CC BY
12
-Ф-
■Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г. С. Гарибов
УДК 621.762
РАСШИРЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИИ ГРАНУЛ В АВИАДВИГАТЕЛЕСТРОЕНИИ
С.А. Катуков, канд. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Рассмотрены области применения гранульной металлургии жаропрочных никелевых сплавов, не нашедшие широкого распространения, и также виды изделий, которые могут быть получены при ее использовании.
Ключевые слова:жаропрочные никелевые сплавы, металлургия гранул, горячее изостатическое прессование, крепежные детали, механические свойства.
Widening of the Field of Powder Metallurgy Application in the Aircraft Engine Industry. S.A. Katukov.
Fields of Ni-base superalloy powder metallurgy application, which do not find a wide spread in metallurgy, as well as types of components which could be produced via the powder metallurgy techniques are discussed.
Key words: Ni-base superalloy, powder metallurgy, hot isostatic pressing, fasteners, -(ii)- mechanical properties. "(i*)-
Развитие современной техники, в частности авиадвигателестроения, требует постоянного совершенствования конструкционных материалов, а также повышения их служебных характеристик при работе в более тяжелых условиях эксплуатации,а,следовательно,и ресурса работы.
Реализация преимуществ, присущих гранульной металлургии перед традиционными методами получения изделий из жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) деформацией литых заготовок, позволяет устранить такие недостатки, как структурная неоднородность материала, ликвация, дендритная структура, низкая гомогенность , неравномерность рас -пределения механических характеристик материала, и значительно повысить изотропность структуры по всему объему изделия, пластичность и жаропрочность материала, а также повысить пределы его легирования.
В настоящее время основная область применения гранульной металлургии жаропроч-
ных никелевых сплавов - изготовление заготовок дисков наиболее тяжелонагруженных узлов турбин высокого и низкого давления, а также компрессоров газотурбинных двигателей, используемых в авиационной, ракетной, космической, газовой, морской технике.
Одновременно существует значительный класс изделий, изготовление которых из гранул ЖНС позволит заметно повысить эксплуатационные характеристики, снизить затраты на их производство и, следовательно, их себестоимость.
Вот только несколько видов этих изделий, используемых в авиастроении и двигате-лестроении:
1. Дефлекторы для охлаждения газотурбинных лопаток.
2. Крепежные детали типа болтов, шпилек, штифтов, втулок, тяг и т. п.
3. Переходники, захватки, штанги и т. п.
4. Фасонные профили различного сортамента.
5. Прутки малого диаметра.
6. Трубы малого диаметра.
Прутки и трубы могут быль использованы как собственно изделия, так и в качестве полуфабрикатов для изготовления осесиммет-ричных деталей по пп. 1-3.
Этот список может быть расширен.
Возможность изготовления вышеперечисленных изделий методом гранульной металлургии, по всей видимости, неизвестен конструкторам и разработчикам авиадвигателей в силу неосведомленности или нежелания менять исторически сложившиеся воззрения на способы изготовления этих деталей.
Дефлекторы для охлаждения газотурбинных лопаток, работающих при высоких температурах в двигателях, имеют переменный профиль, соответствующий внутреннему профилю (контуру) лопатки (рис. 1, а), куда они вставляются.
Процесс изготовления дефлекторов является чрезвычайно трудоемким, металлоемким, дорогостоящим и малоэффективным. Дефлекторы изготавливают методом плющения в специальных штампах в изотермических условиях, обеспечивающих требуемый профиль, при температуре 1050-1100 °С. Одним из основных требований, предъявляемых к материалу дефлекторов, является высокая пластичность, обеспечивающая качественную деформацию изделия при операции плющения,
Рис. 1. Дефлектор (а) для газотурбинных лопаток, профилированные (б) и трубные (в) заготовки для их изготовления
что не всегда имеет место при использовании существующих деформируемых ЖНС.
Заготовками для окончательной операции изготовления дефлекторов служат профилированные трубочки диаметром 8-20 мм с толщиной стенки 0,2-0,5 мм (рис. 1, б). В зависимости от размеров дефлекторов размеры исходных заготовок (трубочек) могут меняться. Указанные заготовки под плющение изготавливают механической обработкой на сверхточных токарных станках (рис. 1, в).
Коэффициент использования металла (КИМ) при этой технологии изготовления дефлекторов составляет менее 0,05.
Крепежные детали типа болтов, штифтов, шпилек разных типоразмеров массово используются для соединения деталей двигателей (дисков и др.), работающих при повышенных температурах и нагрузках. При этом желательно, чтобы крепежные детали обладали такими же физико-механическими характеристиками, что и скрепляемые ими детали с точки зрения условий эксплуатации, ресурса, отсутствия различного рода химического взаимодействия при работе, упрощения последующей разборки и т. п.
