Закономерности формирования ɣ᾿- фазы в процессе термической обработки и ее влияние на механические свойства высоколегированных жаропрочных дисковых сплавов на никелевой основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Летников Михаил Николаевич

• Летников Михаил Николаевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Летников Михаил Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень основных условных обозначений и сокращений

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Химический, фазовый состав и свойства жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей

1.2. Технологии производства заготовок дисков из жаропрочных сплавов

1.3. Термическая обработка жаропрочных сплавов на никелевой основе для дисков турбин 19 ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объекты исследования

2.2 Методика экспериментальных исследований влияния скорости охлаждения на морфологию у' - фазы и механические свойства

2.3 Методики микроструктурных исследований и механических испытаний 37 ГЛАВА 3 АНАЛИЗ УРОВНЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ШТАМПОВОК ДИСКОВ ИЗ СПЛАВОВ ВЖ175-ИД И ЭП975-ИД ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

3.1 Механические свойства крупногабаритных штамповок дисков из сплава ВЖ175-ИД для двигателя ПД-14

3.2 Механические свойства крупногабаритных штамповок диска ТВД

из сплава ЭП975-ИД

3.3 Экспериментальное определение скорости охлаждения крупногабаритных штамповок из сплавов ВЖ175-ИД и ЭП975-ИД в промышленных условиях 44 ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ УПРОЧНЯЮЩИХ ЧАСТИЦ у' - ФАЗЫ ПРИ ЗАКАЛКЕ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

4.1 Влияние скорости охлаждения при закалке на размер и морфологию вторичных частиц в сплаве ВЖ175-ИД

4.2 Влияние скорости охлаждения при закалке на механические свойства сплава ВЖ175-ИД

4.3 Особенности формирования частиц у' - фазы в сплаве ЭП975-ИД при закалке

4.4 Влияние скорости охлаждения при закалке на механические свойства сплава ЭП975-ИД

4.5 Взаимосвязь механических свойств сплавов ВЖ175-ИД и ЭП975-ИД с размером вторичных частиц у' - фазы 72 ГЛАВА 5 ВЛИЯНИЕ СТАРЕНИЯ НА РАЗМЕР И ХАРАКТЕР РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ УПРОЧНЯЮЩЕЙ у' - ФАЗЫ В ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВАХ ВЖ175-ИД И ЭП975-ИД И ИХ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

5.1 Влияние старения на размер и морфологию частиц у'- фазы в сплавах ВЖ175-ИД и ЭП975-ИД

5.2 Влияние старения на механические свойства сплавов ВЖ175-ИД и ЭП975-ИД. 87 6 РАЗРАБОТКА ПАРАМЕТРОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ШТАМПОВОК ИЗ СПЛАВОВ ВЖ175-ИД И ЭП975-ИД

6.1 Выбор способов термической обработки для получения оптимальной структуры у' - фазы и свойств в крупногабаритных заготовках дисков из сплава ВЖ175-ИД

6.2 Опробование закалки крупногабаритных заготовок из сплава ВЖ175-ИД в вакуумной установке ModulTherm

6.3 Разработка и опробование режима охлаждения при закалке штамповок из сплава ЭП975-ИД в вакуумной установке MonoTherm 103 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 106 Список литературы

Перечень основных условных обозначений и сокращений

ГТД - газотурбинный двигатель

у' - фаза - интерметаллидное соединения типа М3А1 с кристаллической структурой Ь12

г.ц.к. - гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка

МЦУ - малоцикловая усталость

ГИП - горячее изостатическое прессование

ВИП - вакуумная индукционная плавка

ЭШП - электрошлаковый переплав

ВДП - вакуумный дуговой переплав

Тпру' - температура полного растворения у' - фазы

Уохл. - скорость охлаждения с температуры закалки

у'вт - вторичные частицы у' - фазы

у'тр - третичные частицы у' - фазы

ДСК - дифференциальная сканирующая калориметрия

Оср.экв. - средний эквивалентный площади диаметр частиц

ТВД - турбина высокого давления

КВД - компрессор высокого давления

СКО - среднеквадратическое отклонение

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности формирования ɣ᾿- фазы в процессе термической обработки и ее влияние на механические свойства высоколегированных жаропрочных дисковых сплавов на никелевой основе»

ВВЕДЕНИЕ

Диски компрессора и турбины являются наиболее нагруженными деталями газотурбинных двигателей (ГТД). В процессе работы эти детали испытывают воздействие высоких температур и напряжений. Их характер и распределение в различных зонах диска неодинаковы: ободная часть работает в условиях максимальных температур и относительно невысоких напряжений, в ступице действуют наибольшие напряжения, но при меньших температурах.

Сложные условия эксплуатации обуславливают высокие требования к конструкционной прочности жаропрочных сплавов на никелевой основе, используемых для изготовления дисков ГТД.

Уровень прочностных свойств дисков ГТД из этого класса материалов зависит от химического состава и технологии производства, особенно от термической обработки.

За последние два десятилетия для дисков ГТД разработан ряд высокопрочных отечественных и зарубежных жаропрочных никелевых сплавов, обладающих разным набором механических характеристик в зависимости от используемого режима термической обработки. Термообработка позволяет сформировать определенный размер микрозерна и набор частиц упрочняющей у' - фазы со структурно-фазовыми характеристиками, которые необходимы для обеспечения требуемого уровня механических свойств.

