Эволюция характеристик гранулируемых сплавов для авиадвигателей

-Ф-

-Ф-

_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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

УДК 621.763

ЭВОЛЮЦИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГРАНУЛИРУЕМЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ АВИАДВИГАТЕЛЕЙ

Г. С. Гарибов, докт. техн. наук, Н.М. Гриц, канд. техн. наук

Обсуждены основные, успешно решенные и решаемые проблемы металлургии гранул жаропрочных никелевых дисковых сплавов, связанные с устранением наследуемых от гранул границ и литой структуры, а также с уменьшением размера неметаллических включений в массе гранул.

Намечены наиболее перспективные направления развития отечественных дисковых гранулируемых сплавов - дальнейшее усложнение и совершенствование легирования, уменьшение размера используемых гранул и получение дисков с функционально-градиентными свойствами.

Ключевые слова: диски ГТД, металлургия гранул, жаропрочные никелевые сплавы, диски с переменной структурой, биметаллические диски, фракция гранул, размер включений, размер зерна, механические свойства, функционально-градиентные свойства.

Evolution of P/M Superalloy Characteristics for Aircraft Engines. G.S. Garibov, N.M. Grits.

Main problems successfully solved and being solved in the field of the powder metallurgy of disk Ni-base superalloys and related to elimination of powder particle boundaries and a cast structure, as well as a reduction in the number and size of non-metallic inclusions in powder bulk are discussed.

The most promising trends in development of domestic P/M disk Ni-base superalloys are outlined, namely: a further complication and improvement of alloying, a reduction in size of powder to be used and production of disks with functionally gradient properties.

Key words: gas-turbine engine disks, powder metallurgy, Ni-base superalloys, dual microstructure disks, bimetallic disks, powder fraction, inclusion size, grain size, mechanical properties, functionally gradient properties.

Постоянное совершенствование технологии металлургии гранул позволяет на протяжении трех последних десятилетий обеспечивать авиадвигателестроителей необходимыми дисковыми материалами, обладающими комплексом постоянно растущих механических и эксплуатационных характеристик.

Метод металлургии гранул является сложным многооперационным наукоемким технологическим процессом. Поэтому только глу-

бокое понимание всех превращений, происходящих с металлом на каждой технологической операции, и умение управлять этими процессами позволяет получать уникальные по форме изделия из сложнолегированных трудноде-формируемых жаропрочных никелевых сплавов с широким спектром высоких механических характеристик.

Суть метода металлургии гранул заключается в использовании вместо слитков обычных

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

размеров микрослитков из легированного сплава, так называемых гранул, степень дендритной ликвации в которых существенно не менее чем на порядок ниже, чем в слитках обычных размеров, применяемых для производства заготовок дисков традиционным методом. Уменьшение степени дендритной ликвации в гранулах является главным фактором, обеспечивающим однородность материала получаемого этим методом.

Основными проблемами, которые необходимо решить при производстве из гранул изделий с заданными характеристиками, являются следующие.

Первая - получение гранул требуемого размера с чистой от окислов и карбидов поверхностью, исключающей проявление наследственных границ гранул, с минимальным количеством и размером неметаллических включений.

Вторая - проведение последующей консолидации гранул с прохождением рекристаллизации с целью устранения литой структуры и взаимным глубоким прорастанием зерен.

Получение из сплава самого сложного легирования плотного однородного рекристал-лизованного материала без пор и наследственных границ гранул - это гарантия реализации всех возможностей, заложенных в химическом составе сплавов.

Основной структурной особенностью гранулируемых сплавов, которую необходимо устранить, является проявление наследственных границ гранул, вызванное двумя причинами.

Первая - это наличие оксидной пленки на поверхности гранул. Причина была успешно устранена на самой ранней стадии освоения технологии путем применения инертных газов высокой чистоты и реализации технологической схемы «all inert», когда все процессы подготовки гранул к ГИП (горячему изостати-ческому прессованию) осуществляются исключительно в инертной атмосфере.

Вторая - это наличие карбидной сетки по границам гранул, образующейся на начальной стадии процесса ГИП и препятствующей взаимному прорастанию зерен, что приводит к снижению общего уровня механических свойств.

Научный подход к устранению сетки такого рода был найден в процессе освоения сплава

ЭП741 при производстве заготовок дисков методом металлургии гранул [1].

Непосредственное использование химического состава сплава ЭП741, разработанного для изготовления штамповок, при производстве заготовок дисков ГТД методом металлургии гранул приводило к образованию карбидных сеток по наследственным границам гранул. Попытка уменьшить содержание углерода не полностью устраняла карбидную сетку, а уровень механических свойств существенно снижался.

