ТЕОРИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЯ ГРАНУЛИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г. С. Гарибов

УДК 621.762

ТЕОРИЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЯ ГРАНУЛИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Г. С. Гарибов, докт. тенх. наук

Показаны основополагающий вклад В.И. Добаткина и его учеников в теорию кристаллизации гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов и практическое использование ее положений в технологии производства особо ответственных компонентов современных военных и пассажирских газотурбинных двигателей при разработке новых сплавов для перспективной авиационной техники 5-го поколения.

Ключевые слова: гранулы; кристаллизация; литые заготовки; эволюция характеристик заготовок дисков; высокопрочные; высокожаропрочные сплавы.

The Theory of Solidification and Technology of PM Ni-Base Superalloys.

G.S. Garibov.

Fundamental contribution of V.I. Dobatkin and his disciples to the PM Ni-base super-alloy solidification theory is emphasized. The practical use of the tenets of the theory for development of a technology for production of ultra-critical components to be incorporated in up-to-date military and civil aircraft gas-turbine engines and for development of new alloys for advanced 5th generation aircraft are shown.

Key words: powder; solidification; cast blanks; evolution of disk blank characteristics; high-strength ultrahigh-temperature alloys.

Теоретическое обоснование технологии производства гранулированных жаропрочных никелевых сплавов любой степени сложности, потенциальные служебные характеристики ответственных изделий из них и экспериментальное подтверждение предложенных положений получены в начале 70-х г. прошлого века под руководством академика АН СССР А.Ф. Белова и члена-корреспондента АН СССР В.И. Добаткина [1, 2].

Был выполнен комплекс экспериментальных работ по исследованию процессов кристаллизации и формированию структуры жаропрочных никелевых сплавов при больших скоростях охлаждения. Установленные закономерности были положены в основу выбора параметров гранулирования, горячего изо-статического прессования (ГИП) и термиче-

ской обработки изделий из гранул, они позволили наметить способы и направления легирования гранулируемых сплавов.

Под руководством В.И. Добаткина было показано, что повышение скорости охлаждения в процессе кристаллизации жаропрочных никелевых сплавов, при практически неизменных коэффициентах дендритной ликвации легирующих элементов, приводит к диспергированию структурных составляющих: ветвей денд-ритов, карбидов и интерметаллидов [2].

Из этого следовало, что, создавая высокие скорости при охлаждении расплава и тем самым диспергируя структурные составляющие, можно существенно уменьшить химическую неоднородность по объему металла, а поскольку создать высокие скорости охлаждения в большом объеме расплава практиче-

ски нерешаемая задача, то возникла идея охлаждать малые, микроскопические порции расплава полностью легированного сплава, то есть получать микрослитки (гранулы) с химическим составом, соответствующим конкретным сплавам, а затем гранулы консолидировать в плотный компакт. Таким образом, появилась возможность получать однородный монолитный материал из жаропрочных никелевых сплавов самого сложного легирования в виде заготовок, близких по форме кокончательному изделию любой заданной массы [3].

В ходе работ по исследованию гранул, получаемых в промышленных условиях методом плазменного распыления быстровра-щающейся заготовки и методом распыления расплава инертным газом, под руководством В. И. Добаткина было установлено, что гранулы охлаждаются при кристаллизации со скоростями порядка 103-104 °С/с, зависящими в основном от размера гранул. При этом размеры элементов структуры в гранулах, таких как дендритные ветви и карбиды, также меняются в прямой зависимости от размера гранул [4].

Было установлено, что «гранулы, полученные методом плазменного распыления быст-ровращающейся заготовки, имеют дендритную структуру с соответствующей дендритной ликвацией и усадкой, сосредоточенной, в основном, на поверхности гранул в виде микропористости дендритного характера» [5].

На основе этого для получения гранул в промышленном масштабе был выбран метод плазменного распыления быстровращаю-щейся заготовки, так как гранулы, получаемые распылением расплава инертным газом, помимо открытой поверхностной микропористости дендритного характера, содержат также закрытые внутригранульные кавитационные поры, заполненные инертным газом. Было доказано, что только метод плазменного распыления быстровращающейся заготовки позволяет получать свободный от газов беспористый материал при любых температурах ГИП и термической обработке, необходимых для формирования требуемого уровня свойств [5].

Еще одно положение, установленное в работах, выполненных под руководством В.И. Добаткина, сыграло важную роль в определении параметров литой заготовки, пред-

назначенной для плазменного распыления. Оно гласит, что «при получении гранул методом быстровращающейся заготовки имеет место переход первичных карбидов из литой заготовки в гранулы без значительного изменения их размера, что накладывает ограничения на диаметр используемых заготовок» [5]. Экспериментальным путем было установлено, что диаметр литой заготовки не должен превышать 90 мм, чтобы размер первичных карбидных выделений, переходящих в гранулы, для сплавов с содержанием углерода до 0,10 % мас. не превышал 8 мкм. Наличие более крупных первичных карбидов в гранулах нежелательно, так как при этом в процессе карбидных реакций может возникать неоднородность распределения вторичных карбидов в конечном материале.

