Исследование процессов нагрева и охлаждения при закалке крупногабаритных заготовок дисков из гранул жаропрочных никелевых сплавов

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 621.78: 621.762

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ЗАКАЛКЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗАГОТОВОК ДИСКОВ ИЗ ГРАНУЛ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

А.М. Волков, канд. техн. наук, Г.С. Гарибов, докт. техн. наук, Н.М. Гриц, канд. техн. наук, А. В. Востриков, канд. техн. наук, Е.А. Федоренко

Приведены данные, полученные при исследовании процесса закалки полноразмерной крупногабаритной заготовки диска-имитатора. Результаты подвергнуты теоретической оценке в соответствии с закономерностями нагрева массивных тел излучением. Проведен анализ микроструктуры и свойств материала по сечению заготовки. На основе полученных данных составлены рекомендации по разработке рациональной технологии термической обработки заготовок дисков.

Ключевые слова: диски, газотурбинные двигатели (ГТД), металлургия гранул, жаропрочные никелевые сплавы, горячее изостатическое прессование (ГИП), термическая обработка, закалка, нагрев излучением, скорость охлаждения, микроструктура, механические свойства.

Investigation of Heating and Cooling Processes Carried out during Solution Heat Treatment of Large-Size P/M Ni-Base Superalloy Disks. A.M. Volkov, G.S. Garibov, N.M. Grits, A.V. Vostrikov, Ye.A. Fedorenko.

Data obtained in the course of investigation of the solution heat treatment process ^ of a large-size full-scale disk are shown. The results were theoretically evaluated in ac-

cordance with regularities of massive body radiation heating. Microstructure and properties of the material through thickness of the disk were evaluated. Based on the data obtained recommendations with respect to development of a rational heat treatment technology for disk processing have been made.

Key words: disks, gas-turbine engines, powder metallurgy, Ni-base superalloys, hot isostatic pressing (HIP), heat treatment, solution heat treatment, radiation heating, cooling rate, microstructure, mechanical properties.

Проблемы повышения эффективности авиационных ГТД, связанные с ростом мощности и снижением массы двигателя, приводят к необходимости увеличения нагрузок на детали двигателя и их рабочих температур. От материалов турбинных дисков и валов требуются высокие прочностные свойства, сопротивление МЦУ и жаропрочность при рабочих температурах, а также технологичность в производстве и экономическая рентабельность.

По-прежнему актуальна разработка сплавов, имеющих заданный уровень механических характеристик, например, высокопрочных и высокожаропрочных [1]. В связи с этим требуются специальные режимы термической

обработки, которые будут экономически целесообразными и технологически осуществимыми, т. е. позволяющими в условиях действующего производства проводить термообработку достаточно широкой номенклатуры деталей из перспективных сплавов.

Данная работа посвящена исследованию процесса нагрева массивных заготовок дисков в промышленных печах и их последующего охлаждения при проведении операции закалки. Полученные результаты позволили разработать рациональную технологию термической обработки заготовок дисков из гранулируемого высокопрочного никелевого сплава ВВ751П.

-Ф-

-Ф-

-Ф-

Основной вклад в формирование конечной структуры материала вносит температурный режим процесса термической обработки. Именно он определяет размер и объемную долю частиц упрочняющей у'-фазы после закалки. Однако нельзя пренебрегать важностью временных параметров (выдержки). Если для операций старения закономерность в целом известна - количество и размер выделяющейся фазы однозначно связаны с временем выдержки [2] - то для закалки дело обстоит несколько сложнее .

Требования к данному виду термообработки, выдвигаемые применительно к заготовкам дисков ГТД из жаропрочных никелевых сплавов, состоят, в основном, в следующем. Температурное поле заготовки диска перед началом закалочного охлаждения должно быть однородным по сечению для обеспечения изотропной структуры и, следовательно, стабильных механических характеристик конечного изделия. Длительность выдержки должна обеспечивать прогрев заготовки и прохождение всех диффузионных процессов при переходе сплава в однофазное состояние. При этом время должно быть минимальным и достаточным, так как излишнее удлинение процесса экономически нецелесообразно и неэффективно с точки зрения конечных свойств материала (рост зерна, окисление поверхности и др.).

