CC BY
47
УДК 669.018.44:669.245
Б.С. Ломберг1, Н.В. Моисеев1, М.Н. Летников1, А.В. Короткий1
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА ИСХОДНЫХ ПРЕСС-ПРУТКОВ ПЕРЕД ДЕФОРМАЦИЕЙ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШТАМПОВОК ИЗ СПЛАВА ЭП742-ИД
DOI: 10/18577/2307-6046-2018-0-5-12-17
Исследованы процессы рекристаллизации пресс-прутков из сплава ЭП742-ИД, используемых в качестве заготовок при изотермической штамповке дисков малоразмерных ГТД. Определено влияние рекристаллизационного отжига в однофазной области на механические свойства материала штамповок после окончательной термической обработки.
Ключевые слова: рекристаллизация, рекристаллизационный отжиг, микроструктура, механические свойства.
B.S. Lomberg1, N. V. Moiseev1, M.N. Letnikov1, A. V. Korotkiy1
THE INFLUENCE OF ANNEALING TEMPERATURE IN ORIGINAL PRE-DEFORMATION ROUND BARS ON STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF FORGINGS MADE OF EP742-ID ALLOY
Recrystallization of original compacted round bars made of EP742-ID alloy, used as a blank to the isothermal forging process of small-sized disks for gas-turbine engine, has been researched. Influence of recrystallization annealing in a single-phase area on mechanical properties offorgings material after finish heat treatment has been determine.
Keywords: recrystallization, recrystallization annealing, microstructure, mechanical properties.
^Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru
Введение
В настоящее время для малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД) широкое применение нашли диски из жаропрочного деформируемого сплава ЭП742-ИД, которые производятся во ФГУП «ВИАМ» [1-4].
Исходными заготовками штамповок дисков для малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД) являются пресс-прутки диаметром 140-150 мм, производимые методом экструзии из слитков 0320 мм двойной вакуумной выплавки (ВИ+ВДП).
Вследствие невозможности достижения на имеющемся промышленном оборудовании достаточной для получения однородной макро- и микроструктуры степени вытяжки при деформации, структура по сечению пресс-прутков имеет неоднородный характер. Этот недостаток частично устраняется в процессе изготовления штамповок с помощью гомогенизирующих отжигов, последующей деформации и окончательной термической обработки.
Однако полностью исключить «наследственное» влияние исходной структуры пресс-прутков при существующей технологии производства штамповок дисков не удается. Это обстоятельство в первую очередь отражается на размере микрозерна и
приводит к недостаточной стабильности пластических характеристик материала штампе-20° 20° ^/^тт20°ч повок дисков (о , у , KCU ).
Для повышения стабильности свойств штамповок дисков после окончательной термообработки, снижения количества повторных испытаний проведена работа по корректировке режима отжига пресс-прутков 0150 мм из сплава ЭП742-ИД перед началом деформации [5-8].
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 9.7. «Высокотемпературные деформируемые сплавы и композиционные материалы, упрочненные тугоплавкими металлическими волокнами и частицами, карбидами, нитридами и др., истираемые уплотнительные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].
Материалы и методы
В качестве исходных заготовок для штамповок дисков шифра ИШ0-90 использовали пресс-прутки 0150 мм сплава ЭП742-ИД, изготовленные в условиях АО «Металлургический завод «Электросталь» методом двойной вакуумной выплавки (ВИ+ВДП) с последующим прессованием на горизонтальном прессе с усилием 63 МН. Пресс-прутки поставлялись во ФГУП «ВИАМ» по ТУ14-131-663-86.
После проведения входного контроля и гомогенизационного отжига мерные заготовки подвергались ковке в изотермических условиях на гидравлическом прессе с усилием 1600 тс (ПА-2642), а затем после отжига - штамповке в два перехода также в изотермических условиях на гидравлическом прессе с усилием 630 тс (ПА-2638).
Отжиг штамповок и термическую обработку проводили в камерных печах типа ПСКО 1250/640.50.80 [9, 10].
