CC BY
20
_ МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. _
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.762/621.762.06
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-4-73-78
О ПОСТАНОВКЕ, РАЗВИТИИ, ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ МЕТАЛЛУРГИИ ГРАНУЛ В ОАО «ВИЛС»
Евгений Иванович Старовойтенко, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, [email protected]
Аннотация. На примере только одной промышленно освоенной технологии -технологии металлургии гранул, разработанной в ВИЛСе еще в советский период, обеспечившей авиационное двигателестроение страны на многие годы вперед материалами ответственного назначения, показана огромная роль сложившейся тогда научной и технологической школы в институте.
Данная технология без продолжения работ по оптимизации процессов, устранения неизбежно возникающих проблем может утратить передовые позиции и ослабить конкурентные возможности отечественного двигателестроения. ВИЛС как важная научная и технологическая школа нуждается сейчас в серьезной кадровой и материальной поддержке.
Ключевые слова: технология, гранулы, сплав, заготовка, изделие, прессование, термическая обработка
On the Goal Setting, Development, and Optimization of the Process and Equipment for Powder Metallurgy at JSC «VILS». Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract. On the example of the only one commercialized technology, namely the powder metallurgy developed at VILS back in the Soviet period, which provided the domestic aviation engine building for many years to come with critical materials, the oversize role of the scientific and technological school established then in the institute is shown.
Without continuous works on processes optimization, elimination of the problems being bound to recur, this technology can lose its leading position and weaken the competitive capabilities of domestic engine building. VILS, as an important scientific and technological school, needs serious personnel and financial support now.
Key words: technology, powders, alloy, billet, article, extrusion, heat treatment
Технология производства, использующая сферические металлические частицы - гранулы в качестве материала построения изделий с высоким уровнем механических свойств, заслуженно получила широкое распространение в мире и нашей стране.
Хорошо известно также, что эту технологию осваивали, развивали, распространяли и
совершенствовали специалисты Всесоюзного института легких сплавов (ВИЛС), которым в шестидесятых годах прошедшего столетия руководил выдающийся деятель науки академик АН СССР А.Ф. Белов [1]. Металлургия гранул создавалась под задачи производства суперсплавов для авиационной промышленности и прежде всего для удовлетворения потреб-
ности в новых материалах с высоким уровнем свойств для авиационного двигателестроения.
В настоящее время эта технология освоена рядом отечественных металлургических предприятий и применяется в качестве базовой, например, для изготовления заготовок дисков, валов и некоторых корпусных заготовок ответственного назначения для газотурбинных двигателей как авиакосмического, так и наземного использования.
Порошковые материалы высокого качества нашли применение в современных аддитивных производствах для построения готовых изделий.
Этапами данной технологии в отечественном варианте, разработанной специалистами ВИЛСа [2], являются:
- получение исходной литой прутковой заготовки плавлением шихтовых материалов в условиях вакуума или нейтральной защитной атмосферы с обеспечением высокой чистоты металла заготовки от кислорода, инородных (шлаковых) частиц и других вредных посторонних включений;
- получение гранулированного материала центробежным распылением литой прутковой заготовки, расплавляемой плазменным потоком, направленным на ее торец, при интенсивном вращении вокруг собственной оси (метод PREP по международной квалификации). Альтернативный метод получения гранул распылением металлического расплава высокоэнергетическим потоком газа, весьма распространенный за рубежом, в нашей стране нашел ограниченное распространение. Среди этих методов выбор был сделан в пользу первого и обоснован весьма значимыми преимуществами качества гранулированного материала [3];
- комплексная физико-механическая обработка полученных гранул, включающая рассев по фракциям для дальнейшего применения и сепарирование гранул от посторонних примесных частиц (металлических и неметаллических инородных включений);
- формообразование изделия из гранул в капсуле с геометрией формы, подобной конечному продукту, путем засыпки гранул в капсулу, термической дегазации и уплотнения их в условиях высокого вакуума с последующей герметизацией заполненной капсулы заваркой электронным лучом;
- горячее изостатическое прессование (ГИП) капсулы с засыпкой, обеспечивающее при на-
греве и всестороннем сжатии ее высоким внешним давлением рабочей среды (газа) диффузионное сращивание гранул между собой с образованием монолитного материала формой, приближающейся к форме конечного изделия;
- комплексная термическая и механическая обработки отпрессованного изделия с выходом на конечные заданные параметры по размерам и комплексу прочностных свойств, предъявляемых к конечному продукту заказчиком, при тщательном контроле полученных свойств материала.