Наиболее важный вывод, который определил направление разработки параметров ГИП и термической обработки, а также корректировки состава и легирования гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, по нашему мнению, следующий: «Гранулы сложнолеги-рованных жаропрочных никелевых сплавов являются метастабильными системами, в которых при нагреве происходит распад твердого раствора, что создает предпосылки для выделения карбидов по границам гранул и обусловливает необходимость регламентирования и корректирования химического состава сплавов для предотвращения образования карбидных сеток по границам гранул, а также требует разработки специальных режимов ГИП и термической обработки» [5].

Исходя из этого, основной структурной особенностью гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, которую необходимо было устранить, это проявление наследственных границ гранул, вызванное образованием карбидных сеток по границам гранул (prior particular boundary - ppb), формирующихся в начальный период их выдержки под давлением в процессе ГИП и препятствующих взаимному прорастанию зерен, что, в свою очередь, приводит к снижению общего уровня механических свойств компактного материала.

Научный подход к решению этой проблемы был найден при освоении сплава ЭП741 в производстве заготовок дисков авиационных

газовых турбин методом металлургии гранул. Прямое использование химического состава сплава ЭП741, разработанного для пластической деформации, приводило к образованию карбидных сеток по наследственным границам гранул. Попытка же снижать содержание углерода полностью не устраняла карбидную сетку, но существенно снижала уровень механических свойств.

Введение в состав сплава самого сильного карбидообразующего элемента гафния, который образует на стадии расплава стабильные карбиды с низкой растворимостью в никелевых сплавах, позволяет предотвратить распад образующихся первичных карбидов на стадии ГИП и сформировать зерен-ную структуру без следов наследственных границ гранул [6].

Присутствие определенного количества гафния в составе гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов полностью решает проблему карбидных сеток по наследственным границам гранул. Именно поэтому практически все российские гранулируемые сплавы содержат гафний. Вводимое его количество зависит от состава сплава и, в основном, от содержания другого сильного карбидообразующего элемента - ниобия. Чем больше ниобия в сплаве, тем меньше требуется гафния для получения стабильных первичных карбидов [7].

Решение проблемы наследственных границ гранул и, соответственно, снижение чувствительности гранулируемых сплавов к надрезу открыло широкие возможности по дальнейшему усложнению легирования гранулируемых сплавов с целью обеспечения

Рис. 1. Заготовки дисков пассажирского двигателя ПС90А

все возрастающих требований к уровню механических свойств жаропрочных никелевых сплавов.

История нашего сотрудничества с авиа-двигателистами насчитывает 43 года. ОАО «Климов» и ОАО «Авиадвигатель» первыми в СССР начали применять диски из гранул ЭП741П и ЭП741НП в двигателях РД33 и Д30Ф6.

Инициаторами этого события были академики АН СССР П.А. Соловьев, А.Ф. Белов и генеральный конструктор С.П. Изотов, а непосредственными исполнителями - знаменитые главные металлурги пермского и ленинградского изотовского КБ - Ю.А. Белых и В.И. Мариныч. Именно они убедили своих генеральных, что гранулы - это то, что надо.

Пермяки стали первыми, кто внедрил гранулы в производство дисков пассажирской машины ПС90А (рис. 1, табл. 1).

К настоящему времени в эксплуатации находится более 60000 дисков из гранул жаропрочных сплавов (табл. 2). Для этого было произведено более 6000 т гранул на уникаль-

Таблица 1 Механические характеристики заготовок дисков из гранул сплава ЭП741 НП

Значения Механические свойства при 20 °С 650 "О ...-, °100 ч ' МПа МЦУ1000 МПа , f = 1 Гц, цикл.

ств, МПа ст0,2, МПа 8, % V, % KCU, Дж/см2

Гарантированные Средние* *Значения исп гранул сплава ЭП7 >1450 1500 ытаний кр ?41 НП кру >1020 1040 упногабар пностью м >15,0 25,1 итных ма енее100 >17,0 26,2 ссивных мкм для £ >40 60 заготовок дис (виационныхд >1020 1050 ков диаметром вигателей ПС >5000 71282 я до 650 мм из ЮА и ПС90А2.

