CC BY
123
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 621.762:669.24
ОСВОЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ГРАНУЛИРУЕМОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ДЛЯ ТУРБИННЫХ ДИСКОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Г.С. Гарибов, док. техн. наук, Н.М. Гриц, канд. техн. наук, А.В. Востриков, канд. техн. наук, Е.А. Федоренко, А.М. Волков
(ОАО ВИЛС, e-mail: [email protected])
Приведены основные преимущества нового высокопрочного жаропрочного никелевого сплава ВВ751П перед аналогами. Рассмотрены вопросы изготовления опытных партий крупногабаритных заготовок дисков из гранул данного сплава. Показаны результаты работ по повышению стабильности уровня механических свойств.
Ключевые слова: диски, газотурбинные двигатели (ГТД), металлургия гранул, жаропрочные никелевые сплавы, внедрение в производство, горячее изо-статическое прессование (ГИП), термическая обработка (ТО), микроструктура, механические свойства.
Commercialization of an Advanced High-Strength PM Nickel-Base Superalloy for Production of Turbine Discs for New Generation Aircraft Engines. G.S. Garibov, N.M. Grits, A.V. Vostrikov, Ye.A. Fedorenko, A.M. Volkov.
Main advantages of new VV751P high-strength Ni-base superalloy over its analogues are shown. Problems of manufacturing pilot lots of large-size discs from the said "(i*)-
superalloy are discussed. The results of studies aimed at an improvement in stability of a mechanical property level are shown.
Key words: discs, gas-turbine engine (GTE), powder metallurgy, nickel-base super-alloy, introduction into production, hot isostatic pressing (HIP), heat treatment (HT), microstructure, mechanical properties.
Развитие современного авиадвигателе-строения, необходимость создания конкурентоспособных пассажирских и военных двигателей требуют разработки новых материалов с недостижимыми ранее эксплуатационными характеристиками. Постоянный рост требований конструкторов к материалам для перспективных двигателей ставит перед разработчиками сплавов сложнейшую задачу -получить композицию и структурное состояние, обеспечивающие высокую прочность без потери жаропрочности.
Безусловно, в ГТД нет «незначимых» элементов, однако одними из основных деталей, определяющих надежность двигателя в целом, являются диски. Наибольшие рабочие температуры и напряжения характерны для
дисков турбины высокого давления. Именно их ресурс определяет наработку на ремонт всего двигателя [1].
В ОАО ВИЛС в период 2005-2008 гг. был разработан и запатентован состав, а также получен паспорт на сплав ВВ751П с пределом прочности более 1600 МПа, пределом текучести более 1200 МПа [2, 3]. При использовании нового сплава в качестве материала опытных заготовок турбинных дисков получены гарантируемые механические характеристики (см. таблицу), которые выше, чем у всех отечественных гранулируемых и многих деформируемых сплавов аналогичного назначения.
Следует отметить, что изготавливать крупногабаритные штамповки (более 400 мм в диаметре) из самых новых отечественных
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Гарантируемый уровень механических характеристик опытных партий заготовок дисков из сплава ВВ751П
Механические свойства, г = 20 °С Длительная прочность, ч, г = 650 °С, а = 1100 МПа МЦУ, циклы, г = 650 °С, а = 1120 МПа, 1 = 1 Гц
ав, МПа о0 2, МПа 8, % ¥, % КСи, Дж/см2 тгл тн N
>1600 >1200 >12 >13 >25 >100 >100 >10000
высокопрочных сплавов практически невозможно. Технология металлургии гранул позволяет преодолеть эту технологическую преграду. К квотам преимуществ гранулируемого сплава по сравнению с традиционными деформируемыми также необходимо добавить более высокую технологичность, свойственную всем гранулируемым спла-
вам, например, повышение КИМ с 20-25 до 55 % [4]. Об этом наглядно свидетельствует внешний вид при различных технологических операциях заготовок дисков ТВД, изготовленных из гранул сплава ВВ751П (рис. 1).
После вакуумной индукционной плавки, распыления и физико-механической обработки гранул выход годного составляет 80-90 %.