Традиционная технология изготовления всех вышеперечисленных осесимметричных деталей предусматривает механическую обработку катаных прутков из жаропрочных никелевых сплавов и связана со значительными трудоемкостью, металлоемкостью, материальными затратами, а также низким КИМ.
Минимальный диаметр катаных прутков составляет -40 мм, в то время как для изготовления осесимметричных деталей требуются прутки значительно меньшего диаметра. Однако получение прутков малого диаметра из сложнолегированных ЖНС невозможно вследствие недостатков, присущих литым слиткам, а также низкой пластичности материала и узкого температурно-скоростного интервала его деформирования.
При производстве полых изделий с внутренней резьбой типа переходников, втулок и т. п. для испытательных машин, также работающих при повышенных температурах и нагрузках, наряду со значительным ухудшением вышеперечисленных экономических показателей имеет место большой расход дефицитного твердо-
а
в
сплавного прецизионного инструмента - сверл и метчиков для нарезания внутренней резьбы.
Более предпочтительной и рациональной для изготовления деталей с внутренним отверстием типа дефлекторов и переходников является использование трубных заготовок с малой толщиной стенок. Такие заготовки могли бы быть произведены только прессованием (эктрудированием) с использованием инструмента для формирования внутреннего отверстия - игл.
Однако прессование труб из высоколегированных ЖНС, как, впрочем, и прутков малого диаметра, практически невозможно из-за узкого температурно-скоростного интервала прессования, высоких значений сопротивления деформированию, значительной неравномерности деформации в процессе прессования и интенсивного износа инструмента, в основном игл. Кроме того, при прессовании труб малого диаметра большое значение имеет за-холаживание заготовки в процессе прессования вследствие высокого градиента температурного нагрева заготовки и инструмента.
Применение гранульной металлургии позволяет устранить многие недостатки традиционной технологии изготовления вышеперечисленных осесимметричных деталей и значительно повысить их эксплуатационные характеристики и экономические показатели за счет достижения изотропной гомогенной структуры материала и рационализации геометрии деталей.
В ОАО ВИЛС в период освоения гранульной металлургии были проведены опытно-исследовательские работы по технологии изготовления такого рода деталей.
На первом этапе была освоена технология изготовления прутков малого диаметра (016-30 мм) из гранул сплава ЖС6У и ЭП741П, а также гранул дисперсно-упрочненного сплава ЭП741ДУ методом прессования (экструзии) на горизонтальных гидравлических прессах. Заготовками для прессования служили компактированные брикеты, полученные горячим изостатическим прессованием. Изготовленные по разработанной технологии прутки представлены на рис. 2. Чистота поверхности прутков Иа = 6,3-3,2. Материал прутков из сплава ЖС6У в горячепрессованном состоя-
Рис. 2. Партия прутков, полученная прессованием из сплавов:
а - ЭП741П, 0 30 мм, после правки; б - ЖС6У, 0 20 мм, после правки; в - ЭП741ДУ, 0 16 мм
нии и ЭП741П в горячепрессованом и термо-обработанном состояниях обладает следующими механическими свойствами (табл.1).
Достигнутый уровень механических свойств прутков значительно превышает уровень характеристик ЖНС, используемых для изготовления дефлекторов, особенно по пластичности и длительной прочности.
При испытаниях на растяжение в изотермических условиях (при Т = 1050 °С и скорости нагружения 1 мм/мин) материал прутков показал сверхпластичность (8 > 400 %).
На втором этапе была освоена технология прессования трубных заготовок из гранул высокожаропрочного никелевого сплава ЖС6У. Разработку параметров осуществляли по двум технологическим схемам. В качестве исходной заготовки в обоих случаях использовали компактные полые заготовки, также полученные методом ГИП.
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Таблица 1 Механические свойства материала прутков
Сплав, состояние ств, МПа ст02, МПа 8, % V, % кси, Дж/см2 т, ч, при Т = 750 °С, ст = 700 МПа т, ч, при Т = 750 °С, ст = 600 МПа
ЖС6У, г/п ЭП741П, г/п ЭП741П, т/о 1400-1450 1400-1620 1400-1500 1100-1200 1010-1030 980-1070 6-11 15-27 20-38 7-15 21 -27 22-39 20-25 76-107 80-112 100-115 130-220
По первой схеме прессование осуществляли на вертикальном гидравлическом прессе усилием 6 МН с использованием подвижной иглы. При этом одним из варьируемых параметров был диаметр иглы. Результаты исследования показали, что при диаметре иглы менее 13 мм происходит утонение или отрыв иглы, вследствие чего получить качественные длинномерные равнотолщинные трубы оказалось невозможно. В итоге были получены трубы длиной 1500-2000 мм диаметром 20-25 мм с внутренним отверстием диаметром 13-17 мм (рис. 3, а).
