CC BY
41
ВИАМ/2013-Тр-07-01
УДК 669.14+669.15-194.55
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА МАРТЕНСИТОСТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ ВКС-180
Е.С. Маркова
Н.А. Якушева
Н.Г. Покровская
А.Б. Шалькевич кандидат технических наук
Июль 2013
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ» ГНЦ) - крупнейшее российское государственное материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет разрабатывающее и производящее материалы, определяющие облик современной авиационно-космической техники. 1700 сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку металлических и неметаллических материалов, покрытий, технологических процессов и оборудования, методов защиты от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов, полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по государственным программам РФ, так и по заказам ведущих предприятий авиационно-космического комплекса России и мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационно-космической и других видов специальной техники 233 сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены наградами на выставках и международных салонах в Женеве и Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3 бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Труды ВИАМ», №7, 2013 г.
УДК 669.14+669.15-194.55
Е.С. Маркова, Н.А. Якушева, Н.Г. Покровская, А.Б. Шалькевич*
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА МАРТЕНСИТОСТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ ВКС-180
Рассмотрены технологические особенности мартенситостареющих сталей системы Ni-Co-Mo-Ti. Проведены исследования механических свойств стали ВКС-180, выплавленной электронно-лучевым переплавом, разработана энергоэффективная технология термической обработки.
Ключевые слова: высокая прочность, вязкость, усталость, электроннолучевой переплав, энергоэффективная технология.
E.S. Markova, N.A. Yakusheva, N.G. Pokrovskaya, A.B. Shalkevich
TECHNOLOGICAL FEATURES OF THE PRODUCTION OF MARAGING STEEL VKS-180
The technological features of maraging steels alloying system Ni-Co-Mo-Ti are discussed. Research shows the mechanical properties of steel VKS-180, smelted electron beam melting, energy-efficient technology developed by heat treatment.
Key words: high strength, toughness, fatigue, electron beam melting, energy-efficient technology.
Повышение весовой эффективности в сочетании с высокой надежностью материалов при разработке новых двигателей является актуальной задачей [1]. В отечественном авиационном моторостроении для изготовления валов газотурбинных двигателей используются хромсодержащие мартенситные стали ЭП517 и ЭП866 с прочностью ~1100 МПа.
В настоящее время ведется активный поиск новых высокотехнологичных материалов, обладающих более высокими прочностными характеристиками. Известно, что за рубежом для вала двигателя БАМ 146 применяется мартенситостареющая сталь Мага§т§ «250» (УаБсоМах-250) с прочностью >1700 МПа [2-4].
*В работе принимал участие к.т.н. А.И. Щербаков.
Для повышения весовой эффективности конструкций практический интерес для валов ГТД представляет использование высокопрочных конструкционных особо низкоуглеродистых мартенситостареющих сталей системы Бе-М-Со-Мо-Т с пределом прочности от 1570 до 1865 МПа [5, 6]. Низкое содержание углерода в этих сталях (<0,03%) и легирование их никелем и кобальтом обеспечивает получение высокопластичного мартенсита [7-9]. Старение в пластичной матрице позволяет получить оптимальное сочетание высоких прочностных и пластических свойств [1012].
Стали данной системы легирования обладают неограниченной прокаливаемостью и высокой технологичностью при изготовлении деталей (не требуют предварительного отжига, в закаленном состоянии имеют твердость 24-32 ИЯС). Упрочняющая обработка (старение) мартенситостареющих сталей проводится при относительно низких температурах (~450-500°С). Повышение прочности достигается благодаря выделению из безуглеродистой мартенситной матрицы высокодисперсных интерметаллидов №3Т1. При этом изменение размеров минимально - не возникает поводок и короблений, свойственных для среднелегированных сталей, которые упрочняются закалкой с высоких температур.
Мартенситостареющие стали системы Бе-18№-Со-Мо-Т1 широко применяются для изготовления тяжелонагруженных деталей и узлов самолетов (шасси, осей, болтов крепления крыла и фюзеляжа, шестерен редукторов агрегатов управления самолетов, а также деталей орбитального космического корабля «Буран») [13, 14].
В качестве перспективного материала для изготовления валов двигателей может рассматриваться высокопрочная конструкционная мартенситостареющая сталь ВКС-180, разработанная в ВИАМ, упрочняемая на ав>1720 МПа и обладающая хорошим сочетанием характеристик прочности, пластичности и надежности.
При металлургическом производстве мартенситостареющих сталей с пределом временного сопротивления разрушению >1600 МПа используют методы выплавки, направленные на максимально возможное снижение в металле газонасыщенности и количества неметаллических включений. С этой целью при выплавке используют чистовые шихтовые материалы; дуплекс-вакуумные способы выплавки: вакуумноиндукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом -(ВИ+ВДП)=ИД или вакуумно-индукционная выплавка с последующим электроннолучевым переплавом - (ВИ+ЭЛП)=ИЛ; применяют специальные способы раскисления щелочными (Са или М§) и модифицирования редкоземельными (Се, Ьа, У) металлами.