В процессе термообработки крупногабаритных и сложнопрофильных заготовок дисков ГТД из жаропрочных никелевых сплавов, температурно -временные условия формирования частиц у' - фазы в разных сечениях заготовок неодинаковы, что может приводить к снижению уровня и стабильности механических свойств материала диска.

Исследование взаимосвязи между технологическими параметрами термообработки, структурой, распределением частиц упрочняющей у' - фазы

и механическими свойствами материала дисков является важной задачей, решение которой позволит обеспечить требуемый уровень свойств, надежность и ресурс эксплуатации дисков ГТД.

Актуальность работы продиктована необходимостью обеспечить гарантированный уровень свойств в крупногабаритных заготовках дисков из сплава ВЖ175-ИД (диаметром до 510 мм и массой до 108 кг) для двигателя ПД-14, а также значительным увеличением размеров дисков перспективного двигателя ПД-35 (диаметром до 780 мм).

Цель и задачи исследования

Установление зависимости уровня механических свойств высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавов от размера и распределения упрочняющих частиц у' - фазы, формирующихся в процессе закалки и старения, и разработка режимов термообработки, обеспечивающих повышение кратковременной и длительной прочности в крупногабаритных заготовках дисков ГТД, изготовленных из этих материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

1. Установить зависимость параметров частиц упрочняющей у' -фазы в высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавах от скорости охлаждения с температуры закалки.

2. Исследовать особенности изменения параметров частиц у' - фазы в высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавах при старении.

3. Установить зависимость механических свойств высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавов от параметров упрочняющих частиц у' - фазы.

4. Определить условия, при которых в высоколегированных жаропрочных деформируемых сплавах формируются частицы у' - фазы, обеспечивающие высокую кратковременную и длительную прочность.

5. Разработать и опробовать режимы термической обработки, обеспечивающие формирование оптимальных параметров частиц у' - фазы и заданного уровня механических свойств в крупногабаритных заготовках дисков ГТД.

Объектами исследования являются высоколегированные жаропрочные деформируемые сплавы на никелевой основе ВЖ175-ИД и ЭП975-ИД, содержащие более 50% об. упрочняющей у' - фазы. Предметом исследования являются частицы упрочняющей у' - фазы, формирующиеся в процессе охлаждения с температуры закалки и при последующем старении, а также механические свойства жаропрочных деформируемых сплавов на никелевой основе ВЖ175-ИД и ЭП975-ИД.

Положения, выносимые на защиту:

1. Максимальный уровень предела текучести при 20оС и длительной прочности при 650оС высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавов достигается за счет формирования в их структуре вторичных частиц у' - фазы максимальной дисперсности, а также третичных частиц у' - фазы со средним размером не более 20 нм.

2. Длительная прочность при высоких температурах 750оС и 850оС в высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавах повышается с ростом среднего размера вторичных частиц у' - фазы.

Кроме того, на защиту выносятся:

3. Условия формирования частиц у' - фазы в процессе закалки и старения высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых

сплавов, обеспечивающие получение высоких гарантированных значений кратковременной и длительной прочности.

4. Режимы термической обработки, обеспечивающие формирование оптимальной микроструктуры у' - фазы и стабильный уровень механических свойств в крупногабаритных заготовках дисков ГТД из сплавов ВЖ175-ИД и ЭП975-ИД.

Научная новизна работы

1. Получены зависимости значений кратковременной и длительной прочности высоколегированных деформируемых жаропрочных никелевых сплавов от размера вторичных и третичных частиц упрочняющей у' - фазы.

2. Показано, что уровень кратковременной и длительной прочности преимущественно зависит от среднего размера вторичных частиц у' - фазы, формирующихся в процессе охлаждения при закалке.

3. Показано, что частицы третичной у' - фазы, формирующиеся в процессе старения при температурах ниже температуры начала растворения упрочняющей у' - фазы, обеспечивают дополнительный упрочняющий эффект.

Практическая значимость работы

Установлено, что для получения гарантированного уровня прочностных свойств в крупногабаритных штамповках дисков из сплава ВЖ175-ИД, необходимо обеспечить скорость охлаждения с температуры закалки не менее 115оС/мин, для дисков из сплава ЭП975-ИД скорость охлаждения должна быть не ниже 30оС/мин.

Разработан режим термической обработки, обеспечивающий высокий гарантированный уровень кратковременной и длительной прочности:

ЛЛ лл

а в > 1570 МПа, а 0,2 > 1170 МПа и времени до разрушения более 100 часов при испытаниях на длительную прочность при Т=650оС и напряжении

1050 МПа, в промышленных крупногабаритных заготовках дисков КВД и ТВД из сплава ВЖ175-ИД диаметром до 510 мм, предназначенных для дисков турбины и компрессора двигателя ПД-14.

Разработан режим термической обработки, обеспечивающий стабильный гарантированный уровень кратковременной и длительной

ЛЛ лл

прочности: а в > 1270 МПа, а 02 > 930 МПа и времени до разрушения более 40 часов при испытаниях на длительную прочность при Т=975оС и напряжении 177 МПа в заготовках дисков из жаропрочного деформируемого сплава ЭП975-ИД для изделия 9И113.

