CC BY
20
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
УДК 669.018.4:621.762
ЗАГОТОВКИ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДИСКОВ С ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНЫМИ СВОЙСТВАМИ ИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГРАНУЛИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
А.А. Бочарова, Н.М. Гриц, канд. техн. наук, А.М. Казберович, канд. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail: info@oaovils.ru)
Разработаны две технологические схемы изготовления заготовок биметаллического диска из комбинации двух сплавов. Исследованы механические свойства, а также характеристики долговечности материала диска в зоне ступицы, обода и переходной зоны между сплавами.
Ключевые слова: биметаллический диск, никелевые жаропрочные сплавы, гранулы, ГИП.
Advanced P/M Ni-Base Superalloy Bimetallic Discs with Functionally Gradient Properties. A.A. Bocharova, N.M. Grits, A.M. Kazberovich.
Two production routes have been developed to manufacture bimetallic discs using a combination of two alloys. Mechanical properties and service life characteristics of the disc material in the bore and rim regions and the transition zone between the alloys have been evaluated.
Key words: bimetallic disc, Ni-base superalloys, powders, HIP
Темпы научно-технического прогресса во многом определяются не только свойствами используемых и вновь создаваемых машин и механизмов, но и созданием новых материалов и инновационных технологий.
Достижение новых уровней характеристик материалов критических деталей авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) требует не только поиск и развитие материалов, но и решение новых оригинальных конструктор-ско-технологических задач.
В последнее время конструкторы начинают проявлять интерес и более серьезно относиться к новым тенденциям в развитии технологий производства, позволяющих изготавливать изделия с функционально-градиентными механическими свойствами, наиболее полно отвечающими реальным условиям эксплуатаци и, что связано с различными условиями работы диска ГТД в радиальном направлении (рис. 1, 2) [1, 2].
В частности, для дисков турбины газотурбинных двигателей оптимальной является
конструкция диска, обод которого состоял бы из сплава, обладающего высокими характеристиками длительной прочности при ра-
Рис. 1. Изменение температуры по сечению диска ГТД
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
0 200 400 600
о, МПа
Рис. 2. Эпюры напряжений в диске ГТД:
ог - радиальные напряжения; сте - окружные напряжения
бочей температуре и низкой скоростью распространения усталостной трещины (СРТУ), а ступица и полотно из сплава, обладающего высокими характеристиками кратковременной прочности и малоцикловой усталости.
Одним из перспективных направлений получения изделий с функционально-градиентными свойствами является технология изготовления биметаллических заготовок дисков. Суть данной технологии заключается в соединении в единую деталь различных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов методом горячего изостатического прессования (ГИП), которая обладает оптимальным сочетанием
Рис. 3. Схема засыпки гранул в капсулу
механических характеристик при комнатной и рабочей температурах в ободной и ступичной частях диска.
При создании биметаллического диска необходимо решить ряд проблем, связанных с выбором компромиссной термообработки, с состоянием переходной зоны между сплавами, а также с разработкой специальной технологической оснастки для обеспечения заданных геометрических параметров заготовки, включая границу раздела сплавов.
Метод металлургии гранул позволяет решить эти проблемы путем создания диска с градиентными свойствами и достичь высокой прочности ступицы и высокой жаропрочности обода диска, что соответствует реальным условиям его работы в составе ГТД.
В результате патентно-технических исследований выявлено несколько разработок по технологиям производства биметаллических заготовок из жаропрочных никелевых сплавов для дисков турбин газотурбинных двигателей, а также применения специальных режимов термообработки [3-6].
Например, вращающуюся капсулу заполняют последовательно гранулами или двух разных фракций, или разных сплавов (рис. 3). Первичное уплотнение достигается за счет центробежной силы. После заполнения капсулы проводят горячее изостатическое прессование. Таким образом, формируют две выраженные зоны: или крупного и мелкого зерна, или из разных сплавов.
Фирма General Electric предлагает другой метод засыпки капсул двумя видами гранул. Гранулы двух сплавов засыпают в разные зоны заготовки, разделенные цилиндрической вставкой, которую удаляют после заполнения капсулы (рис. 4). Этот метод засыпки позволяет получить фиксированную границу между зонами с разными гранулами без глубокого взаимного проникновения гранул.
