Влияние холодного деформирования и термической обработки жаропрочного сплава на эксплуатационные свойства лопаток компрессора ГТД Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.438.002.2

Канд. техн. наук Ю. С. Кресанов1, д-р техн. наук А. Я. Качан2, канд. техн. наук Д. В. Павленко2, С. А. Уланов2

1Л^О «Мотор Сич», 2Запорожский национальный технический университет;

г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛОПАТОК КОМПРЕССОРА ГТД

В работе установлено влияние режимов холодного деформирования (вальцевания) и термической обработки жаропрочного сплава на длительную прочность и сопротивление усталости рабочих лопаток компрессора ГТД.

Ключевые слова: жаропрочный сплав, рабочая лопатка, штамповка, холодное вальцевание, термообработка, длительная прочность, предел выносливости.

Введение

Жаропрочные сплавы для рабочих лопаток последних ступеней компрессора, работающих при повышенных температурах и относительно высоких напряжениях, находят широкое применение в современных авиационных двигателях.

Жаропрочный сплав для лопаток компрессора должен иметь относительно мелкое и равномерное зерно, которое обеспечивает в процессе их эксплуатации требуемое сопротивление усталости. Величина зерна обуславливается также и геометрическими особенностями, когда крупное зерно может сравниться по размеру с тонкими кромками пера лопатки. С другой стороны, для обеспечения требуемого уровня длительной прочности при повышенных температурах материал рабочей лопатки должен иметь и более крупное зерно.

Наиболее прогрессивным, экономичным и производительным вариантом изготовления лопаток компрессора ГТД, в том числе и из жаропрочных сталей и сплавов, является их формообразование методами пластического деформирования с применением точной штамповки, холодного вальцевания пера и термообработки [1, 2].

Изготовление лопаток производится из штампованных заготовок с припуском 0,15 мм на сторону с последующей механической обработкой хвостовика и холодным вальцеванием пера.

Точная штамповка производилась по следующей технологической схеме [1]:

- исходная заготовка — шлифованный пруток;

- получение групповой заготовки (полосы) методом периодического проката из предварительного подката прутка с нагревом 1130 ° С;

- вырубка индивидуальных заготовок из периодической полосы (температура нагрева 830 ° С);

- точная штамповка заготовок лопаток (нагрев при температуре 1130 ° С);

- обрезка облоя при температуре 830 ° С;

- калибровка с нагревом при температуре 1080 °С;

- термообработка;

- пескоструйная очистка поверхности поковок и удаление дефектного слоя электрополированием;

- правка нахолодно на прессе (при необходимости).

Последующая механическая обработка лопаток выполнялась по следующей технологической схеме:

- протягивание хвостовика;

- холодное вальцевание пера за 2...3 перехода с промежуточной (при необходимости) термообработкой для восстановления пластических свойств;

- окончательная механическая обработка хвостовика;

- окончательная термообработка;

- виброполирование.

Основными задачами при формообразовании лопаток компрессора методами пластического деформирования являются:

1. Определение рациональной схемы процесса формообразования пера лопаток методом холодного вальцевания.

2. Исследования и выбор оптимальных режимов предварительной, промежуточной и окончательной термообработки заготовок.

3. Сравнительная оценка свойств материала и работоспособности лопаток.

Цель работы — оценка влияния холодного деформирования (вальцевания) и термической обработки жаропрочного сплава на эксплуатационные свойства лопаток компрессора ГТД.

© Ю. С. Кресанов, А. Я. Качан, Д. В. Павленко, С. А. Уланов, 2014

Объектом исследования является жаропрочный сплав ХН77ТЮР ВД (ЭИ437Б-ВД) после операций деформирования (вальцевания) и термической обработки.

Методы исследований

Исследование проводилось на образцах, на которых оценивалось влияние различной холодной деформации и режимов термообработки на длительную прочность материала по трем режимам «температура — напряжение». Также определялись упрочнение (твердость НВ) и характер макро- и микроструктуры на всех этапах изготовления образцов, начиная от исходного прутка и заканчивая холодным вальцеванием.

