CC BY
99
УДК 621.98.043
ММ Бакрадзе1, Б.С. Ломберг1, С.А. Сидоров1, М.В. Бубнов1
ИЗГОТОВЛЕНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШТАМПОВОК
ДИСКОВ ГТД ИЗ СЛИТКОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
0320 мм СПЛАВА ЭК151-ИД
DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-6-2-2
Представлены результаты исследований по изготовлению крупных штамповок дисков из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД с использованием слитков промышленного производства диаметром 320 мм. Разработанный технологический процесс обеспечивает возможность изготовления крупных штамповок дисков из труднодефор-мируемых сплавов с регламентированными структурой и свойствами. В работе использовалась программа компьютерного моделирования процессов обработки металлов давлением QForm-3D.
Ключевые слова: диски ГТД, технологический процесс, жаропрочный никелевый сплав, штамповка, деформация, свойства, структура.
The article presents results of large-sized deformed turbine discs from nickel-based superal-loy EK151-ID manufacturing technology development. The developed process provides the manufacturing possibility of large-sized forged discs from nickel-based superalloy with regulated structure and properties using industrial ingots with limited diameter (320 mm). Metal forming simulation engineering software QForm-3D was used in this work.
Keywords: gas turbine engines discs, technological process, superalloys, forging, deformation, properties, 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
Повышение эксплуатационных характеристик авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в значительной мере достигается за счет применения более прочных и жаропрочных конструкционных материалов для изготовления деталей и узлов ответственного назначения [1-3].
Диски турбины и последних ступеней компрессора современных ГТД являются сложнонагруженными конструкциями, которые работают в условиях циклического неравномерного изменения температур и напряжений [4]. При этом ободная часть диска работает при высоких температурах, а ступичная часть - при напряжениях, близких к пределу текучести материала [5]. Кроме того, в ободе диска имеются пазы для крепления лопаток, что делает необходимым обеспечение достаточно высокой прочности при наличии надреза. Имеющиеся в диске охлаждающие отверстия и отверстия для болтов требуют повышенного сопротивления малоцикловой усталости.
Жаропрочные сплавы, применяемые для изготовления таких дисков традиционно являются труднодеформируемыми, требующими сложной многостадийной термической и термомеханической обработки [6]. Усложнение химического и фазового состава жаропрочных никелевых сплавов с целью достижения более высоких служебных характеристик вызывает значительные трудности при изготовлении из таких композиций
деформированных заготовок дисков и других деталей с применением традиционных технологий [7].
При охлаждении из у-твердого раствора, имеющего гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, выделяется когерентная у'-фаза (интерметаллическое соединение на основе №3Л1), дополнительно упрочняя матрицу. Гетерофазная структура сплавов является одним из основных факторов, обеспечивающих их жаропрочность [3].
Присутствие в структуре большого количества мелкодисперсных частиц упрочняющих фаз, сохраняющих термостабильность при температурах, близких к температуре солидус, способствует резкому снижению технологической пластичности сплавов [8]. В сплавах, применяемых для дисков ГТД нового поколения, содержание основной упрочняющей у'-фазы составляет >45% [9]. Высокая температура растворения у'-фазы резко ограничивает температурный интервал деформации сплавов в состоянии однородного твердого раствора - особенно в условиях контакта деформируемой заготовки с менее нагретым инструментом [10]. Выделение при этом мелкодисперсных частиц у'-фазы из пересыщенного твердого раствора вызывает охрупчивание сплава и повышает чувствительность к скорости деформации [11]. К числу таких композиций относится высокопрочный никелевый сплав ЭК151-ИД [12].
Результаты исследований, проведенных во ФГУП «ВИАМ» и направленных на совершенствование технологии изготовления штамповок из труднодеформируемых жаропрочных никелевых сплавов, позволили получить в промышленных условиях крупные заготовки дисков с высоким гарантированным уровнем свойств.
