CC BY
28
Ij|p tl415_.fm Page 53 Thursday, December 17, 2015 4:21 PM vjp'" ^^
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ.
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г. С. Гарибов
УДК 621.762
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ГРАНУЛИРУЕМЫЙ СУПЕРСПЛАВ ВВ753П ДЛЯ РОТОРНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД
Г. С. Гарибов, докт. техн. наук, Н.М. Гриц, канд. техн. наук, А.В. Востриков, канд. техн. наук, Е.А. Федоренко, А.М. Волков, канд. техн. наук
(ОАО «ВИЛС», e-mail: [email protected])
Представлены направления совершенствования легирования и структурные, фазовые и механические характеристики нового жаропрочного гранулируемого никелевого сплава ВВ753П.
Показана возможность управлять высокими механическими свойствами этого сплава с помощью формирования требуемого размера выделений упрочняющей у'-фазы, применяя различные схемы и режимы термообработки.
Ключевые слова: диски ГТД, гранулируемый сплав, легирование жаропрочных никелевых сплавов, у'-фаза, критические точки, структура, режимы термообработки, кратковременная прочность, жаропрочность.
Universal PM VV753P Superalloy for Rotating Components of Gas-Turbine Engines. G.S. Garibov, N.M. Grits, A.V. Vostrikov, Ye.A. Fedorenko, A.M. Volkov.
Directions of an improvement in alloying, as well as structural, phase and mechanical properties of new PM VV753P nickel-base superalloy are presented.
The possibility of control of high mechanical properties of the alloy by means of formation of the strengthening Y phase precipitates of the desired size using different variants and conditions of heat treatment is shown.
Key words: gas-turbine engine disks, PM superalloy, alloying of nickel-base superalloys, Y phase, critical points, structure, heat treatment conditions, short-time strength, high-temperature strength.
Существующие в настоящее время жаропрочные гранулируемые никелевые сплавы можно разделить на три группы: 1) универсальный сплав ЭП741НП [1]; 2) высокопрочные сплавы (ЭП962П, ВВ751П, ВВ752П) [2, 3]; 3) высокожаропрочный сплав ВВ750П [4].
Сплавы ЭП741НП и ВВ750П на современном этапе уже не отвечают значительно возросшим требованиям к характеристикам прочности и сопротивления малоцикловой усталости, а сплавы с высокой прочностью ВВ751П и ВВ752П не обеспечивают повышенной жаропрочности при температуре 750 °С, необходимой для некоторых перспективных изделий.
Кроме того, создание новых технологий получения роторных деталей с функционально-градиентными свойствами, например дисков с переменной структурой, требует универсальных сплавов, обеспечивающих при применении соответствующих режимов ГИП и термической обработки либо высокие прочностные свойства при удовлетворительной жаропрочности, либо высокие характеристики жаропрочности при удовлетворительной прочности .
Поэтому назрела необходимость в созда -нии универсального сплава типа ЭП741 НП, но со значительно более высоким уровнем всех
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
механических характеристик, соответствующих современным требованиям разработчиков перспективных ГТД.
При создании сплава ВВ753П в качестве исходной композиции был использован химический состав самого жаропрочного гранулируемого сплава ВВ750П [5] (ГОСТ Р 52802).
Для повышения уровня всех механических характеристик оптимизация химического состава сплава ВВ750П была проведена в следующих направлениях.
Для повышения прочностных характеристик:
- одновременно усилено упрочнение матрицы и у'-фазы за счет увеличения содержания кобальта и введения нового для отечественных суперсплавов легирующего элемента тантала как эффективного упрочнителя всех структурных составляющих;
- несколько увеличено количество карбидной фазы за счет увеличения содержания углерода.
Для повышения жаропрочности:
- увеличена массовая доля упрочняющей у'-фазы за счет увеличения суммарного содержания у'-образующих элементов А1, И, ЫЬ и введения Та ;
- повышена фазовая стабильность и сопротивление ползучести за счет введения нового для отечественных суперсплавов легирующего элемента рения и увеличения содержания кобальта .
Для повышения коррозионной стойкости:
- увеличено содержание хрома и введен новый легирующий элемент рений, препятствующий горячей коррозии.
Проведенное таким образом усовершенствование химического состава позволяло прогнозировать значительное повышение механических свойств сплава, названного ВВ753П [6].
В сплаве разработанной композиции были исследованы основные критические точки и фазовые составляющие, оценено количество упрочняющей у'- и карбидной фаз, рассчитан мисфит (несоответствие параметров решетки у- и у'-фаз) и определена область существования вторичных карбидов.
