CC BY
18
-Ф-
-Ф-
_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.762
ПУТИ СОЗДАНИЯ НОВЫХ ВЫСОКОЖАРОПРОЧНЫХ ГРАНУЛИРУЕМЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ
Г.С. Гарибов, докт. техн. наук, Н.М. Гриц, канд. техн. наук
(ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Представлен анализ наиболее перспективных зарубежных разработок в области легирования гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов и технологии изготовления из них дисков с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами. Выявлены основные тенденции развития в этом направлении.
По результатам проведенного анализа намечены основные направления в отечественных разработках по обеспечению перспективных двигателей дисковыми материалами с высокими характеристиками жаропрочности при повышенных температурах.
Ключевые слова: патентно-технические исследования, металлургия гранул, легирование, суперсплавы, диски с переменной структурой, функционально-градиентные свойства, размер зерна.
Ways for Creation of New PM Extrahigh-Temperature Superalloys for Advanced Aircraft Engines. G.S. Garibow, N.M. Grits.
The most advanced foreign designs in the field of alloying of PM Ni-base superalloys and technologies for production of discs with a dual grain structure and functionally gradient properties, made from these superalloys have been analysed. Main tendencies of development in this direction have been found.
Based on the results of the analytical treatment carried out, main trends in domestic designs aimed at production of disc materials with improved high-temperature strength at high temperatures for advanced aircraft engines have been charted.
Key words: patent-and-technical studies, powder metallurgy, alloying, superalloys, discs with a dual grain structure, functionally gradient properties, grain size.
Для двигателей вновь создаваемых перспективных изделий авиационной техники требуются новые материалы, по своим характеристикам значительно превосходящие существующие и отличающиеся по комплексу эксплуатационных свойств от материалов, применяемых в современных двигателях.
На ближайшие десятилетия ведущая роль в дисковых материалах все еще будет оставаться за жаропрочными никелевыми спла-
вами [1], которые активно развиваются в последнее время в связи с совершенствованием технологии их производства. К тому же появление новых материалов, таких как керамические и интерметаллиды, еще больше подстегивает темпы развития и совершенствования жаропрочных сплавов.
Большинство дисков современных ГТД производятся и будут производиться в ближайшее время методом металлургии гранул, так как
достоинства данной технологии превосходят ее недостатки, а также исключаются все недостатки технологии, составной частью которой являются литье и обработка давлением [1].
Метод металлургии гранул с его уникальными возможностями по изготовлению деталей сложных форм из самых сложнолегиро-ванных сплавов, деталей, близких по форме к окончательному изделию, комбинированных деталей из двух или нескольких сплавов - это та платформа, на которой в ближайшие годы будут развиваться жаропрочные никелевые сплавы для дисков ГТД различного назначения.
Поэтому вопрос создания новых гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов и новых технологий изготовления из них заготовок дисков с функционально необходимым комплексом высоких механических свойств в настоящее время является чрезвычайно актуальным.
При разработке новых сплавов и новых технологий, обеспечивающих высокие характеристики, соответствующие условиям эксплуатации, необходимо использовать весь накопленный мировой опыт, исследовать основные тенденции, наметившиеся к настоящему времени в этой области и оценить возможность применения в отечественных разработках наиболее перспективных технических решений.
С этой целью ставилась задача изучить и проанализировать всю имеющуюся по этой проблеме информацию, сформулировать и наметить основные направления поиска оптимальной технологии изготовления заготовок дисков ГТД из современных высокожаропрочных гранулируемых сплавов с функционально-градиентными свойствами, необходимыми для создания двигателей для перспективных изделий нового поколения.
На основе проведенного анализа патентной и научно-технической литературы, относящейся к развитию гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, совершенствованию их химического состава и технологии изготовления с учетом функциональных особенностей применения и к оценке уровня механических свойств новых сплавов, установлено следующее.
За последние 20 лет было запатентовано более 30 разработок по составу жаропрочных никелевых сплавов для тяжелонагружен-
ных деталей газотурбинных двигателей, таких как диски и валы.