Рис. 1. Внешний вид заготовок дисков ТВД из гранулируемого сплава ВВ751П при различных технологических операциях:
а - капсула после заполнения гранулами; б - промежуточная механическая обработка; в - окончательная механическая обработка, заготовка в состоянии поставки; г - диск II ступени ТВД нового перспективного двигателя
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При заполнении стальной капсулы для изготовления заготовки диска ТВД используется ~250 кг гранул высокопрочного сплава ВВ751 П. После горячего изостатического прессования проводится промежуточная механическая обработка (масса заготовки ~200 кг), затем термообработанное изделие проходит контрольные испытания. Заготовка такого диска 0 493 мм и высотой 111 мм в состоянии поставки весит ~ 150 кг. При этом масса самого диска турбины высокого давления составляет ~75 кг. Коэффициент использования металла от выплавки до получения заготовки, которая будет сдана Заказчику, составляет 55 %. Полученное значение существенно выше, чем при производстве заготовок дисков таких же габаритов с применением обработки давлением. Заготовка диска пригодна для контроля неразрушающими методами -ЛЮМ-1 ОВ на наличие дефектов поверхности типа трещин, макротравлению, а также ультразвуковому контролю для выявления внутренних дефектов (100 %-й контроль объема чистовой детали).
Из гранул нового сплава ВВ751П начиная с 2009 г. и по настоящее время были изготовлены и сданы Заказчикам опытные партии крупногабаритных заготовок дисков массой от 35 до 150 кг, близких по форме к готовым изделиям, с высоким гарантируемым уровнем механических характеристик. Число сданных дисков составило более 70 штук. Однако при изготовлении заготовок дисков в условиях опытно-промышленного производства ВИЛСа наблюдали нестабильность механических свойств, в том числе и прочностных. Разброс значений при контрольных испытаниях приводил к тому, что свойства некоторых заготовок дисков превышали контрольные нормативы только после проведения повторных испытаний. Была поставлена цель - повысить стабильность уровня механических характеристик за счет корректировки режимов ГИП и термообработки.
При выплавке материала было установлено, что у сплава происходит некоторое изменение температуры сольвус от плавки к плавке. Этот процесс является нормальным, так как содержание легирующих элементов может
колебаться в допустимых пределах. Однако назначаемые температуры технологических операций ГИП и ТО напрямую связаны с критическими точками сплава, следовательно, потребовалось изменить их температурные режимы соответствующим образом.
Известно [5], что чем выше температура ГИП в интервале однофазной области, тем больше размер зерна компактированного материала. Последнее приводит к снижению прочности. На первых опытных партиях дисков (около 30 заготовок) ГИП проводили непосредственно вблизи температуры сольвус. При этом граница доверительного интервала «минус 3в» для предела прочности ав и условного предела текучести ад,2 была ниже, чем контрольные нормативы, на 30-40 МПа.
Для следующих партий дисков в связи с увеличением температуры сольвус было принято решение об увеличении температуры ГИП и, следовательно, закалки, что позволило получить более однородную рекристалли-зованную структуру. При этом не наблюдали увеличения среднего размера зерна до критических значений, его рост составил 6-10 мкм, что вполне допустимо. Средний уровень прочностных свойств повысился более чем на 5 %, уменьшилось среднее квадратичное отклонение. На рис. 2 представлены заготовки дисков сходных габаритов и массы, обработанные по различным режимам ГИП, и их микроструктура. Рост свойств и снижение разнозернистости подтверждают эффективность принятых мер, направленных на повышение стабильности уровня свойств.
Сплав ВВ751П имеет область гомогенности порядка 20-30 °С. Такой интервал является достаточно широким для столь легированного сплава, что делает его технологичным на стадиях ГИП и ТО. Как было сказано выше, операция закалки проводится вблизи нижней границы однофазной области твердого раствора (выше сольвуса). Однако учитывая реальную точность поддержания температур в термических печах на уровне ±10 °С, возможно проявление недогрева при закалке, что существенно снижает прочностные характеристики, сопротивление МЦУ и длительную прочность.