При снижении количества неметаллических включений и повышении их дисперсности существенно повышается пластичность и уменьшается анизотропия свойств высокопрочных сталей, что особенно важно для деталей, изготовленных из крупногабаритных заготовок [2, 15, 16].
Наиболее вредными по влиянию на свойства мартенситостареющих сталей системы Бе-18№-Со-Мо-Ті являются примеси углерода и азота [15], которые, обладая высоким химическим сродством к титану, образуют труднорастворимые карбиды или карбонитриды. Углерод, выводя титан из твердого раствора, снижает прочность сталей. Образующиеся карбиды или карбонитриды титана выделяются либо в виде скоплений, либо по границам зерен, что приводит к существенной потере пластичности и может спровоцировать преждевременные хрупкие разрушения [17]. Типичная микроструктура сталей рассматриваемой системы легирования с карбонитридными выделениями представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Микроструктура (*100) мартенситостареющих сталей с карбонитридными выделениями в виде скоплений (а) и по границам зерен (б)
Сталь ВКС-180, выплавленная методом ИД, обеспечивает следующий уровень механических свойств: ав>1720 МПа; у>50%, КСи>49 Дж/см2 и у>35%, КСЦ>34 Дж/см2 в долевом и поперечном направлениях соответственно (прутки диаметром до 170 мм).
При производстве особо низкоуглеродистых мартенситостареющих сталей имеются некоторые особенности: после горячей деформации слитков (в условиях отечественного производства) не удается получать однородную мелкозернистую структуру в полуфабрикатах больших сечений - величина зерна в крупноразмерных заготовках колеблется от 0 до 5 балла. Для устранения разнозернистости, выравнивания ликвационной неоднородности, растворения карбонитридов титана и, следовательно,
повышения механических свойств, в том числе пластичности и вязкости, в ВИАМ разработан специальный режим термообработки, включающий закалку с высоких температур с охлаждением в воде и последующую закалку для получения однородной мелкозернистой структуры. Применение этого режима термообработки для крупномерных деталей обеспечивает высокую пластичность в поперечном направлении. Однако режим термической обработки стали ВКС-180-ИД достаточно сложен и энергоемок.
В отечественной промышленности получение наиболее чистого металла по углероду и азоту с минимальным газонасыщением обеспечивает метод выплавки ИЛ -вакуумно-индукционная выплавка (ВИ) с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭЛП). После электронно-лучевого переплава содержание азота уменьшается в ~2 раза по сравнению с вакуумно-дуговым переплавом [18]. В научной литературе имеются сведения, что применение процесса ЭЛП в сталях указанной системы легирования значительно уменьшает количество неметаллических включений: суммарное количество неметаллических включений после ЭЛП составляет ~0,046% (по массе), а после ВДП ~0,079% (по массе) [19].
Выплавка стали ВКС-180 методом электронно-лучевого переплава (ЭЛП) позволяет уменьшить содержание углерода до <0,01% и азота до <0,005% вместо С<0,02%, N<0,01% на металле после ИД. Получен металл высокой чистоты по неметаллическим включениям: от 0 до 1 балла (ГОСТ 1778) - для металла, выплавленного методом ИЛ, от 1,5 до 2 - для металла ИД.
Высокая чистота металла после ЭЛП позволила существенно упростить и повысить энегоэффективность процесса термической обработки стали ВКС-180 по сравнению с металлом после ВДП. Удалось снизить температуру первой гомогенизирующей закалки примерно на 100°С, уменьшить количество последующих закалок для измельчения зерна с трех до двух раз при обеспечении бездефектной мелкозернистой структуры с величиной зерна 7-8 балла вместо 5-6 балла (по шкале ГОСТ 5639) на стали ИД. Микроструктура стали ВКС-180-ИЛ приведена на рис. 2.
Оценка механических свойств стали ВКС-180-ИЛ, термообработанной по энергоэффективному режиму, проводилась на полуфабрикатах различных сечений. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Рисунок 2. Микроструктуры (х100) сталей ВКС-180-ИЛ (а, в) и ВКС-180-ИД (б, г) после гомогенизирующей закалки (а, б) и перекристаллизационных закалок (в, г)
Таблица 1
Механические свойства стали ВКС-180-ИЛ, термообработанной по энергоэффективному режиму
Полуфабрикат Направление волокна ств, МПа V, % КСи, Дж/см2
Средние значения
Сутунка (5=16 мм) Долевое 1800 60,5 60
Поперечное 1820 52 52
Пруток (□ 90 мм) Долевое 1775 59 64
Поперечное 1785 45 47
Пруток (□ 150 мм) Долевое 1755 56 62
Поперечное 1760 45 43
Анализ полученных результатов показывает, что сталь ВКС-180-ИЛ, термообработанная по энергоэффективному режиму, имеет высокий комплекс механических свойств в полуфабрикатах различных сечений и обладает низкой анизотропией свойств при вязком пластичном характере разрушений.