По технологии изготовления заготовок дисков с функционально-градиентными свойствами предложено около 10 технических решений. Предлагаются также новые перспективные разработки в области термической обработки полуфабрикатов из современных сложнолегированных сплавов, в том числе с переменной структурой.
По результатам проведенного исследования установили, что начиная с 90-х годов основными факторами, определяющими направление развития жаропрочных никелевых сплавов за рубежом, являются требования повышенных рабочих температур эксплуатации изделий и предела допустимой повреждаемости (низкой скорости распространения усталостной трещины).
Повышение рабочих температур в ГТД и, следовательно, сопротивления ползучести, малоцикловой усталости, длительной прочности и снижение скорости роста усталостной трещины диктовали повышение уровня легирования существующих сплавов или создание новых высокожаропрочных сплавов.
В результате к концу 90-х годов в легировании суперсплавов за рубежом сформировалась стойкая тенденция увеличения содержания таких тугоплавких элементов, как вольфрам, тантал, ниобий и гафний, а также добавки рения и иттрия. Например, фирма General Electric в конце 90-х годов получила ряд патентов на жаропрочные никелевые сплавы, основная суть которых заключается в следующем. В существующие жаропрочные сплавы такие, например, как IN100, Waspaloy, Astroloy и др., для повышения рабочих температур и уменьшения скорости распространения усталостной трещины дополнительно введены легирующие элементы: от 2 до 5 % Ta, от 1 до 5 % Nb, а также вольфрам, гафний, рений и иттрий, содержание которых заявлено от 0 %, что предполагает широкую возможность использования сплавов с химическим составом, включающим все эти элементы или любую их комбинацию (табл. 1).
Все заявленные сплавы, как указывается в патентах, отличаются от исходных повышенным сопротивлением усталости, малой ско-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Таблица 1 Усложнение легирования известных зарубежных жаропрочных никелевых сплавов Химический состав, % мас. >- 0-0,1 0-0,1 0-0,1
0-1,0 0-1,0 0-1,0
ш 0,02-0,04 0-0,1 0,005 0,01-0,1 0,02 0,01-0,1
о 0,07-0,18 0-0,2 0,04 0-0,2 0,02 0-0,2
> 0,8-1,0 0-1,5 0-2,0 0-2,0
N 0,06 0-0,1 0,048 0-0,1 0,01 0-0,1
Ч— X 0-0,75 0-0,75 0-0,75
ф DC 0-1,0 0-3,0 0-3,0
Nb 1,0-1,7 1,0-2,0 0,5-2,0
£ 2,0-3,2 2,0-4,0 1,5-4,0
F 4,3-4,7 3,2-5,0 ,6 -5 3 4- ,5 -5 3 -2
<с 5,0-5,5 3,5-5,5 1,3 1,5-3,0 ,0 -5 4 3-
Mo 3-3,2 2-4,0 4,2 2-6,0 5,2 2-6,0
О 10-12,4 7-13 19,3 13-19 15,1 13-16,5
o о 15-18,5 12-18,0 13,6 8-10,0 17,0 5-15,0
Сплав Исходный состав Патент 5129969 US Исходный состав Патент 5129971 US Исходный состав Патент 5124123 US
IN100 Waspaloy Astroloy
ростью распространения усталостной трещины, повышенной прочностью при рабочих температурах и высоким сопротивлением ползучести.
Исследования патентов, выданных на химический состав жаропрочных никелевых сплавов с конца 90-х годов по настоящее время, показали, что наметившаяся к концу 90-х годов тенденция к усложнению легирования жаропрочных никелевых сплавов за счет увеличения содержания тугоплавких элементов сохраняется. Устойчивость данной тенденции в легировании суперсплавов за рубежом объясняется тем, что повышение рабочих температур и по сей день остается основной задачей в создании перспективных жаропрочных никелевых сплавов.