С момента постановки и освоения данной технологии затрачено немало усилий для придания ей того высокого уровня и значимости, которым она обладает сейчас.
Становление и развитие отдельных этапов металлургии гранул представляет определенный интерес в практическом и научном планах. Энтузиазм, творческая кооперация специалистов не только в пределах одного предприятия, но и многих внешних организаций, способствовали успешному решению в кратчайшие сроки сложных научно-технических задач.
Одним из наиболее проблемных этапов рассматриваемой технологии стал этап получения качественных гранул, свойства которых в полной мере наследуются компактным материалом конечного изделия. Собственно, на этой идее и базируется технология металлургии гранул [4], а именно - формирование мелкодисперсной структуры частицы (или микрослитка-гранулы) за счет высокой скорости кристаллизации расплава исходного материала - высоколегированного сплава. Формирование сплавов такого типа представляла при этом самостоятельную и очень важную задачу [5]. В итоге появились сплавы на основе никеля типа ЭП741П и серия новейших высокопрочных сплавов ВВП (ВВ750П - ВВ753П), которые удовлетворяют самым высоким требованиям конструкторов авиационных газотурбинных двигателей современных поколений.
Реализация высоких скоростей кристаллизации порядка 104-106 °С/с для частиц расплава крупностью порядка 50-100 мкм и менее при соответствующей охлаждающей способности среды, в которой происходит затвердевание [8], приводит к требуемому результату. При этом обеспечиваются условия, при которых частица может приобретать правильную сферическую форму, не подвергаться сколь-нибудь
существенному окислению и сохранять плотную внутреннюю структуру без пустот и пор.
Практическая реализация предельно высоких скоростей охлаждения при кристаллизации частиц расплава, затвердевающих и обращающихся в сферические частицы - гранулы, стало предметом и целью научных исследований [6], так же как и отработка, освоение и совершенствование технологии совместно с разработкой специализированного оборудования [7] для их производства. Систематические исследования, проводившиеся в ВИЛСе, позволили установить качественные и количественные критерии, определяющие направления, приемы и методы решения проблемы оптимизации технологии.
Проектно-конструкторские работы института позволили создать образцы нового нестандартного оборудования, освоить и внедрить его в технологический процесс.
В институте разработано современное оборудование для производства гранул (установки типа УЦР), используемое в настоящее время в технологическом маршруте металлургии гранул, внедрено в собственное производство и передано смежным родственным предприятиям.
Накопленный опыт по конструкции и приемам эксплуатации данных установок был аккумулирован на известном отечественном машиностроительном предприятии ПАО «Электромеханика», г. Ржев. Это предприятие в настоящий момент наладило производство и выпускает несколько модификаций данных установок, ориентированных на такие материалы, как сплавы на основе никеля и титана. Данные установки позволяют производить гранулы указанных материалов крупностью от 200-300 до 40-50 мкм правильной сферической формы, с плотной безпоровой структурой, содержанием кислорода менее 70 ppm, с производительностью до 100-120 кг/ч.
Имеются ли на данный момент проблемы в технологии производства гранул методом PREP, которые ждут своего разрешения? Да, имеются, но они из разряда задач оптимизации технологии, которыми успешно занимаются и решают специалисты.