Основными контролируемыми свойствами дисков являются пределы прочности и текучести, жаропрочность, ползучесть, пластичность и сопротивление малоцикловой усталости (табл. 1) [13, 14].
Таблица 1
Свойства дисков ГТД, изготовленных из современных жаропрочных никелевых сплавов_
Сплав ов Оо,2 % кси, Дж/см2 Жаропрочность, МПа МЦУ: с0, МПа (при №104 цикл и 650°С) для образцов
МПа „650° °100 „650° °1000 „750° °100 гладких с надрезом (г=0,25 мм)
ЭК151-ИД 1584* 1153* 16,5* >37* 1035 890 655 1100 500
ВЖ175 1630 1215 14 38 1070 - 650 1300 510
ЭП741НП 1560 1020 19 40 1020 877 630 1020 500
N18 1580 1125 25 - 1000 850 - - -
Яепе 88БТ 1548 1147 21 - 951 860 - - -
* Средние значения по статистике АО «СМК» (~100 штамповок).
Все перечисленные свойства являются структурно-чувствительными. Поэтому для достижения требуемого комплекса свойств необходимо управлять процессами формирования структуры на всех стадиях изготовления заготовок дисков: выплавки и последующего переплава в вакуумной печи, деформации и термической обработки. Отклонения от установленной технологии могут приводить к возникновению в материале дисков различных видов структурной неоднородности и дефектов.
Наиболее часто встречающиеся структурные дефекты в заготовках дисков из жаропрочных сплавов - инородные включения («корона», «корольки», шлак), зональная ликвация (пятнистая и внеосевая), ликвация упрочняющей у'-фазы, карбидная и карбонитридная ликвация.
Неоднородность распределения у'-фазы в жаропрочных сплавах на никелевой основе является следствием дендритного характера кристаллизации слитков, что
сильно затрудняет управление процессами выделения и характером распределения у'-фазы в структуре на всех этапах технологического процесса получения штамповок дисков. Установлено, что выделения у'-фазы в литом материале весьма неоднородны по химическому составу - с сильным обогащением у'-образующими элементами.
Изучение взаимосвязи структуры и свойств штамповок дисков промышленного производства из сплавов ЭИ698-ВД, ЭП742-ИД и др. показало, что дендритная неоднородность приводит к полосчатому распределению частиц у'-фазы, а неудовлетворительная технология получения деформированных заготовок под штамповку (цикл: нагрев-ковка) может вызвать образование областей, не содержащих выделений частиц у'-фазы. Такой материал проявляет чувствительность к надрезу при испытаниях на длительную прочность и имеет низкую технологичность.
Карбидная и карбонитридная ликвация в свою очередь оказывает значительное влияние на большинство эксплуатационных свойств сплавов. Первичные карбиды или карбонитриды (типа МС или МСМ) в процессе затвердевания выделяются в виде эвтектических составляющих в межосных участках. При горячей деформации они ориентируются в направлении течения металла и образуют строчечные скопления включений, количество и размер которых зависят от содержания углерода в сплаве и режимов последующей термомеханической обработки.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.2. «Изотермическая деформация на воздухе нового поколения гетерофазных трудно-деформируемых жаропрочных сплавов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].
Материалы и методы
Выплавку слитков сплава ЭК151-ИД проводили в промышленных условиях АО «МЗ «Электросталь» в однотонной вакуумной индукционной печи типа ИСВ-1,0 и в 2,5-тонной вакуумной индукционной печи типа ИСВ-2,5 с последующим вакуумным дуговым переплавом в слитки 0320 мм в печи ДСВ-4,5 с охлаждением гелием.
Подпрессовку и прессование слитков проводили в промышленных условиях АО «МЗ «Электросталь» на горизонтальном прессе с усилием 63 МН производства Уральского завода тяжелого машиностроения (УЗТМ).
Прессованные заготовки деформировали в условиях АО «СМК» на гидравлическом прессе с усилием 100 МН (УЗТМ). Скорость рабочего хода пресса составляла 40 мм/с.
