CC BY
28
УДК 669.24:621.762:629.7
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО ГРАНУЛИРУЕМОГО ВЫСОКОПРОЧНОГО ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ВВ752П ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ
Г.С. Гарибов, докт. техн. наук, Н.М. Гриц, канд. техн. наук, ^^^^^^^ А.В. Востриков, канд. техн. наук, Е.А. Федоренко (ОАО ВИЛС, e-mail:[email protected])
Представлено исследование по разработке нового гранулируемого высокопрочного жаропрочного никелевого сплава путем сбалансированного легирования.
Приведены результаты экспериментов по подбору режима термообработки для получения оптимального сочетания высокого уровня кратковременной прочности при температуре 20 °С, длительной прочности (жаропрочности) и сопротивления МЦУ.
Показан уровень механических свойств опытных заготовок дисков диаметром 400 мм.
Ключевые слова: диски ГТД, гранулируемый сплав, легирование жаропрочных никелевых сплавов, содержание углерода, /-фаза, критические точки, структура, режимы старения, кратковременная прочность, жаропрочность.
Development and Investigation of New VV752P PM High-Strength Nickel-Base Superalloy for Advanced Aircraft. G.S. Garibov, N.M. Grits, A.V. Vostrikov, Ye.A. Fedorenko.
An investigation carried out with respect to development of a new high-strength superalloy via balanced alloying is discussed.
The results of experiments carried out for choice of heat treatment conditions to obtain optimum combination of a high level of short-time strength at a temperature of 20 °C, stress-rupture strength (high-temperature strength) and low-cycle fatigue strength are presented.
A level of mechanical properties of experimental 400 mm dia discs is shown.
Key words: gas-turbine engine discs, PM alloy, alloying of Ni-base superalloys, carbon content, Y phase, critical points, structure, ageing conditions, short-time strength, high-temperature strength.
Разработанный и внедренный под руководством академика Белова А.Ф. метод металлургии гранул позволяет получать уникальные по форме изделия из сложнолегиро-ванных труднодеформируемых жаропрочных никелевых сплавов с широким спектром высоких механических характеристик.
Высказанный А.Ф. Беловым тезис о том, что дальнейшее совершенствование этой технологии, будет открывать все новые возможности для дополнительного легирования и управления структурными характеристиками жаропрочных материалов, претворяется в жизнь.
Совершенствование метода металлургии гранул, в том числе уменьшение размера используемых гранул, способствовало освоению таких современных жаропрочных никелевых гранулируемых сплавов, как высокожаропрочный сплав ВВ750П с длительной прочностью 750 МПа при температуре 750 °С и высокопрочный сплав ВВ751П с пределом прочности 1600 МПа.
С каждым годом растет потенциал этого метода по обеспечению конструкторов жаропрочными никелевыми сплавами с высокими механическими и эксплуатационными свойствами.
На протяжении последних лет наиболее актуальной в двигателестроении остается проблема получения универсального материала для дисков ГТД, сочетающего высокую прочность с высокой жаропрочностью и надежностью, так как комплексное повышение механических характеристик позволяет одновременно увеличить ресурс работы двигателя и снизить его удельный вес.
Самым высокопрочным гранулируемым никелевым сплавом в настоящее время является недавно созданный сплав ВВ751П с пределом прочности ав>1600 МПа и пределом текучести а02>1200 МПа [1]. Однако достаточно высокий уровень жаропрочности и сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) при 650 °С этого сплава, соответствующий 1100 МПа, не полностью удовлетворяет современным требованиям конструкторов, в которых заложены значения этих характеристик на уровне не ниже 1140 МПа.
В связи с этим целью настоящей работы является разработка высокопрочного гранулируемого никелевого сплава с уровнем жаропрочности и сопротивления МЦУ при рабочей температуре 650 °С не ниже 1140 МПа. Для этого было проведено усовершенствование химического состава сплава на основе высокопрочного гранулируемого сплава ВВ751П.
Учитывая современные тенденции в легировании жаропрочных никелевых сплавов, которые, в частности, предполагают увеличение содержания углерода до 0,15 % мас. для повышения механических свойств [2, 3], в работе было предпринято повышение содержания углерода до 0,08-0,10 % мас.