Например, по отношению к альтернативному способу газового распыления, технология PREP отличается повышенной себестоимостью производства гранул, связанной с применением литой исходной заготовки для распыления,
которая в данных установках не может быть полностью без остатка распылена. Методы и разработки, имеющиеся в арсенале интеллектуальной собственности ВИЛСа [9], позволяют решить и данные проблемы. Однако высокие служебные свойства конечного продукта в значительной степени компенсируют повышенные затраты на производство по PREP- технологии.
Наряду с отмеченными выше остаются некоторые проблемы достижения высокой однородности по гранулометрическому составу и выходам годного гранул из-за приемов плавки и распыления, ведомых часто в ручном или полуавтоматическом режимах. Сказывается роль человеческого фактора, которая может быть устранена при полной автоматизации оборудования, введения программируемых операций технологии.
Физико-механическая обработка наработанных гранул включает рассев по фракциям и сепарацию от примесных частиц. Примеси, повышенное содержание кислорода в исходной литой заготовке и некоторая неоднородность химического состава, формирующаяся вследствие процессов ликвации при их литье и кристаллизации, наследуемые гранулами, также требуют принятия мер для последующего устранения. Если рассев по фракциям в настоящее время не представляет проблемы, например, путем использования сит с ультразвуковыми активаторами, то удаление примесных частиц и пылевых фракций еще достаточно трудоемки. Техника, обеспечивающая выполнение сепарационных операций, отличается скромными показателями полноты улавливания примесных и пылевидных частиц, но новые технологии сепарации, появляющиеся сейчас, способны снять и данные трудности.
Этап технологии по переработке гранул в компактный материал с приданием ему требуемой геометрической конфигурации конечного изделия обеспечивается в нашей технологии, как отмечено выше, операцией горячего изостатического прессования (ГИП). Данную операцию выполняет газостатическая установка (или газостат). В зарубежных аналогах операция ГИП дополняется горячим деформированием промежуточной заготовки из гранул. Горячее деформирование призвано скомпенсировать дефекты, наследуемые в значительной степени от гранул, получаемых газовым распылением (поры и повышенное со-
держание газов), используемым в подавляющем числе зарубежных производств.
Горячему изостатическому прессованию в нашей технологии предшествует ряд подготовительных операций, связанных с засыпкой товарных гранул в капсулы с уплотнением засыпки до требуемой плотности, термической дегазацией засыпки для удаления адсорбированных на поверхности частиц газов и влаги, герметизацией заполненной полости капсулы при глубоком вакууме. Данные операции выполняются в одном технологическом агрегате типа УЗГК, разработанном и доведенном до промышленного образца также специалистами ВИЛСа.
Некоторые проблемы здесь пока еще остаются. Это гарантированное обеспечение герметичности заполненных капсул, которая достигается заваркой электронным лучом под глубоким вакуумом горловины патрубка заполнения капсулы. Гарантированно обеспечить всегда полную герметизацию капсул при этом не удается. Очень редко, но случаются выпады по данной причине, которые в конечном итоге приводят к браку готовых изделий.
Высокое качество наших гранул позволило, как отмечено выше, для получения качественного компакта ограничиться только одной операцией ГИП и не прибегать к весьма трудоемкой и затратной технологии дополнительного деформирования промежуточной заготовки, как это делают за рубежом. При этом у нас устойчиво обеспечивается выход на требуемый уровень свойств компакта с показателями не менее высокими, чем достигаемыми по зарубежной более трудоемкой технологии.
Операцию ГИП на начальной стадии освоения технологии металлургии гранул в ВИЛСе обеспечивали единственно доступным на тот период способом - использованием прессового оборудования (вертикального гидравлического пресса) и блока с жидкой горячей средой - расплавом стекла, в который помещали капсулы, подготовленные к прессованию. Предварительный нагрев блока до температуры ГИП обеспечивали в высокотемпературных нагревательных печах, а всестороннее (изостати-ческое) сжатие капсул, размещенных в блоке, осуществляли сжатием блока усилием пресса, помещенного в его контейнер [10].
