CC BY
49
УДК 621.762
DOI: 10.24412/0321-4664-2021-2-53-58
ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛУРГИИ ГРАНУЛ ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ АО «ОДК-КЛИМОВ»
Всеволод Александрович Елисеев
ОДК-Климов, Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Аннотация. В статье на примерах принятия решений о внедрении материала ЭП741НП в конструкцию дисков двигателя РД-33 и внедрения гранульного варианта жаропрочного титанового сплава ВТ25УП в конструкцию закрытого центробежного колеса двигателя ТВ7-117СТ показан положительный опыт развития сотрудничества между АО «ОДК- Климов» и ОАО «ВИЛС».
Ключевые слова: металлургия гранул, авиационные двигатели, диски, закрытое центробежное колесо (ЗЦК), жаропрочные никелевые и титановые сплавы
PM Technology for Products of JSC «UEC-KLIMOV». Vsevolod A. Eliseev
UEC-Klimov, St. Petersburg, Russia, [email protected]
Abstract. A positive experience in the development of cooperation between JSC «ODK-Klimov» and JSC VILS was described in the article using as examples decisions on the introduction of EP741NP alloy and VT25UP PM heat-resistant titanium alloy into the construction of the RD-33 engine discs and a covered centrifugal wheel (CCW) of the TV7-117ST engine.
Key words: powder metallurgy, aircraft engines, discs, covered centrifugal wheel (CCW), heat-resistant nickel and titanium alloys
В связи с 60-летним юбилеем ОАО «ВИЛС», безусловно, хочется вспомнить долгие годы совместной работы и людей, которые начинали и продолжают внедрять гранульные материалы и технологии в опытное и серийное производство заготовок (полуфабрикатов) для дисков ответственного назначения авиационных двигателей АО «ОДК-Климов», а также попытаться ответить на ряд вопросов, которые волнуют по сей день профессионалов -металлургов, конструкторов, технологов особенно в части перспектив развития данного технологического направления.
Историю развития сотрудничества между АО «ОДК-Климов» и ОАО «ВИЛС» уместно показать на двух характерных примерах: адаптация к производству и внедрение нового гранулируемого жаропрочного сплава ЭП741НП в конструкцию дисков двигателя РД-33, позже для дисков двигателя ТВ7-117 и его модифи-
каций и двигателя ВК-800; разработка и внедрение «блинговой» конструкции закрытого центробежного колеса (ЗЦК) из гранулируемого жаропрочного титанового сплава ВТ25УП для двигателя ТВ7-117СТ.
Принятию современных технических решений мы обязаны целой эпохе становления металлургии гранул. Напомним, что металлургия гранул, сочетающая затвердевание расплава в виде микрослитков - гранул преимущественно сферической формы, со скоростью кристаллизации порядка 105 К/с и выше (например, для никелевых жаропрочных сплавов) и их компактирование с достижением плотной, беспористой структуры, является единственным способом повышения и улучшения свойств материалов, когда технология получения полуфабрикатов и деталей традиционными металлургическими методами (литье, горячая пластическая деформация слитка) уже
исчерпала свои возможности. Применительно к деталям из никелевых жаропрочных сплавов для авиационных ГТД на раннем этапе большой вклад в развитие гранульной металлургии внесли отечественные ученые - А.А. Боч-вар, А.Ф. Белов, В.И. Добаткин, Н.Ф. Аношкин и другие. Многие научные вопросы формирования зеренной структуры и химической неоднородности слитков и отливок из высокожаропрочных никелевых сплавов в зависимости от условий затвердевания были решены в работах Е.И. Морозова, К.Я. Шпунт и С.Б. Маслен-кова. Отдельно исследованию кристаллизации жаропрочных никелевых сплавов и процессов получения изделий методом металлургии гранул были посвящены докторские диссертации О.Х. Фаткуллина, В.И. Ходкина, Г.С. Гарибова, В.Т. Мусиенко.
В итоге проведенных исследований и испытаний была разработана и реализована технологическая схема получения заготовок дисков газотурбинных двигателей, в которой операции распыления гранул, рассева, электрической и магнитной сепарации проводят в инертной атмосфере высокой чистоты; дегазацию гранул, заполнение и герметизацию капсул, нагрев и компактирование гранул, а также финишную термообработку осуществляют в высоком вакууме.