Для изготовления труб с внутренним диаметром менее 13 мм была разработана вторая схема прессования трубных заготовок -с наполнителем, где в качестве инструмента, формирующего внутреннее отверстие малого диаметра (до 5 мм), использовали материал
с более низкими прочностными характеристиками, чем основной материал изделия.
В процессе прессования был получен биметаллический пруток с сердечником-наполнителем, который в дальнейшем удаляли из центральной части прутка. Прессование по второй схеме осуществляли на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 10 МН. Наилучшие результаты были получены при использовании в качестве наполнителя-сердечника из стали Ст3.
По разработанной технологии были отпрессованы биметаллические заготовки диаметром 20-26 мм и длиной 1500 мм. На рис. 3, б показаны трубочки после адьютажной обработки и удаления сердечника-наполнителя. Диаметр внутреннего отверстия в них составляет 5-10 мм. Механические свойства материала трубных заготовок в горячепрессован-ном состоянии приведены в табл . 2.
Испытания трубных образцов на осадку при температуре 1050 °С и скорости деформирования 5 мм/мин показало, что предельная степень деформации составляет 70 %.
Испытания на сплющивание при температуре 1120 °С и той же скорости деформирования показало, что образцы деформируются без разрушения до соприкосновения стенок (рис. 4).
При испытаниях на растяжение в изотермических условиях материал труб обладает повышенной пластичностью (8 > 300 %).
Как показали результаты проведенных исследований, прессование (экструдирование)
Рис. 3. Трубные заготовки020—25мм из гранул сплава ЖС6У, полученные прессованием на подвижной игле (а) и с наполнителем (б)
Таблица 2
Механические свойства трубных заготовок
ств, МПа ст02, МПа 8, % V, %
1520-1624 1100-1175 11,3-15,3 9,8-15,3
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
гранулированных материалов позволяет получать полуфабрикаты (прутки и трубы) с повышенной пластичностью, обеспечивающей возможность их последующей деформации для изготовления пустотелых изделий (деталей) сложной формы.
Кроме использования длинномерных прутковых и трубных заготовок для изготовления вышеперечисленных осесимметричных деталей из гранул ЖНС, в ОАО ВИЛС разработана альтернативная технология получения такого рода деталей прямым ГИП. Как известно, одним из преимуществ гранульной металлургии является возможность получения изделий с конфигурацией, максимально приближенной к их конечной форме с достаточно высокой точностью.
Это преимущество и было реализовано при изготовлении деталей типа болтов, шпилек и переходников-втулок прямым ГИП в капсулах специальной конструкции (рис. 5), позволяющих получать от 20 до 80 заготовок различных типоразмеров в одной капсуле (рис. 6). Для получения чистовой детали требуется незначительная механическая обработка поверхности заготовок в отличие от традиционной технологии их изготовления. Припуски на механическую обработку как по высоте, так и по диаметру, составляют 1-3 мм.
На рис. 7, а представлена заготовка болта после ГИП и непосредственно сама деталь - болт, а на рис. 7, б - заготовка переходника и непосредственно переходник.
Полученные методом гранульной металлургии крепежные детали полностью удовлетворяют качеству, предъявляемому к ним и по механическим характеристикам, и условиям сборки, и эксплуатации скрепляемых деталей.
Разработанная технология внедрена в производство, что позволило впервые в отечественной практике изготовить заготовки осесимметричных крепежных деталей такого рода прямым ГИП из гранул ЖНС.
Новая технология обеспечила повышение КИМ в 2,5-4 раза, снижение трудоемкости только на операции механической обработки
Рис. 4. Трубные образцы после испытания на сплющивание
Рис. 5. Капсула для прессования заготовок болтов
\|И\\"///
Рис. 6. Заготовки крепежных деталей, полученные прямым ГИП из гранулированных ЖНС:
а - заготовки болтов из сплава ЭП741НП; б - заготовки полых переходников из сплава ЭП741 НП; в - заготовки штифтов из сплава ЭП962П; г - заготовки шпилек из сплава ВЖ122
-Ф-
Рис. 7. Заготовки болтов (а) и переходников (б) из гранул ЖНС и детали, изготовленные из них
в 2,5-3,5 раза, повышение надежности эксплуатации и ресурса изделий в 1,5-3 раза.
Также эта технология может быть использована при изготовлении дефлекторов для охлаждения газотурбинных лопаток.
Изготовленные болты были с успехом использованы в аэрокосмических системах «Буран» и «Энергия», а переходники - при испытаниях на длительную прочность в жаропрочной лаборатории ОАО ВИЛС, заготовки шпилек и штифтов были поставлены в ОАО «Сатурн» для крепления дисков в авиадвигателях.