Сложность и чрезвычайно высокая трудоемкость такого метода выполнения ГИП об-
ратила внимание наших специалистов к зарубежному опыту. Там для выполнения операций ГИП применяли газостатические установки, где в качестве рабочей прессующей среды используется газ высокого давления.
Творческое сотрудничество ВИЛСа и Научно-исследовательского института металлургического машиностроения (ВНИИМЕТМАШ) по разработке и созданию парка отечественных газостатических установок [11] позволило решить проблему. Работам по созданию отечественных газостатов были обеспечены все необходимые условия и проблема была решена в кратчайшие сроки.
В итоге были созданы отечественные газостатические установки усилием 50, 125 и 400 МН. Они были смонтированы, освоены и запущены в эксплуатацию на производственных площадках ВИЛСа.
Вклад института в создание отечественных газостатов был весьма значим. Конструкторы и машиностроители обеспечили разработку и изготовление печей для этих установок, преодолев много специфических и сложных технических проблем, связанных с высоким давлением газа, в атмосфере которого работают такие печи. Опыт ВИЛСа был затем заимствован и использован другими организациями, осваивавшими данную технику и технологии (ВНИИЭТО, КБ ХИМАВТОМАТИКА и др.). С освоением газостатического оборудования представилась возможность прессовать капсулы прогрессивным способом и отказаться от применения расплава стекла.
Освоение и внедрение процесса ГИП с применением газостатов существенно расширило технологические возможности предприятия по улучшению свойств металлических материалов. Параллельно с технологией гранульной металлургии возникла технология улучшения служебных свойств и характеристик металлов и сплавов, полученных методом литья. Специалисты ВИЛСа, используя передовой опыт зарубежных фирм, разработали, освоили и внедрили в производство технологию газостатического уплотнения литых заготовок (технологию ВГО) [12], позволяющую за счет горячего изостатического уплотнения литой заготовки «залечивать» дефекты ее структуры (поры, пустоты, неслитины и т.п.). В итоге заготовка приобретает комплекс служебных свойств, ранее недостижимо высоких для литой структуры.
Со временем вследствие существенного расширения номенклатуры заготовок для поставок моторостроительным заводам потребовалось приобрести современный импортный газостат. Такая газостатическая установка с осевым усилием 250 МН типа QIH-250 и рабочим пространством по диаметру и высоте соответственно 1250 и 2200 мм была приобретена у шведской фирмы ASEA, смонтирована и запущена в эксплуатацию на площадке ВИЛСа в 1983-1985 гг.
Этот газостат находится в эксплуатации до настоящего времени. Сейчас, по истечении многих лет, он естественно нуждается в техническом обновлении. В частности, в усовершенствовании нуждается система нагрева рабочего пространства газостата с дополнением ее устройством ускоренного охлаждения [13]. Одно только это обновление способно придать этому агрегату совершенно новые технологические возможности (например, совмещать ГИП с термической обработкой компактного материала в едином технологическом цикле) и существенно повысить его производительность.
Операциями заключительного цикла технологии металлургии гранул являются термическая и механическая обработки, а так же операции выходного контроля готовой продукции.
Особенно значимой, с точки зрения выхода на заданный уровень служебных характеристик и свойств, является термическая обработка компактного материала. Длительное время для термического упрочнения - закалки компактных заготовок после ГИП - в ВИЛСе применяли термические электрические печи сопротивления камерного типа. Точность воспроизведения оптимального температурного режима нагрева и технологических выдержек в них всегда оставляла желать лучшего, а регламентированное охлаждение, например, при закалке и вовсе требовало отдельного оборудования или дополнительного устройства вне печи.