Из многочисленных запатентованных в последнее время составов сплавов наибольший интерес представляет сплав МЕ3, разработанный фирмой General Electric [2], следующего состава (% мас.): 14-23 Со, 11-15 Cr, 0,5-4,0 Ta, 0,5-3,0 W, 2,7-5,0 Mo, 0,015-0,15 Zr, 0,25-3,0 Nb, 3,0-6,0 Ti, 2,0-5,0 Al, 0-2,5 Re, 0-2,0 V, 0-2,0 Fe, 0-2,0 Hf, 0-0,1 Mg, 0,0150,1 C, 0,015-0,045 B, остальное никель.
Это суперсплав, содержащий максимально возможное количество основных легирующих элементов, таких как кобальт, ниобий, титан при высоком содержании тантала и рения. Можно ожидать, что сплав данного состава будет обладать очень высоким уровнем жаропрочности и малоцикловой усталости.
Особая роль в составе зарубежных сплавов в настоящее время уделяется такому легирующему тугоплавкому элементу, как тантал. Как было установлено, тантал входит в состав всех новейших сплавов, созданных для работы при повышенных температурах (табл. 2).
В работах [3, 4], посвященных роли тантала в жаропрочных никелевых сплавах, говорится, что он является одновременно упрочнителем у- и у'-фаз.
Тантал распределяется между фазами в жаропрочных никелевых сплавах следующим образом. Примерно 15 % Та образуют карбиды типа МС, 70-80 % входит в состав у'-фазы, остаток распределяется в матрице. Таким образом, тантал упрочняет у'-фазу и увеличивает ее количество, упрочняет у-матрицу и вносит
CÖ
=s s
Ю
со
CÛ
о
CÜ
я
с
о X
z
CÜ
0)
0) X
s
X
X
z
X
У
о а с о а л £ х Z х S а)
VS >
а л о X Z са о х са л н о о о >s s
X
о а)
У
s 2 s X
Re 0-2,5
N 0,049 0,05-0,07 0,047-0,05 ,0
e LL 0,0-1,0 - -
m 0,028 0,01-0,025 0,024-0,03 0,03
о 0,024 0,012-0,033 0,03-0,05 0,036
ч— X 1 0,5-1,0 - -
£ 1,85 1,35-2,15 2,28-2,7 ,0
Nb 1,45 - 0,88-1,4 ,8 0,
э 4,37 - 1,9-2,06 W + Re 5,6
F 3,47 3,45-4,15 3,5-3,64 ,8 3,
<с 3,48 2,85-3,15 3,41-3,5 ,9 ,3
Mo 2,74 4,25-5,25 3,71-3,8 ,6 2,
о 12,7 14,35-15,15 12,96-13,1 ,0
Co 20,8 14,0-19,0 18,2-20,56 15,2
Сплав(разработчик) LSHR (NASA) RR1000 (Rolls Royce) ME3 (General Electric Aircraft Engines) Alloy 10 (Honeywell Engines and Systems)
определенный вклад в упрочнение карбидами. По ^-электронной теории легирования также можно сделать вывод о том [5], что тантал более эффективный упрочнитель, чем вольфрам и молибден, так как позволяет повысить фазовую стабильность и увеличить объемную долю упрочняющей у'-фазы.
Рост фазовой стабильности сплавов при замене части вольфрама и молибдена на тантал заключается, прежде всего, в предотвращении образования охрупчивающих топологически плотноупакованных (т.п.у.) фаз.
Тантал также сужает температурный интервал плавления, понижая тем самым долю эвтектики у - у' в литом состоянии.
Подобное влияние тантала на состояние и поведение фаз позволяет повысить такие механические характеристики сплава, как высокотемпературный предел прочности, длительную прочность, сопротивление ползучести и, что на настоящий момент актуально, снизить скорость роста усталостной трещины. Поэтому несмотря на дефицитность и высокую стоимость тантала, его введение в зарубежные жаропрочные никелевые сплавы считается оправданным.