Решение о внедрении гранульных материалов не было однозначным и простым. Специалистам АО «ОДК-Климов» потребовалось время, чтобы оценить техническое нововведение в сравнении с наилучшими «виамовскими» достижениями в области металловедения де-
формированных дисковых жаропрочных никелевых сплавов на тот момент, такими как сплав ЭП742 (Е.С. Маркова, Б.С. Ломберг) и сплав ЭП975 (К.Я. Шпунт), получаемыми традиционными металлургическими способами.
С появлением новых гранульных материалов, таких как ЭП741П и ЭП741НП, потребовались расчеты и испытания, для того чтобы оценить их прочностные характеристики и скорость роста трещин усталости (СРТУ), которые были выполнены специалистами ЦИАМа под руководством Р.Н. Сизовой.
Изначально, на момент принятия окончательного решения о внедрении, в ВИЛСе совместно с ВИАМом и ЦИАМом было разработано и паспортизовано четыре гранулируемых жаропрочных никелевых сплава - ЭП741П, ЭП741НП, ЭП962П и ЭП975П. Основные свойства этих сплавов на момент разработки были сопоставимы с характеристиками прочности и жаропрочности сплава ЭП742, изготавливаемого по традиционной технологии (см. таблицу).
Применительно к дискам компрессора и турбины двигателя РД-33 выбор сделан на основе стабильности и воспроизводимости прочностных характеристик в сочетании с высокой пластичностью по сравнению с деформированными сплавами при массовом серийном производстве дисков, которые у сплава ЭП741НП оказались предпочтительней. Это своевременно поняли и оценили специалисты ВИЛСа (Н.Ф. Аношкин, Г.С. Гарибов) и Завода им. В.Я. Климова (В.И. Мариныч, А.И. Козлов и Г.Н. Полетов). Решение о применении сплава ЭП741НП и гранульной технологии на
Механические свойства гранулируемых сплавов в сопоставлении со свойствами сплава ЭП742, изготавливаемого из слитка [1]
Сплав 20 °С (не менее) а650 , МПа , МПа МЦУ (1104) (гладкий образец), МПа, при температуре, °С
0в, МПа а0,2, МПа 20 750
ЭП742 1200 750-800 830 520 1050 750
ЭП741П 1250 800 900 600 - 840
ЭП741НП 1300 900 1000 680 1100-1150 990
ЭП962П 1500 1100 1050 660 1350 1000
ЭП975П 1350 950 1080 750 1250-1290 970
тот момент принял генеральный конструктор С.П. Изотов.
Множество технических вопросов серийного производства гранульных дисков вначале для двигателя РД-33 и его модификаций, позже для двигателя ТВ7-117 и его модификаций и двигателя ВК-800В решалось совместными усилиями специалистов ВИЛСа и АО «ОДК-Климов». Как результат, была разработана технология контроля гранул по составу, фракциям и химической чистоте материала (А.М. Казберович, В.Я. Кошелев) для производства заготовок дисков с конфигурацией, наиболее приближенной к конфигурации готовых деталей широкой номенклатуры применения и с коэффициентом использования металла 0,3-0,4 вместо 0,150,25 по традиционной технологии.
Со временем эксплуатация показала еще одно важное преимущество гранульных дисков из сплава ЭП741НП. Было установлено (А.Н. Петухов, В.И. Царев), что зависимость между образованием очагов развития трещин малоцикловой усталости (МЦУ) и наличием концентраторов снижена по сравнению с другими жаропрочными высоколегированными сплавами типа ЭП742, изготавливаемыми по традиционной технологии. Кроме того, металлургическая «наследственность» от быстрой кристаллизации гранул (порядка 105 К/с) по сравнению с металлом, получаемым обычными методами (порядка 0,1-1,0 °С/с), позволяет иметь стойкий к различного рода сложным термомеханическим циклам материал, что неоднократно подтверждалось на практике эксплуатации.