Определение режимов нагрева под деформацию и термообработку для установления оптимальных характеристик материала применительно к лопаткам компрессора проводилась на специальных плоских образцах из сплава ЭИ437Б-ВД (рис. 1), химический состав которого представлен в табл. 2.

Технологический процесс изготовления образцов представлен в табл. 1.

Рис. 1. Образец для определения длительной прочности

Образцы изготавливались с применением операций холодного вальцевания на гладких валках установки УВЛ 100 со степенью деформации 50, 20 и 10 %. Промежуточная термообработка между переходами холодного вальцевания образцов не производилась из-за высокой технологической пластичности сплава ХН77ТЮРВД в холодном состоянии даже при твердости 3,21 ...3,02 ГПа, которая образуется старением, необходимым для получения требуемой шероховатости хвостовика лопатки при его протягивании, против твердости 1,70...1,49 ГПа в закаленном состоянии.

Режимы термической обработки образцов из сплава ХН77ТЮРВД представлены в табл. 3.

Длительная прочность материала прутка исследуемой плавки определялась на круглых стандартных образцах (диаметр рабочей части 5 мм, длина 60 мм) и плоских образцах (рис. 1) после горячей прокатки (поз. 2, табл. 4) и холодного вальцевания (поз.7, табл. 4) до разрушения по трем режимам:

режим 1 - 700 °С - 460 МПа;

режим 2 - 650 °С - 650 МПа;

режим 3 - 550 °С - 800 МПа.

Определяющим режимом испытания материала являлся режим 3, который характеризует условие работы лопаток 6...7 ступени компрессора на двигателе Д-36.

Твердость образцов на всех этапах изготовления определяли по Бринеллю шариком диаметром 5 мм при нагрузке 7,5 кН.

Микро- и макроструктура образцов исследовалась на оптическом микроскопе МИМ-7.

Результаты исследований и их обсуждение

Холодное вальцевание образцов показало, что сплав ХН77ТЮРВД при всех режимах термической обработки (см. табл. 4) обладает относительно высокой технологической пластичностью, в частности, более высокой, чем двухфазные титановые сплавы ВТ3-1 и ВТ8 в отожженном состоянии.

Результаты испытания длительной прочности, твердости и величины зерна материала образцов из сплава ХН77ТЮРВД, изготовленных из прутка, горячекатаной полосы, холодного вальцевания после различных режимов термообработки представлены в табл. 4.

Анализ результатов испытания материала различных образцов из сплава ХН77ТЮРВД по твердости (НВ) позволяет сделать следующие выводы:

- холодная 50 % деформация образцов независимо от исходной термообработки сопровождается значительным деформационным упрочнением и приводит к увеличению твердости до 3,88 ГПа;

- проведение только старения после холодной деформации приводит к еще более существенному увеличению прочностных характеристик материала до 4,80 ГПа;

- полная термообработка (закалка и старение) в зависимости от температуры закалки и продол -жительности выдержки обеспечивает различные значения твердости: после закалки с пониженной температуры и старения по режиму 5 (см. табл. 4) - на уровне верхнего предела твердости (3,21 ГПа), а после закалки и старения со стандартной температуры по режиму 1 (см. табл. 4) в зависимости от степени рекристаллизации (различное время выдержки) - на уровне нижнего предела -2,69 ГПа.

