CC BY
276
УДК 669.245.018.44:629.7
С.В. Овсепян, Б.С. Ломберг, М.М. Бакрадзе, М.Н. Летников
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕФОРМИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДИСКОВ ГТД
Рассмотрены особенности современных технологий термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей. Показано формирование структуры сплавов -размера зерен матрицы, частиц упрочняющей 'фазы различной дисперсности, в том числе наноразмерных, границ зерен в зависимости от режимов термообработки. Наиболее значимое воздействие на структуру и свойства сплавов оказывают температура, время выдержки и скорость охлаждения при закалке. Сделаны выводы о необходимости при производстве сплавов нового класса автоматического регулирования параметров обработки и выполнения заданных режимов с точностью до ±5 °С.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: жаропрочные никелевые сплавы, газотурбинные двигатели, диск турбины, термическая обработка, "/-фаза.
В современных газотурбинных двигателях (ГТД) диски турбин и последних ступеней компрессора работают в сложных условиях: при значительном градиенте температур (обод до 800 °С, ступица до 550 °С), высоких нагрузках различной величины и частоты, наличии концентраторов напряжений (отверстия для крепежа, каналы охлаждения, пазы для крепления лопаток). Материал дисков должен обладать комплексом свойств во всем интервале рабочих температур: прочностью и сопротивлением малоцикловой усталости (МЦУ), жаропрочностью и, вместе с тем, технологичностью при обработке давлением, высокой вязкостью разрушения и низкой чувствительностью к надрезу, а также стойкостью к коррозии. В условиях современного рыночного производства для успешности материала и технологии особое значение имеет высокий выход годного.
При термообработке происходит кардинальное изменение размера зерен матрицы, морфологии границы зерна, частиц упрочняющих фаз. Регулируя эти процессы, можно добиться существенного повышения свойств в комплексе.
В работе рассмотрены особенности технологий термической обработки новых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД.
Термическая обработка не является отдельной операцией, а представляет собой часть технологической цепочки передела заготовки от
слитка до готовой детали. Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов состоит из отжига на твердый раствор, закалки и старения. Несмотря на определение «на твердый раствор», температура отжига часто соответствует двухфазной области. В связи с тем, что нагрев под закалку и отжиг совмещают, в отечественной практике эти два понятия не разделяют. Перед закалкой для повышения однородности структуры сплава могут использовать дополнительно предварительный отжиг при более низкой температуре.
На рис. 1 [1] представлены типы микроструктур, которые могут быть получены при разных условиях деформации и термообработки для дисковых жаропрочных никелевых сплавов, и показано их влияние на предел текучести и долговечность при различных температурах: А - мелкозернистая структура с деформационным упрочнением, В - мелкозернистая рекристаллизованная, С - «ожерелье», Б - крупнозернистая. Видно, что каждый тип структуры оптимален при определенной рабочей температуре.
Характеристики сплавов зависят как от сформированной структуры, так и от химического состава. Результаты анализа зависимости свойств современных российских дисковых сплавов от температуры полного растворения упрочняющей У-фазы представлены на рис. 2. Сплавы ЭП975, ЭП975А и ВЖ137 с более высоким содержанием
О 500 1000 0 500 1000
Рис. 1. Типы микроструктуры деформируемых жаропрочных никелевых сплавов и их влияние на предел текучести и долговечность при циклических испытаниях
Рис. 2. Свойства дисковых жаропрочных никелевых сплавов разработки ВИАМ в зависимости от температуры полного растворения упрочняющей фазы
(до 65 %) и большей стабильностью упрочняющей Y-фазы, специально разработанные для эксплуатации при высоких температурах (> 800 °С), обладают менее высокой прочностью по сравнению с высокопрочными сплавами с 50 % Y-фазы и рабочей температурой до 800 °С.
Режимы закалки выбирают в зависимости от динамики процессов рекристаллизации и с учетом выравнивания неоднородности химического состава, в том числе для растворения избыточных фаз.
