Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.245:621.433

Б.С. Ломберг, С.В. Овсепян, М.М. Бакрадзе

ОСОБЕННОСТИ ЛЕГИРОВАНИЯ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Разработаны и опробованы в производстве два новых высокожаропрочных никелевых сплава для дисков турбин: ВЖ175 и ЭП975А с максимальными температурами работы -до 800 и 975°С соответственно.

По комплексу свойств сплавы превосходят известные российские и зарубежные материалы аналогичного применения и могут быть использованы в газотурбинных двигателях нового поколения.

Ключевые слова: легирование, фазовая стабильность, отжиг, закалка, структура, свойства.

Постоянными тенденциями развития газотурбинных двигателей (ГТД) является повышение температуры и эксплуатационных нагрузок деталей ротора турбины. Для повышения параметров удельной тяги отечественных двигателей нового поколения, экономичности и ресурса, обеспечения их конкурентоспособности на мировом рынке, необходимо применять материалы, имеющие существенные преимущества по сравнению с серийными.

Трудности создания новых деформируемых сплавов, превосходящих известные сплавы по комплексу свойств, а также технологий их переработки связаны со сложностью их композиций.

Материалы и методики исследований

Вакуумно-индукционную выплавку опытных составов проводили в печи УППФ-3. Переплав в слитки массой 25 кг осуществляли на установке направленной кристаллизации УВНК-14.

Для деформации заготовок использовали прессы мощностью 630 и 1600 тс с изотермической установкой нагрева штампов УИДИН.

Микроструктуру сплавов изучали на оптическом микроскопе «Neophot-21» и растровом электронном микроскопе JSM-840. Основные характеристики микроструктуры (морфология, распределение и размеры выделений у'-фазы) на различных стадиях переработки материала были определены методом количественного анализа (обработка изображений в компьютерных программах Leica Q55GMW и Image Expert Pro 3).

Испытания на растяжение и длительную прочность проводили в соответствии с ГОСТ Р 1497 и ГОСТ Р 10145 (гладкие цилиндрические образцы с диаметром рабочей части d=5 мм и расчетной длиной l =25 мм на испытательных машинах ИР 5113 и ZST 2/3-ВИЭТ). Испытания на малоцикловую усталость (МЦУ) проводили по ГОСТ 25.502-79 в условиях циклического растяжения при коэффициенте асимметрии цикла R=0, при частоте нагружения 1 Гц.

Результаты исследований

Дисковые сплавы, созданные в ВИАМ: ЭИ698, ЭП742, ЭК79, ЭП975, ЭК151, -многие годы успешно применяются в ГТД различного назначения и не уступают по свойствам зарубежным материалам Inconel 718, Waspaloy, Udimet 72G, Rene 88DT, N18.

За последние 5 лет ведущими фирмами GE, P&W, «Rolls-Royse», NASA разработан ряд новых дисковых сплавов с рабочими температурами до 7000С, обладающих

высокими характеристиками прочности и трещиностойкости: Rene 104 [1], LSHR [2], Alloy 10 [3], RR1000 [4], Inco718Plus [5] и др.

Однако как для серийных материалов, так и для новых зарубежных сплавов не удалось решить проблему снижения жаропрочности и ползучести при уменьшении размера зерна. Наиболее перспективные зарубежные материалы LSHR и Alloy 10 в мелкозернистом варианте имеют прочность выше 1600 МПа (рис. 1), но с увеличением температуры значительно снижается их длительная прочность (рис. 2). Кроме того, обеспечить высокие значения малоцикловой усталости (рис. 3) и повысить рабочую температуру не позволяет метод производства заготовок дисков - гранульная металлургия.

eg 1500-

<u S К

^ 1100-

ев

К

700

ВЖ175 ЭК151-ИД ЭП741-НП ЭП975А N18 Rene 88DT Rene 104 LSHR Alloy 10

Рис. 1. Механические свойства при 20°С ( - ов; □ - о0,2) жаропрочных сплавов для дисков турбин

1300 Í ВЖ175

1200 -

1100

<u

s к

<u

N «

Л И

tf

к

900-

700-

500

« 1100

1 1000 -

900-

800-

700

LSHR ВЖ175

П

l i

i

п

= й ш V

i I

31 32 33 34 35

Параметр Ларсона-Миллера _Р=(460+ГХ20+^т)/100

Рис. 2. Длительная прочность жаропрочных сплавов для дисков турбин (Т, т - температур а и продолжительность испытаний)

650

850

700 750

Температура, ^

Рис. 3. Малоцикловая усталость на базе 104 цикл при Я=0 жаропрочных дисковых сплавов

В настоящее время для перспективных отечественных двигателей, особенно для военной авиации, требуются дисковые сплавы с высокой прочностью, жаропрочностью, МЦУ и рабочей температурой на ободе диска до 800°С.

Создание сплава, обладающего одновременно высокой кратковременной и длительной прочностью, является весьма сложной научно-технической задачей, и решить ее можно только комплексно - оптимизацией легирования, технологии производства и термической обработки.