Имеется и другое техническое решение, в котором предлагается проведение двухступенчатого ГИП последовательно заполняемых частей капсулы. Метод заключается в том, что в цилиндрическую капсулу между двумя концентрическими цилиндрами засыпают гранулы и подвергают ГИП при температуре выше температуры полного растворения /-фазы - для по-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Рис. 4. Схема засыпки гранул в капсулу с цилиндрической вставкой:
а - капсула с гранулами, разделенными цилиндрической вставкой; б - капсула с гранулами после извлечения цилиндрической вставки
лучения крупнозернистой структуры на ободе диска. Затем капсулу удаляют, а откомпактиро-ванный цилиндр заполняют гранулами и вновь подвергают ГИП при температуре ниже температуры полного растворения у'-фазы - для получения мелкозернистой структуры ступицы и полотна.
Еще одна схема получения биметаллического диска заключается в том, что предварительно изготавливают заготовки внешнего (внутреннего) кольца и укладывают в пресс-форму, после чего оставшийся объем засыпают гранулами второго сплава. Этот метод засыпки позволяет получить фиксированную границу между зонами с разными гранулами, без их глубокого взаимного проникновения.
Существует ряд технических решений по формированию различной структуры по сечению, которые следует особо выделить, так как все они относятся к стадии термической обработки заготовок. Практически все методы получения разнородной структуры основаны на том, что нагрев заготовки с мелкозернистой деформированной структурой осуществляется выше или ниже температуры полного растворения упрочняющей у'-фазы в двухфазной или в однофазной области, что позволяет получить более крупное или более мелкое зерно по сечению заготовки.
Поддержание разной температуры в различных частях заготовки в процессе нагрева под закалку позволяет создавать градиент температуры и формирует зерно разного размера. Все способы получения переменной по сечению структуры за счет создания градиента температур имеют один существенный недостаток - это сложность поддержания требуемого температурного градиента во времени, что приводит к низкой воспроизводимости результатов.
Проанализировав вышеописанные технические решения, для реализации были выбраны две схемы производства биметаллического диска:
- метод соединения гранул заранее отком-пактированной ободной или ступичной части заготовки диска из одного сплава путем проведения повторного ГИП с гранулами другого сплава (далее схема «компакт + гранулы»);
- метод горячего изостатического прессования предварительно засыпанных в разные части капсулы гранул с заданной границей раздела материалов, определяемой конструкцией готовой детали (далее схема «гранулы + гранулы»).
При подборе пары сплавов для изготовления биметаллического диска необходимо было получить требуемую разницу в свойствах по сечению диска, а также обеспечить компромиссные режимы термообработки и горячего изостатического прессования для выбранной пары материалов. Для выбора пары материалов рассматривали новые жаропрочные гранулируемые сплавы класса ВВП, разработанные в ВИЛСе, которые наиболее полно отвечают заявленным требованиям (табл. 1). Также они должны обладать запасом «технологичности» по основным параметрам ГИП и термической обработки: по температуре окончательной выдержки при ГИП, температуре и времени нагрева под закалку, а также темпе-ратурно-временным параметрам ступенчатого старения для возможности их осуществления по компромиссным режимам для выбранной пары материалов.
Анализ уровня механических характеристик дисковых материалов класса ВВП показал, что оптимальным вариантом для создания биметаллического диска является пара но-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Таблица 1
Механические свойства и характеристики длительной прочности новых сплавов класса ВВП
Сплав Механические свойства, 20 °С Длительная прочность, МПа Малоцикловая усталость на базе N = 104 циклов, МПа
ств, МПа ст02, МПа 8, % V, % KСU, Дж/см2 650 °С 750 °С 650 °С
ВВ750П 1550 1150 13 13 35 1140 750 1100
ВВ751П 1600 1200 15 14 25 1100 620 1150
ВВ752П 1650 1220 13 13 25 1150 630 1180
вых перспективных никелевых жаропрочных сплавов ВВ750П и ВВ752П. Сплав ВВ750П обладает высоким уровнем длительной прочности до температуры 750 °С и подходит для ободной части диска, а сплав ВВ752П, имеющий высокие показатели кратковременной прочности при комнатной температуре и сопротивления МЦУ при температуре 650 °С, подходит для ступичной части диска.
Для выбора компромиссных режимов ГИП и термической обработки сплавы должны иметь близкие температурные значения «критических» точек. Выбранные сплавы ВВ750П и ВВ752П имеют несущественное различие в значениях температур полного растворения упрочняющей интерметаллидной /-фазы, составляющее ~ 5 °С, что позволяет подобрать режимы ГИП и термической обработки таким образом, чтобы максимально сохранить структурные параметры, а значит и заявленные механические характеристики выбранных сплавов.