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
-Ф
Рис. 2. Заготовки дисков, обработанные по различным технологическим режимам ГИП:
а, б - внешний вид заготовок и их масса; в, г - микроструктура материала, травление на зерно, х100
Проведение повторной термической обработки позволяет повысить уровень механических характеристик заготовок дисков, если они имели незначительные нарушения технологии при стандартной термообработке и выпады при контрольных испытаниях. Проведенные исследования по повторной термической обработке заготовок дисков из гранулируемого сплава ВВ751П показали эффективность и целесообразность этой операции для повышения выхода годного. В технологическую инструкцию по термической обработке внесены соответствующие изменения, касающиеся применения повторной ТО для заготовок дисков из сплава ВВ751П. После проведения повторной термической обработки удается устранить крупные выделения избыточной у'-фазы, которые снижают свойства материала (рис. 3, а, б). При этом незначительно возрастает средний
размер зерна (рис. 3, в, г), однако это не приводит ни к усилению разнозернистости, ни к уменьшению прочностных свойств.
При освоении технологии производства был также опробован один из путей повышения общего уровня механических характеристик материала - уменьшение фракции гранул. Использование гранул крупностью менее 70 мкм позволило существенно снизить размер и количество неметаллических включений в материале диска [6] и, следовательно, увеличить гарантируемое время до разрушения при испытаниях на МЦУ до величины более 20000 циклов при £ = 650 °С, а = 1120 МПа, f = 1 Гц. Также по сравнению с существующей технологией снизились средний размер зерна и разнозернистость в заготовках дисков (рис. 4). Материал с такой микроструктурой будет более стабильным
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
а, б
Рис. 3. Микроструктура материала заготовки диска, имевшей незначительный недогрев при стандартной термической обработке:
■ травление на структуру, х500; в, г - травление на зерно, х100
при эксплуатации. По сравнению с материалом, изготовленным из гранул крупностью менее 100 мкм, произошло увеличение предела прочности ав и условного предела текучести а0,2 в среднем на 20-25 МПа.
Рис. 4. Микроструктура полноразмерной заготовки диска массой 150 кг, изготовленной из гранул крупностью менее 70 мкм, dз = 26 мкм, травление на зерно, х100
Заключение
Проведенные усовершенствования опытно-промышленной технологии изготовления позволяют производить заготовки дисков с высокой стабильностью структуры: интервал колебаний размера зерна в партиях дисков не превышает 10 мкм, размер выделений упрочняющей у'-фазы в ступичной и ободной частях заготовок отличается не более чем на 0,06 мкм. Характер карбидных фаз в материале дисков каждой партии однотипен.
Отработка технологии позволяет говорить о внедрении сплава в серийное производство в условиях ОАО ВИЛС. Продолжаются работы по повышению стабильности свойств заготовок дисков, ведется непрерывный контроль на всех этапах производства. Поставка заказчикам заготовок дисков из высокопрочного гранулируемого сплава ВВ751П позволит существенно повысить эксплуатационные характеристики новых ГТД, например, их мощность, ресурс и надежность.
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иноземцев А.А., Сандарский В.Л. Газотурбинные двигатели. — Пермь: ОАО «Авиадвигатель», 2006. - 1204 с.
2. Пат. 2368683 РФ. Порошковый жаропрочный никелевый сплав / Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М. и др. Опубл. 27. 09. 2009.
3. Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М., Фе-доренко Е.А. Разработка новых гранулированных жаропрочных сплавов для производства дисков и валов авиационных двигателей // Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 34-49.
4. Иноземцев А.А., Аношкин Н.Ф., БашкатовИ.Г., Гарибов Г.С., Коряковцев А.С. Применение дисков из гранул жаропрочных никелевых сплавов в серийных ГТД авиационной и наземной
техники // Перспективные технологии легких и специальных сплавов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. С.371-376.
5. Падалко А.Г. Практика горячего изостатическо-го прессования неорганических материалов. -М.: Академкнига, 2007. - 267 с.
6. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Повышение характеристик прочности и сопротивления МЦУ гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов за счет снижения крупности гранул // Двенадцатый международный салон «Двигатели-2012» (НТКД-2012). Москва. 18-19 апреля. Сб. тезисов. - М.: АССАД, 2012. С. 218.
-Ф-
-Ф-