Личный вклад автора

Основные научные результаты диссертационной работы получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором определены цели и задачи диссертационного исследования, спланированы и проведены экспериментальные исследования, выполнен анализ и интерпретация экспериментальных данных.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались на конференциях:

- Всероссийская научно-техническая конференция «Перспективные жаропрочные никелевые деформируемые сплавы и технологии их переработки». Мероприятие было посвящено 115-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора Федора Федоровича Химушина, г. Москва, 2018 г.

- Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения». Посвящена генеральному конструктору аэрокосмической техники Н.Д. Кузнецову, г. Самара, 2018 год.

- Международная научно-техническая конференция «Актуальные вопросы авиационного материаловедения», г. Москва, 2007 год.

Публикации

По материалам работы опубликованы три статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Летников М.Н., Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Оспенникова О.Г. Влияние скорости охлаждения при закалке на структуру у'-фазы и механические свойства сплава ВЖ175 // Авиационные материалы и технологии. 2019. №2(55) С.21-30.

2. Каблов Е.Н., Летников М.Н., Оспенникова О.Г., Бакрадзе М.М., Шестакова А.А. Особенности формирования частиц упрочняющей у'-фазы в процессе старения высоколегированного жаропрочного деформируемого никелевого сплава ВЖ175-ИД // Труды ВИАМ. 2019. №9 (81). С.3-14.

3. Овсепян С.В., Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Летников М.Н. Термическая обработка деформируемых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2011. №S2. С. 122-130.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Химический, фазовый состав и свойства жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей

Жаропрочные сплавы на никелевой основе на протяжении многих лет являются основным материалом для изготовления дисков турбины и компрессора высокого давления авиационных газотурбинных двигателей. В основе прочностных характеристик этого класса материалов лежит механизм дисперсионного упрочнения аустенитной матрицы.

Химический состав современных жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД может включать до 14 элементов. Все сплавы этого класса имеют следующий фазовый состав: основа (матрица) - у - неупорядоченный твердый раствор на основе никеля с г.ц.к. кристаллической решеткой, упрочняющая у' - фаза на основе интерметаллидного соединения М3А1 с кристаллической структурой Ь12 когерентной матрице, карбиды различных типов (МеС, Ме6С, Ме23С6,Ме7С3), а также частицы боридов типа Ме3В2 [1, 2].

Основное упрочнение обеспечивают дисперсные частицы у' - фазы различного размера и морфологии, которые препятствуют скольжению дислокаций в матрице при пластической деформации. В современных высоколегированных жаропрочных никелевых дисковых сплавах в зависимости от химического состава содержание у' - фазы составляет примерно от 45 до 60% по объему. Доля карбидов в сплавах существенно меньше, поскольку содержание углерода не превышает 0,1% по массе. Карбидные и боридные частицы вносят дополнительный вклад в прочность границ зерен.

Химические составы современных жаропрочных никелевых сплавов представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Химический состав современных жаропрочных

никелевых сплавов для дисков ГТД [2 - 4].

Сплав Содержание элемента, % масс

Ni Co Cr Mo W Ta Al Ti Nb C B Hf Zr

ВЖ175-ИД 15.2 9.8 4.3 3.1 - 3.5 2.5 4.2 0.05 0.01 - -

ЭП975-ИД 15.5 8.3 1.2 10.3 - 4.9 2.4 1.5 0.13 0.02 - -

ВВ751П сЗ в О К о 15.0 11.0 4.5 3.0 - 3.9 2.8 3.3 0.06 0.015 0.05 -

Alloy 10 14.9 10.2 2.7 6.2 0.9 3.7 3.9 1.9 0.03 0.03 - 0.1

ME3 (Rene 104) О 20.0 13.1 3.8 1.9 2.3 3.5 3.6 1.1 0.04 0.03 - 0.05

RR100 18.5 15.0 5.0 - 2.0 3.0 3.6 - 0.027 0.015 0.5 0.06

LSHR 20.7 12.5 2.7 4.3 1.6 3.5 3.5 1.5 0.03 0.03 - 0.05

Легирующие элементы: кобальт, хром, молибден и вольфрам преимущественно входят в состав у - твердого раствора на основе никеля. Алюминий, титан, ниобий и тантал в основном формируют у' - фазу.

Одна из основных задач легирования - обеспечение высокой термической стабильности частиц у' - фазы. В никелевых сплавах алюминий - это основной у' - образующий элемент от содержания которого зависит объемная доля у' - фазы в сплаве. Титан, ниобий и тантал являются легирующими элементами для у' - фазы и повышают ее стабильность при высоких температурах. Молибден и особенно вольфрам являются сильными стабилизаторами у - твердого раствора и позволяют повысить температуру полного растворения у' - фазы. Так, например, среди трех зарубежных сплавов: LSHR, ME3, Alloy 10, содержащих 2-6% вольфрама, последний (с 6%W) обладает более высокой температурой полного растворения у' - фазы и наименьшей степенью коагуляции при высоких температурах [5].

Поскольку работоспособность жаропрочных никелевых сплавов в первую очередь зависит от объемной доли и стабильности частиц у' - фазы при высоких температурах, многие годы развитие дисковых жаропрочных сплавов шло по пути увеличения суммарного содержания у' -стабилизирующих элементов (Ti, Nb и Ta).