Было установлено, что причиной образования сетки карбидов по границам гранул является нестабильность первичных карбидов МС, которые при начальной стадии нагрева в газостате дают вторичные карбидные выделения по границам гранул.

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

Введение определенного количества гафния в состав гранулируемых сплавов полностью решает проблему карбидных сеток по наследственным границам гранул. Поэтому практически все российские гранулируемые сплавы, в том числе и вновь создаваемые, содержат гафний [2].

Количество вводимого в сплав гафния зависит от состава сплава и в основном от содержания другого сильного карбидообразую-щего элемента ниобия. Чем больше ниобия в сплаве, тем меньше требуется гафния для получения стабильных первичных карбидов.

Устранение карбидных сеток по наследственным границам гранул способствует взаимному прорастанию зерен, однако глубина прорастания и соответственно прочность соединения гранул зависят оттого, в какой температурной области происходит консолидация гранул в процессе ГИП.

Горячее изостатическое прессование (ком-пактирование) является основной технологической операцией, определяющей структуру и, соответственно, комплекс механических

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

свойств конечной заготовки, цель которой обеспечить консолидацию гранул с исчезновением их наследственных границ с одновременной проработкой и устранением литой структуры гранул. Достижение этих целей в процессе ГИП позволяет после наложения соответствующей термообработки получать монолитное изделие с требуемыми структурными и механическими характеристиками без применения промежуточной дополнительной операции деформации.

Температура и длительность основной выдержки при компактировании оказывают прямое и определяющее влияние на размер зерна в отпрессованной заготовке, так как дальнейший рост зерна в таком материале при про -ведении последующей термообработки незначителен и при существующих режимах не превышает 5-8 мкм.

В результате многолетних комплексных исследований по изучению влияния режимов ГИП было установлено, что формирование полностью рекристаллизованной структуры компактного материала, без следов литой структуры зависит от температуры ГИП, размера используемых гранул и температуры полного растворения у'-фазы (Тприменяемого сплава.

Чем крупнее используемые гранулы, тем выше должна быть температура ГИП относительно Ту' сплава для получения материала с полностью рекристаллизованной структурой.

И наоборот, чем мельче используемые гранулы, тем более низкой температуры относительно температуры Ту' достаточно для прохождения рекристаллизации в процессе ГИП. Большая склонность к рекристаллизации связана с более высокими скоростями охлаждения мелких гранул в процессе их кристаллизации.

Например, для получения компактного материала с полностью рекристаллизованной структурой из гранул сплава ЭП741НП крупностью менее 250 мкм требуется проведение ГИП при температуре, как минимум, на 10 °С выше Ту', а из гранул крупностью менее 70 мкм для этого достаточно температуры равной Т^.

Яркой демонстрацией разной степени рекристаллизации гранул разной крупности при одной и той же температуре компактиро-

вания может служить микроструктура экспериментального образца из сплава ЭП741НП, скомпактированного при температуре 1200 °С, одна часть которого изготовлена из гранул фракции - 250 мкм, а другая из гранул фракции - 70 мкм. Гранулы использованных фракций изготовлены из материала одной и той же вакуумно-индукционной плавки. В зоне крупных гранул отчетливо видны гранулы со следами литой структуры с дендритной ориентацией, тогда как в зоне мелких гранул имеет место полностью рекристаллизованная мелкозернистая структура (рис. 1).

Представленная структура экспериментального образца подтверждает насколько важно, исходя из критических точек и размера используемых гранул, правильно назначить режим ГИП для получения рекристаллизо-ванного материала, свободного от структурной наследственности гранул.

Сохранение в компактированном материале остатков литой нерекристаллизованной

—250 мкм

—70 мкм

Рис. 1. Микроструктура экспериментального образца, изготовленного из гранул двух фракций -250и -70 мкм:

а -х50;б - х 100

а

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

структуры приводит при последующей термической обработке к формированию разно-зернистости и, как следствие, к нестабильности механических свойств и снижению длительной прочности.

Таким образом, решение проблемы получения полностью рекристаллизованной структуры, наряду с устранением наследственных границ гранул, является необходимым условием получения монолитного структурно и химически однородного мелкозернистого материала, не требующего дальнейшей пластической деформации.

Поэтому необходимо режимы ГИП разрабатывать для каждого конкретного сплава в зависимости от температуры полного растворения у'-фазы, размера используемых гранул и требований по механическим характеристикам.