В процессе форсирования характеристик двигателей, модернизации их отдельных элементов и появления новых поколений двигателей повышаются и требования к характеристикам материалов деталей. Возрастает теплонапряженное состояние роторных деталей, повышаются нагрузки на отдельные ступени компрессоров.
Полученный опыт с конца 1970-х гг. позволил повысить комплекс характеристик заготовок дисков из сплава ЭП741НП для различных новых модификаций апробированных двигателей, а также в новых перспективных проектах, таких как ВК-650В и ВК-1600В [2, 3, 5].
Одним из таких примеров является создание в 80-х гг. XX века двигателя ТВ7-117С (для самолета Ил-114), в конструкции компрессора которого применены четыре осевые ступени и одна центробежная. Центробежная ступень выполнена в виде полуоткрытого центробежного колеса, где был применен новый на то время деформированный титановый сплав ВТ25У, который хорошо себя зарекомендовал на этом двигателе. Освоением технологии деформации и получения заготовки из сплава применительно к конструкции занимались сотрудники ВИЛСа (О.П. Евменов, Д.Д. Ваулин и П.А. Клевков).
Предприятиями ФГУП «Завод им. В.Я. Климова», ОАО «ММП им. В.В. Чернышева» и ОМП им. П.И. Баранова была изготовлена партия двигателей ТВ7-117С с полуоткрытым центробежным колесом из деформированного сплава ВТ25У.
Последующая модернизация и форсирование характеристик двигателя ТВ7-117С предусматривала применение закрытого центробежного колеса (ЗЦК), которое позволяет существенно улучшить параметры двигателя в целом.
Работы по созданию серийной технологии изготовления «блинговой» конструкции, состоящей из деформированной ступицы и гранульной части (лопатки, покрывной диск) заготовок ЗЦК из высокожаропрочного гранулируемого титанового сплава ВТ25УП для изделия ТВ7-117 и его модификаций были начаты с конца 90-х гг. Эта технология является практически единственным способом получения таких колес с требуемым комплексом свойств. Изготовить такую деталь с высокой точностью геометрических параметров и расположения входных и выходных каналов (окон), а также отсутствием искажений скрытого проточного тракта явилось весьма сложной задачей, которую изначально пришлось решать совместными усилиями и, преимущественно, на энтузиазме (А.В. Васильев, Г.Г. Демченков, Л.В. Фишбах, А.И. Козлов, В.С. Петров).
В конструкции ЗЦК впервые сплав ВТ25У представлен в двух вариантах - в деформированном и гранульном. Ступица ЗЦК изготовлена из деформированного сплава ВТ25У, ло-
Рис. 1. Механические свойства образцов сплава ВТ25У, изготовленных из технологических припусков заготовок ЗЦК
патки и покрывной диск - из гранульного сплава ВТ25УП. Качество соединения штамповки и гранул получено достаточно высокое, т.е. процессы диффузионного сращивания в процессе горячего изостатического прессования (ГИП) позволили достичь прочности зоны соединения, сопоставимой с монолитным материалом [4].
Новое техническое решение, доведенное до уровня серийного производства, было пионерским. Примечательно, что оно было выполнено на сложнолегированном титановом сплаве и не имело мировых аналогов [5, 6]. Во всех полученных центробежных колесах отмечается высокая сопоставимость полученных результатов, что свидетельствует о стабильности разработанной технологии.
Исследование макро- и микроструктуры (Н.М. Падюкова) позволило заключить, что в результате получен плотный (с теоретической плотностью) бездефектный материал со структурой, характерной для сплава ВТ25У.
В ВИЛСе были проведены исследования формирования компактного материала из гранул в процессе ГИП, в результате которых был разработан принцип конструирования капсул для изготовления закрытых крыльчаток (А.В. Васильев, Г.Г. Демченков) и разработана серийная технология получения заготовок с деформированными (О.П. Евменов, Д.Д. Ва-улин, П.А. Клевков) [3] и гранульными элементами конструкции (Г.С. Гарибов, В.Я. Кошелев, А.А. Живушкин).