Таблица 2

Применение дисков и валов из гранул в авиационных, ракетных, морских и промышленных газотурбинных двигателях

Сплав Модель двигателя

ЭП741П Д30Ф6

ЭП741НП РД33, РД33СР, Д33К, РД93, РД33СМ, РД133, РД330ВТ, РД1700, РД1800 ТВ7-117, ТВ7-117С, ТВ7-117СТ, ТВ7-112В, БАРК-65СТ, ИДК-65СТ, ВК800, Д30Ф11, ПС90А, ПС90А1, ПС90А2, ПС90А2М, ПС90А3, ПС90А-76, ПС90А-42, ПС12, Д30В12, ПД14, ПД14М АЛ31ФП, АЛ31ФН, АЛ31СТ, АЛ31ФМ1, АЛ31ФМ2, АЛ41, АЛ41СТ, АЛ41Ф1, АЛ41Ф1С, ПИ ПАК, ПД ПАК Д30КУ/КП, Д30КУ-154 ТВД-600, РД-1500 НК36, НК38, НК14, НК25, НК32, НК92, НК93 Д-27, АИ-222, АИ-222-15С, АИ222-25С, АИ222К-25Ф Изделия «26», «34», «42», «93» Изделия «30», «55», «82», «83», «117» Изделия «99М», «99СМ» «99М1», «99М2» Изделия «120», «170», «171», «180», «191» ГПА-4РМ, ГПА-6,3, ГПА-8, ГПА-10 ГТГ-2500, ГТГ-10, ДН-70, ДН-80

ЭП962П АЛ41, АЛ41Ф1, АЛ41Ф1С, АЛ55, АЛ55И Изделие «117», «117С», «55», «55И», ПС12, ПИ ПАК, ПД ПАК

ЭП975П НК92, НК93

ЭИ698П АЛ31СТ, АЛ41СТ НК36, НК38, НК14, НК25, НК32, НК92, НК93 ПС90ГП, ГТУ-10П, ГТУ-12П, ГТУ-16П, ГТУ-25П, ГТЭ-25,ГТУ-27ПС, ГТЭ65П, ПС90ЭУ-16А, ПС90ГП-2А ГТД-10, ГТД-6РМ, ДН-70, ДН-80

ном оборудовании, которое сконструировано и изготовлено в ВИЛСе (рис. 2). К настоящему времени в России и Украине нет ни одного современного двигателя без дисков из гра-

Рис. 2. Современная установка УЦР-6 для производства мелкодисперсных гранул

нул. Это семейства двигателей ПС90А, РД33, АЛ31ФН, АИ222, изделия «117», ГТУ10-ГТУ25 и др . ( рис . 3).

В течение всех прошедших лет в ВИЛСе постоянно велась и ведется работа по непрерывному совершенствованию технологии производства заготовок дисков, главным образом, направленная на улучшение служебных характеристик материала и повышение его надежности, на совершенствование методик испытаний и контроля готовых дисков. Ход

Рис. 3. Заготовки дисков авиационного двигателя РД33

со

СО ^

\о

СО

п.

X

N С

о

а т а с; с

0

с; >

1

а

а

«

т

о *

о *

О т о н о

я

(0 *

Н

О

а

0

а а а х к

1

0

3

т >

с; >

а *

1

а

I =1

£ X

со а.

.0 I-

о о

X

с

>

.

К

со ^

о

.

о ^

о

5

^

ф

5 X

со

И . а о

Ф со

я 5

со о

со о

о

о

ю о

ф *

х >

5 I-§3

£ ф

^

И

<3

И (В ^ х

ф

^ 5

О 2

О о

3 00

5 сэсэ

я 1 °

т " О о .

СО

.0 X СО П

со 1- со о о П М М о

С0 ± ч- о С\1

:> со т о о. о о ю о

о 1т А

А А со см сэ

5 3 <Мо СО СО П см г о П М

со 1- П М М о I о о о II §

С0 г л 1 "" ос^Ч о ю о о о ^ II то с и

о 1т А о4 00 00 А Р т о2 » о о о

А А со см о А А о о о ю о Ю т- Ю СЭ Ю т- о ю

ь ь ю ь 1 1

3 СМ X

£ I

о о .

-ю

О! О

СО СО о М

о П П

о о о о иг0 М М о о

2 + X "Г ю о о со

со СП о о сэ о X > ^ ю с^ о 00 о4 о4 о II

<м 1 V/ Р А со ь А см сэ ь со А ю ю А А Р т о о ю о N т- Ь

см СО

о г П

X СО СО о М

о ф П П

^ о X о иг0 -- ю М М О О

1 о X X о о со

со а> ю сэ СО О- X > ю с^ о 00 о4 о4 о II

1 со 1 V/ со Р А со ю А Р т

ф Н А со ь с^ сэ ь А ю А О О ю о N т- ь

I*

«

5

О ? Ф

1= !Е *

З У

п О >5

Ф 5 5 Ф со

5 ю ^ о

со

се 1=

И

о СМ Ю о

л\

Л\ см

00 °°

о

С! о

л\

со

П

о см о

Р т о о

, Л\ А Гч

СО о А " р

Ь Ь Ю ^ < Ь

" 5

га и

I °

О О

• о О 00

ЮО СЭ

СМ

(0

П

О

см о

о

л\

Ь Ь Ю ^ <

7Г юо Р Ют-

£ §

О 2 о

• о О

00 гч

юо ^

Ют- Ю

СО СО

ПП

см 5 о

О о О О

СО О!

