CC BY
44
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 621.762
ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ
ДИСКОВЫХ ГРАНУЛИРУЕМЫХ СПЛАВОВ
ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.А. Иноземцев, докт. техн. наук (ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь, e-mail: [email protected])
Приведены результаты применения никелевых гранулируемых сплавов для дисков турбин ГТД, показана их наработка в эксплуатации. Определены требования по усталостным характеристикам и жаропрочности сплавов для деталей перспективных двигателей, указаны направления реализации заявленных свойств. Представлены подходы к определению циклического ресурса эксплуатации дисков из гранульных сплавов на основе концепции безопасного развития дефекта.
Ключевые слова: никелевые сплавы, технология гранул, жаропрочность, усталость, циклический ресурс.
Problems of Development of P/M Disc Superalloys for Advanced Aeroengines. A.A. Inozemtsev.
The results of the use of P/M Ni-base superalloys for production of turbine discs incorporated in gas-turbine engines are presented; operating age in service is shown. Requirements for fatigue and high-temperature strength characteristics of alloys for advanced aeroengine components are determined, trends in realization of the declared properties are specified. Based on damage tolerance defect conception, approaches to determination of cyclic operational life of P/M superalloy discs are presented.
Key words: Ni-base superalloys, powder metallurgy technology, high-temperature strength, fatigue, cyclic operational life.
Современное авиационное двигателе-строение немыслимо без высоких технологий, передовых достижений науки и в значительной степени определяется прогрессом в области конструкционных материалов.
Повышение параметров рабочего процесса, ужесточение условий работы деталей двигателя и требование минимизации массы заставляют применять для дисков компрессоров и турбин наиболее сложно-легированные сплавы с высокими прочностными характеристиками. Для таких сплавов практически невозможно получить однородность и изотропность свойств в объеме заготовки при производстве тради-
ционным способом - деформацией слитка. В этой связи разработанная в ОАО ВИЛС технология металлургии гранул является выдающимся прорывом в отечественной и мировой металлургии.
Металлургия гранул имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционным способом получения заготовок:
- возможность использования наиболее сложнолегированных и трудно деформируемых сплавов;
- получение однородных и изотропных свойств материала в заготовке;
- высокий коэффициент использования материала .
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Сотрудничество ОАО «Авиадвигатель» с ОАО ВИЛС в области металлургии гранул началось с 70-х гг. и продолжается по настоящее время по целому ряду авиационных и промышленных двигателей. Впервые гранульный материал был применен для двигателя Д-30Ф6 (рис. 1).
Для обеспечения требуемого ресурса наиболее нагруженные диски компрессора и турбины были изготовлены из сплава ЭП741П. В компрессоре это были диски 6-10 ступеней, в турбине - все диски. Лабораторные исследования сплава по определению прочностных характеристик выполнялись в ФГУП ЦИАМ. В подтверждение ресурсных возможностей дисков были проведены длительные испытания трех двигателей, разгонные и эквивалентно-циклические испытания дисков на специализированных установках. С 1983 г. начато производство гранульных дисков и лабиринта 10-й ступени КВД. Замечаний к материалу в эксплуатации нет.
На рубеже 80-х гг. в ОАО «Авиадвигатель» развернуты работы по созданию гражданского двигателя 4-го поколения - ПС-90А. Для дисков турбины двигателя пассажирского само-
лета (рис. 2) был выбран лучший на то время гранульный сплав ЭП741П. В ходе исследовательских работ ОАО ВИЛС был предложен сплав ЭП741 НП - улучшенный вариант предыдущего сплава. Усовершенствована технология производства заготовок.
В обоснование надежности дисков турбины двигателя из сплава ЭП741НП совместно с ОАО ВИЛС и ФГУП ЦИАМ выполнен комплекс лабораторных исследований материала: определены характеристики малоцикловой усталости, скорости развития трещин. В ОАО «Авиадвигатель» проведены эквивалентно-циклические испытания всего комплекта дисков на стендах поузловой доводки и на пяти двигателях. При стендовых испытаниях двигателей наработки достигали 5000 циклов. Это позволило начать коммерческую эксплуатацию двигателей с 1991 г. и пассажирские перевозки в 1993 г. Впервые в мировой практике диски, изготовленные ав-ГИП, были применены в конструкции ГТД самолета гражданского назначения.