Температура закалки является одним из ключевых параметров термической обработки. Правильный выбор температуры обеспечивает максимальное упрочнение материала за счет выделения у'-фазы различной дисперсности, карбидов и боридов, а также создания структуры, способной перераспределять возникающие напряжения.
Температура закалки зависит от размера зерна. Прочностные характеристики сплавов подчиняются известному соотношению Хол-ла-Петча, определяющего обратную зависимость прочности от квадратного корня размера зерна.
Зависимости температуры растворения Y-фазы и закалки для промышленных дисковых сплавов представлены на рис. 3. Видно, что температуры закалки и полного растворения Y-фазы близки. Это связано с тем, что процесс роста зерен ограничивается в первую очередь частицами Y-фазы.
Рис. 3. Соотношение температур закалки и полного растворения у'-фазы дисковых жаропрочных никелевых сплавов
Закалка из однофазной области (температуры полного растворения у'-фазы) проводится для гомогенизации твердого раствора и завершения процессов рекристаллизации во всех зонах штамповки. Образуются зерна матрицы размером 50... 120 мкм (3-6 балл по ГОСТ 5639). Чем выше температура работы сплава и требования к жаропрочности, тем крупнее зерно.
Такую обработку применяют для всех серийных отечественных дисковых сплавов, в том числе для наиболее жаропрочных ЭП975 и ЭП975А с ~60 % у'-фазы.
Эти сплавы используют для производства роторов типа «блиск» малоразмерных ГТД. Ввиду того что весь ротор - лопатки, диск и вал - производят из одной заготовки, максимальная рабочая температура материала может достигать 950 °С. В связи с этим для таких сплавов применяется закалка из однофазной области с замедленным охлаждением до температуры ниже Гпр у на 30.40 °С. В результате формируется структура с зерном размером 90.120 мкм и частицами у'-фазы размером 1.2 мкм и 80.300 нм.
Рис. 4. Микроструктура сплава ЭП975А (Х300)
При регламентированном охлаждении формируются извилистые границы зерен (рис. 4). Такая структура обеспечивает более высокую жаропрочность и снижение скорости распространения трещин усталости. Внедрение технологии термической обработки с замедленным охлаждением в производство штамповок шифра А-142 (диск-вал) из сплава ЭП975-ИД обеспечило более высокий уровень свойств (табл. 1). Выход годного увеличился в 1,7 раза. Брак по длительной прочности снизился более чем на 25 %, полностью устранены выпады по ударной вязкости.
Таблица 1
Влияние режима закалки с регламентированным охлаждением на свойства штамповок роторов типа «блиск» из сплава ЭП975
Режим закалки ав, МПа о0д, МПа S, % KCU, Дж/см2
Стандартный 1285 ± 67 1006 ± 46 16,6 ± 3,0 43 ± 9
Новый с регламентированным охлаждением 1313±42 966 ± 31 18,1 ± 3,7 49 ± 10
Нормы технических условий 1226 932 14 39
Для сплавов, работающих до 700 °С, наиболее предпочтительно зерно от 15 до 40 мкм (7-11 балл) с крупными первичными (2.. .7 мкм) и более мелкими вторичными и третичными частицами (менее 50 нм) Y-фазы, что достигается закалкой из двухфазной области (с температуры на 10.50 °С ниже Гпр y) и обеспечивает высокую прочность и приемлемую жаропрочность.
Таким образом, для промышленных современных дисковых сплавов применяют режимы обработки с закалкой с температуры как выше, так и ниже полного растворения упрочняющей Y-фазы. В результате этого формируются два типа микроструктуры в зависимости от условий работы материала: с крупным и мелким зерном [2-4]. Опубликован ряд работ (Rolls-Royce Corp., General Electric и NASA) по оборудованию и технологии термической обработки заготовок дисков, обеспечивающей в одной детали две разные структуры - в ободе зерно 4-6 балла ASTM, в ступице - 10-11 балла ASTM. В ободе диска достигается высокое сопротивление ползучести, а в ступичной части - высокие прочность и сопротивление МЦУ [5]. Однако в промышленном производстве этот метод пока не нашел применения из-за сложности контроля структуры в готовом изделии (особенно в переходной зоне) и вследствие этого нестабильности свойств.