На первом этапе были проведены эксперименты по исследованию поведения используемых сплавов при различных режимах компактирования, в том числе повторного, и последующей термообработки на опытных раздельных и биметаллических образцах.
Цель проведенных экспериментов - определить формируемый в сплавах размер зерна, поведение фаз и состояние переходной зоны между сплавами, и на основании этих данных установить возможность осуществления той или иной опытной технологической схемы по разработанным технологическим параметрам.
Исследования показали, что:
- проведение двойного ГИП и последующей термической обработки на каждом из выбранной пары сплавов не приводило к за-
метному росту зерна и появлению нежелательных структурных составляющих;
- существует принципиальная возможность использования в качестве составной части биметаллического диска предварительно компактированного материала как из сплава ВВ752П для ступицы, так и из сплава ВВ750П для обода;
- переходная зона во всех исследованных вариантах соединения пары сплавов ВВ752П и ВВ750П свободна от нежелательных фаз и структурных составляющих;
- в переходной зоне, сформированной за счет использования компактной заготовки и гранул, образуется фиксированная поверхность раздела между сплавами;
- в случае использования варианта соединения «гранулы + гранулы» граница раздела сплавов не фиксирована, она более плавная. В переходной зоне размером 300-500 мкм имеет место взаимное перемешивание гранул двух сплавов и их диффузионное сращивание.
Для создания биметаллического диска был разработан и согласован с ОАО «Авиадвигатель» чертеж-нормаль заготовки диска-имитатора (рис. 5). Граница соединения сплавов была рассчитана и задана конструкторами «Авиадвигателя».
Сплав Сплав ВВ750П ВВ752П
\
шшш ш шшш» шшш
А хЛ
Т
Рис. 5. Заготовка биметаллического диска-имитатора
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Руководствуясь результатами экспериментов, для получения такой заготовки рассматривали две схемы изготовления:
1) «компакт + гранулы» - соединение предварительно скомпактированного закладного элемента из гранул сплава ВВ752П с гранулами сплава ВВ750П;
2) «гранулы + гранулы» - соединение гранул сплавов ВВ750П и ВВ752П.
Следует отметить, что схема « гранулы + гранулы» для производства биметаллического диска была реализована впервые. Для этого было разработано оригинальное техническое решение, которое позволило реализовать указанную технологическую схему.
При разработке конструкции капсулы необходимо было обеспечить фиксированную границу раздела двух сплавов, заданную чертежом-нормалью, и перемещение ее в определенное положение после операции ГИП, что было успешно реализовано при создании такой заготовки.
Термическую дегазацию гранул в капсуле и ее герметизацию проводили с помощью специально разработанной оснастки по оригинальному режиму.
Результаты исследования, полученные при проведении экспериментов, позволили разработать компромиссные режимы прессования и термической обработки.
Разработанный режим термической обработки обеспечил максимально возможный уровень жаропрочности сплава ВВ750П, используемого для обода, с формированием достаточно крупной у'-фазы и выделением вторичных карбидов по границам зерен, а также наиболее высокие механические характеристики ступицы из сплава ВВ752П.
Для получения наиболее полной информации по механическим и структурным характе-
Рис. 7.. Изменение содержания Т, ЛЬЬ, Мо вдоль прямой, перпендикулярной переходному слою.
Заготовка диска, изготовленного по схеме «компакт + гранулы»
ристикам биметаллических дисков, изготовленных по разным схемам, и оценки состояния прочности зоны соединения использованных сплавов, были проведены всесторонние исследования двух заготовок дисков.
Травление на макроструктуру отчетливо выявило зону контакта двух сплавов за счет разной травимости и различия в размере зерна в сплавах (рис. 6).
Исследование макроструктуры показало, что переходная зона представляет собой четкую прямую линию, являющейся образующей цилиндрической поверхности.
Для оценки глубины переходного слоя в заготовках биметаллических дисков методом МРСА перпендикулярно переходному слою было измерено изменение содержания титана, ниобия и молибдена (рис. 7, 8)*. Эти элементы были выбраны для анализа потому, что их
Рис. 6.. Макроструктура радиального темплета биметаллического диска
* Работа выполнена лабораторией МФИ Испытательного центра ОАО ВИЛС.