В результате проведенных исследований в ВИАМ были разработаны новые сплавы для дисков турбин двигателей нового поколения. Первый - ВЖ175, обладающий высокой прочностью и жаропрочностью, с максимальной рабочей температурой -до 800°С, второй - ЭП975А, работоспособный до 975°С.

При разработке химического состава сплавов, для оценки уровня свойств и фазовой стабильности использовали физико-химическую модель на основе уравнений неполяризо-ванных ионных радиусов (СНИР) [6]. При этом оценивали всю совокупность составов, изменяя концентрации каждого из компонентов (14 компонентов) от минимальной до максимальной величины. На рис. 4 представлена диаграмма фазового состава разработанных сплавов и прототипов. Видно, что новые составы более стабильны.

Наиболее высокие свойства обеспечиваются повышенным содержанием ниобия в сочетании с комплексным микролегированием бором, магнием, скандием, лантаном и церием.

С целью обеспечения комплекса прочности, жаропрочности и сопротивления усталости, для дискового сплава ВЖ175 впервые в отечественной практике разработана термическая обработка, формирующая мелкозернистую структуру с размером зерен 15-20 мкм. В отличие от стандартной закалки - с температуры, близкой к температуре полного растворения у'-фазы (Тп.ру<), - новый режим включает предварительный отжиг при температурах ниже Тпру< и закалку из двухфазной области. Увеличение продолжительности отжига перед последней ступенью нагрева под закалку обеспечивает формирование однородного микрозерена и равномерное распределение частиц у'-фазы (рис. 5). Старение проводилось при 850 и 760°С.

Рис. 4. Диаграмма фазового состава жаропрочных никелевых сплавов (Ат; 2т - параметры твердого раствора):

□ - составы в которых обнаружены ТПУ фазы ц; ■ - составы без ТПУ фаз; ■; " ~ - области составов прототипов; СЦ^ - области оптимизированных составов; а-Ь, е-ё - границы стабильности твердого раствора по отношению к ц- и о-фазам

а)

2,35

2,45

2,55

2,65

2,75 7,,

б)

Рис. 5. Микроструктура (*100) сплава ВЖ175 после закалки из двухфазной области с предварительным отжигом:

а - отжиг по варианту 1 ( С' _ _ "> - зоны с неравномерной структурой); б - отжиг по варианту 2 (в два раза увеличено время выдержки)

Микроструктура сплава ВЖ175 представлена на рис. 6. Упрочнение частицами у'-фазы размером 4-7 мкм и более мелкими - от 40 до 700 нм - обеспечивает высокий уровень свойств и фазовую стабильность во всем диапазоне рабочих температур.

Рис. 6. Выделения у'-фазы разных размеров в сплаве ВЖ175 после термической обработки:

а - х100; б - х50000

Для сплава ЭП975А применяется отжиг в однофазной области с замедленным охлаждением до температуры ниже Гпру< с последующей быстрой закалкой. Старение -при 920 и 850°С. В результате формируется зерно размером 90-120 мкм и частицы у' размером 1-2 мкм и 80-300 нм (рис. 7). Такая структура обеспечивает работоспособность сплава до 975°С.

охлаждения при закалке, °С

Рис. 7. Микроструктура (х100) сплава Рис. 8. Влияние режима закалки на дли-

ЭП975А после термической обработки тельную прочность сплава ЭП975А

Особенностью современных высоколегированных деформируемых никелевых сплавов является необходимость нового подхода к проведению термической обработки. Он заключается в учете температуры полного растворения у'-фазы для каждой плавки и в применении оборудования с точностью поддержания температуры не ниже ±5°С. Важна также возможность автоматического регулирования скорости нагрева и охлаждения садки. На рис. 8 показано влияние разницы между температурами отжига и выгрузки из печи при закалке на длительную прочность сплава ЭП975А. Видно, что изменение температуры всего на 10°С приводит к снижению долговечности образцов на 40%.

Представленные свойства сплавов ВЖ175 и ЭП975А (в сравнении с материалами аналогичного применения - см. рис. 1-3) показывают, что сплав ВЖ175 превосхо-

дит лучшие дисковые отечественные и зарубежные материалы по комплексу свойств, а сплав ЭП975А не имеет себе равных по жаропрочности и рабочей температуре.

Для получения из новых сплавов штамповок дисков создана не имеющая мировых аналогов технология, по которой изготовлены диски для малоразмерных ГТД -вертолетных двигателей, вспомогательных силовых установок, изделий кратковременного действия и др. (рис. 9)*. Существенными ее отличиями являются использование процесса высокоградиентной направленной кристаллизации для получения слитков и проведение обработки давлением в изотермических условиях для формирования однородной ультрамелкозернистой структуры с размером зерен менее 10 мкм в условиях контролируемой динамической рекристаллизации. По сравнению с традиционными методами новая технология обеспечивает улучшение металлургического качества заготовки, однородность структуры по сечению заготовки, повышение в 1,5-2 раза КИМ, снижение усилий при деформации (что позволяет использовать прессы малой мощности), снижение стоимости продукции, повышение эффективности производства при изготовлении малых партий заготовок и при переходе на новые изделия.

