Исследование возможности изготовления заготовок дисков ГТД с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами из гранул разных фракций

_МЕТАЛЛУРГИЯ Г РАНУЛ__

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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

УДК 669.018.4:621.762:621.43

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАГОТОВОК ДИСКОВ ГТД С ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНЫМИ СВОЙСТВАМИ ИЗ ГРАНУЛ РАЗНЫХ ФРАКЦИЙ

Г.С. Гарибов, докт. техн. наук, Гриц Н.М., канд. техн. наук, Федоренко Е.А., Егоров Д.А., Волков А.М., Чудинов А.А.

Установлена принципиальная возможность получения заготовок дисков с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами методом ГИП с использованием гранул разных фракций.

Показано, что применение гранул разных фракций и различных скоростей охлаждения при закалке позволяет получить существенное различие в уровне механических свойств в разных зонах модельных заготовок за счет формирования разного размера зерна и включений упрочняющей /-фазы.

Ключевые слова: диски ГТД, переменная структура, функционально-градиентные свойства, гранулы разных фракций, ступица диска, обод диска, механические свойства, переходная зона, размер зерна, зона разрушения.

Investigation of the Possibility of Manufacturing Dual Microstructure GasTurbine Engine Discs with Functionally Gradient Properties Using Powders Belonged to Different Fractions. G.S. Garibov, N.M. Grits, Ye.A. Fedorenko, D.A. Yegorov, A.M. Volkov, A.A. Chyudinov.

The possibility of manufacturing dual microstructure discs with functionally gradient properties via HIPing using powders belonged to different fractions has been found.

It is shown that the use of powders belonged to different fractions and attainment of different cooling rates during quenching result in a noticeable difference in the level of mechanical properties in various areas of the model discs due to formation of grains and strengthening Y phase inclusions differed in size.

Key words: gas-turbine engine discs, dual microstructure, functionally gradient properties, powders belonged to different fractions, disc bore, disc rim, mechanical properties, transition zone, grain size, failure area.

Повышение температур на входе в турбину рассматривается в настоящее время как наиболее перспективное направление развития двигателестроения, так как это способствует существенному повышению КПД турбины. Повышение рабочих температур, в свою очередь, требует новых высокожаропрочных материалов как для лопаток, так и для дисков ГТД.

В связи с этим в последнее время как за рубежом, так и в России, появился ряд новых жаропрочных никелевых высоколегированных сплавов, рассчитанных на повышенные температуры эксплуатации. В ОАО ВИЛС также создан новый дисковый высокожаропрочный сплав ВВ750П, рассчитанный на рабочую температуру до 850 °С.

На каждом следующем этапе развития жаропрочных никелевых сплавов становится все труднее достигать повышения уровня механических свойств путем дальнейшего усложнения легирования, так как приближается допустимый предел по содержанию упрочняющей у'- фазы и увеличивается вероятность образования топологических плотноу-пакованных охрупчивающих фаз.

За рубежом существует мнение, что предел возможности повышения уровня механических свойств за счет легирования уже достигнут.

Несмотря на это, требования конструкторов постоянно растут, и одновременно расширяется спектр необходимых высоких механических и служебных характеристик. В частности, в настоящее время одним из основных требований, предъявляемых к сплавам для дисков ГТД, является низкая скорость распространения усталостной трещины (СРТУ). Но получить одновременно высокую жаропрочность, низкую СРТУ и максимально возможную высокую прочность сплава в одном структурном состоянии невозможно, так как эти свойства обеспечиваются разными значениями одних и тех же структурных характеристик.

Только путем создания разного структурного состояния по сечению диска из одного и того же материала можно получить разный уровень механических свойств: от максимальной жаропрочности и низкой СРТУ в одной зоне диска до максимальной прочности в другой. Это позволит реализовать максимальные возможности новых сплавов.

Известно, что реальные условия эксплуатации различных частей дисков ГТД существенно меняются при переходе от обода к ступичной части. Обод турбинного диска нагревается до более высоких температур, поскольку он расположен ближе к высокотемпературному газовому тракту, а в области ступицы наблюдаются более низкие температуры. Например, при рабочей температуре на ободе диска, равной 650 °С, температура в ступичной части достигает лишь 400 °С [1]. При этом возникающие по сечению диска радиальные и окружные напряжения, также существенно меняются. Высокие напряжения имеют место в ступице и полотне, а

напряжения, возникающие на ободе, минимальны [2].