В ходе разработки зарубежных сплавов последнего поколения, авторами было отмечено положительное влияние ниобия и особенно тантала, который входит в состав твердого раствора и у' - фазы и, тем самым, оказывает двойной упрочняющих эффект [6-7]. Тантал входит в состав большинства новых зарубежных жаропрочных сплавов: Alloy 10, Rene 104(ME3), RR1000 и LSHR (таблица 1.1).

Помимо у' - фазы на структуру и свойства жаропрочных сплавов заметное влияние оказывают карбиды типа МС, M6C и М23С6. Карбидообразующими в жаропрочных сплавах являются следующие элементы: титан, гафний, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, цирконий. Карбиды типа МС образуются при кристаллизации сплава и выделяются в виде крупных ограненных частиц или в форме пластин. В процессе термообработки эти карбиды распадаются на карбиды типа М23С6 или M6C. Эти карбиды образуют дисперсные выделения по границам зерен и оказывают положительное влияние на механические свойства, предотвращая высокотемпературное зернограничное проскальзывание. В то же время, большое количество карбидных частиц вдоль границ зерен может значительно снижать пластичность и ударную вязкость.

Основные прочностные характеристики при разных температурах отечественных и зарубежных жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД приведены в таблице 1.2. Видно, что новое поколение жаропрочных сплавов отличается более высокими значениями прочности и сопротивлением малоцикловой усталости (МЦУ).

Таблица 1.2 - Свойства современных жаропрочных никелевых сплавов

для дисков авиационных ГТД [8-17].

Сплав Т оС Св С0,2 5 Длительная прочность при 650оС о100, МПа МЦУ при 650оС с0, МПа (104 ц)

МПа %

ВЖ175 20 1600 1190 14 - 1334

650 1530 1080 12 1050 1275

750 1192 1030 6 638 1128

ВВ751П 20 1545 1173 14,5 - 1226

650 1525 1092 12 1084 1099

750 1270 1053 15,0 608 1099

ВВ750П 20 1500 1086 19,5 - 1225

650 1390 1000 21,0 1084 1120

750 1236 1000 27,0 755 1060

ЬБИЯ 20 1700 1290 21 - -

700 1400 1160 5 850 (200ч) 1120

750 - - - 680 (34ч) -

МЕ3 (Яепе 104) 20 1650 1150 21 - -

760 1170 990 - 690 -

А11оу10 20 1650 1160 19 - -

700 1202 911 - 850(150ч) -

750 - - - 544 -

КЯ1000 20 1600 1085 24

650 1450 1035 - -

750 1215 858 - 460

Необходимо отметить отличия в разработке и оценке комплекса прочностных свойств зарубежных и отечественных жаропрочных дисковых сплавов. Общей тенденцией за рубежом при разработке перспективных материалов является исследование механических свойств сплавов как с ультрамелкозернистой структурой с размером зерна 5-10 мкм, так и с более крупной структурой 25-35 мкм [11,15,16,18]. Данный подход разработчики используют, чтобы определить потенциал применения материала в дисках с переменной структурой.

Технологии производства и термической обработки деформируемых и гранульных отечественных сплавов последнего поколения обеспечивают

получение в заготовках дисках ГТД однородной микроструктуры с размером зерна порядка 15 - 40 мкм [19-21].

1.2. Технологии производства заготовок дисков из жаропрочных сплавов

Для изготовления заготовок дисков турбин из жаропрочных никелевых сплавов используются следующие технологии [2, 22]:

- Деформация слитка вакуумного дугового переплава.

- Горячее изостатическое прессование гранул (ГИП).

- Деформация заготовок, полученных методом ГИП.

Деформация исходного слитка вакуумного дугового переплава

Технологическая схема получения заготовок дисков путем деформации

слитка представлена на рисунке 1.1. Исходный металл выплавляют в вакуумных индукционных печах и разливают в электроды (ВИП) (1), далее проводят электрошлаковый (ЭШП) (2) и/или вакуумно-дуговой переплав (ВДП) в слитки (3). Выплавку слитков отечественных деформируемых сплавов для дисков, как правило, проводят методом ВИП + ВДП. Слитки подвергают гомогенизирующему отжигу (4) и далее проводят их многоступенчатую деформацию путем экструзии (5) или ковки с последующей штамповкой (6).

Данный способ имеет ряд технологических особенностей и недостатков. Получение слитков большого диаметра из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов крайне затруднительно из-за особенностей процесса кристаллизации. Чем более легирован сплав, тем выше ликвация химических элементов и уровень фазовых и термических напряжений в слитке, что увеличивает риск образования металлургических дефектов и растрескивания в процессе охлаждения после выплавки. Переплав высоколегированных сплавов ЭК151, ЭП975 и ВЖ175 осуществляют в слитки диаметром не более 320 мм.

Выплавленные слитки неоднородны по химическому составу и микроструктуре. Для устранения ликвации легирующих элементов и снятия напряжений применяют длительные высокотемпературные

гомогенизационные отжиги, в процессе которых происходит растворение эвтектической составляющей и перераспределение химических элементов между осями дендритов и междендритным пространством.

Проработку литой структуры осуществляют за счет многоступенчатой термомеханической обработки. Поскольку пластичность жаропрочных никелевых сплавов в литом состоянии низкая, деформацию на начальных этапах проводят с небольшой степенью, как правило в двухфазной области, постепенно увеличивая ее на последующих стадиях.

