CC BY
943
УДК 669.245.018.44:629.7
Б.С. Ломберг, С.В. Овсепян, М.М. Бакрадзе, И.С. Мазалов
ВЫСОКОЖАРОПРОЧНЫЕ ДЕФОРМИРУЕМЫЕ НИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
Представлены новые высокожаропрочные деформируемые никелевые сплавы и высокоэффективные технологии производства из них полуфабрикатов для дисков, корпусов, лопаток компрессора, жаровых труб камеры сгорания и других деталей перспективных газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.
E-mail: admin@viam.ru
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, технология, газотурбинный двигатель.
Постоянной тенденцией развития газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) является повышение температуры газа и эксплуатационных нагрузок.
Разработка новых и повышение характеристик серийных ГТД неразрывно связаны с ростом требований к материалам дисков. В последние годы для перспективных изделий за рубежом (NASA, General Electric, Snecma, Rolls-Royce) и в России (ВИАМ) активно проводятся работы по созданию жаропрочных сплавов с повышенными характеристиками длительной, кратковременной и циклической прочности.
В связи с этим обеспечение в деформируемых сплавах сочетания высокого уровня статических и циклических механических свойств, а также в листовых сплавах хорошей свариваемости является сложной и актуальной научно-технической задачей.
В табл. 1 приведены свойства лучших серийных и перспективных дисковых сплавов, разработанных во ФГУП «ВИАМ» и за рубежом.
Как видно из представленных данных, перспективные сплавы
*
ВЖ175-ИД и ЭП975А-ИД превосходят зарубежные материалы по жаропрочности, не уступая при этом по другим эксплуатационным характеристикам. Применение этих сплавов обеспечивает повышение рабочих температур дисков на 100... 150 °С и ресурса турбин в 1,5 раза.
* Ломберг Б. СОвсепян С. ВБакрадзе М. М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения // Авиационные материалы и технологии: Науч.-техн. сб. / ВИАМ, 2010. № 2. С. 3-8.
Таблица 1
Свойства жаропрочных сплавов для дисков турбин ГТД и ГТУ
Сплав „20 О , МПа „20 °0,2> МПа S, % Жаропрочность Оюо, МПа МЦУ о0, МПа (на базе 104 циклов) МЦУ он, МПа (на базе 104 циклов), надрез гн = 0,25 мм Т 1 раб? °С
650°С 750°С 650°С 750°С 650°С 750°С
ВЖ175-ИД 1595 1150 17,5 1050 640 1275 1130 550 490 750
ЭК151-ИД 1471 1050 21,0 1010 640 1090 1020 510 500 750
ЭП975А-ИД 1365 1070 17,0 - 755 - 950 - 490 975
Alloy 10 1650 1160 19,0 - 540 - - - - 700
LSHR 1700 1290 21,0 1020 1120 (при 700 °С) 700
N18 1580 1100 25,0 1000 500 - - - - 700
Примечания: 1. Для российских сплавов ВЖ175-ИД, ЭЛ151-ИД и ЭП975-ИД значения КСи соответственно равны 48, 39 и 49 Дж/см2.
2. Для сплава ЭП975-ИД при температуре 850 °С: Оюо = о£ = 440 МПа, о0 = 775 МПа.
Особый интерес вызывает новый сплав - ВЖ175-ИД. Впервые в мировой практике разработан дисковый материал, обладающий уникальным сочетанием механических свойств, превосходящий известные отечественные и зарубежные сплавы: по кратковременной и длительной прочности - до 15 %, по малоцикловой усталости - до 30 %, с максимальной температурой работы до 800 °С. Такие показатели достигнуты благодаря сбалансированному легированию, однородной мелкозернистой структуре (зерно 15...30 мкм) и оригинальному режиму термической обработки, обеспечивающему выделение упрочняющих фаз различной дисперсности, в том числе частиц размером менее 80 нм.
Для получения крупногабаритных штамповок из этого сплава разработана промышленная технология, включающая получение слитков двойной вакуумной выплавки (ВИ + ВДП), специальную подготовку структуры слитка для повышения пластичности заготовки, деформацию на промежуточную заготовку и штамповку на вертикальных гидравлических прессах.
В промышленных условиях ОАО «Металлургический завод «Электросталь» и ОАО «Ступинская металлургическая компания» было освоено производство крупногабаритных заготовок дисков из сплава ВЖ175-ИД диаметром до 600 мм, весом до 180 кг (рис. 1).
Рис. 1. Крупногабаритные заготовки дисков из нового сплава ВЖ175-ИД
В последние годы во ФГУП «ВИАМ» была разработана и реализована инновационная технология изотермической штамповки на воздухе в целях получения экономичных высококачественных заготовок дисков из высокожаропрочных никелевых сплавов для малоразмерных ГТД (рис. 2).
Разработка технологии была вызвана тем, что в настоящее время в металлургической промышленности отсутствует специализированное производство дисков диаметром до 300 мм для малоразмерных ГТД и ГТУ, которые широко используются в важных отраслях техники (вертолетные двигатели, вспомогательные силовые установки, двигатели для беспилотных летательных аппаратов и др.).
