовок в вакуумной печи MONOTHERM и 7 заготовок в вакуумном агрегате MODULTHERM по сравнению с закалкой 1-3 заготовок позволила значительно увеличить производительность оборудования, уменьшить расход электроэнергии и добиться удовлетворительных результатов испытаний механических свойств при комнатной температуре и ресурсных характеристик при рабочей температуре.
На образцах, вырезанных из кольцевого припуска одной из заготовок, было определено число циклов до разрушения при испыта-
ниях на МЦУ при напряжении а = 1098 МПа, что на 88 МПа выше, чем а, заданное ТУ для сплава ЭП962П, и соответствует а для материала заготовок дисков из высокопрочного сплава ВВ751П. Числа Мц при таком а составили 37150 и 72160, что существенно больше числа циклов Мц, требуемого по ТУ для сплава ВВ751П (20000 циклов).
Микроструктура
На рис. 4 представлена типичная зеренная структура четырех серийных заготовок. Зерна примерно равноосные, неоднородные по размерам. Внутри зерен иногда наблюдается много двойников (см. рис. 4, б, в). Средние размеры зерен находятся в диапазоне 5070 мкм (табл. 3), то есть заготовки дисков из сплава ЭП962П имеют примерно те же сред-
Рис. 4. Зеренная структура серийных заготовок дисков из сплава ЭП962П
Таблица 3 Средние размеры зерна и субмикроскопических частиц у'-фазы в объеме зерен и на границах зерен (ГЗ) на микрошлифах шести заготовок из сплава ЭП962П
Печь Средний размер зерна, мкм Средний размер частиц у'-фазы в объеме зерен, мкм Средний размер частиц у'-фазы на ГЗ, мкм
МОНОТЕРМ 51±5 0,17±0,03 0,18-0,25x0,3-0,4
МОДУЛЬТЕРМ 65±5 0,18±0,03 0,2-0,3x0,3-0,5
МОДУЛЬТЕРМ 63±5 0,22 ±0,02 -
МОДУЛЬТЕРМ 64±5 0,20±0,03 -
МОНОТЕРМ 70±5 0,21±0,04 0,2-0,4x0,4-0,8
МОНОТЕРМ 62±5 0,18±0,03 0,2-0,5x0,3-0,7
д е
Рис. 5. Микроструктура серийных заготовок дисков из сплава ЭП962П, РЭМ
ние размеры зерен, что и заготовки из сплава ЭП741НП, и более высокие средние размеры зерен, чем у заготовок из сплава ВВ751П [3, 4]. Неметаллические включения и микропористость на исследованных микрошлифах заготовок из сплава ЭП962П не обнаружены.
На рис. 5 показаны полученные методом РЭМ во вторичных электронах типичные изображения основных элементов микроструктуры ЖНС: на фоне более светлой у-матрицы видны темные частицы у'-фазы в объеме и на ГЗ, а также белые частицы карбидов. В табл. 3 для каждого микрошлифа представлены результаты измерения средних размеров 60-80 частиц у'-фазы в объеме зерен. Этот результат отличается от результатов аналогичных исследований микроструктуры серийных заготовок из гранулируемых сплавов ЭП741НП и ВВ751П [3, 4]. В сплаве ЭП741НП как размер частиц в объеме зерен (0,20-0,25 мкм), так и размер пластин у'-фазы на ГЗ (0,5-1,5*310 мкм) значительно больше, чем соответствующие размеры частиц у'-фазы в сплаве ЭП962П (см. табл. 3). В сплаве ВВ751П кубоиды у'-фазы в объеме зерен (0,17-0,22 мкм) и пластины у'-фазы на ГЗ (0,2-0,5*0,5-1,5 мкм) имеют промежуточные размеры.
В изученных заготовках из сплава ЭП962П частицы карбидов встречаются сравнительно редко (см. рис. 5, б, в), частицы карбоборидов типа Ме23(В,С)6 на ГЗ не обнаружены.
На рис. 6 представлены зависимости средних значений ств и ст02 от среднего размера кубоидов у'-фазы в объеме зерен. Видна явная корреляция: чем меньше размер кубоидов у'-
0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16
Щ MONOTHERM □ MODULTHERM
0,15 1560
3 3
ч Я
0
(О
&
1
0,23 0,22 0,21 0,20 0,19 0,18 0,17 0,16
фазы в объеме зерен, тем выше значения ств и ст02. Поскольку Уохл в вакуумной печи МОй^-ТИЕРМ немного выше, чем в вакуумной печи МОЫОТИЕРМ, в материале заготовок, закаленных в этой печи, меньше размер кубоидов у'-фазы в объеме зерен и выше прочностные свойства (см. рис. 3, 6, б).