Преимуществами данного метода является возможность получать заготовки с равномерной ультрамелкозернистой структурой размером менее 15 мкм и более высоким сопротивлением усталостным нагрузкам, по сравнению с заготовками, полученными путем горячего изостатического прессования гранул.

Вакуумная индукционная Электрошлаковый Вакуумно-дуговой плавка (ВИП) переплав (ЭШП) переплав (ВДП)

]■»■ И м ига

I | |-| 1 г И-1 Ы ■

Гомогенизационный Обжим и экструзия Деформация (ковка,

отжиг изотермическая штамповка)

Рисунок 1.1 - Технологическая схема изготовления заготовок дисков путем деформации слитка [2].

Изготовление заготовок дисков с использованием гранульной металлургии

В промышленности используют две существенно различающиеся технологии производства заготовок дисков из гранул жаропрочных сплавов: прямое горячее изостатическое прессование (ГИП) капсул с гранулами или ГИП с последующей деформацией на гидравлических прессах [2].

В общем виде технологическая схема получения заготовок дисков с использованием методов гранульной металлургии показана на рисунке 1. 2. Исходный металл в виде литых заготовок получают путем вакуумной индукционной выплавки (1), гранулы сплава получают с помощью процесса атомизации (2) или центробежным распылением быстровращающейся литой заготовки, далее следует рассев гранул и их магнитная и электростатическая сепарация (3). Гранулы засыпают в капсулы с последующей герметизацией (4) и дегазацией (5), после чего проводят горячее изостатическое прессование (6) и последующую термомеханическую обработку (7) и (8) аналогично рассмотренной ранее технологии деформации слитка.

При изготовлении заготовок дисков по технологии прямого ГИП, засыпку гранул на этапе (4) проводят в стальную капсулу, имеющую форму диска. Преимуществом технологии прямого ГИП по сравнению с трудоемким процессом горячей деформации слитка или компактированной заготовки является возможность изготавливать крупногабаритные заготовки дисков очень сложной формы (диаметром до 1000 мм). Однако, после ГИП микрозерно значительно крупнее, чем при деформации - около 25-30 мкм, что не позволяет использовать этот процесс для получения заготовок с ультрамелкозернистой структурой, обеспечивающей высокую прочность и МЦУ. В то же время, ввиду отсутствия наклепа, который вызывает резкий рост микрозерна при закалке деформированных сплавав, заготовки после ГИП можно закаливать при больших температурах и получать более высокие характеристики.

Рисунок 1.2 - Технологическая схема изготовления заготовок дисков с использованием гранульной металлургии [2].

Общим недостатком методов гранульной металлургии является присутствие неметаллических включений большей дисперсности, по сравнению с деформируемыми сплавами. В случае прямого ГИП это приводит к пониженной долговечности при циклическом нагружении и чувствительности к надрезу, поскольку они, как правило, являются концентраторами напряжений при зарождении трещин.

Деформация гранулируемых сплавов позволяет существенно снизить негативное влияние неметаллических включений и обеспечить высокие прочностные характеристики.

В России производство заготовок дисков из высоколегированных деформируемых сплавов ВЖ175, ЭК151, ЭП975 осуществляют по

технологии ВИ + ВДП + деформация [20, 23, 24]. Заготовки дисков из отечественных гранульных сплавов ВВ751П и ЭП741НП изготавливают методом прямого ГИП [25,26].

За рубежом диски из сплавов последнего поколения (Л^уЮ, ME3(Rene 104), LSHR, КШ000) изготавливают по технологии ГИП + деформация [13, 27-29].

1.3. Термическая обработка жаропрочных сплавов на никелевой основе для дисков турбин

Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов для дисков турбин состоит из закалки и последующего старения, которое может быть как одноступенчатым, так и проводиться по более сложным двух- и трехступенчатым режимам.

Важно отметить, что при охлаждении высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов для полного подавления распада пересыщенного твердого раствора необходимо обеспечить скорость выше 104 К/мин [30], что недостижимо на практике. Поэтому в литературе (и в настоящей работе) термин «закалка» применительно к высоколегированным жаропрочным никелевым сплавам используется не в классическом его понимании, а обозначает процесс нагрева и выдержки материала при температуре частичного или полного растворения частиц у'- фазы и последующего быстрого охлаждения в результате которого, из пересыщенного твердого раствора выделяются мелкодисперсные частицы у'-фазы.

Закалка

Температура закалки выбирается исходя из температуры полного растворения у'- фазы жаропрочного сплава (Тпру' или температура сольвус). Для получения мелкозернистой структуры, нагрев под закалку проводят при температуре ниже Тпру' - фазы. В этом случае крупные первичные частицы у'

- фазы не растворяются и тем самым сдерживают рост границ зерен в процессе нагрева и выдержки при температуре закалки. В зависимости от химического состава сплава, температура полного растворения у ' - фазы может сильно различаться (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Температура полного растворения высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД.

Сплав Тпру' - фазы, оС

ВЖ175-ИД 1150-1165

ЭК151-ИД [31] 1145-1155

ЭП975-ИД [31] 1195-1205

ВВ751П[32] 1170-1175

ЭП741НП[32] 1190-1195

LSHR[5] 1150

ЖБ3 ^гс 104) [5] 1153

Alloy10 [5] 1192

КРЛ000 [33] 1150

Выбор температуры закалки обуславливается требуемым уровнем механических свойств, поскольку прочность поликристаллических жаропрочных сплавов, как и многих других материалов, изменяется по закону Петча-Холла [34,35]:

а = ^ + ^ ^1/2 , (1)

где а - напряжение, аi и Ку - константы материала, d - размер зерна.

