CC BY
53
УДК 620.22
Ю.Г. Быков1, С.В. Овсепян2, И.С. Мазалов2, А.С. Ромашов1
1ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют», Россия 2ФГУП «ВИАМ», Россия
ПРИМЕНЕНИЕ НОВОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ВЖ 171 В КОНСТРУКЦИИ ПЕРСПЕКТИВНОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Приведены результаты технологического опробования нового жаропрочного свариваемого сплава ВЖ171 применительно к деталям перспективного ГТД. Установлено, что из листов сплава толщиной 0,83 мм на промышленном оборудовании можно изготавливать детали сложной геометрической конструкции, типа жаровой трубы и теплозащитных экранов. При этом сплав обладает удовлетворительной технологичностью при операциях листовой штамповки и аргонодуговой сварки. Показано, что после проведения химико-термической обработки сборочных единиц и узлов достигается требуемый упрочняющий эффект.
Ключевые слова: жаропрочный сплав, технологичность, аргонодуговая сварка, химико-термическая обработка, азотирование, механические свойства.
Введение
Для деталей горячего тракта газотурбинных двигателей нового поколения - жаровой трубы камеры сгорания, элементов сопла и форсажной камеры требуются материалы, работоспособные при температурах выше 1050 °С, что серийные сплавы обеспечить не могут. Для замены материалов, использующихся в конструкциях действующих ГТД - ВХ4А, ВЖ98, ВЖ101 и др. во ФГУП «ВИАМ» создан жаропрочный свариваемый сплав ВЖ171 с температурой работы до 1250 оС.
Сбалансированность компонентов марки ВЖ171 обеспечивает стабильность структуры -в процессе эксплуатации не произойдет выделения частиц топологически плотноупакованных фаз (хрома, вольфрама и т.п.). Главное отличие сплава ВЖ171 от применяемых материалов состоит в упрочнении его дисперсными частицами нитридов, формирующихся при химико-термической обработки в процессе внутреннего азотирования. Стабильность нитридов, сохраняющихся вплоть до температуры плавления матрицы, обеспечивает высокую рабочую температуру сплава. В настоящее время данный сплав имеет наиболее высокую жаропрочность среди материалов аналогичного назначения (таблица 1).
Сплав ВЖ171 предназначен для использования в тонколистовых свариваемых конструкциях (жаровая труба, термозащитные экраны сопла, элементы форсажной камеры). Требования к материалам деталей следующие: рабочие напряжения до 20 МПа, высокое сопротивление окислению (жаростойкость), в том числе, в продуктах
сгорания топлива; одновременно, высокая сопротивляемость многократным быстрым нагревам и охлаждениям, высокая теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения, структурная стабильность во всем диапазоне рабочих температур [4]. Применительно к жаровым трубам, конструкция из этого сплава должна обладать высоким сопротивлением короблению, поскольку изменение геометрии жаровой трубы вызывает неравномерность температурного поля, что способствует перегреву рабочих лопаток и обода дисков турбины.
Таблица 1
Пределы длительной прочности свариваемых сплавов для высокотемпературного применения (средние значения) [1, 2, 3]
В технологическом плане сплав должен иметь достаточную пластичность и удовлетворительную свариваемость и быть ремонтопригодным в эксплуатации.
Сплав Ü100 (МПа)
при температурах испытания, ° С
800 900 1000 1100 1200
ВЖ98 108 51 25 - -
ВЖ145 160 70 30 15 5
ВХ 4А 170 70 25 - -
ВЖ159 180 70 25 - -
Ш-188 150 (815оС) 99 (870оС) 37 (980оС) 15 -
ВЖ171 - 130 70 45 23
© Ю.Г. Быков, С.В. Овсепян, И.С. Мазалов, А.С. Ромашов, 2012
- 246 -
Целью данной работы являлась оценка технологичности сплава ВЖ171 и возможности изготовления деталей перспективных ГТД из него в условиях промышленного производства.
В качестве основных полуфабрикатов из сплава ВЖ171 использовались холоднокатаные листы толщиной 0,8 ...3,0 мм. Их изготовили во ФГУП «ВИАМ». Была проведена плавка в вакуумно-индукционной печи с заливкой в конусные изложницы. Сутунку под прокатку изготавливали осадкой на прессе мощностью 1600 тс в горячих штампах. Ковку осуществляли за несколько выносов с подогревом, со степенями деформации 30.45%. Затем проводили горячую и холодную прокатку с последующим отжигом при температуре 1100 °С.