В пользу повышения содержания углерода свидетельствуют также проведенные ранее исследования гранулируемых сплавов по оценке влияния содержания углерода на структурные и механические характеристики [4, 5]. В данных исследованиях показано, что увеличение содержания углерода способствует повышению прочности, предотвращает образование охрупчивающих т.п.у.-фаз и открывает возможности для дополнительного легирования сплава с целью повышения количества упрочняющей у'-фазы.
На основании этого в процессе совершенствования состава сплава ВВ751П при повы-
шении содержания углерода до 0,080,10 % мас. стало возможным, без опасения выделения охрупчивающих т.п.у.-фаз, увеличение содержания тугоплавких легирующих элементов с ОЦК-решеткой, таких как молибден и вольфрам, в сумме на 1,0 % мас. для упрочнения у-твердого раствора.
Кроме того, увеличение содержания углерода потребовало повышения количества у'-образующих элементов для получения высокой жаропрочности, так как определенная часть титана и ниобия расходуется на образование дополнительных карбидов. Поэтому общее содержание титана, алюминия и ниобия было увеличено на 0,8 % мас.
Наряду с этим было в 1,5 раза увеличено содержание гафния для стабилизации повышенного количества образующихся карбидов, предотвращения их выделения на наследственных границах гранул и за счет этого устранения межгранульного излома.
Опробование сплава новой композиции, названного ВВ752П [6] - выплавку, распыление на гранулы фракции менее 100 мкм, физико-механическую обработку гранул, горячее изостатическое прессование и закалку - проводили в условиях опытно-промышленного производства в промышленных печах на опытных заготовках дисков диаметром 400 мм (рис. 1).
Рис. 1. Вид опытной заготовки диска из нового жаропрочного гранулируемого сплава ВВ752П после компактирования
Исследование критических точек нового сплава ВВ752П проводили как в литом состоянии, так и в состоянии после горячего изо-статического прессования (ГИП).
В ходе исследования основных фазовых характеристик сплава усовершенствованно-
го состава установлено, что, по сравнению с исходным составом, количество упрочняющей у'-фазы увеличилось на ~10 %, температура полного растворения у'-фазы (Ту/) повысилась на ~20 °С, что свидетельствует о высокой стабильности и повышенной жаропрочности нового состава. При этом сохраняется достаточно широкая область гомогенности (более 50 °С), обеспечивающая высокую технологичность сплава ВВ752П на стадиях компактирования и термообработки.
Исследования структурных характеристик нового сплава после ГИП и термообработки, проведенных при температуре однофазной области, показали, что карбиды равномерно распределены в объеме, нет никаких проявлений наследственных границ гранул, зерно мелкое однородное рекристаллизованное размером 22-24 мкм (рис. 2).
Рис. 2. Микроструктура материала опытной заготовки диска из гранул нового сплава ВВ752П, травление на зерно, х100
Для получения оптимального сочетания уровня кратковременной прочности при 20 °С, длительной прочности (жаропрочности) и сопротивления МЦУ при рабочих температурах были проведены сравнительные исследования по подбору режимов старения для сплава новой композиции.
Для большей достоверности работа по подбору режимов старения проведена на материале одного опытного диска массой 60 кг, закаленного из однофазной области с ускоренным охлаждением. На этом материале были опробованы четыре режима двойного старения:
- режим 1 - стандартный для сплава ВВ751П;
- режим 2 - «перевернутое» старение с более высокотемпературной второй ступенью;
- режимы 3 и 4 - с высокотемпературной первой и низкотемпературной второй ступенями, в режиме 4 температура первой ступени выше, чем в режиме 3.
В результате проведенного сравнительного исследования структуры установлено, что наиболее однородное распределение всех структурных составляющих сплава обеспечивает режим старения 1 (рис. 3, а, в, д).
Применение высокотемпературного старения в режимах 3 и 4 активизирует процесс образования вторичных карбидов и приводит к огрублению пограничных выделений как карбидов, так и у'-фазы (рис. 3, б, г, е).
Уровень механических свойств материала заготовок из сплава ВВ752П после различных режимов старения находится в соответствии со структурой, сформировавшейся в процессе закалки и последующих режимов старения (см. таблицу).
Наиболее оптимальное сочетание характеристик кратковременной прочности и жаропрочности обеспечивает режим 1, при котором формируется более однородная структура материала.
Режим 1, включающий закалку из однофазной области и два низкотемпературных старения, выбран как основной для термообработки заготовок дисков из нового сплава ВВ752П.