Поэтому для приведения уровня механических свойств в различных частях диска в соответствие с условиями эксплуатации необходимо на ободе диска обеспечить максимально возможную жаропрочность и низкую СРТУ, а в ступице - максимально возможные прочность и сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ).

Достигнуть этого можно двумя путями: применяя разные сплавы для формирования различных частей дисков (биметаллические диски) или создавая разную структуру по сечению диска из одного сплава (табл. 1). В случае биметаллического диска до сих пор не решена проблема компромиссной термообработки и переходной зоны между сплавами, поэтому за рубежом более перспективным считается использование одного сплава в различном структурном состоянии [3].

В патентной и научно-технической литературе представлено большое количество источников, прямо или косвенно касающихся проблемы формирования в изделиях функционально-градиентных свойств (см. табл. 1).

Существует большой ряд технических решений по формированию различной структуры по сечению, которые следует особо выделить, так как все они относятся к стадии термической обработки заготовок. Практически все эти методы основаны на том, что нагрев заготовки с мелкозернистой деформированной структурой выше или ниже температуры полного растворения упрочняющей фазы позволяет получить более крупное или более мелкое зерно. Предлагается ряд технических решений, основная суть которых - это нагрев разных зон заготовки при разных температурах относительно сольвуса.

Все предложенные способы получения переменной по сечению структуры в процессе термообработки за счет создания градиента температур имеют один существенный недостаток - это сложность поддержания требуемого температурного градиента во времени, что приводит к низкой воспроизводимости результатов.

Для устранения перечисленных выше недостатков был предложен метод получения

Таблица 1 Заготовки дисков с функционально-градиентными свойствами

Методы изготовления Недостатки

Биметаллический диск Высокая стоимость Проблема чистоты плоскости соединения Несовместимость термообработок Напряжения в зоне соединения

Диск из одного сплава с переменной структурой: заполнение вращающейся капсулы гранулами разных фракций (пат. иэ 4900635); проведение двухступенчатого ГИП последовательно заполняемых частей капсулы (пат. иэ 4680160); соединение отливки тройного переплава с порошком при помощи ГИП или напыления (пат. иэ 7722330); проведение двухступенчатой деформации (пат. иэ 4608094); зональный нагрев при термообработке (пат. иэ 5312497, 6478896, 4820358, 6660110); локальный индукционный нагрев обода; нагрев в печи выше сольвуса с охлаждаемой или термоизолированной ступицей Проникновение мелких гранул в ободную часть Проблема чистоты переходной зоны Низкие прочностные свойства отливки Сложность в выборе режима термообработки Сложность конструкций установок. Проблемы, связанные с управлением тепловым процессом

заготовок дисков из одного сплава с переменной структурой, основанный на применении гранул разной крупности для формирования ступичной и ободной частей диска, получаемого прямым горячим изостатичес-ким прессованием с последующей термической обработкой при температуре выше сольвуса.

Для опробования этого метода в рамках данной работы был выбран гранулируемый серийный дисковый сплав ЭП741НП. Выбор сплава для проведения экспериментов основан на том, что это всесторонне исследованный сплав с хорошо известными структурными и механическими характеристиками и с большим набором статистических данных. Это в значительной степени способствует более достоверной оценке полученных в эксперименте структурных состояний и уровня механических свойств и позволяет сделать более обоснованный вывод о преимуществах предлагаемого способа получения диска с переменной структурой.

Для предварительной оценки возможности применения предложенного метода были изготовлены экспериментальные образцы.

В результате исследования структуры экспериментальных образцов в состоянии после горячего изостатического прессования (ГИП) установлено, что размер зерна в зонах, изготовленных из крупной и мелкой фракций, различается в 2 раза. Следовательно, стандартный для сплава ЭП741НП режим компак-тирования позволяет сохранить наследственное различие в размере зерна, которое формируется в гранулах крупной и мелкой фракции.

Переходная зона между крупно- и мелкозернистой частью представляет собой участок со смешанным зерном шириной ~500-800 мкм. В зоне контакта мелких и крупных гранул отсутствует фиксированная граница, отчетливо наблюдается прорастание мелкого зерна через границы крупных гранул, нет границ зерен, совпадающих с наследственными границами гранул (рис. 1). Отсутствие

Рис. 1. Структура экспериментального образца в переходной зоне:

а - макроструктура, х7; б - зерно, х50, в - зерно, х100

четкой границы, являющейся концентратором напряжений, должно обеспечивать достаточную прочность и устойчивость образующейся переходной зоны при различных видах

испытаний, а также в процессе эксплуатации такого материала.