л\

см

со

П

О

о о

л\

со _ ь ь

о

л\

^ о о

0Л\Л о £2 > ^ ь

Ю I4-

ю

га 5

1= И

О 2 О

• о О

оо У

юо ^

Ют- СО

см

СО

П

ф

ш

о ^

О 5

О

ФШш

со О

о

5

^

5 I-

£ ё

СО СО ..

С0С0С0 — X

СО

ш

со 5

выполнения этой работы показывает, что она шла в полном соответствии с теоретическими предпосылками В.И. Добаткина и его учеников (табл. 3).

Особенно примечательны и важны работы, проведенные в ВИЛСе в последние 8 лет, по созданию и освоению новых дисковых сплавов для авиадвигателей 5-го поколения, имеющих служебные характеристики, намного превышающие уровень самых высоких свойств, достигнутых на сплавах ЭП741НП и ЭП962П.

Были разработаны и запатентованы новые суперсплавы ВВ750П, ВВ751П, ВВ752П, ВВ753П [7-15]. Первые два прошли паспортизацию в ВИАМе, вошли в ГОСТ на гранулируемые сплавы. При подготовке к паспортизации были изготовлены и детально исследованы крупногабаритные диски (рис. 4). Некоторые результаты исследований представлены в табл. 4 и 5.

Контрольные и всесторонние испытания, а также испытания, проведенные в ВИАМе и ЦИАМе в процессе паспортизации, показали высокую стабильность результатов, в том числе по длительной прочности. Была изготовлена и испытана большая партия крупногабаритных массивных заготовок дисков ТВДразличных двигателей - РД33, ПС90А, АЛ3190Н, «117», «133» и др.

Испытания сплавов ВВ751П, ЭП741НП на сульфидную коррозию при 650 и 750 °С показали их коррози-

онную стойкость. Скорость коррозии сплава ВВ751П при 650 °С такая же, как у сплава ЭП741НП - 0,038 г/м2-ч.

Была проверена стойкость фрагментов дисков из сплава ЭП741НП после завершения эксплуатации. Коррозия на них отсутствовала.

В ВИАМе же при паспортизации испытания проводили в смеси сульфата и хлорида. Такая смесь была недопустима. Исследование, проведенное профессором В.С. Синявским на фрагментах дисков после длительной эксплуатации в двигателе ПС90А, показало, что хлор отсутствует полностью [16].

В ЦИАМе исследована трещиностойкость сплава ВВ751П. Показано, что она ниже, чем у сплава ЭП741НП, но ненамного (рис. 5).

Таблица 4

Результаты всесторонних механических испытаний заготовок дисков из гранул сплава ВВ751 П

Номер Зона диска Механические свойстве при 20 °С

диска ств, МПа ст0,2, МПа 8, % V, % КСи, Дж/см2

Поверхность обода 1 565-1650 16 0 8 1 2 2 8 -1 2 4 4 12 40 1 3 , 2- 1 5 , 2 1 4 , 4 1 2 , 0 - 1 3, 8 1 3 , 1 25 -29 27

3 Центр обода 1 5 8 0 -1 6 4 6 16 2 1 1 1 6 5 -1 2 4 5 12 10 1 5 , 6 - 1 7 , 6 1 6 , 3 1 2 , 6 - 1 6, 3 1 4 , 2 25 -3 0 27

Полотно 1 593-1647 16 2 0 1 1 6 4 -1 2 1 4 11 9 4 1 6 , 8 - 1 7 , 2 1 6 , 9 1 7 , 0 - 1 7, 3 1 7 , 0 2 8 -3 1 29

Поверхность обода 1 5 9 0 -1 6 7 3 16 44 1 1 9 2 -1 2 4 3 12 2 1 1 4, 8 - 1 6 , 0 1 5 , 6 1 2 , 0 - 1 6, 3 1 4 , 7 29 -3 3 3 2

5 Центр обода 1 5 6 9 -1 6 3 7 16 0 5 1 1 6 5 -1 2 2 0 11 8 7 1 4, 0 - 1 9 , 6 1 6 , 5 1 3 , 0 - 1 9, 0 1 5 , 2 3 4 -3 7 3 5