Разработанный для сплава ВВ752П режим позволяет обеспечивать одновременно высокие характеристики прочности (а>1640 МПа, а02>1220 МПа), при температуре 650 °С - жаропрочности 1140 МПа при нечувствительности к надрезу и сопротивления МЦУ на уровне 1180 МПа (см. таблицу).
В результате проведенных исследований на заготовках дисков из гранул нового сплава ВВ752П достигнуты более высокие характеристики длительной прочности и повышенное сопротивление МЦУ за счет увеличения количества упрочняющей у'-фазы, уменьшения размера зерна и дополнительного карбидного упрочнения.
Рис. 3. Микроструктура образцов от заготовки диска из нового сплава ВВ752П после различных режимов старения:
а, в, д - режим 1; б, г, е - режим 4;
а, б - травление на карбиды, х300; в, г - травление на /-фазу, х500; д, е - травление на /-фазу, х8000
Достигнутый в работе уровень механических свойств сплава ВВ752П соответствует современным требованиям создателей перспективных ГТД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Создание нового высокопрочного сплава ВВ751П для перспективных газотур-
си о. га
I-
о т
о 5
£ си
.
.а
с; со га
.
си с; о о
сч ю
т
т
га т га с; с о
о |_
о т
о
га о
т
о
га со
га т
о т
о
5Й
о си
га х си
о"
0Г
ю -н
10 1
ч-
X о СО о о с о
X щ 00 СЧ 9 7
3 5 со 7 6 1
со со 9 6
5 О £ 00 сч со СЧ 1
X 1 0
о" 0 0 ю СО х 1 £ н1 714-997 1 4 00 61-96 7 6 54-355 3 6 СЧ 19-124 о 7
л 2
1—
о о
О ^
X тН ю 7
X тН -н со со 2
2 II £ с со сч 1 со 00 со - 1 о 7 - СЧ 6 3 - 6 7
о со 1 7 СЧ 9 4 2
а со сч со 3 4
1 1 1
гч
2
о сч 00 СЧ 3
со со СЧ ю 3 со 3 со
С1 - ■н - со~ - 00~ - от
7 со со СЧ 3 СЧ 3 2
сч СЧ СЧ 2
о
СЧ ю ю ^
00~ 00~ ОТ
"чр 1 о 1 Ю, 1 СП 1 СП
- - - ю~ - 00~
О > СП -н со 1 го 1 00, 1
о со" го
0 1 1 1 1
2
СП ш н
СЧ СЧ СЧ
>х 00~ 00~ ОТ~
о ш о 1 СП 1 СП 1 -н 1
ей - - - СО~ - 00~
ф ОО 00 1 аэ 1 1 СЧ 1
X
^ о 1 1 1 1
ф
!Т
X
X СО 7 со 1 4
X МПа ю со 00 о
ф 5 СЧ 1 1 о 4 СЧ 1 ю 1 СЧ 1 9 3 2 1 1 00 9
сч - со СЧ 1 - 00 СЧ 1 - 00 СЧ 1 -5 1 1
0° со 7 СЧ 9
СЧ 1 1 1 СЧ 1 1 1
00 1 4 2
4 со 00 5
а П со 1 о 6 1 7 6 1 1 6 1 3
М 1 4 1 СЧ 4 4
-4 со 1 - ю 6 1 -3 6 1 -9 6 1
0° СЧ со 1 СЧ 6 1 СЧ 6 1 3 6 1
СЕ
X
X
ф
С
СО
1— О -н СЧ го
2
X
£
ф
о_
бинных дисков//Технология легких сплавов. 2009. № 1. С. 34-39.
2. Пат. ^ 2778705 Япония, В2 С22С 19/05. Опубл. 23.07.1998.
3. Пат. ^ 23965869 Япония, В2 С22С 19/05. Опубл. 29.08.2007.
4. Фаткуллин О.Х., Еременко В.И., Гриц Н.М., Федоренко Е.А. Влияние добавок углерода на свойства гранулируемого сплава типа ЭП962П //Металловедение и термическая обработка металлов. 1993. № 6. С. 20-21.
5. Рудницкий Е.Н., Рогозенкова Н.В. Влияние углерода на кратковременную прочность и пластичность гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов//Металловедение и термическая обработка металлов. 1994. № 9. С. 20-24.
6. Пат. 2371495 РФ, С22С 19/05. Жаропрочный порошковый никелевый сплав/Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М. и др. Опубл. 27.10.2009.