С 1996 г. двигатель ПС-90А переведен на эксплуатацию по второй стратегии управления ресурсом, что позволило выполнить обо-
Рис. 1. Двигатель Д-30Ф6для самолета МиГ-31
Рис. 2. Двигатель ПС-90Адля самолетов Ту-204и Ил-96-300. Турбина высокого давления двигателя
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
снование увеличения ресурса дисков без их длительных испытаний на полноразмерном двигателе. Выполнен анализ условий нагру-жения дисков в полетном цикле и разработаны программы циклических испытаний дисков на специализированных стендах вне двигателя. В соответствии с концепцией второй стратегии, разработанной в ФГУП ЦИАМ, цикл нагружения дисков на разгонном стенде УИР был отлажен таким образом, чтобы воспроизводить повреждаемость материала в критических зонах дисков, максимально приближенную к эксплуатационной. Вокончатель-но отработанных вариантах конструкции на стендах было испытано более 20 экземпляров дисков различных наименований. Эквивалентные наработки нескольких дисков превысили 15 и даже 20 тыс. циклов. С учетом анализа опыта эксплуатации и состояния дисков, при их ремонте проведенные работы по исследованию ресурсных возможностей дисков из сплава ЭП741НП позволили сертифицировать увеличенный ресурс дисков по безопасной циклической долговечности до 3600-4200 циклов. Это от 1,5 до 6 раз превышает первоначально установленный ресурс. На сегодняшний день суммарная наработка парка двигателей с начала пассажирских перевозок превысила 800 тыс. ч. Максимальная наработка отдельных дисков из сплава ЭП741НП превысила 10 000 ч, 1300 циклов.
Применение дисков из сплава, получаемого по гранульной технологии в серийном производстве ОАО ПМЗ, позволило повысить средний КИМ с 0,206 до 0,54. Итоги эксплуатации гранульных дисков турбины двигателя ПС-90А показали, что за весь период пассажирских перевозок случаев бракования дисков при ремонте в ОАО ПМЗ по дефектам металлургического характера не отмечено. На сегодняшний день наработка дисков в авиации составляет 12,5 млн ч.
В середине 90-х гг. в ОАО ВИЛС разработана гранульная технология производства заготовок дисков из сплава ЭИ698П. Крупность гранул составляла 50-200 мкм, допустимое количество включений < 20 шт./кг. Стоимость заготовок из сплава ЭИ698П в то время была дешевле на 12 %, чем из сплава ЭИ698-ВД. Такое снижение цены представляло значи-
тельный интерес для ОАО «Авиадвигатель» и ОАО ПМЗ, развернувших работы по проектированию и доводке промышленных двигателей стационарных газотурбинных установок для перекачки газа.
В результате выполнения совместных исследовательских работ ОАО ВИЛС, ФГУП ВИАМ, ФГУП ЦИАМ и ОАО «Авиадвигатель» и паспортизации сплава серийный завод ОАО ПМЗ получил альтернативного поставщика и возможность влиять на формирование цены заготовок. В период 1998-2001 гг. выпущена опытно-промышленная партия газотурбинных установок. В настоящее время диски из сплава ЭИ698П устанавливаются в турбинах серийно выпускаемых установок мощностью от 10 до 25 МВт. Суммарная наработка дисков в эксплуатации наземных установок составляет более 30 млн ч. Работы по увеличению ресурса дисков продолжаются.
Повышение параметров рабочего процесса, ужесточение условий работы деталей двигателя и требование минимизации массы заставляют применять для дисков компрессоров и турбин наиболее сложнолегированные сплавы с высокими характеристиками жаропрочности. Рост жаропрочности сплавов в различных генерациях конструкций ГТД разработки ОАО «Авиадвигатель» приведен на рис. 3.