Для снижения воздействия окружающей среды и повышения коэффициента использования материала целесообразно применять термообработку в вакуумных печах с регулируемым охлаждением инертным газом. Это позволяет избавиться от образования окалины и снижает припуски под механическую обработку при производстве деталей, близких по форме к готовым изделиям, к которым относятся турбинные диски.

Термическую обработку в вакуумных печах можно проводить с увеличенными скоростями нагрева при высокой точности поддержания температуры. Применение автоматизированных закалочных камер, использующих в качестве охлаждающей среды газ под давлением (аргон или др.), позволяет контролировать процесс закалки и добиваться необходимых скоростей охлаждения, обеспечи-

вающих во всех зонах деталей наилучший комплекс свойств.

Закалочное охлаждение должно, насколько это возможно, максимально фиксировать пересыщенный твердый раствор для обеспечения требуемых механических характеристик после старения. Для достижения требуемых высоких прочностных свойств скорость охлаждения материала должна быть не ниже 60°С/мин [3, 4] в диапазоне температур от закалочных до 900-1000 °С [5].

Анализ технологического оборудования, применяемого для высокотемпературной обработки авиационных изделий, показал, что высокоточные вакуумные печи фирм SEKO/ WARWICK и IPSEN для закалки лопаток из жаропрочных сталей и никелевых сплавов использует ОАО «Мотор Сич», г. Запорожье, Украина [6]. Вертикальные вакуумные печи японской фирмы Ulvac используют на ФГУП «НПЦ Газотурбостроения «Салют». ОАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск, использует вертикальные многокамерные печи фирмы Ulvac и печи с разделенной камерой фирмы Consarc. Безусловно, здесь приведен далеко не полный список предприятий, использующих вакуумные печи для термической обработки. Помимо продукции упомянутых фирм на предприятиях авиастроительной отрасли применяют вакуумные печи, которые обеспечивают точность поддержания температуры до ± 3 °С [7], производства компаний IPSEN, ALD, SCHMETZ и др.

При исследовании режимов термической обработки экспериментальных заготовок дисков из сплава ВВ751П проводили закалочное охлаждение в различных средах (воздух, масло). Опробовали закалку в аргоне под давлением в вакуумных печах различных моделей фирмы Ulvac, эксплуатируемых в НПЦ «Салют» и НПО «Сатурн». Было установлено, что для обеспечения предела текучести материала на уровне 1200 МПа необходимы скорости охлаждения около 60 °С/мин [1], что вполне согласуется с упомянутыми выше литературными данными .

Также с целью определения требуемого времени выдержки при закалке в заготовку диска-имитатора массой -235 кг (рис. 1, а), изготовленного из гранул жаропрочного никелевого сплава, было зачеканено шесть тер-

Рис. 1. Крупногабаритная заготовка диска-имитатора для исследования скоростей нагрева и охлаждения:

а - внешний вид; б - схема расположения термопар 1-6

мопар в соответствии с эскизом, представленным на рис. 1, б.

Термопары 2 и 4 были расположены на одном диаметре по сечению заготовки. На протяжении всего цикла термообработки их показания совпадали. Такое дублирование было использовано для подтверждения точности эксперимента и устранения возможных ошибок, связанных с работой термопар и измерительного оборудования. Через равные временные интервалы показания термопар вносили в компьютер с помощью автоматизированного регистратора.

Заготовка была помещена в вакуумную печь и^ас РНУ-90, Япония, работающую в ОАО «НПО «Сатурн», с предельным вакуумом (1-6) • 10-3 Па. Температуру по сечению заготовки диска регистрировали через каждые 20 с в автоматическом режиме.

Кривая нагрева заготовки-имитатора (рис. 2) подтверждается теоретическими данными о нагреве излучением массивных тел [8] -

1200

О

а

н

400

Л У' 1

" ^ - Прогрев 2 ч 1! I1,

// *

/ II ! Выдержка 4 ч Г, 1 1:

- ТП печи 1 | ----ТП 2 1 1 --ТП 5 , 1 1 1 | 1'

т, ч

Рис. 2. Кривая нагрева и охлаждения крупногабаритной заготовки диска -имитатора

температура поверхности превышает температуру внутреннего сечения объекта за счет тепловой инерции материала.