В результате проведенного исследования было установлено, что температура полного растворения у'-фазы (Ту') сплава ВВ753П на 10 °С выше, чем сплава исходной композиции.
При этом количество у'-фазы увеличилось приблизительно на 6 %, а карбидной фазы -на 0,3 % при практически неизменном значении мисфита .
Увеличение количества как у'-фазы, так и карбидной, а также повышение температуры Ту косвенно свидетельствуют о дополнительном упрочнении нового сплава, а неизменный мисфит указывает на сохранившийся от исходной композиции большой запас пластичности.
Достаточно широкая область гомогенности сплава нового состава, превышающая 30 °С, обеспечивает его высокую технологичность при проведении основных операций - ГИП (горячего изостатического прессования) и термической обработки, определяющих уровень механических свойств.
Исследование структуры сплава ВВ753П в компактированном состоянии показало, что разработанный состав позволяет при температуре ГИП выше Ту на гранулах фракций -140 мкм и более мелких получать рек-ристаллизованную структуру с размером зерна 30-38 мкм без следов литой структуры и без выделения карбидных сеток по наследственным границам исходных гранул (рис. 1).
В структуре отсутствуют эвтектические составляющие, карбиды достаточно равномерно распределены в объеме компактиро-ванного материала с преимущественным расположением их по границам сформировавшихся зерен, то есть структура сплава ВВ753П в компактированном состоянии удовлетворяет всем необходимым требованиям, предъявляемым к структуре гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов в этом состоянии.
Установлено, что область существования вторичных карбидов в сплаве ВВ753П лежит в температурном интервале 800-1050 °С, который в зависимости от скорости охлаждения при закалке может несколько снижаться или повышаться. Получение этих данных необходимо для назначения режимов термообработки, в частности режима старения, для нового сплава с целью получения требуемого уровня механических характеристик.
Для оценки возможностей, заложенных в сплаве нового состава, было проведено сопоставление результатов испытания механи-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ческих свойств нового сплава и сплава-прототипа ВВ750П в идентичном структурном состоянии в образцах, закаленных из однофазной области без наложения старения.
Установлено, что сплав ВВ753П по пределу прочности и пределу текучести превосходит сплав ВВ750П на 70-80 МПа, при этом его
пластические характеристики остаются на достаточно высоком уровне (8 и у около 20 %), что указывает на существенный запас прочности, который можно реализовать.
Применение на сплаве нового состава ре -жима термообработки, стандартного для сплава ВВ750П, с соответствующей корректировкой температуры закалки, учитывающей более высокую Ту', показало, что в идентичных условиях в сплаве ВВ753П формируются более мелкие включения у'-фазы, приблизительно в 1,5 раза мельче, чем в сплаве ВВ750П, и достаточно грубая сетка вторичных карбидов по границам зерен (рис. 2). Это является след-
• ' ) - .- • .■•■-. •• • ' •• .■ -
О. ,' ■■ . =■
'■• • ■ •'• " • ' .. . .
■ • • • . -.ч - V
•:<... . >.-'( ч-. ■
ч 41. ч ' >1 ■ - ■■.
* . . .V
а.
■■: , К
! 'г А ■' и," '
Г г» • ч
л:/- :; -
• уТ
Рис. 1. Микроструктура сплава ВВ753П после ГИП:
а, б, в - травление на зерно (*100), на у'-фазу ( х300), на карбиды ( *300) соответственно
Рис. 2. Микроструктура сплавов ВВ753П (а, *6000) и ВВ750П (б, *4000), полученная в идентичных условиях
в
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
т, °е
Неполная
Рис. 3. Схемы трех основных типов закалки
Рис. 4. Заготовка диска из универсального гранулированного никелевого сплава ВВ753П
ствием более высокого содержания у'-фазы и более низкого температурного интервала области существования вторичных карбидов в сплаве ВВ753П.
Склонность к формированию более мелких выделений у'-фазы облегчает получение высоких прочностных характеристик сплава ВВ753П, но существенно усложняет задачу по получению более крупных выделений, не-
обходимых для обеспечения высокой жаропрочности при температуре 750 °С.
Управлять размером у'-фазы можно, изменяя тип закалки (прямая, ступенчатая и неполная) (рис. 3), скорости охлаждения при закалке и режим старения.
Поиск режимов термической обработки для получения высоких прочностных характеристик, жаропрочности, а также универсального режима проводили на опытных заготовках дисков диаметром около 600 мм (рис. 4), изготовленных путем горячего изо-статического прессования гранул фракции -100 мкм.