Создание двигателя нового поколения требует и конструктивных решений, и материалов с новым уровнем свойств.
В рамках программы создания двигателя ПД-14 были сформулированы и направлены разработчикам требования к дисковому материалу (табл. 1).
Уровень свойств отечественных сплавов разработки ОАО ВИЛС и зарубежных современных дисковых сплавов, указан на диаграммах (рис. 4). Как видно, ни один из указанных сплавов полностью не удовлетворяет требованиям по прочности и жаропрочности одновременно.
Общей тенденцией в улучшении составов жаропрочных никелевых сплавов является легирование тугоплавкими элементами танталом, ниобием, рением, гафнием [1, 2] Если в базовых сплавах (1Ы100, Waspaloy, Ав1:га1оу) они отсутствовали, то в последующих разработках наблюдается усиление этой группы
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
«Ж МП
1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300
Рис. 3. Динамика роста жаропрочности никелевых сплавов, применяемых для деталей газотурбинных двигателей разработки ОАО «Авиадвигатель»
а П 1800
М 1600
я 1400
о 1200
Я 1000
я п 800
и я 600
Ц 400
<и И 200
о а 0
П
# # # # #
о
к у
о а к о
а
«
Сплавы разработки ВИЛС и зарубежные дисковые сплавы
а
1200 1000 800 600 400 200 0
□ 650 °С О 750 °С
—
1 1 1 1 1 1 1
^ 4 # # # Г
Марки дисковых гранулируемых сплавов б
Рис. 4. Прочность (а) и жаропрочность (б) отечественных и зарубежных (АПоу10, ЯЯ1000, Ме3) сплавов
элементов. Все перечисленные элементы образуют карбидные фазы и сложные интерме-таллиды. Рений и тантал частично растворяются в матрице, повышая ее жаропрочность. На основе анализа состава зарубежных дисковых сплавов [1] определены пути повышения жаропрочности и долговечности сплавов оптимизацией легирования, а именно дополнительным легированием кобальтом, углеродом и танталом в качестве эффективных упрочнителей при повышенных температурах. Возможны варианты легирования, кроме уже указанного рения, осмием, рутением и другими элементами платиновой группы.
Как видно из диаграммы (см. рис. 4, а), отечественные сплавы имеют предел прочности, который не уступает лучшим зарубежным сплавам. По жаропрочности на базе 100 ч при 650 °С последние разработки, например сплавы ВВ752П и ВВ753П, также превосходят зарубежный сплав А11оу10, но уступают по жаропрочности при 750 °С сплаву Ме3 [1, 3]. Указанный сплав, запатентованный фирмой вЕ, легирован танталом и рением. Разработанные в ВИЛСе гранульные сплавы ВВ751П, ВВ750П, ВВ752П и ВВ753П по основным характеристи-
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
кам близки к требованиям технических условий, предъявляемым к материалу диска, но в полном объеме этим требованиям не отвечают.
В детали «диск» разные области работают в различных условиях нагружения и при различных температурах. Поэтому для приведения уровня механических свойств в различных частях диска в соответствие с условиями эксплуатации необходимо на ободе диска обеспечить максимальную жаропрочность, в ступице - прочность, а для детали в целом - высокое сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) и низкую скорость роста трещины. Оптимизация характеристик предполагает получение соответствующей структуры сплавов -крупнозеренной для обода диска и мелкозеренной для ступицы. В целях достижения комплекса свойств необходима либо разная система упрочнения и/или разный размер зерна [3].
Обеспечение требований к структуре проводится по двум технологическим направлениям:
- применение разных сплавов для формирования различных частей диска (биметаллические материалы);
- создание разной структуры по сечению диска из одного сплава (функционально-градиентные материалы).
Первое направление сопряжено с трудностями термообработки биметаллического диска и наличием переходной зоны. Более технологичным считается метод получения заготовок из одного сплава с градиентной структурой.
Разработка методов формирования заготовок с двумя различными структурными зонами в настоящее время является актуальной задачей.