Влияние размера зерна на комплекс свойств высоколегированного сплава можно проследить на примере промышленного сплава ЭК 151. Для него была разработана технология термической обработки, формирующая мелкозернистую структуру. В отличие от стандартной закалки (СТО) серийных дисковых сплавов с температуры, близкой к температуре полного растворения У-фазы (Гпр у), новый режим включает предварительный ступенчатый отжиг при температурах ниже Гпр у и закалку из двухфазной области. Свойства сплава ЭК151 после стандартной (зерно 60.100 мкм) и экспериментальной (зерно 15.30 мкм) обработки показаны в табл. 2. Видно значительное увеличение прочности и сопротивления МЦУ, жаропрочность -на уровне СТО.
Таблица 2
Свойства сплава ЭК151 после различной термической обработки
Терми- Кратковременный разрыв Жаропрочность (650 °С) МЦУ °о, МПа (на базе 104 циклов)
ческая обработка 20 °С 650 °С °10<Ъ Чувствительность к надрезу н / гл 0100/0100
Ов, МПа МПа S, % Ов, МПа °0> МПа МПа
СТО 1500 1050 17 1323 902 1010 > 1,1 1100 1019
ЭТО 1600 1207 15 1501 1108 1010 > 1,1 1176 1078
Для новых деформируемых высокожаропрочных сплавов для дисков, разработанных, как в России (ВЖ175), так и за рубежом (LSHR, NR3, ME3, Alloy 10 и др.), применяют именно такие режимы термической обработки.
В условиях промышленного производства учет температуры полного растворения У-фазы для каждой плавки с корректировкой режима закалки позволяет повысить свойства сплава и выход годного. Для более чем 80 штамповок дисков из сплава ЭП742-ИД, прошедших закалку с учетом Тпр у, установлено повышение в среднем на 11 % предела текучести и на 5 % предела прочности материала, что уменьшило вытяжку дисков в процессе эксплуатации и повысило их ресурс в 2-3 раза. Другой пример: при производстве из сплавов ЭК151 и ЭП742 штамповок дисков турбин малоразмерных ГТД во ФГУП «ВИАМ» для каждой плавки выбирали режим закалки по результатам металлографического исследования, что позволило повы-
20 20
сить на 100.50 МПа значения св и о02, указанные в технических условиях.
Известно значительное влияние скорости охлаждения на структуру и свойства дисковых жаропрочных никелевых сплавов. В современном промышленном производстве для средне- и крупногабаритных штамповок дисков применяют интенсивное охлаждение. В табл. 3 показаны средние значения свойств штамповок разной массы из нового дискового сплава ВЖ175. Для крупногабаритных заготовок применяли интенсивный обдув сжатым воздухом. Несмотря на различие масс, у штамповок одинаковый уровень свойств.
Таблица 3
Свойства штамповок дисков из сплава ВЖ175
Свойство (среднее значение) МЦУ а0, МПа (на базе 104 циклов)
Полуфабрикат Т 1 исп °С ов, МПа ^0,2, МПа S,% KCU, Дж/см2 МПа
0 250 мм, масса 15 кг 20 1599 1192 14,0 37 - 1334
650 1530 1079 12,0 39 1050 1275
750 1192 1030 6,0 35 638 1128
0 600 мм, масса до 180 кг 20 1595 1147 17,5 50 - -
650 1511 1104 14,5 39 1050 1275
750 1219 1034 14,0 37 638 1128
Для современного промышленного производства новых сплавов при термической обработке очень важна точность поддержания температуры. При производстве сложнолегированных сплавов погрешность должна быть не выше ±5 °С. Например, анализ влияния на длительную прочность разности между температурами отжига и выгрузки из печи при закалке сплава ЭП975А показал, что изменение температуры всего на 10 °С приводит к снижению долговечности образцов на 40 %.