В настоящее время в авиадвигателестрое-нии для изготовления ряда силовых деталей газовых турбин, работающих в условиях высоких температур и рабочих напряжений, используют профильные фасонные заготовки различного сортамента, как правило, из высокопрочных сталей.
Профили тонкого сечения (с достаточно малыми толщинами полок) изготавливают прессованием на горизонтальных гидравлических прессах из заготовок, полученных литьем. Прессование профилей, как правило, осуществляют с большими вытяжками (деформацией), что в значительной степени уменьшает размеры дефектов, присущие литому материалу, и, следовательно, снижает их влияние на качество получаемых изделий. Однако переход на более высокопрочные материалы, такие как сложнолегированные ЖНС, практи-
чески невозможен по тем же причинам, что и при прессовании труб малого диаметра.
Разработанная в ОАО ВИЛС опытная технология прессования профилей таврового сечения из гранул ЖНС ЖС6У позволила определить рациональные технологические схемы и параметры изготовления качественных длинномерных профилей.
Сортамент профилей трех типоразмеров, характеризуется высоким отношением диаметра описанной окружности к площади сечения профиля и достаточно тонкими толщинами полок (2-5 мм).
При проведении экспериментов варьировали следующие параметры процесса:
- технологические схемы прессования;
- силовые, температурные и скоростные параметры ;
- типы матриц.
Профили прессовали на горизонтальных гидравлических прессах усилием 1 и 50 МН: по первой схеме - из компактных заготовок, полученных ГИП; по второй схеме - из так называемых «наполняемых» заготовок (с профилированной внутренней полостью, заполненной гранулами (рис. 8).
В качестве формообразующего инструмента были использованы матрицы двух типов: плоские и клотоидальные (с выпукло-вогнутой за-ходной частью, построенной по дуге клотоиды) для прессования по первой схеме; конические с очком круглой формы - по второй схеме (рис. 9). При проектировании формообразующего очка матрицы использовали методику привязки контура профиля на зеркале матрицы,
Рис. 8. Схема прессования профилей по способу «наполняемой» заготовки
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Механические характеристики материала профилей Таблица 3
Сплав, состояние ств, МПа ст02, МПа 8, % V, % KCU, Дж/см2 т, ч, при Т = 750 °С, ст = 700 МПа
ЖС6У, г/п ЖС6У, т/о 1400-1450 1200-1300 1100-1300 950-1000 6-11 8-10 7-15 6-10 15-25 25-30 >100
обеспечивающую равномерность деформации (истечения металл) различных полок профиля.
Результаты исследования показали, что с применением матриц рациональной клотои-дальной геометрии при прессовании профилей из компактных заготовок обеспечиваются снижение неравномерности деформации, повышение точности окончательных размеров полок профилей и улучшение качества их поверхности по сравнению с прессованием по второй схеме .
Исследования выявили принципиальную возможность получения профилей таврового
Рис. 9. Матрицы для прессования профилей таврового сечения:
а - плоского типа;б - клотоидального типа
Рис. 10. Профили таврового сечения из гранул жаропрочного никелевого сплава ЖС6У, полученные прессованием на горизонтальном прессе усилием 10 МН
сечения при использовании обеих технологических схем. Установлено, что вследствие большой трудоемкости и металлоемкости подготовки капсул к прессованию применение способа «наполняемой» заготовки целесообразно при изготовлении профилей только сложной конфигурации. Изготовление профилей относительно простой конфигурации более рационально проводить по схеме прессования из компактной заготовки.
На рис. 10 показаны профили таврового сечения трех типоразмеров, отпрессованные из гранулированного сплава ЖС6У.
В табл. 3 представлены механические характеристики материла изготовленных профилей в горячепрессованном и термообра-ботанном состояниях.
При испытаниях на растяжение при температуре 1050 °С и скорости нагружения 1 мм/мин относительное удлинение образцов составляет 300-500 %, т. е. материал профилей обладает сверхпластичностью.
Заключение
Результаты проведенных исследований показывают перспективность изготовления осе-симметричных изделий малого диаметра ответственного назначения из жаропрочных никелевых сплавов методом горячего изоста-тического прессования из гранул, являющегося альтернативой традиционным технологиям получения этих изделий деформацией (прокаткой или прессованием) из литых слитков.
Разработанная технология позволяет повысить эксплуатационные характеристики изделий, а также значительно снизить расход дефицитных материалов и их себестоимость.
Технология изготовления указанных изделий и полуфабрикатов из жаропрочных никелевых сплавов методом гранульной металлургии может быть рекомендована моторостроительным предприятиям.