Кроме жаропрочности, в новых требованиях к материалу диска ТВД отражены характе-
20 450 650
Предел прочности ств, МПа ступица 1608 1569 1510
обод 1608 1569 1550
Предел текучести Ст0 2,МПа ступица 1177 1140 -
обод 1177 1140 1128
Относительное удлинение 8, % 16 - 13
Относительное сужение у, % 17 - 15
Ударная вязкость ан, Дж/м2 20 > 390 450 650
2. Жаропрочность на базе 100 ч
Напряжения , МПа обод - 1520 1118
ступица - 1451 1177
Таблица 1
Требования к материалу диска ТВД
1. Механические свойства
Температура, °С
3. Малоцикловая усталость
ств, МПа (гладкий образец) СТг = 0,25, МПа (образец с надрезом) На базе 3 • 104 циклов ств, МПа (гладкий образец) СТг = 0,25, МПа (образец с надрезом)
ступица
обод - -
ступица - -
обод
1206 569
1187 539
4. Трещиностойкость дисковых сплавов
Темпе- Скорость Размах Пороговый Критиче-
ратура, развития коэффици- коэффици- ский коэф-
°С трещины ента интен- ент интен- фициент
v, м/цикл сивности сивности интенсивно-
напряже- напряжений сти напря-
ний АК, жений
МПа • м1/2 МПа • м1/2 МПа • м1/2
460 10-8 10-5 40 220 20 230
700 10-8 10-5 25 160 16 170
ристики МЦУ и трещиностойкости. Применение гранульных дисков в авиационных и промышленных установках имеет определенную специфику. Во время испытаний на разгонных стендах при исчерпании циклического ресурса дисков и наработках до 11 000 циклов установлено, что трещины МЦУ зарождаются в наиболее напряженных местах от металлических и неметаллических включений, которые попадают в металл при производстве за-
4
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
готовок. Поэтому остается актуальной проблема повышения чистоты сплава.
Перспективы создания жаропрочных материалов также связаны с прогрессом в изучении механики разрушения материалов, прогнозировании процессов разрушения, определении запаса прочности.
Действующая нормативная документация предусматривает подтверждение циклического ресурса основных деталей двумя методами:
- на основе концепции безопасной долговечности, т. е. до появления трещины МЦУ. Критерием отказа является образование трещины глубиной 0,4 мм и длиной 0,8 мм;
- на основе концепции безопасного развития дефекта с учетом возможной потери функциональной способности, т. е. развитие трещины до критической величины, при которой начинается ее ускоренный рост или недопустимо снижается несущая способность детали с учетом возможной раскрутки ротора.
При использовании гранульных сплавов для изготовления основных деталей обязательным является применение как метода, основанного на концепции безопасной долговечности, так и метода, основанного на концепции безопасного развития трещины. При этом ресурс должен устанавливаться по минимальной оценке из двух концепций.
Концепция безопасного развития дефекта предполагает, что в детали могут быть поверхностные или объемные начальные дефекты, не обнаруживаемые при контроле. Ресурс устанавливается на основе определения периода роста трещины, распространяющейся от начального дефекта до дефекта критического размера. По результатам расчета безопасного периода роста трещины определяется назначенный ресурс или интервал циклической наработки между двумя последовательными инспекциями технического состояния детали.
Назначенный ресурс устанавливается с учетом вероятности роста трещины от начального дефекта до критического размера, так называемый вероятностный подход. Для его применения необходимо знать следующие характеристики:
- статистическое распределение размеров дефектов;
- частота появления дефектов;
- вероятность обнаружения дефекта применяемыми методами контроля;
- статистическое распределение наработки детали между двумя последовательными инспекциями технического состояния.
При отсутствии полного набора данных может быть использован детерминированный подход, устанавливающий интервалы между инспекциями технического состояния деталей. Интервал между инспекциями определяется на основе периода безопасного роста трещины от дефекта экстремальной величины, помещенного в наиболее напряженную критическую зону детали. В этом случае, кроме данных, необходимых для определения периода роста трещины, применение детерминированного подхода требует знания статистически экстремальной величины начального дефекта. Кроме того, при определении наработки до первого контроля состояния детали величина начального дефекта должна определяться с учетом технологии изготовления детали.