Рис. 2. Технология изотермической штамповки на воздухе жаропрочных деформируемых сплавов
До настоящего времени штамповки таких дисков изготовляли на оборудовании, предназначенном для производства крупногабаритных заготовок, поэтому коэффициент использования металла (КИМ) составлял 0,2...0,3, а штамповки имели разнозернистую структуру и характеризовались нестабильным уровнем механических свойств. Применение новой технологии изотермической штамповки на воздухе обеспечило:
• увеличение КИМ в 2-3 раза (с 0,2.0,3 до 0,5.0,6) за счет уменьшения припусков и оптимизации формоизменения по переходам штамповки;
• снижение трудоемкости механической обработки деталей и энергоемкости производства в 3-5 раз в результате сокращения операций технологического передела и использования оборудования меньшей мощности;
• повышение однородности макро- и микроструктуры, высокую стабильность свойств (дисперсия механических свойств уменьшилась в 1,5-2,0 раза);
• снижение стоимости штамповок в 1,5-2,0 раза.
Отличительной особенностью новой энерго- и ресурсосберегающей технологии, по сравнению с зарубежными, является то, что высокотемпературная изотермическая штамповка проводится на воздухе, а не в сложных вакуумных установках с молибденовыми штампами, а это удешевляет процесс и повышает его производительность. Кроме того, особенность этой технологии заключается в использовании в качестве исходной заготовки для изотермической штамповки как серийного пресс-прутка диаметром 80.150 мм, так и мерного слитка, полученного литьем методом высокоградиентной направленной кристаллизации (ВГНК).
Для практической реализации новой технологии во ФГУП «ВИАМ» создано опытно-промышленное производство по изготовлению штамповок дисков ГТД и ГТУ производительностью до 1500 заготовок в год. Проведена модернизация технологического оборудования, которая позволяет осуществлять процессы нагрева и формоизменения заготовки в автоматическом режиме по компьютерной программе, обеспечивающей высокую точность оптимальных термомеханических параметров деформации. Штамповки изготовляются на изотермических прессах усилием 6,3 и 16 МН с индукционным нагревом.
Важнейшим элементом технологии изотермической штамповки на воздухе является применение разработанных во ФГУП «ВИАМ» защитных технологических покрытий, которые служат одновременно высокотемпературной смазкой.
Представленная технология и комплекс созданного оборудования для ее реализации не имеет аналогов в отечественной и зарубежной
промышленности. Работа удостоена премии Правительства РФ за 2010 г. и отмечена тремя золотыми медалями на международных выставках по изобретениям.
Во ФГУП «ВИАМ» разработаны и освоены в промышленном производстве новые жаропрочные свариваемые всеми видами сварки никелевые сплавы, существенно превосходящие по своим характеристикам серийные российские и зарубежные аналоги, предназначенные для перспективных изделий.
Высокотехнологичный ремонтоспособный сплав ВЖ159 имеет значительные преимущества по свойствам и структурной стабильности перед серийно применяемым сплавом ЭП648 (табл. 2). Промышленное производство полуфабрикатов из этого материала освоено на ОАО «Металлургический завод «Электросталь», ОАО «Русполимет», ОАО «Ашинский металлургический завод» (штанги, прутки, поковки, кольцевые заготовки, лист).
Таблица 2
Характеристики свариваемых жаропрочных сплавов
Сплав о20/у, км обой, МПа __1000 о100 , МПа Термостойкость, циклы (в режиме 1000 °С ^ 200 °С
ВЖ159 14,2 650 30 500
ЭП648 9,5 300 25 75
Примечание. Свойства сварных соединений а™ =0,9ав исходного материала; Укр = 4,2 мм/мин.
Высокопрочный свариваемый сплав ВЖ172 (рис. 3) для изготовления широкой номенклатуры деталей горячего тракта ГТД (корпуса, лопатки КВД, опоры турбины) превосходит по свойствам серийные российские сплавы и широко известный зарубежный сплав 1псо 718 (табл. 3). Промышленное производство полуфабрикатов из него (прутки, кольца, поковки, листы) освоено на ОАО «Металлургический завод «Электросталь» и ОАО «Русполимет».
Таблица 3
Свойства нового высокопрочного свариваемого сплава ВЖ172 в сравнении с серийными аналогами
Сплав Т °С 1 раб? ^ 020 020 о0,2 о6с°00 0700 о100 о800 0700 о0,2/100
МПа
ВЖ172 900 1400 1080 970 640 310 450
ЭП718 700 1150 800 810 470 180 320
ЭП708 800 1100 720 740 480 250 400
Inco 718 650 1250 950 850 400 - -
м
Ш
&SS
Разработанные во ФГУП «ВИАМ» свариваемые высокотемпературные сплавы ВЖ155 и ВЖ171, упрочняемые химико-термической обработкой, превосходят по комплексу характеристик все известные российские и зарубежные сплавы на хромоникелевой основе (рис. 4). Отличительная особенность этих материалов заключается в том, что изготовление конструкции (ковка, прокатка, штамповка, сварка) производится
из неупрочненного высокотехнологичного материала, аналогичного гомогенным сплавам. Специальной химико-термической обработке подвергается готовая деталь или узел. При этом обеспечиваются повышение рабочей температуры детали до 1250 °С, снижение расхода охлаждаемого воздуха и топлива.
Рис. 3. Структура (х100) сплава ВЖ172
Рис. 4. Свойства и структура свариваемых высокотемпературных сплавов
Таким образом, в течение последних семи лет во ФГУП «ВИАМ» создан научно-технический задел по высокожаропрочным деформируемым материалам для ГТД новых поколений.
Статья поступила в редакцию 31.10.2011