Далее по технологическому процессу, блок-схема которого приведена на рис. 1, из сплава ВЖ171 были изготовлены следующие детали: экран сопла, экран створки сопла, жаровая труба и элементы форсажной камеры — стойки и малый стабилизатор.
На операции входного контроля исследована микроструктура холоднокатаных листов (рис. 2). Листы
толщиной 1.1,5 мм имели размер зерна 9-10 баллов (ГОСТ 5639), а толщиной 3 мм — 7-5 баллов.
а)
б)
Рис. 2. Микроструктура листа из сплава ВЖ171 х100
после деформации: а) толщина листа 1,2 мм; б) толщина листа 3,0 мм
В процессе изготовления деталей сопла, форсажной камеры и жаровой трубы были изучены технологические свойства сплава ВЖ171 — способность формоизменения при холодной штамповке, свариваемость аргонодуговым методом, химико-термическая обработка и нанесение алюмо-силицированного защитного покрытия. На рис. 3 приведена микроструктура сплава ВЖ171 в азотированном состоянии.
Рис.1. Блок-схема технологического процесса изготовления деталей из сплава ВЖ171
Рис. 3. Микроструктура листа сплава ВЖ171 после азотирования (х1000)
Видны частицы упрочняющей фазы — нитрида титана равномерно распределенные по телу зерна.
С применением электронной микроскопии проведено исследование структурных характеристик нитридной фазы в зависимости от расстояния от поверхности листа (рис. 4). Изучены тип, размеры, форма и объемная доля частиц1.
1 Исследования выполнены при финансовой поддержке РФФИ — грант № 11-08-12095 с участием Филоновой Е.В., Морозовой Г.И. и Давыдовой Е.А.
ISSN1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2012
- 247 -
Установлено, что в структуре металла по толщине листа выделяются три зоны, отличающиеся по типу, морфологии, размеру и составу фаз — рис. 4.
Рис. 4. Микроструктура (РЭМ) листа сплава ВЖ171
Зона у поверхности - на глубине до 70 мкм - зерна матрицы размером 5-20 мкм, частицы нитридов округлой формы по границам и в теле зерен. Выявлены: нитрида хрома С^М", нитрида титана 1Ш и следы нитрида Мо^М". Центральная зона - на расстоянии более 400 мкм от поверхности. Здесь нитрид ТтЫ полностью преобладает. Между этими зонами видна переходная область с частицами разной формы 1Ж и следами С^М".
Установлено, что размер нитридов увеличивается пропорционально расстоянию от поверхности образца в степени ~ 0,3 (рис. 5). Средний размер нитридов, видимых при увеличениях до х2000, повышается от 0,7 до 2,2 мкм от края до середины образца. Вытянутость частиц минимальна в поверхностном слое и в центре образца и максимальна в переходной области. Наибольшее количество фазы ~ 13% по площади шлифа на половине расстояния от поверхности до центра образца (рис. 5).
Рис. 5. Влияние расстояния от поверхности листа толщиной 1,5 мм на характеристики частиц нитридов
При проведении операции химико-термической обработки, которая предусматривает длительную выдержку при высокой температуре, с целью избежания температурных поводок детали и сохранения ее геометрических размеров, применялись специально спроектированные и изготовленные термофиксаторы.
Контрольная проверка геометрии деталей после азотирования не выявила каких-либо замечаний. На детали сопла и форсажной камеры было нанесено алюмосилицированное покрытие АС-1 по заводской технологии.
После химико-термической обработки деталей на образцах-свидетелях получены свойства, приведенные в таблице 2.
Таблица 2
Свойства образцов-свидетелей сплава ВЖ171 после азотирования
Кратковременный разрыв Длительная прочность
Т, °С Ов , МПа О 0,2' МПа 3, % % О , МПа т, часы
20 658 483 11,1 16,8 - -
20 653 488 11,1 14,6 - -
1000 245 231 20,8 21,5 64 143
1000 258 236 20,1 16,8 64 97
Сравнение полученных фактических характеристик с данными паспорта на сплав ВЖ171 показывает их удовлетворительную корреляцию.