Продолжительность отжига при закалке дисковых жаропрочных никелевых сплавов выбирают с учетом выравнивания неоднородности химического состава, в том числе для растворения избыточных фаз, а также в зависимости от динамики процессов рекристаллизации. Превышение оптимального времени отжига приводит к снижению уровня и стабильности свойств, в том числе и при обработке в двухфазной области. Например, при закалке сплава ВЖ175 более 16 ч наблюдается разброс долговечности при испытаниях на длительную прочность из-за проявления разнозернистости, что установлено металлографическими исследованиями (рис. 5).
В целях окончательного формирования частиц у'-фазы, карбидов и боридов требуемых размеров и морфологии после закалки проводят старение.
Рис. 5. Влияние продолжительности выдержки при закалке на долговечность и размер зерна сплава ВЖ175:
а - долговечность при 650 °С, 1050 МПа; б - распределение зерен по размеру
Для современных жаропрочных сплавов на никелевой основе применяют как одно-, так и многоступенчатое старение. Наиболее часто температура первого старения выбирается в области начала растворения у'-фазы, а последующей ступени - близкой к максимальной рабочей температуре диска.
При температуре первого старения растут и коагулируют частицы первичной у'-фазы, выделившиеся при закалке; в теле и на границах зерен и субзерен выделяются более мелкие частицы вторичной и третичной у'-фазы, а также формируются карбидные и боридные фазы (рис. 6). При более низкой температуре второго старения происходит коагуляция частиц вторичной у'-фазы и из твердого раствора выделяются еще более мелкие частицы третичной у'-фазы.
Рис. 6. Микроструктура сплава ВЖ175, частицы у'-фазы - вторичные и третичные размером менее 0,1...0,3 мкм и менее 100 нм соответственно (просвечивающая электронная микроскопия)
Выводы. Практика исследования и производства деформируемых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД показывает, что при термической обработке наиболее сильное влияние на свойства сплава оказывают температура, время выдержки и скорость охлаждения при закалке. Оптимизация параметров закалки с учетом хи-
мического состава каждой плавки позволяет значительно улучшить характеристики сплава и повысить выход годного.
Для большинства отечественных и зарубежных сплавов нового поколения, созданных за последние 10 лет, применяют закалку из двухфазной области, формируя структуру с размером зерен 15.40 мкм и набором выделений Y-фазы от наноразмеров до 7 мкм, в результате чего обеспечивается комплекс высокой прочности, жаропрочности и сопротивления MЦУ.
Для достижения высокого уровня свойств жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД, соответствующего современным требованиям эффективности производства, необходимо применять интенсивное охлаждение заготовок сжатым воздухом, обеспечивать автоматическое регулирование скорости нагрева и охлаждения садки и выполнение заданных режимов с точностью по температуре до ±5 °С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гессингер Г.Х. Порошковая металлургия жаропрочных сплавов / Пер. с англ. Челябинск: Mеталлургия, 1988.
2. Пат. б,974,508 США, M^ C 22 C 19/05. Nickel Base Superalloy Turbine Disk / Gabb T.P., Gayda J., Telesman I., Kantzos P.T.; заявитель и патентообладатель NASA - No. 10/283,220 ; заявл. 29.10.2002; опубл. 13.12.2005.
3. Пат. б,521,175 США, MÜR C 22 C 19/05. Superalloy Optimized for High-Temperature Performance in High-Pressure Turbine Disks / Mourer D.P., Huron E S., Bain K.R. et al.; заявл. 09.02.1998; опубл. 18.02.2003.
4. Пат. 21б42б2 Российская Федерация, MПK С 22 F 1/10. Способ термической обработки жаропрочных сплавов на основе никеля / Семенов В.Н., Бондарев Б.И., Фаткуллин О.Х. и др.; заявитель и патентообладатель НПО Энергетического машиностроения им. акад. В.П. Глушко, ОАО «ВИЛС» -№ 981211б9/02; заявл. 20.11.1998; опубл. 20.03.2001. Бюл. № 24.
5. Heffernan M. Spin Testing of Superalloy Disks With Dual Grain Structure // NASA / CR-2006-214338. May 200б.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