Отечественные жаропрочные гранулируемые никелевые сплавы разрабатывали для более высоких рабочих температур, в основном для температуры 750 °С. Поэтому степень их легирования как по тугоплавким элементам, так и по у'-образующим элементам, достаточно высокая и, в основном, превышает степень легирования всех известных зарубежных жаропрочных никелевых сплавов, в том числе самых последних композиций.
Примером такого высоколегированного сплава, рассчитанного на высокие рабочие температуры, может служить новый гранулируемый сплав ВВ750П, разработанный в ОАО ВИЛС, паспортизация которого завершена ФГУП ВИАМ в начале 2011 г. Этот сплав при пределе прочности 1500 МПа обеспечивает 100-часовой предел длительной прочности 400 МПа при 850 °С, что на 50 МПа больше, чем у серийного универсального сплава ЭП741НП. Содержание упрочняющей у'-фазы, ответственной за жаропрочность, в сплав ВВ750П превышает 58 %. Однако такой эффективный упрочнитель, как тантал, из-за его дефицит-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ности не был использован в системе легирования этого и других отечественных сплавов.
Учитывая высокую эффективность тантала в качестве легирующего элемента, его введение в состав новых перспективных сплавов можно рассматривать как путь дальнейшего улучшения характеристик отечественных жаропрочных никелевых сплавов.
Как установлено, начиная с 2000 г. в легировании жаропрочных никелевых сплавов наряду с рением используют более редкие, ранее не-применяемые элементы, например иридий, родий, рутений, осмий, платина, палладий и др.
Легирование жаропрочных никелевых сплавов рением, рутением, осмием и эрбием проводят с целью увеличения жаропрочности, особенно при повышенных температурах эксплуатации. Информация по влиянию новых легирующих элементов, за исключением рения, на характеристики суперсплавов в технической литературе практически отсутствует.
Если рассматривать варианты использования редких элементов для легирования отечественных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов с целью дальнейшего повышения их жаропрочности, то наибольший интерес как легирующий элемент представляет рений.
Проведенные патентные исследования показали, что рений достаточно широко используют в легировании зарубежных никелевых сплавов для повышения жаропрочности и уменьшения скорости распространения усталостной трещины (см. табл. 1).
В отечественной практике в ФГУП ВИАМ также накоплен некоторый опыт по легированию жаропрочных никелевыхсплавов рением [6]. Кроме того, рений является более широко распространенным элементом, чем элементы, перечисленные выше. Уникальность рения как легирующего элемента жаропрочных никелевых сплавов состоит в том, что это единственный элемент, повышающий одновременно сопротивление ползучести и горячей коррозии и поддерживающий фазовую стабильность [5].
В связи с этим рений, наряду с танталом, можно рассматривать как перспективный легирующий элемент для использования в составе гранулируемых жаропрочных сплавов,
предназначенных для работы в двигателях при высоких рабочих температурах.
Именно поэтому при создании нового высокожаропрочного сплава ВВ753П нами приняты во внимание все перспективные тенденции в легировании жаропрочных никелевых сплавов, в том числе введение тантала и рения в количествах, обеспечивающих необходимое соотношение параметров решеток у- и у'-фазы. В качестве исходной композиции для разработки нового сплава использовали химический состав гранулируемого сплава ВВ750П, самого жаропрочного из существующих. На заготовках дисков из сплава ВВ753П запатентованного состава [7] за счет дальнейшего повышения упрочняющей у'-фазы до 60-62 % предполагается получить комплекс более высоких по сравнению со сплавом ВВ750П гарантируемых характеристик прочности (ав 1 1600 МПа) и жаропрочности, в том числе при температуре 850 °С, на уровне 450-500 МПа.
В процессе проведения патентных исследований установлено, что в легировании зарубежных жаропрочных никелевых сплавов в последнее время намечается тенденция к увеличению содержания углерода до 0,15 % для повышения прочностных характеристик [8-11].
В существующих российских порошковых жаропрочных никелевых сплавах содержание углерода и ранее было ограничено более высоким значением (0,08 %), по сравнению с 0,05 % в зарубежных сплавах. Более высокое содержание углерода в отечественных сплавах допускается по той причине, что практически все они изначально содержали в составе сильный карбидообразующий элемент гафний, стабилизирующий первичные карбиды.