В результате проведенных исследований было установлено, что максимальный уровень прочности, соответствующий прочности самого высокопрочного гранулируемого сплава ВВ752П, обеспечивает режим, включающий прямую закалку из однофазной области (см. рис. 2) со скоростью охлаждения около 80 °С/мин и двухступенчатое старение при температурах, несколько ниже области существования вторичных карбидов. При этом сплав ВВ753П, по сравнению со сплавом ВВ752П, показывает более высокий уровень жаропрочности (1156 МПа) при температуре 650 °С (см. таблицу).
Для достижения высокого уровня жаропрочности при рабочей температуре 750 °С необходимо получение достаточно крупных выделений упрочняющей у'-фазы, которые можно формировать, уменьшая скорости охлаждения при закалке, используя ступени в процессе охлаждения, проводя неполную закалку (закалку из двухфазной области), а также применяя высокотемпературное старение.
Механические свойства сплава ВВ753П после различных режимов термообработки
Режим термообработки Механические свойства, 20 °С Жаропрочность, МПа 650°С ^20000ц , МПа
ств, МПа ст02, МПа 8, % % 650°С ст100 750°С ст100
На высокую прочность 1620 1210 17,0 17,4 1156 735 1117
На высокую жаропрочность 1550 1120 19,5 20,0 1138 784 1098
Универсальный 1610 1170 16,5 17,0 1138 755 1098
Сплав ВВ750П 1491 1098 19,0 20,0 1084 735 1078
Сплав ВВ752П 1650 1220 18,5 20,0 1118 - 1177
X
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Поиск путей получения крупной у'-фазы размером не менее 0,3 мкм в сплаве ВВ753П проводили по всем перечисленным выше направлениям. В результате определили режим, включающий ступенчатую закалку с низкими скоростями охлаждения, не превышающими 3 и 20 °С/мин на первой и второй ступенях, соответственно, и две ступени старения - высокотемпературную и низкотемпературную. Применение такого режима термообработки позволило достичь жаропрочности 784 МПа при 750 °С, что на 49 МПа выше жаропрочности исходной композиции (см. таблицу).
Таким образом установлено, что, изменяя размер упрочняющей у'-фазы в структуре сплава ВВ753П от 0,12 до 0,38 мкм (рис. 5), можно варьировать уровень предела текучести от 1112 до 1210 МПа и уровень жаропрочности от 1138 до 1156 МПа при 650 °С и от 735 до 784 МПа при 750 °С.
Возможность получения широкого спектра высоких механических характеристик свидетельствует об универсальности нового сплава ВВ753П и о потенциале его широкого применения.
Помимо режимов, обеспечивающих высокую прочность и жаропрочность, для этого сплава был также создан универсальный ре-
Рис. 5. Выделения упрочняющей у' -фазы размером 0,12 (а) и 0,38 мкм (б) в сплаве ВВ753П
жим, включающий прямую закалку из однофазной области со скоростью -20 °С/мин и одну ступень старения при температуре, лежащей на границе области существования вторичных карбидов. Универсальный режим термической обработки полноразмерныхза-готовок дисков обеспечивает одновременно достаточно высокий уровень прочности (более чем на 10% выше, чем у сплава исходной композиции) в комплексе с высокой жаропрочностью при температуре 650 и 750 °С.
В результате проведения комплексных исследований по разработке состава, режимов ГИП и термической обработки сплава ВВ753П определен широкий спектр его возможностей как универсального сплава с высоким уровнем механических характеристик, способного найти применение в производстве роторных деталей перспективных ГТД при использовании самых новейших технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Эволюция технологии, структуры и механических свойств гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, изготовленных методом ГИП // Технология легких сплавов. 2010. № 3. С.31-35.
2. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Создание нового высокопрочного сплава ВВ751П для перспективных газотурбинных двигателей // Технология легких сплавов. 2009. № 1. С. 34-39.
3. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Разработка и исследование нового гранулируемого высокопрочного жаропрочного никелевого сплава ВВ 752П для перспектив -
ных изделий авиационной техники // Технология легких сплавов. № 1. 2011. С. 7-11. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Крупногабаритные диски из гранул нового высокожаропрочного сплава ВВ750П для перспективных ГТД // Технология легких сплавов.2008.№ 1. С. 31-36. Пат. 2294393 РФ. Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля / Еременко В.И., Гриц Н.М. Фе-доренко Е.А., Качанов Е.Б., Гарибов Г.С., Власова О.Н.. Опубл. 27.02.2007. Пат. 2410457 РФ. Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля/ Гарибов Г. С., Гриц Н.М., Иноземцев А.А., Востриков А.В., Федоренко Е.А., Андрейченко И.Л., Зубарев Г.И., Карягин Д.А. Опубл. 27.01.2011.