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Рис. 8.. Изменение содержания Т, ЫЬ, Мо вдоль прямой, перпендикулярной переходному слою. Заготовка диска, изготовленного по схеме «гранулы + гранулы»
концентрация в указанных сплавах имеет наибольшие различия и, кроме того, пики ниобия и молибдена на спектрах частично перекрываются. Химический состав определяли на участках площадью 20 х 60 мкм с шагом 50 мкм в переходном слое и с шагом 100 мкм в зонах расположения сплавов ВВ750П и ВВ752П. На рис. 7 и 8 в виде ломаных кривых представлены среднеквадратичные значения концентраций этих элементов. Видно, что переходная зона в обеих заготовках примерно одинакова и имеет глубину не более 1 мм.
Результаты испытаний длительной прочности и сопротивления МЦУ, полученные при дифференцированном подходе к назначению условий испытания обода и ступицы, показали полное соответствие возможностям использованных сплавов - высокую жаропрочность сплава ВВ750П и высокое сопротивление МЦУ сплава ВВ752П.
Образцы для испытания механических свойств в переходной зоне вырезали таким
образом, чтобы зона контакта сплавов попадала в рабочую часть каждого вида образца.
Испытания на сопротивление МЦУ при 650 °С проводили при напряжении 1059 МПа, которое способен выдержать менее прочный сплав ВВ750П.
Результаты испытаний образцов с переходной зоной в рабочей части показали, что по механическим свойствам при 20 °С и длительной прочности при 650 °С переходная зона равнопрочна с соединяемыми сплавами.
При температуре испытания 750 °С длительная прочность образцов с переходной зоной соответствует менее жаропрочному сплаву ВВ752П, а по сопротивлению МЦУ при температуре 650 °С - менее прочному сплаву ВВ750П.
После испытания механических свойств поверхность всех разрушенных образцов с переходной зоной в рабочей части была потравлена в реактиве Васильева для выявления расположения зоны разрушения относительно зоны контакта сплавов. Было установлено, что разрушение образцов при испытании на растяжение, произошло во всех случаях по менее прочному сплаву ВВ750П (табл. 2).
При испытании на длительную прочность при повышенной температуре 750 °С разрушение во всех случаях происходило по менее жаропрочному сплаву ВВ752П.
При температуре испытания 650 °С оба используемых сплава имеют одинаковую длительную прочность 1099 МПа, поэтому была одинакова вероятность разрушения по любой зоне. В связи с этим разрушение произошло и по тому, и по другому сплаву, а в варианте исполнения «компакт + гранулы» даже по переходной зоне. При этом образец простоял 120 ч.
Исходя из возможностей использованных сплавов, разрушение должно происходить по менее прочному сплаву ВВ750П. Однако при испытании сопротивления МЦУ образцов с переходной зоной в рабочей части не наблю-
"Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
-Ф
Таблица 2
Разрушение образцов с переходной зоной в рабочей части
Схема Вид испытаний Внешний вид и номер образца Место разрушения (сплав)
«Компакт+ гранулы» Растяжение 20 °С ВВ750П
22
Длительная прочность 650 °С, ст = 1099 МПа 12 20 ВВ752П Переходная зона
Длительная прочность 750 °С, ВВ752П
ст = 628 МПа 17
МЦУ мтт —и'ИЯИ ВВ750П
15 ВВ752П
~ 18 '
«Гранулы+ гранулы» Растяжение ВВ750П
20 °С
22
Длительная прочность 650 °С, ст = 1099 МПа _ ВВ750П
Лй1 ~тДШ
12
Длительная прочность 750 °С, ст = 628 МПа 20 ВВ752П ВВ752П
21
МЦУ ВВ750П
18 ВВ752П
1Д'11 ■ —
14
б
Рис. 9. Вид излома образца 20, разрушившегося по переходной зоне:
а - сплав ВВ750П; б - сплав ВВ752П
дали закономерности в расположении зоны разрушения.
Фиксированная граница контакта сплавов в диске, изготовленном по схеме «компакт + гранулы», проявилась в изломе жаропрочного образца 20, разрушившегося по переходной зоне. На половине излома со стороны сплава ВВ750П отчетливо видны гранулы, а на другой - углубления от этих гранул, вдавленных в компакт сплава ВВ752П (рис. 9)*.
Поскольку при испытании данного образца наблюдали разрушение непосредственно в переходной зоне, было пред-
* Работа выполнена канд. техн. наук А.С. Файнброном.