Перепад температур по сечению детали во время нагрева при постоянной мощности печи составляет около 60 °С, что определяется теплотехническими характеристиками садки. Для наглядности приведены только результаты, снятые с термопар 5 (поверхность) и 2 (сердцевина), соответствующие крайним условиям нагрева. Остальные области заготовки диска-имитатора меняли свою температуру в промежуточных условиях между этими точками. Показана также температура, снятая с регистрирующей аппаратуры печи.

Изменение температуры обрабатываемой заготовки при нагреве под закалку кратко можно описать следующим образом. Нагрев массивных изделий в печах периодического действия идет в два этапа [8]: первый этап -нагрев садки при монотонном росте температуры в печи; второй - при постоянной температуре печи. На второй этап и приходится наиболее важные стадии обработки на твердый раствор, связанные с диффузионной перестройкой структуры.

После помещения заготовки диска в печь по сечению устанавливается определенный перепад температур Д: между поверхностью и сердцевиной (см. рис. 2).

Дальнейший нагрев заготовки при заданной температуре в печи происходит в условиях уменьшающейся разницы в температурах между поверхностью и сердцевиной заготовки. Выравнивание температур по сечению заготовки диска происходит приблизительно через 2 ч после нагрева печи до заданной температуры.

Поэтому при назначении времени выдержки необходимо учитывать следующее. Во-первых, требуется выровнять температуру по сечению, чтобы обеспечить одинаковые условия термообработки различных зон заготовки. Во-вторых, необходимо завершить диффузионные процессы, связанные с перераспределением легирующих элементов в твердом растворе, прохождением карбидных реакций и рекристаллизацией.

Определение кинетики данных преобразований структуры крайне трудоемко. Также необходимо учитывать, что в зависимости от

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

габаритов и типоразмеров конкретных заготовок дисков эти процессы будут идти в них с разной скоростью. Для создания технологии термической обработки широкой номенклатуры заготовок дисков в условиях промышленного производства необходимо выбрать временной режим, который будет оптимальным для большинства изделий. В связи с этим, а также на основании обобщения производственного опыта, полученного при термообработке заготовок из аналогичных сплавов, общее время выдержки для заготовок дисков из гранул сплава ВВ751П было принято равным 4 ч.

Для проверки правильности выбранного режима выдержки было проведено исследование по ее увеличению при закалке с 4 до 8 ч. Заготовку диска из гранулируемого никелевого сплава ВВ751П подвергали термической обработке в камерной электрической печи по стандартному режиму, включающему выдержку 8 ч, закалку и двухступенчатое старение.

Для сравнения провели стандартную термообработку [9] двух заготовок дисков одинаковых габаритов и массы, изготовленных из плавок одинакового химического состава сплава ВВ751П, прошедших все технологические операции производства в одинаковых условиях с исследуемой.

При этом время прогрева заготовок дисков при закалке составляло около 2 ч, так как их массы составляли 200 кг, а габариты достаточно близки к параметрам заготовки диска-имитатора. Механические характеристики и микроструктура после закалки с различным

Рис. 3. Микроструктура заготовок дисков, термообработанных по режиму закалки из однофазной области с вы,щержкой 8 ч (а, 6з= 40 мкм) и 4 ч (б, 6з= 36 мкм), зеренная структура

временем выдержки представлены в таблице и на рис. 3.

Морфология частиц у'-фазы и карбидов в результате обеих обработок идентична. Существенной разницы в зеренной структуре мате-

Механические характеристики заготовок дисков, термообработанных по режиму закалки из однофазной области с различным временем выдержки

Механические свойства, 20 °С Жаропрочность при 650°С, а = 1100 МПа, ч МЦУ при 650 °С, а = 1120 МПа, f = 1 Гц, N, циклы Средний размер зерна dз мкм

ав, МПа а02, МПА 8, % V, % KCU, Дж/см2 тглад тнадр

1611 1600 1213 1203 16,0 18,5 19,0 21,0 Вь 33 34 вдержка 8 105 124 32140 33420 40

1602 1605 1210 1200 16,0 15,0 16,0 16,5 В 25 29 вдержка 4 185 221 32930 25990 36

1604 1610 1220 1210 15,0 14,5 13,0 13,0 25 31 183 188 15790 25530 33

риала не обнаружено, имеет место лишь незначительный рост зерна на 4 мкм (см. рис. 3).