Таким образом, была экспериментально подтверждена возможность использования

предложенной схемы изготовления заготовок с переменной структурой из гранул двух фракций. Данная схема может рассматриваться как наиболее перспективная, так как лишена большинства перечисленных выше недостатков.

Полученное после ГИП различие в размере зерна необходимо сохранить после проведения термической обработки. Поэтому для сохранения различия в размере зерна и создания различия в размере упрочняющей у'- фазы (чтобы обеспечить максимальную прочность в области ступицы и максимальную жаропрочность в ободной части) был разработан режим термообработки с закалкой из однофазной области и двухступенчатым старением. Для опробования такого режима, исследования структуры и уровня механических свойств сплава с различным зерном, полученным из гранул разных фракций, были

изготовлены модельные заготовки массой около 3 кг каждая (рис. 2).

Все гранулы для изготовления модельных заготовок были получены из одной серийной плавки сплава ЭП741НП. Путем рассева выделяли две фракции - крупную и мелкую.

Заготовки из мелкой фракции имитировали ступицу диска, из крупной - ободную часть, а из двух фракций - область переходной зоны (см. рис. 2, а).

Для обеспечения чистоты эксперимента все модельные заготовки подвергали ГИП по стандартному режиму, располагая их в одной зоне нагрева печи газостата.

Так как для получения функционально-градиентных свойств, помимо формирования различного размера зерна по сечению, требуется также получение различного размера упрочняющей фазы, более мелкой в ступице (для высокой прочности) и более крупной на

Рис. 2. Внешний вид модельных заготовок:

а - имитация модельными заготовками осевого сечения диска; б - заготовки после ГИП; в - заготовки, подготовленные к термообработке

ободе (для высокой жаропрочности), то необходимо при закалке обеспечить более высокие скорости охлаждения в области ступицы.

Поэтому перед операцией термообработки заготовки с мелкой фракцией, имитирующие ступицу, обтачивали с целью удаления капсулы, заготовки с двумя фракциями обтачивали частично - со стороны мелких гранул, а с заготовок из крупной фракции, имитирующих ободную часть, капсулу не удаляли (см. рис. 2, в). Такую схему применяли для имитации условий охлаждения реального диска с частично удаленной капсулой с целью достижения максимальных значений прочности в мелкозернистой ступичной части.

Для полной имитации условий термообработки реального диска все заготовки размещали на толстом металлическом листе, имитирующем реальную массу диска, на котором проводили нагрев и охлаждение в процессе закалки. Применение разработанного режима термообработки позволяет на заготовках с достаточно большим поперечным сечением, около 90 мм, сохранить исходное существенное различие в размере зерна.

Травление на макроструктуру отчетливо выявляет переходную зону и зону крупного и мелкого зерна (рис. 3). Зерно в непосредственной близости от переходной зоны различается по размеру в 2 раза (рис. 4).

Микроструктура в мелко- и крупнозернистом материале однотипная, монодисперсная, но с различающимся в 2 раза размером упрочняющей у'- фазы (рис. 5).

Механические свойства модельных заготовок испытывали на образцах, вырезанных из крупно- и мелкозернистого материала. Для всех видов намеченных испытаний также изготавливали образцы с переходной зоной, расположенной в рабочей части.

Исследование прочностных характеристик показало, что предел прочности и предел текучести мелкозернистого материала выше, чем крупнозернистого, на 120 и на 40 МПа соответственно (табл. 2).

Сопротивление МЦУ, находящееся в прямой связи с кратковременной прочностью, мелкозернистого материала также существенно выше, чем крупнозернистого. По среднему числу циклов до разрушения при температуре 650 °С и напряжении 1020 МПа мелкозернистый материал превышает крупнозернистый примерно в 6 раз.

Разрушение разрывных образцов и образцов МЦУ с переходной зоной в рабочей части образца проходило по крупнозернистому материалу, обладающему более низкими значениями данных характеристик (рис. 6 а, б).

Место расположения зоны разрушения относительно переходной зоны устанавливали путем шлифования и травления на макроструктуру поверхности рабочей части испытанных образцов.