С уменьшением размера зерна значения предела прочности, предела текучести, пластичность и МЦУ возрастают, а ползучести и длительной прочности, наоборот, снижаются.

Существенное влияние на свойства жаропрочных сплаво в оказывает скорость охлаждения в процессе закалки. Исследования показали, что c

ростом скорости охлаждения, предел прочности и текучести, высокотемпературная ползучесть и длительная прочность жаропрочных сплавов повышаются [16, 36-42].

Наиболее сильное влияние скорость закалки оказывает на предел текучести, изменение которого во всех жаропрочных сплавах подчиняется степенному закону. При этом влияние скорости охлаждения на предел прочности менее заметно и в большей степени определяется размером зерна. На рисунке 1.3 на примере сплава Яепе88ВТ показано изменение предела прочности и текучести в зависимости от скорости охлаждения [37].

Рисунок 1.3 - Влияние скорости охлаждения на предел прочности и текучести сплава Яепе88ЭТ в закаленном и состаренном состоянии (закалка проводилась из однофазной области с температуры 1150оС) [37].

Другой характеристикой, которая сильно зависит от скорости охлаждения, является жаропрочность. Например, в сплаве Rene 95 увеличение скорости охлаждения приводит к существенному увеличению

времени до разрушения при испытаниях на длительную прочность и снижению скорости ползучести [38] (рисунок 1.4).

.2

О

100

го о Время, ч

300

о

100

200 Время, ч

300

a

б

Рисунок 1.4 - Кривые ползучести при 650оС сплава Rene 95 с тремя различными скоростями охлаждения при закалке [38]: OQ - закалка в масло (Уохл.= 660оС/мин); AC - закалка на воздухе (Уохл. = 198оС/мин); SC -медленное охлаждение (Уохл.= 48оС/мин); а - закалка с температуры 1105оС; б - закалка с температуры 1135оС.

Уровень прочностных свойств жаропрочных никелевых сплавов во многом зависит от параметров упрочняющих частиц у'- фазы: размера, формы, а также особенностей их распределения в матрице сплава [36-42].

Размер и морфология упрочняющих частиц у'- фазы может различаться в зависимости от технологии термической обработки и условий охлаждения, что, при производстве крупногабаритных заготовок дисков, может приводить к совершенно различной микроструктуре по сечению заготовки после полной термообработки (рисунки 1.5, 1.6) [43, 15].

Рисунок 1.5 - Частицы у'- фазы в заготовке диска из сплава СН98 после закалки в масло с температуры 1149оС [43]: а - ступица; б - обод

Рисунок 1.6 - Частицы у'- фазы в заготовке диска диаметром 600 мм и ступицей высотой 100 мм из жаропрочного сплава МЕ3(Яепе104) [15]: а,б -закалка выше температуры сольвус у' - фазы; в,г - закалка ниже температуры сольвус у' - фазы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Летников Михаил Николаевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Симс Ч.Т., Столофф Н.С., Хагель У.К. Суперсплавы II. В 2 кн. Кн. 2 / пер. с англ. под ред. Шалина Р.Е.. - М.: Металлургия, 1995. - 768 с.

2. Reed R.C. The Superalloys Fundamentals and Applications. New York: Cambridge University Press, 2006. 372 pp.

3. ГОСТ Р 52802-2007 «Сплавы жаропрочные гранулируемые. Марки», изм.1.

4. Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава: пат. 2365657 Рос. Федерация; опубл. 27.08.2009 Бюл. №24.

5. Gabb T.P., Gayda J., Johnson D.F., MacKay R.A., Rogers R.B., Sudbrack C.K. Comparison of y-y' Phase Coarsening Responses of Three Powder Metal Disk Superalloys // NASA/TM-2016-218936. http://ntrs.nasa.gov/.

6. Forde P.T. Tantalum in Superalloys // Advanced Materials and Processes, Vol. 2, No. 149, 1996. pp. 39-40.

7. Huron E.S., Bain K.R., Mourer D.P., Gabb T. Development of high temperature capability P/M disk superalloys // Superalloys 2008. The Minerals, Metals & Materials Society, 2008. P. 139-147.

8. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Новый жаропрочный никелевый сплав для дисков газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ) //Материаловедение. 2010. №7. С. 24-28

9. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Федоренко Е.А. Создание нового высокопрочного сплава ВВ751П для перспективных газотурбинных двигателей // Технология лёгких сплавов. 2009. № 1. С. 34-39.

10. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Федоренко Е.А. Крупногабаритные диски из гранул нового высокожаропочного сплава ВВ750П для перспективных ГТД // Технология лёгких сплавов, № 1, 2008. С. 31-36.

11. Gabb T.P., Gayda J., Telesman J., Kantzos P.T. Thermal and mechanical property characterization of the advanced disk alloy LSHR// NASA/TM—2005-213645. URL: https://ntrs.nasa.gov

12. Gabb T.P., Gayda J., Telesman J., Kantzos P.T., O'Connor K. Characterization of the temperature capabilities of advanced disk alloy ME3 // NASA/TM—2002-211796. URL: https://ntrs.nasa.gov.