Полотно 1 5 7 6 -1 6 6 4 16 23 1 1 7 8 -1 2 3 5 12 14 1 4, 0 - 1 7 , 2 1 5 , 5 1 2 , 6 - 1 4, 5 1 3 , 6 3 4 -3 9 3 6

Паспортизация сплава ВВ751П Таблица 5

Характеристики МПа ^0,2' МПа 8, % V, % Ударная вязкость, Дж/см2 МЦУ, МПа при 650 °С, N = 104 цикл. Длительная прочность, МПа

650 "О ст100 ч 750 "О ст100 ч

Заявленные 1600 1200 12,0 13,0 25 1100 1100 620

Полученные 1577 1197 14,5 15,0 28 1121 1106 620

dl/dN, мм/ц 0,1

0,01

0,001

0,0001

1е-005

50 60 70 8090100 200 300 400 500

АК, кгс 'мм-3/2

Рис. 5. Трещиностойкость гранулируемых никелевых сплавов при 20 ° С

Получено Заключение Экспертного совета Минпромторга о том, что характеристики сплава ВВ751П, в частности прочность, длительная прочность и МЦУ, превышают мировой уровень.

Были разработаны и выпущены сначала опытные (2008 и 2014 гг.), а затем и серийные (2014 г.) технические условия ТУ 1-809-6552014 на заготовки дисков из гранул сплава ВВ751П. При этом особенно остро ставился вопрос, который в ходе развития технологии металлургии гранул постоянно обсуждался -это размер используемых гранул для изготовления турбинных дисков. В последнее время он особенно обострился, так как значительно возросли требования по существенному увеличению прочностных характеристик - предела прочности, предела текучести и сопротивления малоцикловой усталости, для получения которых необходим мелкозернистый материал.

Согласно положениям, установленным В.И. Добаткиным и Е.А. Зверевой, о том, что «мелкие гранулы охлаждаются с более высокими скоростями, в них формируются более дисперсные структурные составляющие, для предотвращения образования разнозернис-тости необходимо использование гранул более узкого гранулометрического состава»

[4, 5], мелкие гранулы должны обеспечивать получение мелкозернистого и более однородного по химическому составу и структурным составляющим материала с соответствующим повышением общего уровня механических характеристик. Крупность гранул была уменьшена до 50-70 мкм.

Как известно, сопротивление малоцикловой усталости напрямую зависит от размера дефекта, в нашем случае - от размера шлаковых или неметаллических включений, которые еще могут иметь место в гранулируемом материале. Учитывая также, что уменьшение размера используемых гранул автоматически приводит к уменьшению размера возможных включений, то этот путь мы рассматривали как один из основных для повышения характеристик сопротивления МЦУ [9].

Проведенные детальные исследования и эксперименты при опытно-промышленном производстве заготовок дисков доказали возможность перехода на гранулы крупностью менее 50-70 мкм. Это зафиксировано в серийных технических условиях.

В ОАО «Авиадвигатель» поставлены более 160 заготовок из сплава ВВ751П, из которых были изготовлены первые диски опытных машин ПД14.

В октябре 2014 г. производство заготовок дисков в ВИЛСе сертифицировано в соответствии с утвержденным графиком. Согласован перечень заготовок дисков из гранул крупностью менее 70 мкм, подлежащих сертификации.

Сравнение средних характеристик сплавов ВВ751П и ЭП741НП (табл. 6) показывает

Таблица 6

Средние характеристики гранулированных сплавов ЭП741 НП и ВВ751П

Характеристика

ст в, МПа ст0 2, МПа

8, % у, %

KCU, Дж/см

650 C СТ100 ч > МПа

МЦУ при 650 °С, цикл.

2

ЭП741НП ВВ751 П А, %

1500 1647 9,8

1040 1227 18,0

25,1 17,8 -29,1

6,2 17,7 -32,4

60 27 -55,0

1020 1110 8,8

5000 (ст = 20000 ( = 12

1000 МПа) 1120 МПа)

прорывное преимущество нового сплава по прочности, текучести, жаропрочности и МЦУ.

Эволюция характеристик дисков была продолжена в 2013 и 2014 гг.

Результаты первых дорогих экспериментов, выполненных за собственные средства ВИЛСа, показали реальность достижения требуемых по ТЗ № 535 на диски двигателя ПД14 характеристик (табл. 7).

Впервые в отечественной практике дисковый сплав ВВ753П легирован танталом и рением [11, 13, 14]. Получена беспрецедентная жаропрочность: при 650 °С - 1160 МПа, при

750 °С - 770 МПа, при стВ 1 1600 МПа [10, 12, 13]. Отсутствие металла не позволило отработать сплав до 800 МПа при 750 °С. Этого хватило бы всем мотористам на 50 лет вперед. Очень высокие прочностные свойства (ств 1 1650-1660 МПа) получены и на сплаве ВВ752П при уровне жаропрочности 1140 МПа при 650 °С [7, 8, 14].