В работе [3] показано, что величина мисфи-та (несоответствия периодов решеток у- и у'-фаз) оказывает заметное влияние на размер когерентных частиц у'-фазы, а следовательно, и на уровень прочностных свойств (ав и ст02) сплава. Приведены измеренные дифрактоме-трическим методом значения периодов решеток у- и у'-фаз и величина мисфита для дисковых сплавов ЭП741НП, ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П. В настоящей работе подобные измерения проведены на образцах из сплава ЭП962П. Оказалось, что величина мисфи-та для этого сплава, также как и для сплава ЭП741НП, очень мала (< 0,01 %). Периоды решеток у- и у'-фаз при 25 °С примерно одинаковы и равны 0,35989 ± 0,00003 нм.
Выводы
1. Закалка в вакуумных печах MONO-THERM и MODULTHERM серийных заготовок дисков из сплава ЭП962П вместо атмосферных высокотемпературных печей типа СНО позволила минимизировать число случаев несоответствия требованиям ТУ значений ав, а02 и характеристик длительной прочности тгл
и тн при 650 °С.
Щ MONOTHERM □ MODULTHERM
1580
1200 , МПа
1220
0,15
1140 1160 1180 1200 1220 сод, МПа б
Рис. 6. Взаимосвязь среднего размера кубоидов у'-фазы в объеме зерен и величин ав (а) и ст02 (б) для материала заготовок, закаленных в вакуумных печах MONOTHERM и MODULTHERM
2. Результаты определения механических характеристик серийных заготовок дисков из гранул сплава ЭП962П при комнатной температуре и 650 °С удовлетворяют требованиям ТУ. Средние значения ав и а02 составляют 1613 и 1209 МПа при закалке в печи МОйЮИЕРМ, 1578 и 1180 МПа при закалке в печи МОМЮТИЕРМ. Они существенно превышают требования ТУ ств 1 1519 и
а0.2 > 1078 МПа и сопоставимы с уровнем требований к материалу заготовок дисков из гранул сплава ВВ751П.
3. Испытания на МЦУ до разрушения при температуре 650 °С и напряжении 1098 МПа показали значения 37150 и 72160 циклов, что существенно больше, чем число циклов, требуемое по ТУ не только для сплава ЭП962П (Ы = 5000 циклов), но и для сплава ВВ751П (Ы = 20000).
4. В материале серийных заготовок из сплава ЭП962П, закаленных в вакуумных печах MONOTHERM и MODULTHERM и состаренных по паспортному режиму, размер частиц у'-фазы существенно меньше, чем в материале заготовок из сплавов ВВ751П и ЭП741НП. Особенно большая разница наблюдается в размерах пластин у'-фазы на границах зерен.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зенин В.А., Казберович А.М., Бер Л.Б. Закалка заготовок дисков ГТД из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов в вакуумных термических установках // Технология легких сплавов. 2019. № 4. С. 47-51.
2. Пат. 2697684 Российская Федерация. СПК С22Т 1/10 (2019/02). Способ поэтапной закалки заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов / Бер Л.Б., Казберович А.М., Ваулин Д.Д., Зенин В.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «ВИЛС»; опубл. 16.08.2019. Бюл. № 23.
3. Бер Л.Б. Температурно-временные диаграммы распада у-твердого раствора в гранулируемых жаропрочных никелевых сплавах ЭП741НП и ВВ751П. Их построение и использование при закалке заготовок дисков // Технология легких сплавов. 2017. № 4. С. 5-19.
4. Казберович А.М., Бер Л.Б., Егоров Д.А., Живуш-кин А.А., Полянский С.Б., Мухина Т.А. Повышение комплекса характеристик заготовок дисков из гранул сплава ЭП741НП для перспективных ГТД // Технология легких сплавов. 2020. № 4. С. 36-46.
REFERENCES
1. Zen in V.A., Kazberovich A.M., Ber L.B. Zakalka zagotovok diskov GTD iz granuliruyemykh zharo-prochnykh nikelevykh splavov v vakuumnykh ter-micheskikh ustanovkakh // Tekhnologiya legkikh splavov. 2019. № 4. S. 47-51.
2. Pat. 2697684 Rossiyskaya Federatsiya. SPK S22f 1/10 (2019/02). Sposob poetapnoy zakalki zagotovok iz granuliruyemykh zharoprochnykh nikelevykh splavov / Ber L.B., Kazberovich A.M., Vaulin D.D., Zenin V.A.; zayavitel i patentoobladatel OAO «VILS»; opubl. 16.08.2019. Byul. № 23.
3. Ber L.B. Temperaturno-vremennyye diagrammy raspada y-tvordogo rastvora v granuliruyemykh zharoprochnykh nikelevykh splavakh EP741NP i VV751P. Ikh postroyeniye i ispol'zovaniye pri zakalke zagotovok diskov // Tekhnologiya legkikh splavov. 2017. № 4. S. 5-19.
4. Kazberovich A.M., Ber L.B., Yegorov D.A., Zhivush-kin A.A., Polyanskiy S.B., Mukhina T.A. Povyshe-niye kompleksa kharakteristik zagotovok diskov iz granul splava EP741NP dlya perspektivnykh GTD // Tekhnologiya legkim splavov. 2020. No. 4. S. 36-46.