13. 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 // Superalloys 2008. The Minerals, Metals & Materials Society, 2008. P. 139-147.

14. Mitchell R.J., Lemsky J.A., Ramanathan R., Li H.Y., Perkins K.M., Connor L.D. Process development & microstrucure & mecanical property evalution of a dual microstructure heat treated advanced nickel disc alloy// Superalloys 2008. The Minerals, Metals & Materials Society, 2008. P. 139-147.

15. Gabb T.P., Garg A., Ellis D.L., O'Connor K.M. Detailed microstructural characterization of the disk alloy ME3 // NASA/TM—2004-213066. URL: https://ntrs.nasa.gov.

16. Gabb T.P., Gayda J., Telesman J., Garg A. The effects of heat treatment and microstructure variations on disk superalloy properties at high temperature // Superalloys 2008. The Minerals, Metals & Materials Society, 2008. P. 121-130.

17. May J.R., Hardy M.C., Bache M.R., Kaylor D.D. Microstructure and mechanical properties of an advanced nickel-based superalloy in the as-HIP form. // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 278. P. 265-270.

18. Gabb T.P., Gayda J., Telesman J. Notch fatigue strength of a PM disk superalloy// NASA/TM—2007-215046. URL: https://ntrs.nasa.gov.

19. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М. Особенности легирования и термической обработки жаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2010. №2. С. 3-8

20. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Бакрадзе М.М., Мазалов И.С. Высокотемпературные жаропрочные никелевые сплавы для деталей

газотурбинных двигателей // //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 52-57.

21. Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М., Федоренко Е.А. Разработка новых гранулированных жаропрочных никелевых сплавов для производства дисков и валов авиационных двигателей // Технология лёгких сплавов. 2010. № 2. С. 34-43.

22. Волков А.М., Карашаев М.М., Летников М.Н., Бакрадзе М.М. Ключевые отличия технологии производства заготовок дисков ГТД из гранул жаропрочных никелевых сплавов в сравнении с технологией изотермической деформации (обзор) // Технология металлов. 2019. №1. С.2-9.

23. Бакрадзе М.М., Ломберг Б.С., Сидоров С.А., Бубнов М.В. Изготовление крупногабаритных штамповок дисков ГТД из слитков промышленного производства 0320 мм сплава ЭК151-ИД // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн., 2017. №6. Ст.02. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 25.06.2018). DOI: 10.18577/ 2307-6046-2017-0-6-2-2.

24. Овсепян С.В., Ломберг Б.С., Чударева Л.П. Никелевые сплавы для дисков ГТД с рабочей температурой до 975оС // Авиационные материалы и технологии. 2003. №1. С.145-152

25. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Федоренко Е.А. Создание нового высокопрочного сплава ВВ751П для перспективных газотрубинных двигателей // Технология легких сплавов. 2009. № 1. С. 34-39.

26. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Федоренко Е.А. Эволюция технологии, структуры и механических свойств гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, изготовленных методом ГИП // Технология легких сплавов. 2010. № 3. С. 31-35.

27. Gabb T.P., O'Connor K.M. High temperature, slow strain rate forging of advanced disk alloy ME3 // NASA/TM—2001-210901. URL: https://ntrs.nasa.gov.

28. Gabb T.P., Gayda J., Falsey J. Forging of advanced disk alloy LSHR// NASA/TM—2005-213649. URL: https://ntrs.nasa.gov.

29. Hardy M.C., Zirbel B., Shen G., Shankar R. Developing damage tolerance and creep resistance in a high strength nickel alloy for disc applications // Superalloys 2004. The Minerals, Metals & Materials Society, 2004. P. 83-90.

30. Kusabiraki K., Zhang X.-m., Takayuki O., ISIJ Int. 1995. 35 (9) P.1115-1120.

31. Ломберг Б.С., Овсепян С.В., Латышев В.Б. Современные деформируемые жаропрочные сплавы // Научные идеи С.Т. Кишкина и современное материаловедение: Труды междунар. науч.-технич. конф. - М.: ВИАМ, 2006. - С. 75-84.

32. Бер Л.Б. Температурно-временные диаграммы распада у - твердого раствора в гранулируемых жаропрочных никелевых сплавах ЭП741НП и ВВ751П, их построение и использование при закалке заготовок дисков // Технология легких сплавов. 2017. №4. С.5-19.

33. Bockenstedt K.J., O'Brien C.M., Minisandram R.S., Smith G.J., Bryant D.J. Conventionally forged RR1000 billet for forged turbine components // Superalloys 2016. The Minerals, Metals & Materials Society, 2016. P. 479-486.

34. Bain K.R., Gambone M.L., J.M. Hyzakand and Thomas M.C. Development of damage tolerant microstructures in Udimet 720. - Superalloys 1988, Warrendale, PA: The Metallurgical Society, 1988. - p. 13-22.

35. 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. науч.-технич. журн. 2013. №9. ст. 01 URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 03.10.2019).

36. Groh J.R. Effect of cooling rate from solution heat treatment on Waspaloy microstructure and properties // Superalloys 1996. The Minerals, Metals & Materials Society. 1996. pp.621-626.

37. Mao J., Chang K.-M., Yang W., Furrer D.U., Ray K., Vaze S.P. Cooling precipitation and strengthening study in powder metallurgy superalloy Rene88DT. Materials Science and Engineering A332 (2002) 318-329.