Так как в настоящее время увеличение прочностных характеристик является одним из основных требований, предъявляемых к новым жаропрочным никелевым сплавам, предназначенным для перспективных изделий, то рост содержания углерода в составе сплава до 0,10 % и выше рассматривается в качестве одного из средств достижения требуемой высокой прочности. Примером может служить новый высокопрочный сплав ВВ752П, разработанный в 2009 г., с содержанием углерода 0,07-0,12 % [12, 13]. Сплав создан на основе
химического состава высокопрочного сплава ВВ751П, имеющего предел прочности 1600 МПа, предел текучести 1200 МПа, жаропрочность 1110 МПа при 650 °С и применяемого в двигателях ПД14 и изделии «133» в Перми и Рыбинске. Использование дополнительного карбидного упрочнения при сохранении неизменного содержания у'-фазы на уровне 55 % позволило поднять прочность и сопротивление МЦУ сплава ВВ752П на 50 и 60 МПа соответственно, жаропрочность при 650 °С на 40 МПа по сравнению с исходной композицией, т.е. до 1140-1150 МПа.
Из других легирующих элементов, которым уделяется много внимания в патентной литературе, следует выделить кобальт. В настоящее время, наряду с патентами на экономно-легированные бескобальтовые сплавы для специального назначения, выданы также патенты на сплавы с содержанием до 20 % Со. Установлено, что такое повышение количества кобальта способствует существенному росту прочности жаропрочных никелевых сплавов [13]. Кроме того, увеличение содержания кобальта расширяет область гомогенности сплава, что делает его более технологичным, особенно применительно к методу металлургии гранул.
Таким образом, повышение содержания кобальта в отечественных жаропрочных никелевых сплавах может рассматриваться как
еще один из путей дальнейшего повышения механических характеристик.
Обобщая вышеизложенное, можно отметить, что наиболее перспективным направлением в изменении химической композиции жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД является:
- введение тантала и рения, новых для российских дисковых сплавов легирующих элементов;
-увеличение содержания углерода до 0,12 %;
- повышение содержания кобальта.
В процессе проведения патентных исследований и изучения технической литературы было установлено, что наиболее перспективными новыми зарубежными сплавами, рассчитанными на работу при повышенных температурах и обладающими высокой трещиностой-костью, являются следующие сплавы [14, 15]:
-RR1000, разработанный фирмой Rolls Royce [16];
- LSRH, разработанный NASA [17];
- Alloy 10, разработанный компанией Honeywell Engines and Systems [18];
- ME3, разработанный General Electric Company [2].
Химический состав и уровень механических свойств указанных сплавов приведены в табл. 2 и 3 соответственно.
Таблица 3
Механические свойства новых зарубежных жаропрочных никелевых сплавов
Сплав Зерно Механические свойства, 20 °C Жаропрочность
ав, МПа а0 2, МПа 8, % 650 °C 750 °C
а100, МПа а500, МПа а100, МПа
Alloy 10 Мелкое Крупное 1680 1570 1110 1080 25 25 950
RR1000 Крупное 1600 1100 -
ME3 Мелкое Крупное 1620-1700 1610 1150-1190 1120 21-26 30 920 690
LSHR Мелкое Крупное Механиче 1380 1410 ские свойства 1220 1160 ,704 °C 4,3 5,5
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Следует отметить, в химическом составе всех сплавов имеет место повышенное содержание кобальта не менее 15 % и обязательное присутствие тантала от 1 до 3 %.
Имеющаяся в литературе информация о механических свойствах новых сплавов, особенно о жаропрочности, крайне ограниченна и не дает реального представления об их возможностях.
Как установлено из технической литературы, заготовки дисков из этих перспективных сплавов изготавливают в основном по новой технологии, которая позволяет создавать в различных частях диска различную структуру и, соответственно, различный уровень механических свойств, отвечающий реальным условиям работы диска в двигателе. Поэтому механические свойства для перспективных сплавов приводятся для различного структурного состояния - для более мелкого и более крупного зерна (см. табл. 3). Создание переменной по сечению дисков структуры, как показано, позволяет в определенной мере приблизиться к условиям его эксплуатации.