Таблица 1 — Схема технологического процесса обработки образцов

Таблица 2 — Химический состав исследуемого жаропрочного сплава ЭИ437Б-ВД

Профиль Содержание химических элементов, %

С Сг Ре Т\ Мп А1 N1

Пруток диаметром 20 мм 0,06 19,5 0,46 2,65 0,22 0,85 0,6 основа

Норма по Ту 14-1-223 0.07 19...22 < 1,0 2.5...2,9 <0,4 0,6...1,0 < 0,6

Таблица 3 — Режимы термической обработки образцов

№ режима Режим термообработки

Закалка Старение

Температура, °С Время, час Температура, °С Время, час

1 1080 8 700 16

2 2

3 1

4 2 800 700 4 16

5 1000 4 750 16

Анализ результатов свойств образцов по длительной прочности при повышенных температурах показал, что для сплава ХН77ТЮРВД наиболее жестким режимом оказывается испытание при температуре 650 °С с нагрузкой 650 МПа (режим 2, табл. 4).

При испытании длительной прочности по режиму 550 ° С — 800 МПа преобладали удовлетворительные результаты, в том числе и для холод-нодеформированных образцов. Режим 700 ° С — 460 МПа дал примерно равное количество положительных и отрицательных результатов. Холодное вальцевание приводит к резкому увеличению общего количества неудовлетворительных результатов, главным образом за счет испытаний при 700 и 650 ° С. При этом стандартный режим термообработки холоднодеформированных образцов дает неудовлетворительные результаты для всех назначенных условий испытаний, что связано с большой разнозернистостью структуры. Сокращение времени выдержки при закалке с 1080 °С повышает значения длительной прочности, особенно для случая двойного старения, обеспечивающего дополнительное упрочнение матрицы. С точки зрения длительной прочности режим двойного старения 1080 ° С, 2 ч + 800 ° С, 4 ч является оптимальным, однако, уменьшение времени выдержки при закалке с 1080 ° С не всегда гарантирует получение структуры с мелким зерном при

отсутствии разнозернистости. Более целесообразным оказывается понижение температуры закалки. Закалка холоднодеформированных образцов с 1000 °С обеспечивает высокую длительную прочность и мелкое равноосное зерно.

Полученные данные показывают, что для хо-лоднодеформированного сплава ХН77ТЮРВД выбор оптимальных температур последующей закалки затруднителен и должен проводиться с учетом условий работы детали.

Если после холодного деформирования выполняется только старение, длительная прочность материала при испытаниях по режимам 700 ° С — 460 МПа и 650 °С - 650 МПа оказывается низкой. Испытания по режиму 550 ° С — 800 МПа в этих случаях дали удовлетворительные результаты.

Особенности микроструктуры материала образцов по этапам их изготовления и для различных режимов термообработки представлены на рис. 2—5.

Исходный пруток характеризуется мелким равноосным зерном размером 1520 мкм (рис. 2, а). Стандартная термообработка по режиму 1 (см. табл. 3) сохраняет равномерность зерна, увеличивая его размеры до 100...150 мкм, из-за увеличения времени выдержки (рис. 2, б). Термообработка по режиму 5 (см. табл. 3) оставляет величину исходного зерна без изменения (рис. 2, в).

Таблица 4 — Длительная прочность, твердость и величина зерна материала образцов при различных режимах термической обработки

№ группы Вид образца операции Режим термообработки (табл. 3) Твердость НВ,ГПа Время до разрушения при режимах испытания, час Размер зерна, мкм

1 2 3

В состоянии поставки без термообработки 2,69 - - - 15...20

1 2,85 123 76 106 37 30 46 161 192* 192* 150...400

1 Исходный пруток 5 3,21 36 40 28 25 30 19 196* 196* 222* 15...20

4 3,02 158 94* 94* 96 114 127 216* 216* 320* 100...300

3 3,02 50 87 114 23 17 46 ] 9">* 192* 222* 100...150

Без термообработки 20...300

1 2,85 138 142 116 17 50 24 305 89 308 50...800

2 Горячекатаная полоса 5 3,21 83 85 91 84 108 82 210* 210* 305* 150...250 оторочка по границам 10