Опробование производства крупногабаритных заготовок (массой до 250 кг) из сплава ВЖ175, в том числе сложной геометрии, проводится в промышленных условиях ОАО «СМК» и ОАО «МЗ "Электросталь"».

Таким образом, в результате разработаны и опробованы в производстве два новых высокожаропрочных никелевых сплава для дисков турбин: ВЖ175 и ЭП975А - с максимальными температурами работы - до 800 и до 975°С соответственно. При оптимизации химического состава сплавов использовалось компьютерное моделирование, особенностями легирования является более высокое содержание ниобия в сочетании с микродобавками бора, магния, скандия, лантана и церия. По комплексу свойств сплавы превосходят известные российские и зарубежные материалы аналогичного применения и могут быть использованы в перспективных газотурбинных двигателях нового поколения.

Разработаны режимы термической обработки сплавов ВЖ175 и ЭП975А, обеспечивающие высокий уровень свойств и фазовую стабильность во всем диапазоне рабочих температур. Для ВЖ175 впервые в отечественной практике применен режим, формирующий структуру с размером зерна 15-20 мкм, с частицами у'-фазы 4-7 мкм и более мелкими - от 40 до 700 нм; для ЭП975А - режим с закалкой из двухфазной области, обеспечивающий зерно 80-100 мкм и у'-фазу размером 1-2 мкм и 100-400 нм. Особенностью термообработки современных высоколегированных деформируемых никелевых сплавов является учет температуры полного растворения у'-фазы для каждой плавки и точность поддержания температуры не ниже ±5°С.

*Работа проведена совместно с В.В. Герасимовым, Е.М. Висик, Н.В. Моисеевым, Е.Н. Лимоновой (ВИАМ).

Рис. 9. Штамповки дисков ТВД для малоразмерных ГТД (максимальный 0280 мм)

ЛИТЕРАТУРА

1. Gao Yong, Stolken J.S., Kumar Mukul, Ritchie R.O. High-Cycle Fatigue of Nickel-Base Superalloy Rene 104 (ME3): Interaction of Microstructurally Small Crack with Grain Boundaries of Known Character //Asta Mater. 2007. dio: 10.1016.

2. Gabb Timothy P., Gayda John, Telesman Jack, Kantzos Peter T. Thermal and Mechanical Property Characterization of the Advanced Disc Alloy LSHR //NASA/TM. 2005. 213645. June.

3. Rice D., Kantzos P., Hann B., Neumann J., Helmink R. P/M Alloy 10 - A 700°C Capable Nickel-Based Superalloy for Turbine Disk Applications. In: Superalloys 2008 //TMS. 2008. Р.139-147.

4. Hardy M.C., Zirbel B., Shen G., Shankar R. Developing Damage Tolerance and Creep Resistance in a High Strength Nickel Alloy for Disc Applications. In: Superalloys 2004 //TMS. 2004. Р. 83-90.

5. Besty J. Bond, Kennedy Richard L. Evaluation of Allvac® 718PLUS™ Alloy in the Cold Worked and Heat Treated Condition. In: Superalloys 718, 625, 706 and Derivatives //TMS. 2005. Р. 203-211.

6. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бабурина Е.В. Расчет жаропрочности сложнолегиро-ванных никелевых сплавов с помощью уравнений системы неполяризованных ионных радиусов (СНИР) //МиТОМ. 1995. №6. С. 9-11.

УДК 669.295:669.018.44

О.С. Кашапов, Т.В. Павлова, Н.А. Ночовная

ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЖАРОПРОЧНОГО ТИТАНОВОГО СПЛАВА ДЛЯ ЛОПАТОК КВД

Рассматриваются основные факторы, определяющие свойства жаропрочных титановых сплавов псевдо-а-класса на примере сплава ВТ41М для лопаток КВД. Показано, что выбор оптимальной композиции сплава в сочетании с режимами термомеханической обработки обеспечивают наиболее эффективное сочетание твердорастворного и дисперсионного упрочнения. Установлена роль интерметаллидных фаз Ti3Al и Ti5Si3, выделяющихся при старении, на механические свойства, ударную вязкость и длительную прочность при 600°С сплава ВТ41М в отожженном и термоупрочненном состояниях. Приведены свойства прутковой лопаточной заготовки из сплава ВТ41М, в сравнении с аналогами - сплавами ВТ18У и IMI834.

Ключевые слова: жаропрочные титановые сплавы, термическая обработка, механические свойства, микроструктура, интерметаллиды, силициды, длительная прочность.

Жаропрочные титановые сплавы псевдо-а-класса последнего поколения являются сложными многокомпонентными системами, основу которых составляет а-твердый раствор титана, упрочненный интерметаллидными соединениями алюминия и кремния. Для большинства зарубежных сплавов температура старения лежит в пре-