Промежуточные отжиги и окончательную термообработку проводили в камерных электропечах типа СНВ в промышленных условиях АО «СМК». Контроль микроструктуры (размер зерна) проведен по ГОСТ 5639.
Испытания на кратковременную прочность, определение модуля упругости при растяжении проводили по ГОСТ 9651 и ГОСТ 1497 на образцах, вырезанных из трех зон штамповки - ступицы, полотна и обода (по три образца на каждую температуру).
Испытания на длительную прочность с записью деформации ползучести проводили на машинах ZST2/3-BИЭT с компьютерной системой управления в соответствии с ГОСТ 10145 и ГОСТ 3248. Для построения зависимостей испытывали по 15 образцов при каждой температуре на трех уровнях напряжений. Пределы длительной прочности и ползучести определяли на базах 100 и 500 ч.
Испытания на длительную прочность образцов с надрезом (гн=0,15 мм) проводили по 0СТ1-90294 при двух температурах (по 10 образцов на каждое испытание).
Проверку макроструктуры штамповки проводили на соответствие требованиям ТУ1-801-5324-2005.
Результаты
Выплавка исходных заготовок
Выплавку слитков из сплава ЭК151-ИД для изготовления прессованных прутков проводили по технологии, принятой в серийном производстве полуфабрикатов из этого материала в АО «МЗ «Электросталь». Процесс выплавки включал вакуумную индукционную плавку и последующий вакуумный дуговой переплав (ВИ+ВДП). Такой процесс способствует получению плотных слитков с минимальным количеством микропор, устранению ликвационной неоднородности и высокой чистоте металла по примесям.
Гомогенизационный отжиг слитков ВДП проведен по усовершенствованному режиму, который обеспечивает: полное растворение избыточных фаз, присутствующих после выплавки слитка; однородное укрупнение частиц у'-фазы в осях и межосных пространствах; расширение температурного интервала динамической рекристаллизации, а также формирование однородной ультрамелкозернистой структуры после деформации (<10 мкм).
Деформация
С целью увеличения диаметра и улучшения структуры заготовки проводили деформацию с помощью операции подпрессовки слитка в контейнере. После подпрессов-ки заготовку подвергали рекристаллизационному отжигу, обеспечивающему устранение наследственных литых зерен.
Цель промежуточных отжигов при температуре двухфазной области - снижение остаточных напряжений с сохранением мелкозернистой структуры для повышения механической обрабатываемости поверхности заготовок и пластичности материала перед последующей термомеханической обработкой.
Таким образом, технологическая схема деформации для изготовления прутков из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД включала: подпрессовки для увеличения диаметра заготовки с последующей обдиркой заготовки, прессование на пруток, последующие подпрессовки с обдиркой заготовки на требуемый диаметр.
Дальнейшую деформацию подпрессованных заготовок из сплава ЭК151-ИД осуществляли в условиях АО «СМК». Технологическая схема деформации включала: осадку, предварительную и окончательную штамповку за две операции.
С целью оптимизации технологического процесса изготовления штамповок в программе QForm-ЗD проведено компьютерное моделирование процесса деформации жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД. В рамках этой программы разработаны два варианта процесса с учетом различной массы исходной заготовки. Оба варианта обеспечивали формоизменение заготовки с получением штамповки требуемых геометрических размеров. Наиболее экономичный вариант выбран по массе исходной заготовки.
Для осуществления моделирования процесса деформации в программу QForm-3D дополнительно введены следующие необходимые параметры (характеристики пресса с усилием 10000 тс): минимальное и максимальное усилия пресса, скорость подвижной траверсы при рабочем ходе, температура бойков и штампа, материал бойков и штампа, время переноса заготовки от печи к прессу, скорость деформирования на операциях осадки и штамповки, материал смазки для уменьшения коэффициента трения, время установки заготовки на плоские бойки или в штамп, температура деформации при осадке, температура конца деформации, время деформирования, температура деформации в штампе, температура конца деформации, продолжительность деформирования.