Сплав ВВ752П разработан как высокопрочный - для ступицы диска, а сплав ВВ753П как высокожаропрочный - для обода диска (табл. 8).

Таблица 7

Механические свойства новых гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов

производства ОАО «ВИЛС»

Свойства ТЗ № 2006-535 Сплавы

ВВ751 П ВВ752П ВВ753П

Предел прочности, МПа при 20°С при450°С при 650 0С 1640 1600 1540 1600 1590 1540 1650 1620 1560 1610 1600 1560

Предел текучести, МПа при 20 °С при 450 °С при 650 °С 1200 1200 1150 1200 1190 1110 1220 1210 1120 1160 1160 1130

Относительное удлинение, % при 20 °С при 650 °С 16 13 12,0 12,0 16,0 15,0 15,0 16,2

Ударная вязкость, Дж/см2 при 20°С 40 25 26 27

Малоцикловая усталость (на базе N = 2-104 цикл.), МПа при 650 °С при 750 °С 1210 на базе N = 3* 104 цикл. 1120 1120 1180 1170 1120 1120

Длительная прочность стю0 ч, МПа при 450 °С при 650 °С при 750 °С 1550 1200 при Т = 620 °С 1360 1100 630 1380 1140 650 1430 1140 770

Таблица 8

Длительная прочность сплавов класса ВВП при различных температурах

ст100 ч , МПа

Сплав

550 °С 650 °С 700 °С 750 °С 800 °С 850 °С

ЭП741НП 1250 1050 850 700 520 370

ВВ750П 1300 1140 960 770 550 410

ВВ751П 1437 1110 840 620 - -

ВВ752П 1473 1140 880 670 - -

ВВ753П 1350 1160 990 800 580 430

Стоит отметить, что за длительный период сотрудничества ОАО « ВИЛС» с заводами авиамоторостроения при эксплуатации дисков из гранул отказов двигателей, связанных с качеством заготовок, не было.

В процессе изготовления и поставки заготовок дисков из гранул сплава ВВ751П возникли определенные трудности. При очень хороших прочностных и МЦУ свойствах заготовок дисков из гранул крупностью менее 70 мкм пока не удается стабилизировать показатели по нечувствительности к надрезу. По нашему мнению, это связано, прежде всего, с издержками освоения новой вакуумной плавильной печи фирмы АЬй, приобретенной специально под гранулы, и с неудачной конструкцией установки УЦР-6 для производства гранул крупностью менее 70 мкм, которые крайне востребованы и дают блестящие результаты при испытаниях на прочность и МЦУ.

Несмотря на вышеупомянутые проблемы, мы рассчитываем создать надежный научно-технический задел для перспективной техники. На первом месте - соединение сплавов ВВ752П и ВВ753П в биметаллический диск [17, 18].

Целесообразно поставить работу по функционально-градиентным дискам, изготовленным из одного наиболее эффективного сплава из гранул разной крупности [19] (рис. 6). Это значительно упростит технологию их производства и удешевит ее.

В 2012 г. ОАО «ВИЛС» впервые освоил производство заготовок полномасштабных компрессорных дисков из гранул высокопрочного сплава ВТ25УП для авиадвигателя ПД14 [19] (рис. 7). В настоящее время два диска проходят испытания в составе двигателей ПС90ГП-25А мобильных электростанций ГТЭС-25А. К сожалению, кроме этих испытаний, компрессорщики никак себя не

Рис. 6. Структура и общий вид заготовки диска с функционально -градиентными характеристиками:

а - внешний вид; б - макроструктура темплета в радиальном направлении; в, г - макро- и микроструктура переходной зоны соответственно

проявляют, никаких работ по титановым гранулам не ставят.

Да и ЦИАМ им «помогает». Мы же крайне заинтересованы в таких работах и не только по ВТ25УП, но и по ВТ6П, ВТ8П, ВТ3-1П и др.

Результаты испытаний на прочность в ОАО «Авиадвигатель» показали, что внедрение нашего интерметаллидного ортосплава ТИ2 уменьшит массу турбины низкого давления двигателя ПД14 на целых 20 кг. Кованую заготовку диска диаметром около 600 мм с хорошими свойствами мы уже получили. Целесообразно разработать технологию производства таких же дисков по схеме металлургии гранул с еще более высокими свойствами.