Уровень механических характеристик после обработки по исследованным режимам закалки практически не различается. Более крупнозернистый материал после выдержки при закалке в течение 8 ч имеет показатели пластичности и ударной вязкости несколько выше, что вполне согласуется с теоретическими зависимостями [10, 11]. Однако рост этих свойств достаточно мал, что ставит под сомнение выгоду от удлинения выдержки.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что время выдержки 4 ч при закалке крупногабаритных заготовок дисков является минимально необходимым и достаточным для получения требуемой структуры материала и, следовательно, гарантируемого уровня свойств. Удлинение выдержки нецелесообразно, однако и ее сокращение не может быть признано обоснованным.

Сложный химический состав сплава ВВ751П - суммарное содержание легирующих элементов составляет около 45 % - определяет достаточно низкую скорость диффузии даже при высоких температурах. Поэтому сокращение выдержки при закалке менее 4 ч может повлечь за собой образование неоднородной структуры, связанной с различием у'-фазы по объему материала, что в конечном счете может привести к неоднородным механическим характеристикам.

В эксперименте с термической обработкой заготовки диска-имитатора (см. рис. 2) также исследовали скорости охлаждения. В закалочной камере печи давление технически чистого аргона составляло 1 атм. Этот газ был выбран в связи с тем, что при таком давлении его охлаждающая способность[12] близка к охлаждающей способности воздушной среды, используемой в технологии термической обработки ОАО ВИЛС.

Как и следовало ожидать, охлаждение поверхности диска проходило интенсивнее, чем сердцевины: на этапе охлаждения кривая, снятая с термопары 5, находится ниже, чем снятая с термопары 2 (см. рис. 2). Данный факт полностью соответствует теоретическим представлениям о процессе теплоотвода от заготовок и дополнительно подтверждает

Аг 1 атм.

й

у65 70

Рис. 4. Скорости охлаждения (°С/мин, цифры на рисунке) по сечению крупногабаритной заготовки диска-имитатора

правильность проведения измерений в эксперименте.

Наибольший практический интерес представляет скорость охлаждения в интервале температур начиная с закалочной и до -900 °С, так как интенсивное выделение частиц у'-фазы проходит именно в этом температурном интервале. Распределение скоростей охлаждения при указанных температурах по сечению диска-имитатора представлено на рис. 4.

Равенство скоростей охлаждения в идентичных зонах заготовки диска подтверждает правильность выполнения измерений. В целом можно сказать, что скорость охлаждения поверхности заготовки составляла -70 °С/мин, а сердцевины -20 °С/мин. В литературе, посвященной дисковым жаропрочным никелевым сплавам, приводят сопоставимое значение - не менее 60 °С/мин [3-5], однако для получения такой скорости охлаждения в ступичной части заготовок требуется обеспечивать охлаждение с поверхности в 1,5-2 раза интенсивнее .

Из-за разных скоростей охлаждения по сечению заготовки диска-имитатора в средних частях диска (рис. 5, б) частицы у'-фазы более крупные по сравнению с частицами в приповерхностных слоях(рис.5, а)- 0,24 и 0,18 мкм соответственно. Это определяет снижение предела прочности и текучести в сердцевине в среднем на 20-40 МПа, установленное при всесторонних испытаниях заготовок дисков.

При проведении аналогичных исследований материала заготовок дисков после ускоренного закалочного охлаждения на воздухе

"Ф

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Рис. 5. Морфология у'-фазы по сечению заготовки диска, СЭМ:

а - поверхностные слои диска (контрольное кольцо); б - сердцевина диска

по применяемой в ОАО ВИЛС технологии было установлено, что теплоотвод с поверхности составляет -60 °С/мин. Полученный размер частиц у'-фазы, а также соответствующий уровень предела текучести при всесторонних исследованиях заготовок дисков из гранул сплава ВВ751П подтверждают измеренный уровень скоростей охлаждения, полученный на поверхности и в сердцевине заготовок дисков.