Совместными усилиями ФГУП «Завод им. В.Я. Климова», ВИАМ, ВИЛС и ЦИАМ (А.А. Живушкин, Н.А. Ночовная, Т.В. Павлова, Н.М. Падюкова, О.С. Кашапов, Г.Г. Дем-
ченков, Е.Б. Качанов, Н.П. Вильтер) провели работы по паспортизации гранульного сплава ВТ25УП, в результате которых был скорректирован режим его термической обработки (В.Л. Родионов, Н.М. Падюкова), определен уровень механических свойств, определены сравнительные характеристики гранульного и деформируемого материала (рис. 1), в том числе в зонах диффузионного сращивания.
На рис. 2 и 3 приведены виды заготовки закрытого центробежного колеса и готовой детали.
Исследования свойств образцов деформированного и гранульного материалов показали, что при температурах больше 400 °С механические свойства гранульного материала практически не уступают свойствам деформированного. Проведенное термометрирование опытных экземпляров ЗЦК на двигателе показало, что рабочая температура покрывного диска, изготовленного из гранульного материала, на переднем торце 360 °С, а остальной части 350-400 °С.
Рис. 2. Заготовка закрытого центробежного колеса
Рис. 3. Виды первого (опытного) варианта готовой детали закрытого центробежного колеса без охлаждения покрывного диска
Совместными усилиями ФГУП «Завод им. В.Я. Климова» (изготовление капсул -В.М. Привалов, Н.А. Белов, Н.А. Шалыгина, А.Н. Скотников) и ВИЛСа (изготовление гранул, ГИП, получение чистовой заготовки -Г.Г. Демченков, В.Я. Кошелев) была изготовлена опытная партия деталей ЗЦК (рис. 4).
Статическая прочность ЗЦК была подтверждена испытаниями на разгонном стенде при рабочей температуре, где была достигнута частота вращения ЗЦК 120 % от рабочей (более 36 000 об/мин) без возникновения обрывов лопаток и покрывного диска. Объемом доводочных и ресурсных испытаний крыльчатки было обеспечено проведение сертификационных испытаний.
Технология изготовления конструкций типа «блинг» получила продолжение. Позже появилась публикация [7], что фирма GT Oil & Gas
совместно с Synertech PM Inc. и LNT PM Inc. получили Гран-при в конкурсе на лучшую деталь на 11-й Международной конференции по горячему изостатическому прессованию (ГИП) в Стокгольме, Швеция, 09-15.06.2014 г., за разработку технологии производства рабочего колеса с покрывным диском из никелевого сплава In625M. Деталь была изготовлена для применения в центробежных компрессорах, использующихся в нефтегазодобывающей промышленности. Эти фирмы работают под руководством и при непосредственном участии бывших специалистов ВИЛСа В.Н. Самарова и Д.Г. Селиверстова.
Примененное новое техническое решение, выполненное на никелевом сплаве In625M и аналогичное отечественному ЗЦК из титанового сплава*, помимо выигрыша на конкурсе, позволило надеяться на производственный заказ по этой технологии с номинальной производительностью 300 изделий в год [7]. Таким образом, сама техническая идея получения подобных деталей сложного профиля таким способом, похоже, получила развитие и не только применительно к авиационным ГТД.
Приведенные примеры тесного сотрудничества специалистов ОАО «ВИЛС» и АО «ОДК-Климов» наряду со специалистами ФГУП «ВИАМ» и ФАУ «ЦИАМ» показывают нашу способность совместно вырабатывать и осуществлять сложные инновационные технические решения и создавать конкурентоспособные отечественные образцы новой техники, ничем не уступающие лучшим мировым аналогам. Новому поколению конструкторов, металлургов и технологов следует перенимать передовой опыт предшественников и использовать его при создании новых образцов авиационной техники.
Рис. 4. Виды готовой детали закрытого центробежного колеса с охлаждением покрывного диска
* Исполнение из титанового сплава является технологически более сложным в силу его большей химической активности и большего сродства к кислороду (прим. автора)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аношкин Н.Ф. Некоторые аспекты качества жаропрочных и высокопрочных материалов, изготавливаемых методом металлургии гранул / В сб.: Металлургия гранул. Вып.3. - М.: ВИЛС, 1986. С. 3-23.