Рис. 7. Заготовка диска КВД из гранул сплава ВТ25УП

Обладая многолетним опытом работы в области теории и технологии производства гранул жаропрочных никелевых сплавов любой крупности методом плазменной плавки и центробежного распыления быстровра-щающейся литой заготовки, выполнив массу научно-исследовательских работ и защитив несколько диссертаций в этой области (В.Т. Мусиенко, И.А. Кононов, В.И. Ходкин, В.Я. Кошелев, В.П. Сафронов, Д.И. Сухов и др.), имея специальное оборудование для классификации по крупности и электростатической сепарации гранул и высококвалифицированные кадры, ОАО «ВИЛС» должен быть основной научной и производственной базой производства гранул для аддитивных технологий, которые получают сейчас бурное развитие в нашей стране. Ведь по существу, современные аддитивные технологии есть не что иное, как еще одно свидетельство правильности положений и выводов В.И. До-баткина по теории кристаллизации металлических материалов.

В целом, если сравнивать опубликованные в научной печати характеристики материалов заготовок дисков за рубежом и у нас в стране (табл. 9), то видно, что уровень наших заготовок выше или такой же. При этом все зарубежные компании заготовки дисков изготавливают по очень сложной технологии, связанной с дополнительной пластической деформацией, которая естественно значительно повышает их стоимость.

Мы впервые ввели в ТУ гарантируемый показатель МЦУ при 650 °С на уровне 20000 циклов при очень высоких нагрузках (ств 1 1100-1120 МПа), чего ни у кого нет. В настоящее время рассматривается вопрос о повышении гарантируемого числа циклов до 30000 под нагрузкой 1140-1180 МПа.

Дальнейшее развитие перспективных технологий возможно при условии разработки новых критических технологий и новых деталей авиадвигателей, включая их изготовление методами аддитивных технологий, приобретения мощного газостата с рабочими

Таблица 9 Механические, жаропрочные и ресурсные характеристики отечественных и зарубежных жаропрочных никелевых сплавов

Сплав Механические свойства, 20 °С Жаропрочность МЦУ, МПа

ив, МПа и02, МПа 8, % 650 °C ...-, СТ100 ч , МПа 750 °C ...-, СТ100 ч . МПа

Отечественные, штамповки из слитка

ВЖ175-ИД 1570 1150 17 1050 700 1270

ЭК151-ИД 1450 1050 13 1030 650 1160

ЭК152-ИД 1550 1150 10 1050 630 1200

Отечественные,технология as-HIP

ЭП741НП 1500 1080 18 1020 680 1050

ЭП962П 1550 1120 12 1050 820

ВВ750П 1520 1120 13 1140 750 1100

ВВ751 П 1600 1200 13 1110 620 1120

ВВ752П 1650 1220 13 1140 650 1180

ВВ753П 1600 1150 15 1140 800 1120

Зарубежные, технология ГИП + деформация

Merl 76 1400 1000 - 950 600 -

Rene 88DT 1450 1100 - 1050 600 -

N 18 1500 1000 18 1000 520 -

AF 115 1550 1150 13 1100 720 1100

RR1000 1600 1110 - - - -

Ме3 1610 1120 30 950 - -

Alloy 10 1570 1080 25 950 - -

параметрами: диаметр 2400-2600 мм; высота 2000-2500 мм; давление газа 2000 атм.; температура до 1350 °С, паспортизации уже апробированных новых дисковых сплавов ВВ752П, ВВ753П, приобретения современного экспериментального и исследовательского оборудования.

Освоение новых перспективных технологий металлургии гранул, новых гранулированных материалов обеспечит создание самых современных и перспективных конструкций авиационных и ракетных двигателей.

Выводы

1. Повышение скорости охлаждения в процессе кристаллизации жаропрочных никелевых сплавов приводит к диспергированию структурных составляющих сплава: ветвей дендритов, карбидов и интерметаллидов.

2. Создавая высокие скорости при охлаждении расплава, можно существенно уменьшить химическую неоднородность по объему металла и получить однородный монолитный материал самого сложного легирования в виде заготовок любой заданной массы.

3. При плазменном центробежном распылении и газоструйном распылении гранулы охлаждаются при кристаллизации со скоростями 103-104 °С/с, зависящими в основном от размера гранул. Элементы структуры в гранулах также меняются в прямой зависимости от размера гранул.

4. Основная структурная особенность гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, которую необходимо устранять - это проявление наследственных границ, вызванное образованием карбидных сеток по границам гранул, формирующихся в начальный период их выдержки под давлением в процессе ГИП и препятствующих взаимному прорастанию зерен, что приводит к снижению общего уровня механических свойств компактного материала .

5. Введение в состав сплава гафния, который образует на стадии расплава стабильные карбиды с низкой растворимостью в никелевых сплавах, позволяет предотвратить распад образующихся первичных карбидов на стадии ГИП и сформировать зеренную структуру без следов наследственных границ гранул.

6. Мелкие гранулы позволяют использовать более узкий гранулометрический состав и должны обеспечивать получение мелкозернистого и более однородного по химическому составу и структурным составляющим материала с повышенным уровнем механических характеристик.