-Ф
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
1 2 3 4 5 6 7 кеУ г
1 2 3 4 5 6 7 кеУ д
Рис. 10. Микроструктура заготовки биметаллического диска в переходной зоне. РЭМ (а, б, в), МРСА (г, д):
а, б - изображение во вторичных электронах; в - изображение в обратно рассеянных электронах
принято дополнительное исследование зоны контакта между компактом и гранулами (рис. 10). На границах зерен видны темные образования (рис. 10, а-в), в спектре которых наблюдается повышенное содержание А1
Ступица, компакт ВВ752П Переходная зона Обод, гранулы ВВ750П
Рис. 11. Микроструктура биметаллического диска, схема «компакт + гранулы»:
а - травление на зерно, х100; б - травление на у'-фазу, х300; в травление на карбиды, х300
(рис. 10, г, д). Скорее всего, это следы окисления поверхности компактной заготовки.
В дополнительных исследованиях установлено, что структура в зонах соединенных сплавов ВВ750П и ВВ752П однородная рекри-сталлизованная, без следов избыточной фазы, с размером зерна и карбидами, типичными для каждого сплава (рис. 11, 12).
В переходных зонах дисков, изготовленных по разным технологическим схемам, не наблюдается каких-либо нежелательных фаз и структурных составляющих.
В схеме соединения «компакт + + гранулы» зона контакта гранул сплава ВВ750П с компактом сплава ВВ752П фиксируется карбидами на границе контакта, а также слегка проявляется при травлении на фазу. При этом имеет место взаимное неглубокое прорастание зерен (см. рис. 11), которое обеспечивает достаточную прочность зоны контакта. Поэтому при всех видах проведенных испытаний она не явилась причиной разрушения .
в
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В схеме соединения «гранулы + гранулы» фиксированной границы не наблюдается, есть взаимное перемешивание гранул двух сплавов (см. рис. 12).
В данном диске разрушения по переходной зоне не происходило даже при равнопрочности зон.
Выводы
1. Разработаны две опытные технологические схемы изготовления заготовок биметаллического диска - «компакт + гранулы» и «гранулы + гранулы» - из комбинации сплавов ВВ750П и ВВ752П.
2. Разработаны компромиссные режимы компактирования (ГИП) и термической обработки для соединяемых сплавов.
3. Исследован уровень механических и жаропрочных характеристик, а также долговечность материала диска в зоне ступицы (сплав ВВ752П), обода (сплав ВВ750П) и переходной зоны между сплавами при контрольных и всесторонних испытаниях.
На биметаллических дисках, изготовленных по двум схемам соединения, получены функционально-градиентные свойства - на ободе высокая жаропрочность (736 МПа при 750 °С), а в ступице - высокая прочность (ств 1 1520 МПа)
и сопротивление МЦУ (ст 4 = 1138 МПа).
4. Переходная зона в дисках, изготовленных по двум опробованным схемам соединения (компакт ВВ752П + гранулы ВВ750П и гранулы ВВ750П + гранулы ВВ752П), обладает достаточной прочностью и не является зоной разрушения при всех видах испытаний в условиях комнатной и рабочих температур.
Ступица, компакт ВВ752П Переходная зона
Обод, гранулы ВВ750П
Рис. 12. Микроструктура биметаллического диска, схема «гранулы + гранулы»:
а - травление на зерно, х100; б - травление на у'-фазу, х300; в ■ травление на карбиды, х300
5. Зона контакта сплавов, сформированная в варианте соединения «гранулы + гранулы», имеет преимущество перед схемой «компакт + гранулы» в том, что не является строго фиксированной, а представляет собой область перемешивания гранул разных сплавов, что делает ее более устойчивой к разрушению из-за различия в коэффициентах термического расширения используемых сплавов.
6. При реализации схемы «компакт + гранулы» наблюдается взаимное прорастание зерен, которое обеспечивает достаточную прочность зоны контакта. При всех видах проведенных испытаний она не стала причиной разрушения образцов, за исключением одного случая, когда имела место равнопрочность всех зон.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
Loehnert K. Wrought Superalloys. Graduate School High Temperature Materials, WS 2006/2007, WTM. Биргер И.А., Дариевский В.М., Демьянуш-
ко И.В. и др. Расчет на прочность авиационных газотурбинных двигателей / Под ред. Биргера И. А.,
Котерова Н.И. - М.: Машиностроение, 1984. 208 с.
3. Пат. 4900635 US. 1989.
4. Пат. 7537725 US. 2005.
5. Пат. 4680160 US. 1985.
6. Пат. 7137787 US. 2005.