Переход к применению новых высокопрочных жаропрочных сплавов типа ВВП, весьма чувствительных к режимам нагрева и охлаждения при термообработке, потребовал новой техники. Такая техника была приобретена в 2013-2015 гг. у немецкой фирмы ALD. Это вакуумные термические печи, обеспечивающие как регламентированный, управляемый нагрев, так и охлаждение заготовок в едином печном пространстве в любой из двух рабочих сред -
вакууме или среде защитного газа. Данная техника позволяет в полной мере обеспечить ведение циклов термообработки по оптимальным режимам и использовать потенциальные возможности улучшения служебных характеристик новых сложнолегированных сплавов.
Важный итог работ института по технологии металлургии гранул для страны - это поставки авиационным моторостроителям заготовок дисков и валов ГТД из новейших суперсплавов, позволившие создать, в частности, двигатели нового поколения типа ПД-14, которые обеспечили выход на производство современных самолетов, например МС-21.
Результаты только по этой одной из других важнейших технологий, разработанной и освоенной в ВИЛСе наряду с еще многими другими не менее важными, говорят о достойном потенциале этой научной и технологической школы страны.
В текущем году ВИЛС отметил свое шестидесятилетие. К юбилею он пришел с достойными результатами научной и практической деятельности, значимая часть которых показана на примере создания и развития технологии металлургии гранул. А что же впереди? Как должны развиваться перспективные технологии, в том числе и металлургия гранул? Представляется, что перспективы масштабных перемен здесь связываются с аддитивной технологией, которая также использует для построения конечного изделия микрослитки-гранулы, но только на более высоком уровне автоматизации и роботизации процесса. Дополнительный актив от нашей технологии, который непременно, как нам представляется, войдет в аддитивное производство - это ГИП-процесс. С его помощью можно будет решить задачу построения изделий ответственного назначения с высоким уровнем прочностных и других важных потребительских свойств, которых напрямую методом аддитивного построения детали не удается сейчас достичь.
Ну и, конечно, важнейшим фактором роста и развития научного направления института является кадровый потенциал. Преемственность специалистов, овладевших в полной мере опытом предыдущих поколений, в сочетании с приобретенными современными знаниями, подходами и методами позволит им добиться еще более значимых результатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов А.Ф. Настоящее и будущее металлургии гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС. 1983. С. 5-13.
2. Аношкин Н.Ф. Итоги и проблемы развития металлургии гранул жаропрочных никелевых сплавов // Там же. С. 33-40.
3. Зенина М.В. Производство металлических порошков (гранул) для сырьевого обеспечения аддитивных технологий в машиностроении // Технология легких сплавов. 2015. № 3. С. 32-38.
4. Добаткин В.И. Роль кинетических и термодинамических факторов при кристаллизации гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С. 23-33.
5. Шалин Р.Е., Качанов Е.Б., Ломберг Б.С., Бабурина Е.В., Лющанова Т.Б. Параметры гранулируемых жаропрочных сплавов для дисков ГТД // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 4. - М.: ВИЛС, 1988. С. 239-246.
6. Аношкин Н.Ф. Некоторые аспекты качества жаропрочных и высокопрочных материалов, изготавливаемых методом металлургии гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 3. - М.: ВИЛС, 1986. С. 3-23.
7. Кононов И.А. Технологическое оборудование для производства новых конструкционных материалов методом металлургии гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 2. - М.: ВИЛС, 1984. С. 226-237.
8. Орлов В.К. К расчету скоростей охлаждения капель распыленного металла в газовой среде //
В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С. 67-77.
9. Пат. 2475336 РФ, МПК7 С1 B22F 9/10, B22F 9/06. Способ получения металлического порошка методом центробежного распыления // Старовойтен-ко Е.И.; патентообладатель Всероссийский институт легких сплавов. 2011138304/02А; заявл.19.09. 2011; опубл. 20.02. 2013. Бюл. № 5.
10. Гарибов Г.С., Фейгин В.И., Буславский Л.С., Ерманок М.З. Конструкции установок горячего гидростатического прессования гранул // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С. 186-199.
11. Целиков А.И., Розанов Б.В., Кривонос Г.А., Максимов Л.Ю. Технологические основы конструирования газостатов для производства жаропрочных изделий // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С. 13-23.