Исследование микроструктуры проводили на оптическом микроскопе Olympus GX-51, изображения обрабатывали в программе Analisys Start. Контроль микроструктуры (размер зерен) проводили по ГОСТ 5639-82 [11].
Значения кратковременной прочности, ударной вязкости и длительной прочности определяли в соответствии с требованиями ТУ1-595-3-725-2013 из кольцевых припусков штамповок.
Результаты и обсуждение
Пресс-прутки 0150 мм из сплава ЭП742-ИД, из которых изготавливают штамповки дисков шифра ИШО-90, вследствие существующих условий деформации имеют неравномерный размер зерен от периферии к центру прутка.
Для подготовки заготовок к деформации с целью выравнивания структуры и снятия напряжений проводили гомогенизирующий отжиг в двухфазной области.
Как показали исследования (рис. 1), при существующей температуре отжига заготовок ниже температуры полного растворения упрочняющей у'-фазы (Гп.ру<) не происходит полной рекристаллизации структуры и при этом наблюдается существенная раз-нозернистость.
Очевидно, что наследственность от текстуры прессованного прутка сохраняется до последних технологических операций получения штамповок и не позволяет в полной мере реализовать возможности материала - особенно по значениям пластичности (5, у) и ударной вязкости (KCU).
Для устранения этого недостатка исследовали влияние температуры отжига перед деформацией на структуру и механические свойства штамповок дисков после окончательной термообработки. При этом необходимо учесть изменение значений температуры Тпру' в зависимости от суммы основных упрочняющих элементов в сплаве (Ti, Al, Nb) в пределах марочного состава сплава ЭП742-ИД (рис. 2).
Рис. 1. Микроструктура (*100) края (а) и центра (б) пресс-прутка 0150 мм из сплава ЭП742-ИД после отжига при температуре ниже Тпру'
Рис. 2. Изменение температуры Тпру< в зависимости от суммы основных упрочняющих элементов сплава ЭП742-ИД
Из приведенных на рис. 2 данных видно, что изменение значений температуры Тпру' в зависимости от плавочного химического состава составляет порядка 10-12°С. Такая разница по значениям температуры (рис. 3) приводит при Гзакалки>Гпру< к заметному укрупнению зерна и существенному снижению пластических характеристик (5, у, КСУ), а при Тзакалки<Тпру' - к неполной рекристаллизации и снижению длительной прочности.
Рис. 3. Микроструктура штамповки диска из сплава ЭП742-ИД при температуре закалки меньше (а), равной (б) и больше температуры Тпру< (в)
В ранее проведенных исследованиях [12-15] показано, что оптимальный комплекс механических свойств штамповок дисков соответствует температуре закалки после окончательной термообработки, равной Тп.ру<.
Для выбора режима отжига исходного прутка исследована макро- и микроструктура из центральной части исходного прутка (наименее проработанная зона) при различной температуре отжига в однофазной области (>Тпру') в интервале температур (Тпру'+5°С)^(Тпру'+45°С) - рис. 4 и 5. Как видно из приведенных фотографий, уже при температуре Тп.ру<+5°С проходит рекристаллизация по всему сечению прутка. При этом во всем сечении прутка макроструктура равномерная (рис. 6).
Рис. 4. Макроструктура (х5) центральной части пресс-прутка 0150 мм после различных температур отжига:
а - <Гп.рГ; б - Тп.рУ+5°С; е - 7Л.рУ+25°С; г - 7Л.рУ+45°С
Рис. 5. Микроструктура ( температур отжига:
00) центральной части пресс-прутка 0150 мм после различных
а - Тп.рУ+5°С; б - ТарУ+25°С; е - Гп.рГ+45°С
Рис. 6. Микроструктура (*100) по сечению пресс-прутка после отжига при температуре
Тп.ру'+25°С:
а - край прутка; б - 1/2 радиуса; в - центр прутка
Для эксперимента выбрана температура Тп.ру<+25°С, так как при этой температуре процесс рекристаллизации закончен и дальнейшее повышение температуры только приводит к росту макро- и микрозерна, что может отрицательно сказаться на уровне технологической пластичности материала.