На каждом следующем этапе развития жаропрочных никелевых сплавов становится все труднее достигать повышения уровня механических свойств путем дальнейшего усложнения легирования, так как приближается допустимый предел по содержанию упрочняющей у'-фазы и увеличивается вероятность образования топологически плотноупакован-ных охрупчивающих фаз.
Несмотря на это, требования конструкторов постоянно растут, и одновременно расширяется спектр необходимых высоких механических и служебных характеристик. В частности, в качестве одного из основных требований, предъявляемых к сплавам для дисков ГТД, является низкая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ). Но получить на одном структурном состоянии одного сплава одновременно высокую жаропрочность, низкую СРТУ и максимальную прочность невозможно, так как эти свойства обеспечиваются разными значениями одних и тех же структурных характеристик.
Только путем создания разного структурного состояния по сечению диска из одного и того же материала можно получить разный
уровень механических свойств от максимальной жаропрочности и низкой СРТУ в одной зоне до максимальной прочности в другой зоне диска. Это позволит реализовать максимальные возможности новых отечественных гранулируемых сплавов ВВ752П и ВВ753П.
Известно, что реальные условия эксплуатации различных частей дисков ГТД существенно меняются при переходе от обода к ступичной части. Обод турбинного диска нагревается до более высоких температур, поскольку он расположен ближе к высокотемпературному газовому тракту, а в области ступицы наблюдаются более низкие температуры. Например, при рабочей температуре на ободе диска 650 °С, температура в ступичной части достигает лишь 400 °С [19]. При этом возникающие по сечению диска напряжения как радиальные, так и окружные, также существенно меняются. Высокие напряжения имеют место в ступице и полотне, а напряжения, возникающие на ободе, минимальны [20]. Поэтому для приведения уровня механических свойств в различных частях диска в соответствие с условиями эксплуатации необходимо на ободе диска обеспечить максимально возможные жаропрочность и низкую СРТУ, а в ступице - прочность и сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ).
Этого можно достигнуть, применяя разные сплавы для формирования различных частей дисков. Однако до сих пор не решена проблема переходной зоны между сплавами. Поэтому более перспективным представляется использование одного и того же сплава в различном структурном состоянии.
Существует ряд технических решений, в которых с помощью определенных технологических приемов и приспособлений, а также посредством применения специальных режимов термообработки решаются вопросы зональности, формирования переменной по сечению структуры и функционально-градиентных свойств.
Например, вращающуюся капсулу заполняют последовательно порошками или двух разных фракций, или разных сплавов [21]. Первичное уплотнение достигается за счет центробежной силы. После заполнения капсулы проводят горячее изостатическое прес-
сование. Таким способом формируют две выраженные зоны или крупного и мелкого зерна, или из разных сплавов.
Фирма General Electric предлагает другой метод засыпки двух видов гранул [22]. Гранулы двух сплавов засыпают в разные зоны заготовки, разделенные цилиндрической вставкой, которую удаляют после заполнения капсулы. Этот метод засыпки позволяет получить фиксированную границу между зонами с разными гранулами, без их глубокого взаимного проникновения.
Имеется и другое техническое решение, в котором предлагается проведение двухступенчатого ГИП последовательно заполняемых частей капсулы [23].
Возможно также формирование переменной структуры в дисках посредством двухступенчатой пластической деформации, как описано в патенте [24]. Метод включает горячую пластическую деформацию заготовки и термическую обработку для выращивания зерна, а затем теплую пластическую деформацию в области ступицы для формирования мелкого зерна.