Результаты исследования характеристик стали ВКС-180-ИЛ, термообработанной по энергоэффективному режиму, в сравнении с отечественными сталями, применяемыми для валов ГТД, приведены в табл. 2.
Таблица 2
Свойства стали ВКС-180-ИЛ в сравнении с аналогами (не менее)
Свойства Направление Значения свойств для стали
волокна ВКС-180-ИЛ ВКС-180-ИД ЭП517 ЭИ961
ств, МПа Долевое 1720 1720 1130 1080
Поперечное - -
V, % Долевое 55 45 50 50
Поперечное 45 35 - -
КСи, Дж/см2 Долевое 55 49 59 50
Поперечное 42 34 - -
с_1, МПа (^=2-107 цикл) Долевое 670 650 550 520*
* Ж=1-107 цикл.
Применение высокопрочной конструкционной мартенситостареющей стали ВКС-180-ИЛ более высокого качества, чем сталь ВКС-180-ИД, позволит повысить надежность деталей на 10-15% и уменьшить энергозатраты за счет снижения температуры гомогенизирующей закалки на ~100°С и сокращения количества перекристаллизационных закалок с трех до двух раз. Увеличение прочности на ~30% по сравнению со сталями ЭП517 и ЭИ961, применяемыми для валов ГТД, позволит повысить, с учетом конструктивных особенностей, весовую эффективность и долговечность валов на ~15%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тонышева О.А., Вознесенская Н.М., Елисеев Э.А., Шалькевич А.Б. Новая высокопрочная экономнолегированная азотсодержащая сталь повышенной надежности //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 84-88.
2. Перкас М. Д., Кардонский В.М. Высокопрочные мартенситностареющие стали. М.: Металлургия. 1970. 223 с.
3. Шалькевич А.Б., Маркова Е.С., Покровская Н.Г. Мартенситностареющая сталь ВКС-180 - перспективный материал для двигателей ГТД /В сб.: Всероссийская науч. школа для молодежи «Материал и энергосберегающие технологии для производства ответственных деталей высокоэффективных газотурбинных двигателей, промышленных энергетических силовых установок и приводов»: сборник лекций. М.: ВИАМ. 2010. С. 98-103.
4. Маркова Е.С., Покровская Н.Г., Шалькевич А.Б., Громов В.И. Мартенситостареющие стали - новые перспективные материалы для валов ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 81-84.
5. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 7-17.
6. Фалалеев С.В. Современные проблемы создания двигателей летательных аппаратов: электронное учебное пособие. Самара. 2012. 106 с.
7. Лейбова Н.М., Зотьева А.С., Коган Е.С., Феликсон А.Е. О применении мартенситностареющих сталей для деталей металлорежущих станков //МиТОМ. 1974. №10. С. 12-15.
8. Арзамасов Б.Н., Ховова О.М., Перкас М.Д. Пути совершенствования свойств мартенситностареющих сталей //Заготовительные производства в
машиностроении. 2003. №9. С. 43-46.
9. Беляков Л.Н. К вопросу о механизме а^-у превращения в мартенситностареющих сталях //Металлургия. 1976. №3. С. 17-22.
10. Петраков А.Ф., Шалькевич А.Б. Высокопрочные стали в авиастроении /В сб. Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ 1932-2002: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2002. С. 180-191.
11. Вылежнев В.П., Коковякина С.А., Симонов Ю.Н., Сухих А.А. Повышение характеристик надежности мартенситностареющей стали 03Н18К9М5Т путем создания структуры типа «нанотриплекс» //МиТОМ. 2010. №11. С. 20-24.
12. Шлямнев А. П. и др. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справочник. М.: Интермет Инжиниринг. 2000. 232 с.
13. Шалькевич А.Б., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Маркова Е.С. Высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали для самолетов нового поколения /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932-2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 142-150.
14. Оспенникова О. Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №Б. С. 19-36.
15. Ломберг Б.С., Покровский А.А., Топилин В.В., Ревякина О.К., Щербаков А.И. Влияние способа переплава на качество мартенситностареющей стали //Сталь. 1973. №8. С. 72-74.
16. Сергеев А.Б., Швед Ф.И., Тулин Н.А. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали. М.: Металлургия. 1974. 192 с.
17. Маркова Е.С., Ревякина О.К., Петраков А.Ф. Новая высокопрочная мартенситностареющая сталь ВКС-170 /В сб.: Авиационные материалы. Вып. «Высокопрочные стали». 1986. С. 40-44.
18. Щербаков А.И., Ломберг Б.С., Оборенкова А.С. Некоторые закономерности кристаллизации при ЭЛП и ВДП //Специальная электрометаллургия. 1973. №22. С. 34-38.
19. Ревякина О.К., Петраков А.Ф., Сачков В.В., Щербаков А.И. Усовершенствование мартенситностареющих сталей на основе системы Бе-М-Со-Мо-Т //МиТОМ. 1981. №6. С. 15-19.