4 3,02 134 141 174 85 80 35 222 207* 295* 50...200

3 2,85 91 134 105 50 27 34 143 230* 230* 50...150

Холодновальцованный Закалка по реж. 3 1,78 50...150

Вальцевание - 3,88 - - - -

1 2,69 2 8 7 6 4 12 32 34 27 50...800

3 5 3,21 16 30 18 31 229 104 20...30

Термообработка 28 29 310

3 2,85 115 66 79 17 10 13 122 192 134 70...100

4 3,02 124 116 69 42 335 187 156 673* 207* 150...500

Предварительная термообработка 1 2,85 - - - 50...100

4 Вальцевание - 3,88 - - - -

Окончательная термообработка Старение по рсж. 1, 8 час 4,80 1,0 0,6 1,5 9 10 20 203 113 207*

Предварительная термообработка Закалка по реж. 5 2,29 200...300 оторочка по границам 10...15

5 Вальцевание - 3,88 - - - -

Окончательная термообработка Старение по реж. 5 4,80 7 3 19 14 12 9 377 280* 280*

Предварительная термообработка Закалка по реж. 1 1,70 - - - 100...300

6 Вальцевание - 3,88 - - - -

Окончательная термообработка Старение по реж. 1 4,80 7 22 13 6 14 11 609 259* 259*

Предварительная термообработка Закалка по реж. 2 1,70 - - - 100...250

Вальцевание - 3,88 - - - -

Окончательная термообработка Закалка 1080"С-4ч Старение по реж. 1 4,44 7 4 8 6 15 5 65 565 304

Нормы ТУ 2,55... 3,21 > 46 > 30 > 100 -

Примечание: * — образцы, снятые с испытаний. Исходный пруток, горячекатаная полоса и вальцевание — позиции 1, 2 и 3 табл. 4 соответственно

в

Рис. 2. Микроструктура прутка в состоянии поставки (а), после термообработки по режиму 1 (б) и по режиму 5 (в),

(см. табл. 3)

в

Рис. 3. Микроструктура полосы в исходном состоянии (а, нагрев перед деформацией 1130 °С), после закалки по

стандартному режиму 1 (б, в) (см. табл. 3)

аб

Рис. 5. Микроструктура образца после холодного вальцевания и последующей термообработки по режиму 1 (а) и

режиму 5 (б) (см. табл. 3)

Прокатанная из прутка полоса при температуре 1130 ° С, предназначенная для изготовления плоских образцов в исходном состоянии, имеет относительно крупные до 100...150 мкм зерна в окружении большого количества мелких зерен размером 1530 мкм (рис. 3, а), что свидетельствует о прохождении частичной рекристаллизации и неравномерной деформации при горячей прокатке. Последующая закалка полосы по стандартному режиму при температуре 1080 ° С приводит к различной степени разнозернистости, причем для некоторых образцов при выдержке 8 часов она оказалась весьма грубой и размер зерен достигал 1000 мкм (рис. 3, б, в). Учитывая геометрические размеры лопаток, наличие такой структуры недопустимо, так как зерно может охватывать все сечение пера лопатки. После закалки полосы с температуры 1000 ° С (режим 5, табл. 3) процесс рекристаллизации, по сравнению со структурой полосы в исходном состоянии после прокатки, продолжается и носит собирательный характер. Получена характерная структура с относительно крупных (в среднем до 200 мкм) зерен, отороченных мелкими до 10...15 мкм зернами, что свидетельствует о микронеоднородности предшествующей деформации при прокатке полосы (рис. 4, а). Сокращение времени выдержки при температуре закалки 1080 ° С до 1 часа способствует протеканию более равномерной рекристаллизации и зерно при этом не успевает вырости до значительных размеров. Наблюдается разнозернистость (рис. 4, б).