Из трех опытных заготовок пресс-прутка 0150 мм после отжига при температуре, равной Тпру<+25°С, по серийной технологии изготовлены штамповки шифра ИШ0-90. На рис. 7 приведена микроструктура из кольцевого припуска штамповки после окончательной термообработки (Тзакалки=Тпру<). Видно, что микроструктура штамповки однородная с преимущественным размером зерна 3-5 балла по шкале 1 (ГОСТ 5639-82).
Рис. 7. Микроструктура (*100) штамповки И1110-90 (кольцевой припуск) после окончательной термообработки (температура отжига исходной заготовки перед деформацией Тпру<+25°С)
В таблице приведены механические свойства по ТУ1-595-3-725-2013 опытных штамповок, определенные из кольцевых припусков. Для сравнения приведены данные по десяти серийным штамповкам, взятым из той же исходной плавки.
Механические свойства штамповок ИШО-90 (средние значения)
Условный номер плавки Температура отжига перед деформацией Количество образцов Механические свойства при 20°С Длительная прочность при 650°С
Ов О0,2 5 V KCU, кДж/м2 О, МПа т, ч
МПа %
1 Тп.ру'+25°С 3 1440 970 20,5 20 4,9 850 >55
Т ,-45°С ± п.ру' ^^ ^ 10 1400 970 14,5 14,5 3,4 850 >55
2 Т +25°С ± п.ру' ^^ ^ 25 1430 990 18,0 17,0 4,7 850 >55
Т ^45°С ± п.ру' ^^ ^ 37 1400 960 15,0 14,0 3,7 850 >56
По ТУ1-595-3-725-2013 >1230 >770 >13 >14 >3,0 850 >50
Проверка выявленных закономерностей на большем количестве заготовок подтвердила полученные значения.
Заключение
Проведение отжига перед деформацией при температуре на 15-25°С выше Гпру' позволяет повысить стабильность пластических свойств (5, у, KCU) штамповок из сплава ЭП742-ИД, а также существенно снизить количество повторных испытаний и повторных термообработок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Современные материалы - основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10-15.
3. Каблов Е.Н. Материалы нового поколения - основа инноваций, технологического лидерства и национальной безопасности России // Интеллект & Технологии. 2016. №2 (14). С.41-46.
4. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19-36.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.
6. Колачев Б.А., Габидуллин Р.М. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1992. 272 с.
7. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. С. 19-45.
8. Суперсплавы / под ред. Ч.Т. Симса, Н.С. Столоффа, У.К. Хагеля. М.: Металлургия, 1995. Т. II, кн. 1. 384 с.
9. Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев А.В. Производство дисков ГТД из жаропрочных сплавов на изотермических прессах // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 13-16.
10. Пономаренко Д.А., Скугорев А.В., Сидоров С.А., Строков В.В. Технологические возможности специализированных изотермических прессов силой 6,3 и 16 МН в производстве деталей авиационно-космического назначения // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2015. №9. С. 36-41.
11. Чабина Е.Б., Алексеев А.А., Филонова Е.В., Лукина Е.А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов // Труды ВИАМ: электрон. научн.-технич. журн. 2013. №5. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.03.2018).
12. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1998. 464 с.
13. Чабина Е.Б., Филонова Е.В., Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М. Структура современных деформируемых никелевых сплавов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №6. С. 22-27.
14. Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Чабина Е.Б., Филонова Е.В. Взаимосвязь структуры и свойств высокожаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 25-30.
15. Бакрадзе М.М., Овсепян С.В., Шугаев С.А., Летников М.Н. Влияние режимов закалки на структуру и свойства штамповок дисков из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД // Труды ВИАМ: электрон. научн.-технич. журн. 2013. №9. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.03.2018).