Результаты компьютерного моделирования в программе QForm-ЗD представлены на рис. 1 и 2. На рис. 1 показано распределение температуры в объеме исходной заготовки, перемещенной из печи в штамп, нагретый до температуры 500°С.
I
Рис. 1. Исходная заготовка для изготовления штамповки из сплава ЭК151-ИД
г)
I
I
Рис. 2. Параметры процесса деформации штамповки диска из сплава ЭК151-ИД: а - распределение температуры и лагранжевая сетка; б - распределение деформации; в - интенсивность скоростей деформации; г - распределение удельных усилий
При переносе из печи в штамп, в заготовке создается неравномерность температуры, которая находится пределах 1092-1121°С, и, как следствие - разнопрочность по объему, неблагоприятно влияющая на процесс течения металла при деформации. В процессе деформации неравномерность температуры в объеме заготовки изменяется как вследствие теплообмена, так и за счет теплового эффекта, дополнительно способствуя неравномерности деформации. На конечной стадии деформации неравномерность температуры составляет уже 1000-1148°С (рис. 2, а). Неравномерность деформации оказывает влияние на формирование структуры и характер текстуры. На рис. 2, б отчетливо выделяются зоны затрудненной и интенсивной деформации, анализ которых позволяет корректировать форму штампового инструмента, а также прогнозировать неравномерность свойств в объеме деформированной заготовки после окончательной термообработки. Полезными являются также полученные в работе данные по
интенсивности скоростей деформации и распределению удельных усилий на гравюре штампа (рис. 2, в, г), которые позволяют выявлять зоны наибольшего нагружения и износа штампа и использовать эти данные при конструировании штамповой оснастки, а также при расчете каждой операции штамповки. Полученные штамповки не имели поверхностных дефектов - трещин, заковов и др.
Термическая обработка Полученные в ходе проведенной работы штамповки из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД прошли окончательную упрочняющую термическую обработку, включающую закалку и старение.
Для оптимизации термической обработки проведено исследование микроструктуры образцов, вырезанных из кольцевого припуска экспериментальных заготовок, после закалки с различных температур ниже и выше температуры полного растворения у'-фазы (Гп.ру') (рис. 3). В соответствии с температурой Гп.ру, после оценки микроструктуры сплава (балл зерна, равномерность распределения зерен, размер частиц у'-фазы) выбраны и опробованы различные варианты термической обработки заготовок дисков из деформируемого жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД.
Карбиды
Рис. 3. Микроструктура (*1000) сплава ЭК151-ИД после закалки при температурах 1150 (а), 1160 (б) и 1170°С (в) с выдержкой 1 ч и охлаждением на воздухе
В результате исследований установлен оптимальный режим термической обработки: выдержка при Гп.Ру'-(30-40)°С, нагрев до Гп.Ру'-(10-20)°С и выдержка при этой температуре, охлаждение на воздухе, затем выдержка при 850±10°С, охлаждение на воздухе и выдержка при 760±10°С с охлаждением на воздухе. Микроструктура сплава при термообработке по этому режиму характеризуется равномерным распределением зерен 5-6 балла и частиц у'-фазы.
Структура и механические свойства штамповок Проведен контроль микроструктуры штамповок после термической обработки по оптимальному режиму. Установлено, что структура сплава равномерная, размер зерна соответствует 5-6 баллу. Макроструктура не имеет свищей, трещин, расслоений, усадочной раковины, скоплений грубых пор, «короны» и других инородных включений, видимых невооруженным глазом (рис. 4).
Рис. 4. Макроструктура штамповки из сплава ЭК151-ИД
Несмотря на сложную форму и большую массу штамповки (177 кг), свойства при растяжении образцов из ступицы, полотна и обода находятся на одном уровне.
Термообработка с закалкой при (Гп.рУ'-(10-20))±10оС обеспечивает повышенную по сравнению с нормами ТУ1-801-5324-2005 кратковременную прочность, при сохранении остальных свойств на уровне ТУ и паспортных значений (табл. 2).