Применяемые подходы в области термической обработки, в частности закалочного охлаждения, позволили создать достаточно простую и недорогую технологию ТО, не приводящую к высоким уровням поверхностных напряжений и позволяющую получить требуемый уровень свойств даже на массивных заготовках [13].

Выводы

Именно ускоренное охлаждение со скоростью не менее 60 °С/мин после обработки на твердый раствор является одним из главных путей повышения прочностных характерис-

тик и сопротивления МЦУ дисковых жаропрочных никелевых сплавов.

Показано, что для достижения оптимальных свойств материала крупногабаритных заготовок дисков подобной конфигурации, изготовленных из гранул сплава ВВ751П, требуется проводить закалку с учетом того, что 2 ч тратится на выравнивание температуры по сечению детали.

Обеспечение скорости охлаждения на поверхности -60 °С/мин позволяет получить необходимый размер структурных составляющих и, соответственно, гарантируемые механические характеристики материала. Установленное различие скоростей охлаждения по сечению заготовок дисков исследуемого типоразмера обеспечивает уровень свойств , заявленный в ТУ.

Благодаря похожим системам легирования и структуре сплавов класса ВВП, а также сопоставимому количеству у'-фазы и близким критическим точкам полученные результаты могут быть применены и к другим перспек-

-Ф

-Ф-

тивным жаропрочным никелевым сплавам, таким как высокожаропрочные ВВ750П, ВВ753П и высокопрочный ВВ752П.

Использование в производстве высокоточных вакуумных печей с регламентирован-

ными скоростями нагрева и охлаждения в сочетании с глубоким понимаем происходящих процессов позволит производить заготовки дисков с высоким и стабильным уровнем механических характеристик.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М. и др.

Разработка новых гранулированных жаропрочных никелевых сплавов для производства дисков и валов авиационных двигателей // Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 34-43.

2. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов - М.: Металлургия, 1978. - 392 с.

3. Lemsky J. Assesment of NASA Dual Microstructure Heat Treatment Utilizing Ladish SuperCooler Cooling Technology - NASA/TM-2005-213574. USA, Cleveland, Ohio. February 2005. - 15 p.

4. Furrer D., Shankar R., White C. Optimizing the Heat Treatment of Ni-superalloy Turbine Discs // Journal of Minerals, Metals and Materials Society. March 2003. P. 32-34.

5. Reed R.C. The Superalloys Fundamentals and Applications. - Cambridge: Cambridge, UK, University Press, 2006. - 372 p.

6. Козлов А.А., Педаш А.А., Мурашко В.В. и др. Обработка нержавеющих сталей и жаропрочных никелевых сплавов в печах SEKO/WARVICK 10.0 VPT 4035/36HV и IPSEN T2T // Молодежь в авиации: новые решения и передовые технологии. Тезисы докладов VI Международной молодежной научно-технической конференции авиамоторостроительной отрасли. - Запорожье: АО «Мотор Сич», 2012. С. 199.

7. Рыбчински Б. Новые требования AMS 2750D и современные вакуумные печи для авиационной

промышленности. Современные направления в термообработке // V ежегодный учебный семинар группы Бесо/Шатск и МГТУ им. Н.Э. Баумана. 27 мая 2008 г. - Москва, 2008. С. 47-55.

8. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи. Учебник для вузов. В 2-х частях. Ч. 1. -М.: Энергия, 1975. -384 с.

9. Пат. 2453398 Яи. Способ получения изделия из сплава типа ВВ751П с высокой прочностью и жаропрочностью / Гарибов Г.С., Востриков А.В, Гриц Н.М. и др. Опубл. 20.06.2012.

10. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. и др. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Под общ. ред. Арзамасова Б.Н. 8-е изд. - М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. - 648 с.

11. Хоникомб Р. Пластичская деформация металлов / Пер. с англ. Под ред. Любова Б. Я. - М.: Мир, 1972. - 408 с.

12. Люты В. Закалочные среды: Справочник / Пер. с польского. — Челябинск: Металлургия, 1990. -192 с.

13. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А., Волков А.М. Освоение перспективного высокопрочного гранулируемого никелевого сплава при производстве заготовок турбинных дисков для авиационных двигателей нового поколения // Технология легких сплавов. 2012. № 3. С. 64-69.

-Ф-

-Ф-