2. Ножницкий Ю.А. Проблемы применения гранулируемых сплавов в перспективных ГТД // Технология легких сплавов. 2007. № 4. С.13-20.
3. Казберович А.М., Бер Л.Б., Егоров Д.А., Живушкин А.А., Полянский С.Б., Мухина Т.А. Повышение комплекса характеристик заготовок дисков из гранул сплава ЭП741НП для перспективных ГТД // Технология легких сплавов. 2020. № 4. С. 36-46.
4. Клевков П.А., Евменов О.П., Живушкин А.А., Голубева Е.М., Князев Д.С. Изготовление деталей ГТД сложной формы и повышенной точности из титанового сплава ВТ25У за счет совмещения деформационной и гранульной технологий // Технология легких сплавов. № 3. 2018. С. 68-73.
5. Егоров В.П., Козлов А.И., Лобанов В.К., Петров В.С., Саркисов А.А., Старовойтенков В.В.
Применение деталей из гранул никелевых и титановых сплавов в двигателях ОАО «Климов» // Технология легких сплавов. 2007. № 4. С. 73-76.
6. Петров В.С., Козлов А.И., Живушкин А.А., Васильев А.В. Опыт использования сплава ВТ25У для высоконагруженных деталей компрессоров современных авиационных двигателей // Авиационные материалы и технологии. 2007. № 1. С. 19-22.
7. Dr. S.J. Mashi. HIP 14: Highlights from the 11th Internashional Conference on Hot Isostatic Pressing // Powder Mettallurgy Review. 2014. Autumn. Vol.3. № 3. P. 55-66. // Dr S.J. Mashi. Главные события 11-й Международной конференции по горячему изостатическому прессованию (ГИП'14) // Технология легких сплавов. № 4. 2014. С. 62-74.
REFERENCES
1. Anoshkin N.F. Nekotoryye aspekty kachestva zha-roprochnykh i vysokoprochnykh materialov, izgotavli-vayemykh metodom metallurgii granul / V sb.: Metal-lurgiya granul. Vyp. 3. - M.: VILS, 1986. S. 3-23.
2. Nozhnitskiy Yu.A. Problemy primeneniya granuli-ruyemykh splavov v perspektivnykh GTD // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. 2007. № 4. S. 13-20.
3. Kazberovich A.M., Ber L.B., Yegorov D.A., Zhivush-kin A.A., Polyanskiy S.B., Mukhina T.A. Povysh-eniye kompleksa kharakteristik zagotovok diskov iz granul splava EP741NP dlya perspektivnykh GTD // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2020. № 4. S. 36-46.
4. Klevkov P.A., Yevmenov O.P., Zhivushkin A.A., Golubeva Ye.M., Knyazev D.S. Izgotovleniye de-taley GTD slozhnoy formy i povyshennoy tochnosti iz titanovogo splava VT25U za schet sovmeshcheniya deformatsionnoy i granulnoy tekhnologiy // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. № 3. 2018. S. 68-73.
5. Yegorov V.P., Kozlov A.I., Lobanov V.K., Petrov V.S., Sarkisov A.A., Starovoytenkov V.V. Primeneniye detaley iz granul nikelevykh i titanovykh splavov v dvigatelyakh OAO «Klimov» // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2007. № 4. S. 73-76.
6. Petrov V.S., Kozlov A.I., Zhivushkin A.A., Vasi-lyev A.V. Opyt ispolzovaniya splava VT25U dlya vysokonagruzhennykh detaley kompressorov sovre-mennykh aviatsionnykh dvigateley // Aviatsionnyye materialy i tekhnologii. 2007. № 1. S. 19-22.
7. Dr. S.J. Mashi. HIP 14: Highlights from the 11th International Conference on Hot Isostatic Pressing. // Powder Metallurgy Review. 2014. Autumn.Vol.3. № 3. P. 55-66. // Dr. S.J. Mashi. Glavnyye sobytiya 11-y Mezhdunarodnoy konferentsii po goryachemu izostaticheskomu pressovaniyu (GIP'14) // Tekh-nologiya lyogkikh splavov. № 4. 2014. S. 62-74.