Таблица 2
Свойства сплава ЭК151-ИД ^___
Вид Т ИСП? ов °0,2 5, кси, 0100 ^500 с0, МПа
полуфабриката ос МПа % МДж/м2 МПа (на базе 104 цикл)
Штамповка 0605 мм 20 1537 1060 17,8 0,37 - — -
(масса 177 кг) 550 - - - - 1300 1250 -
650 1448 1007 16,3 0,40 1010 940 1120
750 - - - 0,41 650 540 -
Нормы 20 1450 1050 13,0 0,30 - - -
по ТУ1-801-5324-2005 650 - - - - 1030 - -
Заключения
Впервые изготовлены крупногабаритные штамповки дисков из труднодеформи-руемого гетерофазного сплава ЭК151-ИД с регламентированной однородной структурой (рис. 5).
Рис. 5. Заготовка диска газотурбинного двигателя из сплава ЭК151-ИД после механической обработки
Оптимизацию схемы деформации технологического процесса осуществляли с помощью компьютерного моделирования.
Оптимизирована технология термической обработки штамповок дисков из сплава ЭК151-ИД, обеспечивающая формирование равномерной структуры и высокий уровень механических свойств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Скляров Н.М. Путь длиною в 70 лет - от древесины до суперматериалов / под общ. ред. E.H. Каблова. М.: МИСИС-ВИАМ, 2002. С. 317-319.
2. История авиационного материаловедения. ВИАМ - 80 лет: годы и люди / под общ. ред. E.H. Каблова. М.: ВИАМ, 2012. С. 245-248.
3. Каблов E.H., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1998. 464 с.
4. Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев A.B. Производство дисков ГТД из жаропрочных сплавов на изотермических прессах // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С.13-16.
5. Каблов E.H., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения // Крылья Родины. 2012. №3-4. С. 34-38.
6. Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Чабина Е.Б., Филонова Е.В. Взаимосвязь структуры и свойств высокожаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 25-30.
7. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С. Комплексная инновационная технология изотермической штамповки на воздухе в режиме сверхпластичности дисков из супержаропрочных сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 129-141.
8. Ломберг Б.С., Горин В.А., Герасимов Д.Е., Рахманов Н.С., Степанов В.П. Высокожаропрочные деформируемые никелевые сплавы для дисков ГТД и технология их производства // Технология легких сплавов, 1993. №7-8. С. 54-63.
9. Разуваев Е.И., Бубнов М.В., Бакрадзе М.М., Сидоров С.А. ГИП и деформация гранулированных жаропрочных никелевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2016. №S1. С. 80-86. DOI: 10.18577/2071-9140-2016-0-S1-80-86.
10.Пономаренко ДА., Скугорев A.B., Сидоров С.А., Строков В.В. Технологические возможности специализированных изотермических прессов силой 6,3 и 16 МН в производстве деталей авиационно-космического назначения // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2015. №9. С. 36-41.
11. Разуваев Е.И., Бубнов М.В., Григорьева Г.А., Сидоров С.А. Развитие и практическое применение физико-химической теории в процессах обработки давлением авиационных сталей и сплавов // Новости материаловедения. Наука и техника: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №1. Ст. 07. URL: http://www.materialsnews.ru (датаобращения: 23.02.2017).
12. Бакрадзе М.М., Овсепян C.B., Шугаев С.А., Летников М.Н. Влияние режимов закалки на структуру и свойства штамповок дисков из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2013. №9. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 13.02.2017).
13. Каблов E.H., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис ИМ. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36-52.
14. Разуваев Е.И., Моисеев Н.В., Капитаненко Д.В., Бубнов М.В. Современные технологии обработки металлов давлением // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №2. Ст. 03. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 23.02.2017). DOI: 10.18577/23076046-2015-0-2-3-3.
15. Каблов E.H. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/20719140-2015-0-1-3-33.