38. Bhowal P.R., Wright E.F., Raymond E.L. Effects of cooling rate and morphology on creep and stress-rupture properties of a powder metallurgy superalloy // Metallurgical Transactions A. 1990. Vol. 21A, Issue 6, P.1709-1717.

39. Jackson M.P., Reed R.C. Heat treatment of UDIMET 720Li: the effect of microstructure on properties // Materials Science and Engineering A. 1999. Vol. 259. Issue 1, P.85-97

40. Mao J., Chang KM., Yang W., Ray K., Vaze S.P., Furrer D.U. Cooling precipitation and strengthening study in powder metallurgy superalloy U720LI. // Metallurgical and materials transaction A. 2001.Vol. 32. Issue 10. P. 2441-2452.

41. Le Baillif P., Lamesle P., Delagnes D., Velay V., Dumont C., Rezai-Aria F. Influence of the quenching rate and step-wise cooling temperatures on microstructural and tensile properties of PER72 Ni-based superalloy // https://www.matec-conferences.org (дата обращения 26.11.18). DOI: 10.1051/matecconf/20141421002

42. He G.-a., Wang X., Liu F., Huang L., Jiang L., Ding H.-h. Effect of cooling rate on microstructure and tensile properties of powder metallurgy Ni-based superalloy. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 28(2018) P.451-460.

43. Gabb T.P., Backman D.G., Wei D.Y., Mourer D.P., Furrer D., Garg A., Ellis D.L. y'formation in nicke-base disk superalloy // Superalloys 2000. The Minerals, Metals & Materials Society, 2000. P. 405-414.

44. Kozar R.W., Suzuki A., Milligan W.W. et al. Strengthening Mechanisms in Polycrystalline Multimodal Nickel-Base Superalloys // Metallurgical and materials transactions A. 2009. Vol. 40. Issue 7. P. 1588-1603.

45. Masoumi F., Shahriari D., Jahazi M., Cormier J., Devaux A. Kinetics and mechanisms of y' reprecipitation in a Ni-based superalloy. www.nature.com/scientificreports / DOI: 10.1038/srep28650

46. Способ термической обработки дисков из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов: пат. 1360232 РФ / Б.С. Ломберг [и др.]; заявл. 16.01.1986; опубл.30.08.1994.

47. Способ термообработки деталей из жаропрочных никелевых сплавов для повышения сопротивления малоцикловой усталости: пат. 2455383 РФ / Г.С. Гарибов [и др.]; заявл.05.05.2011; опубл.10.07.2012. Бюл.№19.

48. Способ получения изделия из сплава типа ВВ751П с высокой прочностью и жаропрочностью: пат. 2453398 РФ / Г.С. Гарибов [и др.]; заявл. 14.06.2011; опубл.20.06.2012. Бюл.№17.

49. Способ получения изделий из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов: пат. 2457924 РФ / Г.С. Гарибов [и др.]; заявл.27.06.2011; опубл.10.08.2012. Бюл.№22.

50. Способ изготовления дисков газотурбинных двигателей из порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля: пат. 2433205 РФ / О.Х. Фаткуллин [и др.]; заявл.16.04.2010; опубл.10.11.2011. Бюл.№31.

51. Everitt S., Starink M.J. and Reed P.A.S. Temperature and dwell dependence of fatigue crack propagation in various heat treated turbine disc alloys. -Superalloys 2008, TMS, 2008. - p. 741-750.

52. Munteanu A. The Heat Treatment of the Nickel Based Superalloys // Transilvania University of Brasov. - Romania. - Vol. 8. - no. 2 (20), July, 2007. -p. 134-140

53. Gao Y., Stolken J.S., Kumar M., Ritchie R.O. High-Cycle Fatigue of Nickel-Base Superalloy Rene 104 (ME3): Interaction of Microstructurally Small Crack with Grain Boundaries of Known Character // Acta Mater (2007). - dio: 10.1016/j.actamat.2007.01.033

54. Gayda J. High Temperature Fatigue Crack Growth Behavior of Alloy 10 // NASA/TM—2001-210814. - April 2001

55. Connor L.D., Stone H.J., Collins D.M., Preuss M., Hardy M.C. The Effect of Cooling Rate from Solution on the Lattice Misfit During Isothermal Aging of a Ni-Base Superalloy. The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2014.

56. Lifshitz I.M., Slyozov V.V., The kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions, J. Phys. Chem. Solids 19 (1-2) (1961) pp.35-50.

57. Mitchell R.J., Preuss M. Inter-Relationships between composition, y' morphology, hardness, and y-y' mismatch in advanced polycrystalline nickel-base superalloys during aging at 800 0C» // The Minerals, Metals & Materials Society and ASM International 2007//D01: 10.1007/s11661-007-9089-6.

58. Ricks R.A., Porter A.J., Ecob R.C. The growth of y' precipitates in nickelbase superalloy // Acta metallurgia. 1983. Vol.31, I.1, P.43-53.

59. Grosdider T., Hazotte A., Simone A. Precipitation and dissolution in y /y' single crystal nickel - based superalloys // Materials Science and Engineering. 1998. A256 P.183-196.

60. Collins D.M., Stone H.J. A modelling approach to yield strength optimisation in a nickel-base superalloy // International Journal of Plasticity. 2014. Vol.54, P.96-112.