7. Использование гранул крупностью менее 70 мкм позволяет повысить механические свойства заготовок дисков при комнатной температуре, а гарантируемый уровень МЦУ при температуре 650 °С и нагрузке 1100-1200 МПа довести до 30000 циклов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белов А.Ф. Настоящее и будущее металлургии гранул / В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С. 5-13.

2. Добаткин В.И. Роль кинетических и термодинамических факторов при кристаллизации гранул / В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С.23-33.

3. Белов А.Ф., Аношкин Н.Ф., Гарибов Г.С. Разработка и внедрение промышленной технологии производства крупногабаритных дисков и пустотелых валов из гранул жаропрочных никелевых сплавов горячим изостатическим прессованием / В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. - М.: ВИЛС, 1983. С.173-186.

4. Добаткин В.И. Закономерности быстрой кристаллизации как основа выбора составов гранулируемых сплавов / В кн.: Металлургия гранул. Вып. 4. - М.: ВИЛС, 1988. С. 11-23.

5. Зверева Е.А. Исследование влияния условий кристаллизации на структуру гранул и свойства компактированных изделий из жаропрочных никелевых сплавов. Автореф. дис. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. - М.: ВИЛС, 1979. - 23 с.

6. Белов А.Ф., Аношкин Н.Ф., Гриц Н.М. и др. Особенности легирования жаропрочных сплавов, получаемых методом металлургии гранул / В кн.: Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы на никелевой основе. - М.: 1984, ВИЛС. С. 31-36.

7. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Разработка и исследование нового гранулируемого высокопрочного жаропрочного никелевого сплава ВВ752П для перспективных изделий авиационной техники // Технология легких сплавов. 2011. № 1. С. 7-11.

8. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Волков А.М. Металловедческие аспекты производства заготовок

дисков из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов методом прямого ГИП // Технология легких сплавов. 2014. № 3. С. 54-58.

9. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А., Егоров Д. А. Повышение характеристик прочности и сопротивления МЦУ гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов за счет снижения крупности гранул // Технология легких сплавов. 2012. № 3. С. 56-63.

10. Гарибов Г.С. Эволюция механических характеристик заготовок дисков со снижением крупности гранул // Технология легких сплавов. 2014. № 4. С.58-61.

11. Гарибов Г.С., Гриц Н.М. Эволюция характеристик гранулируемых сплавов для авиадвигателей // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 106-112.

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

13. Гарибов Г.С., Гриц Н.М. Пути создания новых высокожаропрочных гранулируемых сплавов для перспективных авиадвигателей // Технология легких сплавов. 2012. № 3. С. 35-43.

14. Garibov G.S., Volkov A.M., Grits N.M., Vostri-kov A.V., Fedorenko E.A. Development of Advanced P/M Ni-Base Superalloys for Turbine Disks // 2nd European Symposium on Superalloys and their Applications. 12-16 May 2014. French Riviera, Giens, France. 2014. Р. 79.

15. Гарибов Г.С., Востриков А.В. Гранулированные никелевые сплавы нового поколения для производства дисков и валов перспективных ГТД // В кн.:

Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка. - Минск: Беларуская на-вука, 2014. С. 56-58.

16. Синявский В.С., Гарибов Г.С., Бер Л.Б., Мухина Т.А., Востриков А.В., Гриц Н.М. Анализ коррозионного состояния дисков газотурбинных двигателей из гранулируемых никелевых сплавов после длительной эксплуатации // Технология легких сплавов. 2015. № 2. С. 75-81.

17. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Бочарова А.А. Заготовки биметаллических дисков с функционально- градиентными свойствами для авиационных ГТД из гранул жаропрочных никелевых сплавов класса ВВП // В кн.: Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка. - Минск: Беларуская навука. 2014. С. 295-302.

18. Бочарова А.А., Гриц Н.М., Казберович А.М. Заготовки биметаллических дисков с фунцио-нально-грандиентными свойствами из перспективных жаропрочных никелевых сплавов // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 135-146.

19. Garibov G.S., Grits N.M., KazberovichA.M., Ego-rov D.A., Ryzhova N.A. PM VVP-Class Ni-Base Superalloys Disks with Dual Structure and Functionally Gradient Properties Manufactured by Direct HIP // In book: Proceeding HIP'14. 11 TH International Conference on Hot Icostatic Pressing. 9-13 June, 2014. Stockholm, Sweden. 2014. P. 576-578.

20. Катуков С.А., Гарибов Г.С., Сухов Д.И. Исследование качества материала крупногабаритных заготовок дисков, полученных методом гранульной металлургии из сплава ВТ25УП // Технология легких сплавов. 2012. № 3. С. 44-55.