Таблица 3
Механические свойства сплава ВЖ171 в азотированном состоянии (паспорт, средние значения)
Наименование свойств при температуре, °С 20 900 1000 1200 1250
О , МПа В 870 380 235 80 59
СТ0>2 , МПа 530 260 190 60 55
5, % 10 9,5 16,5 32 15
^ МПа - 130 70 23 -
Заключение
Проведенные исследования по изучению технологичности сплава ВЖ171 позволили определить оптимальные режимы штамповки листов толщиной 0,8 3 мм, аргонодуговой сварки для получения качественного сварного соединения, и нанесения защитного покрытия. Проверена эффективность химико-термической обработки деталей из нового сплава в условиях ФГУП «ВИАМ».
На основании проведенной работы, на промышленном оборудовании из сплава ВЖ171 были изготовлены теплозащитный экран сопла (рис. 6), экран створки сопла (рис. 7), стойки
(рис. 8) и малый стабилизатор (рис. 9) форсажной камеры перспективного двигателя.
Для двигателя МД120 из этого сплава изготовлена жаровая труба2 (рис. 10), которая прошла испытания на технологическом изделии без замечаний.
Литература
1. Ломберг Б.С. Жаропрочные деформируемые сплавы для горячего тракта газотурбинных двигателей (ГТД) [Текст] / Б.С Ломберг, С.В. Овсепян, В.Б. Латышев, Е.Б. Чабина // Авиационные материалы: сб. науч. тр. / ФГУП «ВИАМ». — М., 2007. - С. 59-65.
2. Ломберг Б.С. Современные деформируемые жаропрочные сплавы[Текст] / Б.С. Ломберг, С.В Овсепян, В.Б. Латышев // Тр. Междунар. на-учн.-техн. конф. «Научные идеи С.Т.Кишкина и современное материаловедение», М., ВИАМ, 2006. - С. 75-84.
3. Haynes® 188 Alloy / www.haynesintl.com
4. Моисеев С.А. Жаропрочные свариваемые сплавы для узлов статора современных и перспективных авиационных ГТД [Текст]/ С.А Моисеев, В.Б. Латышев // Авиационные материалы и технологии: сб. науч. тр. / ФГУП «ВИАМ». — М., 2003. — С. 152-158.
Рис. 7. Экран створки сопла
Рис. 6. Экран сопла
2Работа проведена совместно с УГМет ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют»
Рис. 8. Стойка
ISSN 1727-0219 Вестник двигателестроения № 2/2012
— 249 —
Рис. 10. Жаровая труба
Поступила в редакцию 28.05.2012
Ю.Г. Биков, С.В. Овсепян, I.C. Мазалов, А.С. Ромашов. Застосування нового жаромщного сплаву ВЖ171 в конструкцн перспективного двигуна
Наведено результати технолог1чного випробування нового жаромщного зварюваного сплаву ВЖ171 стосовно до деталей перспективного ВМД. Встановлено, що з лист1в сплаву товщиною 0,8 ... 3 мм на промисловому обладнант можна виготовляти детал1 складноi геометричног конструкци, типу жаровог труби i теплозахисних екратв. При цьому сплав волод1е задовыьною технологiчнiстю при операщях листового штампування i аргонодуго-вого зварювання. Показано, що тсля проведення хiмiко-термiчноí обробки складальних одиниць i вузлiв досягаеться потрiбний змщнюючий ефект.
Ключов1 слова: жаромщний сплав, технологiчнiсть, аргонодугове зварювання, хiмiко-термiчна обробка, азотування, мехатчт властивость
Y.G. Bykov, S.V. Ovsepyan, I.S. Mazalov, A.S. Romashov. Application of a new high-temperature alloy ВЖ 171 in construction perspective engine
The results of testing a new technology high-temperature alloy welded ВЖ171 regard to detail perspective gas turbine engine. Found that of the alloy sheet thickness of 0.8 ... 3 mm in the industrial equipment can produce parts with complex geometric designs, such as flame tube, and cooling liner. In this alloy has satisfactory processability in sheet metal forming operations, and argon arc welding. It is shown that after chemicothermal treatment assembly units and components is achieved by reinforcing the desired effect.
Key words: high-temperature alloys, processability, argon arc welding, chemicothermal treatment, nitriding, mechanical properties.