Структура образцов с высокой степенью деформации (~ 60 %), прошедших после холодного вальцевания только старение, отличается вытя-нотостью зерен, а также большим количеством двойников и линий скольжения. Величина зерен зависит от предварительной термообработки. Полная термообработка образцов при закалке с 1080 ° С дает разную степень рекристаллизации, которая в количественном отношении характеризуется как увеличением размера зерен, так и соотношением количества зерен разных размеров. Например, термообработка по стандартному для сплава ХН77ТЮРВД режиму привела к значительной разнозернистости (рис. 5, а). Однако характер процесса рекристаллизации холоднодеформирован-ного материала после закалки с пониженной температуры 1000 °С качественно меняется: появляются весьма мелкие равноосные зерна, размеры которых меньше, чем в исходной полосе после термообработки по режиму 5 (см. табл. 3) (рис. 5, б).

Полученные в ходе исследований результаты позволили определить основные технологические параметры процесса точной штамповки заготовок рабочих лопаток компрессора из жаропрочных сплавов с последующим холодным вальцеванием пера.

Влияние установленных режимов холодного деформирования и термической обработки жаропрочного сплава ХН77ТЮРВД на сопротивление усталости определяли на лопатках 5 ступени компрессора авиационного двигателя Д-36, изготовленных методом точной штамповки с применением холодного вальцевания и путем последующей механической обработкой.

Сопротивление усталости лопаток устанавливали методом ступенчатого повышения нагрузки, начиная с 260 МПа (установленная норма) как среднее по 6 лопаткам.

Для лопаток, изготовленных холодным вальцеванием, предел выносливости составил 398 МПа, что более чем в 1,5 раза выше установленной нормы, а изготовленных только ручной доводкой пера — 426 МПа.

Таким образом, статические характеристики сопротивления усталости вальцованных и неваль-цованных лопаток практически находятся на одном уровне. Выводы

1. При холодном вальцевании лопаток из жаропрочного сплава ХН77ТЮРВД наиболее рациональный уровень свойств достигается окончательной термообработкой в защитной среде по режиму закалка при температуре 1000 ° С в течение 4 часов и старение при температуре 750 ° С в течение 16 часов.

2. Установленные термомеханические условия горячей деформации заготовок, холодного вальцевания пера и режимов предварительной и окончательной термообработки позволяют обеспечить необходимый уровень длительной прочности при испытании при температуре 550 °С и напряжении 800 МПа, а также высокий уровень их предела выносливости.

3. Результаты исследований могут быть использованы при разработке технологических процессов изготовления лопаток компрессора и других деталей ГТД из жаропрочных сплавов с применением операций холодного деформирования.

Список литературы

1. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки компрессора и вентилятора. Часть I. Монография / [ В. А. Богуслаев, Ф. М. Муравченко, П. Д. Жеманюк и др.] — Запорожье : изд. АО «Мотор Сич», 2003. - 369 с.

2. Влияние точной штамповки и холодного вальцевания пера рабочих лопаток компрессора из жаропрочных сплавов на качество их изготовления / [ Ю. С. Кресанов, А. В. Богуслаев, А. Я. Качан, Л. И. Гасик] // Вестник двигателестроения. — 2010. - № 1. — С. 60-71.

Поступила в редакцию 10.02.2014

Кресанов Ю.С., Качан О.Я., Павленко Д.В., Уланов С.О. Вплив холодного дефор-мування та тер]Мчно1 обробки жаромщного сплаву на експлуатацiйнi властивост1 лопаток компресора ГТД

У po6omi визначено вплив холодного деформування (вальцювання) та mepMi4Hoi обробки жаромщного сплаву на довготривалу мщнсть та отр втомленостi робочих лопаток компресора ГТД.

Ключовi слова: жаромщний сплав, робоча лопатка, штамповка, холодне вальцювання, термообробка, тривала мщнсть, межа витривалостi.

Kresanov Yu., Kachan A., Pavlenko D., Ulanov S. Effect of cold eformation and heat treatment of heat-resistant alloy on performance of gas-turbine drive compressor blades

This paper determines the effect of heat-resistant alloy cold deformation (rolling) and heat treatment conditions on stress-rupture and fatigue properties of gas-turbine drive compressor rotor blades.

Key words: heat resistant alloy rotor blade, stamping, cold rolling, heat treatment, long-term strength, endurance limit.