12. Гарибов Г.С., Ананьев В.И., Коряковцев А.С., Кузмичева Л.Г. Улучшение качества лопаток из жаропрочных никелевых сплавов методом высокотемпературной газостатической обработки // Газотурбинные технологии. 2004. Ноябрь-декабрь. С. 14-16.
13. Старовойтенко Е.И., Казберович А.М., Зе-нин В.А. Опыт разработки, изготовления и эксплуатации компрессионных печей газостатов в ОАО «ВИЛС» // Технология легких сплавов. 2020. № 4. С. 47-53.
REFERENCES
1. Belov A.F. Nastoyashcheye i budushcheye metallur-gii granul // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 1. - M.: VILS. 1983. S. 5-13.
2. Anoshkin N.F. Itogi i problemy razvitiya metallurgii granul zharoprochnykh nikelevykh splavov // Tam zhe. S. 33-40.
3. Zenina M.V. Proizvodstvo metallicheskikh poroshkov (granul) dlya syr'yevogo obespecheniya additivnykh tekhnologiy v mashinostroyenii // Tekhnologiya lyog-kikh splavov. 2015. № 3. S. 32-38.
4. Dobatkin V.I. Rol' kineticheskikh i termodinami-cheskikh faktorov pri kristallizatsii granul // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 1. - M.: VILS. 1983. S. 23-33.
5. Shalin R.Ye., Kachanov Ye.B., Lomberg B.S., Ba-burina Ye.V., Lyushchanova T.B. Parametry granu-liruyemykh zharoprochnykh splavov dlya diskov GTD // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 4. - M.: VILS. 1988. S. 239-246.
6. Anoshkin N.F. Nekotoryye aspekty kachestva zharoprochnykh i vysokoprochnykh materialov, izgotavli-vayemykh metodom metallurgii granul // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 3. - M.: VILS. 1986. S. 3-23.
7. Kononov I.A. Tekhnologicheskoye oborudovaniye dlya proizvodstva novykh konstruktsionnykh materialov metodom metallurgii granul // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 2. - M.: VILS. 1984. S. 226-237.
8. Orlov V.K. K raschetu skorostey okhlazhdeniya kapel' raspylennogo metalla v gazovoy srede // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 1. - M.: VILS. 1983. S. 67-77.
9. Pat.2475336 RF, MPK7 C1 B22F 9/10, B22F 9/06. Sposob polucheniya metallicheskogo poroshka metodom tsentrobezhnogo raspyleniya // Starovoy-tenko Ye.I.; patentoobladatel' Vserossiyskiy institut lyogkikh splavov - 2011138304/02A; zayavl.19.09. 2011; opubl.20.02. 2013. Byul. № 5.
10. Garibov G.S., Feygin V.I., Buslavskiy L.S., Yerma-nok M.Z. Konstruktsii ustanovok goryachego gidro-staticheskogo pressovaniya granul // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 1. - M.: VILS. 1983. S. 186-199.
11. Tselikov A.I., Rozanov B.V., Krivonos G.A., Maksi-mov L.Yu. Tekhnologicheskiye osnovy konstru-irovaniya gazostatov dlya proizvodstva zharoprochnykh izdeliy // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. 1. - M.: VILS. 1983. S. 13-23.
12. Garibov G.S., Anan'yev V.I., Koryakovtsev A.S., Kuzmicheva L.G. Uluchsheniye kachestva lopatok iz zharoprochnykh nikelevykh splavov metodom vysoko-temperaturnoy gazostaticheskoy obrabotki // Gazoturbin-nyye tekhnologii. 2004. Noyabr'-dekabr'. S. 14-16.
13. Starovoytenko Ye.I., Kazberovich A.M., Zenin V.A. Opyt razrabotki, izgotovleniya i ekspluatatsii kom-pressionnykh pechey gazostatov v OAO «VILS» // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2020. № 4. S. 47-53.