Анализ расчетов, проводившихся в ОАО «Авиадвигатель», показал, что уменьшение начального размера дефекта с 0,38 мм до 0,15 мм приводит к увеличению периода развития трещины до опасной величины примерно в 2-6 раз.
По предварительным оценкам, выполненным специалистами ФГУП ЦИАМ на примере деталей из титановых сплавов, применение вероятностного подхода дает существенно большие значения периода роста трещины, чем детерминированный подход. Однако отсутствие необходимых данных не позволяет воспользоваться вероятностным подходом.
Таким образом, применение в конструкции авиационного двигателя перспективных гранульных сплавов предусматривает использование концепции безопасного развития дефекта. Однако этот подход реализуется при наличии следующих характеристик материалов:
- кинетические характеристики трещино-стойкости материала;
- величина начального дефекта;
- статистическое распределение размеров дефектов;
- частота появления дефектов;
"Ф
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
- вероятность обнаружения дефекта применяемыми методами контроля.
- размер, форма, ориентация, химический или металлургический характер дефекта.
Практически все перечисленные параметры, в отличие от характеристик, определяемых при общей и специальной квалификации материалов, могут быть получены только при условии тесного взаимодействия конструкторских бюро с разработчиками сплавов и производителями заготовок, все это требует проведения огромной совместной целенаправленной работы. Только такое сотрудничество позволит в полной мере использовать потен -циал новых отечественных гранульных сплавов.
Таким образом, можно отметить следующие задачи, которые необходимо решить для более широкого внедрения гранульных сплавов и обеспечения безопасности их эксплуатации:
- совершенствование состава и структуры гранульных сплавов в направлении повышения их сопротивления зарождению и развитию трещин, жаропрочности;
- развитие методов механики разрушения и их адаптация к специфике нагружения и напряженно-деформированного состояния дисков авиационных и промышленных двигателей;
- повышение разрешающей способности методов неразрушающего контроля заготовок и готовых дисков. Определение взаимосвязи параметров разрешающей способности методов с размерами фактически обнаруживаемых дефектов.
Подводя итог, необходимо отметить, что жаропрочные сплавы для дисков по технологии металлургии гранул являются приоритетным направлением в двигателестроении, от которого во многом зависит прогресс в новейших разработках авиационной техники.
ОАО «Авиадвигатель» заинтересован в продолжение работ с ОАО ВИЛС в области совершенствования составов сплавов и развития технологии изготовления заготовок дисков.
Выводы
В процессе эксплуатации дисковых сплавов были выявлены следующие задачи, решение которых будет способствовать росту эффективности и надежности отечественных авиационных и промышленных двигателей.
1. Разработка составов гранульных сплавов с повышенными характеристиками сопротивления зарождению и развитию трещин, жаропрочностью .
2. Развитие способов изготовления заготовок гранульных дисков с функционально-градиентными свойствами.
3. Совершенствование методов механики разрушения и их адаптация к специфике нагружения и напряженно-деформированного состояния дисков авиационных и промышленных двигателей.
4. Развитие неразрушающего контроля заготовок и готовых дисков, как метода превентивного обнаружения дефектов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарибов Г.С., Гриц Н.М. Пути создания новых жаропрочных гранулируемых сплавов для перспективных авиадвигателей // Технология легких сплавов. 2012. № 3. С. 35-43.
2. БересневА.Г., Разумовский В.И., Лозовой А.Ю. и др. Развитие теории легирования для создания нового поколения жаропрочных никелевых сплавов, получаемых методами порошковой метал-
лургии // Технология легких сплавов. 2012. № 2. С. 52-61.
3. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Федоренко Е.А. и др.
Исследование возможности изготовления заготовок дисков ГТД с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами из гранул разных фракций // Технология легких сплавов. 2011. № 4. С. 41-49.
-Ф
-Ф-