На травленой поверхности рабочей части разрушенных образцов отчетливо выделяются зоны с разным зерном, переходная зона, а также видно, что разрушение произошло по крупнозернистой зоне.

Рис. 3. Макроструктура осевых темплетов модельных заготовок (склейка), х7

Рис. 4. Зерно в модельной заготовке с переходной зоной после термообработки, х100:

а - переходная зона; б - зона крупного зерна; в - зона мелкого зерна

а б

Рис. 5. Микроструктура крупнозернистого (а) и мелкозернистого материала (б) после термообработки, Х10000

го

X ^

\о

ГО

га о.

.а х т га а

с О

га т га

£ х

га а

*

.а х х

ш ^

т

о

5Й

о т о

га со х .а х .а

ш Ч о 2

га т

о т

о

о

X X

га х ш

С о о

,а — ^

0 П 1— го

1П .> к го (0

0 СО -н

2 1

р0 С 1 ш

1 го

> и 0 1 го

=1 гч

X -н

_0

т с о С О ,а ^

н 0 П го

о Ю 7 .> 0 гч 1 ю

р 0 го -н

о р 7 о

р п

а Е п

£ X

С

к

а р

©

о о

го го

-н а)

о гч гч го

-н гч

1 со 1 00

о СО о 00

го го

ГЧ ю

ю -н

-Н 00

00 гч

о -н а> гч

1 1

-н о тЧ о

со го

-н -н

аэ со 00

го гч го -н о сэ гч го

1 о о гч 1 о -н 1 сэ -н

00 -н аэ -н -н

сс го ¥

ш

го -н го

-н а) го

-н С 1 го со о

-н ч| о -н -н

со -н го о о

с» ю

С ) с) С )

-н -н -н

^ 1 гч ^ 1

гч

ю со гч гч о

-н -н -н

со ю го о

С ) со ю

ю го го

-н -н -н

сс го

X 1=

с

При испытании на длительную прочность среднее время до разрушения крупнозернистого материала превышает таковое мелкозернистого материала. При испытании образцов с переходной зоной в рабочей части разрушение всех образцов произошло, как и следовало ожидать, по мелкозернистому материалу (рис. 6, в).

Рис. 6. Расположение переходной зоны и зоны разрушения в рабочей части образцов, испытанных на сопротивление МЦУ

Ни один из испытанных образцов не разрушился по переходной зоне при любых видах испытаний.

Таким образом, формирование структурных параметров, таких как размеры зерна и упрочняющей /- фазы, различающихся по размеру приблизительно в 2 раза, обеспечило получение различного уровня механических свойств в зонах, изготовленных из разных фракций.

Переходная зона, образующаяся при таком способе получения заготовок с переменной структурой, не является причиной разрушения ни при каких видах испытания.

В настоящее время проводится исследование полноразмерных заготовок дисков диаметром 550 мм, изготовленных предлагаемым способом, обод которых сформирован из крупных гранул, а ступица и полотно - из мелких.

Выводы

1. Предложена и опробована новая схема производства заготовок дисков с функционально-градиентными свойствами из гранул разных фракций.

2. Для получения переменной структуры разработаны и опробованы на модельных заготовках технологические параметры ГИП и термообработки, определены необходимые фракции гранул.

3. На модельных заготовках, изготовлен-

ных по разработанным режимам, получена переменная структура и существенное различие в уровне механических свойств в мелко-и крупнозернистой зонах.

4. Исследована переходная зона, выявлено ее преимущество по сравнению с переходными зонами, формируемыми другими методами изготовления комбинированного диска.

5. Подана заявка на выдачу патента РФ на способ получения переменной структуры по сечению порошковой заготовки [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Loehnert K. Wrought Superalloys. Graduate School High Temperature Materials, WS 2006/ 2007, WTM.

2. Расчет на прочность авиационных газотурбинных двигателей/Биргер И.А., Дариевский В.М., Демьянушко И.В. и др./Под ред. Биргера И.А., Котерова Н.И. - М.: Машиностроение, 1984. -208 с.

3. Gauda J., Furrer D. Формирование переменной микроструктуры турбинных дисков посредством специальной термообработки/ZAdvanced Materials & Processes. 2003. V. 161, № 7. P. 3639.

4. Заявка на патент. Рег. № 2011105786. Приоритет от 17.02.2011. Способ получения переменной структуры по сечению порошковой заготовки.