Существует ряд технических решений по формированию различной структуры по сечению диска за счет термической обработки. Практически все методы основаны на том, что нагрев заготовки с мелкозернистой деформированной структурой выше или ниже температуры полного растворения упрочняющей фазы позволяет получить более крупное или более мелкое зерно. Предлагается ряд технических решений, основная суть которых -это нагрев разных зон заготовки в двухфазной или в однофазной области. Причем поддержание разной температуры в различных частях заготовки в процессе нагрева под закалку осуществляется разными способами
как в стандартном печном оборудовании, так и с применением специальных теплоизолирующих или теплоотводящих приспособлений.
Однако все способы получения переменной по сечению структуры в процессе термообработки за счет создания градиента температур имеют один существенный недостаток -это сложность поддержания требуемого температурного градиента во времени, что приводит к низкой воспроизводимости результатов.
Резюмируя вышеизложенное, можно заключить, что наиболее рациональной схемой изготовления дисков с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами является схема их производства из гранул одного и того же сплава, но разной крупности. При этом существенно упрощается решение вопросов выбора режимов ГИП и термической обработки, а также границы раздела разных зон диска - с крупным (обод) и мелким зерном (ступица, полотно).
ОАО ВИЛС планомерно работает над проблемой получения методом металлургии гранул заготовок дисков с переменной структурой как из серийного сплава ЭП741НП, так и из новых перспективных гранулируемых сплавов класса ВВП. Изготовлены и испытаны экспериментальные и модельные образцы таких дисков [25], проводится испытание опытного полноразмерного диска диаметром около 450 мм.
Есть уверенность, что изготовление дисков с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами из новых высокожаропрочных сплавов класса ВВП позволит обеспечить необходимые для перспективных авиационных двигателей высокие требования к дисковым материалам по жаропрочности при повышенных температурах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Schafrik R., Schrague R. Superalloy Technology -A Perspective on Critical Innovations for Turbine Engines // Key Engineering Materials. 2008. V. 380. Р. 113-134.
2. Пат. 1201777 ЕР, А1. 02.05.02.
3. Forde P.T. Tantalum in superalloys // Advanced Materials and Processes. 1996. V. 149. № 4. Р. 39-40.
4. Труды конференции «Superalloys for Gas Turbines». Июнь 15-17. Флорида, США. 1998. С. 61-62.
5. Matsugi K., Murata Y., Morinaga M., Yukawa N.
Realistic advancement for nickel-based single crystal superalloys by the d-electrons concept / Int. Symposium on Superalloys, 1992. Р. 307-316.
6. Пат. 2280091 РФ. 20.07.06.
7. Пат. 2410457 РФ. 27.01.10.
8. Пат. 2778705 JP, В2. 23.07.98.
9. Пат. 3965869 JP, В2. 29.08.07.
10. Пат. 2010/0303665 US, Al. 02.12.10.
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
11. Пат. 2010/0028197 US, Al. 04.02.10.
12. Пат. 2371495 РФ. 27. 10. 09.
13. Matthew J. Donachie // Superalloys: a technical guide, iss. 2. 2002. Р. 240.
14. Jain S. Regional Engine Disk Process Development (AoI4.2.4). NASA Contact NAS3-27720, September, 1999.
15. Gabb T., Gayda J., Telesman J., Kantzos P. Realistic Subscale Evaluations of the Mechanical Properties of Advanced Disk Superalloys. NASA/TM-2003-212086, January, 2003.
16. Пат. 7208116 US, B2. 24.04.07.
17. Пат. 6974508 US, B1. 13.12.05.
18. Пат. 6468368 US. 22.10.02.
19. Loehnert K. Wrought Superalloys. Graduate School High Temperature Materials, WS 2006/2007, WTM.
20. Расчет на прочность авиационных газотурбинных двигателей / Биргер И. А., Дариевский В. М, Демьянушко И. В. и др. / Под ред. Биргера И. А., Котерова Н. И. - М.: Машиностроение, 1984. -208 с.
21. Пат. 4900635 иБ. 13.02.90.
22. Пат. 7537725 иБ, В2. 26.05.09.
23. Пат. 4680160 иБ. 14.07.1987.
24. Пат. 4608094 иБ. 26.08.1986.
25. 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.