Для сплавов, от которых требуются высокие прочностные характеристики, необходимо получить более мелкое зерно и, следовательно, ГИП проводить при температуре, как можно ближе к Ту, насколько это позволяет применяемое оборудование, и с небольшими выдержками. Примером может служить режим ГИП, разработанный для сплава ВВ751П (патент 2453398 РФ), который проводится при температуре на 10 °С выше Ту в течение 2 ч и позволяет получать в заготовках дисков после термообработки зерно размером около 20 мкм.

Для обеспечения высокой жаропрочности при повышенных рабочих температурах 1 750 °С, как было установлено, необходимо получать зерно размером не менее 40 мкм и, следовательно, поднимать температуру ком-пактирования относительно Ту', насколько это позволяет ширина области гомогенности, а при узкой области гомогенности - увеличивать время выдержки. Примером такого подхода может служить режим ГИП, разработанный для высокожаропрочного сплава ВВ750П (патент 2457924 РФ), который проводят на 15 °С выше Ту, насколько позволяет узкая область гомогенности этого сплава, но с увеличенной до 4 ч выдержкой. Такой режим обеспечивает при использовании мелких гранул крупностью менее - 100 мкм получение зерна размером 1 40 мкм.

Третья проблема металлургии гранул, которая требовала решения - это уменьшение количества и размера неметаллических, в том числе шлаковых, включений.

Уменьшению количества неметаллических включений в массе гранул в основном способствуют поддержание более глубокого вакуума при выплавке сплава, улучшение качества футеровки тигля и технологической оснастки, а также использование современных методов сепарации гранул.

В свою очередь, размер включений, попадающих в массу используемых гранул, напрямую связан с их крупностью. Чем мельче используемые гранулы, тем меньше размер возможных неметаллических включений.

С целью уменьшения размера неметаллических включений для повышения эксплуатационной надежности изделий, изготовленных методом металлургии гранул, в течение длительного времени осуществляли постепенный поэтапный переход к использованию в серийном производстве заготовок дисков из сплава ЭП741НП все более мелких гранул: от фракции - 315 мкм до фракции - 100 мкм, что обеспечило уменьшение максимально возможного размера включений с 460 до 150 мкм.

Уменьшение размера используемых в производстве гранул до - 100 мкм способствовало не только уменьшению размера включений, но и измельчению зерна в среднем с 60 до 40 мкм [3].

Все это позволило к настоящему времени поднять уровень прочности сплава ЭП741 НП на 100 МПа, предел длительной прочности при 650 °С на 70 МПа и повысить сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ) на базе 7000 циклов до 980 МПа (табл. 1).

Успешное решение описанных выше основных проблем металлургии гранул, связанных с устранением наследственных границ и литой структуры гранул и минимизацией количества и размера неметаллических включений, а также использование гранул, полученных плазменным центробежным распылением литой заготовки, и поэтому свободных от газовой пористости, открывает широкие перспективы для развития жаропрочных никелевых сплавов для дисков, валов и других критических деталей газотурбинных двигателей (ГТД).

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Таблица 1

Гарантируемый уровень механических свойств заготовок дисков из гранул сплава ЭП741 НП разных фракций

Фракция гранул, Механические свойства, 20 °С Жаропрочность при 650 °С МЦУ при 650 °С, Г = 1 Гц

мкм ав, МПа а02, МПа 8, % V, % КСи, Дж/см2 а100, МПа а, МПа Ы, циклы

-315 + 50 (1981 г.) 1320 930 13 15 39 930 930 3500

-100 (2012 г.) 1420 1000 15 17 39 1000 980 7000

Исключение наследственных границ и литой структуры гранул и, соответственно, повышение пластических характеристик гранулируемых сплавов, дает дополнительные возможности по дальнейшему усложнению их легирования с целью обеспечения все возрастающих требований к уровню механических свойств жаропрочных никелевых сплавов.

Переход на более мелкие гранулы, которые отличаются большей однородностью, склонностью к рекристаллизации при более низких температурах ГИП и меньшей склонностью к образованию неравновесных эвтектик, также позволяет дополнительно легировать жаропрочные никелевые сплавы без опасения ухудшения их технологичности из-за сужения области гомогенности.

Возможности дальнейшего развития гранулированных дисковых жаропрочных никелевых сплавов за счет дальнейшего усложнения и совершенствования легирования далеко не исчерпаны, вопреки существующему мнению, что эти сплавы достигли своего предельного легирования. Однако сложившееся мнение можно отнести только к деформируемым сплавам.

Доказательством того, что возможности легирования гранулируемых сплавов не исчерпаны, может служить тот факт, что новый гранулируемый сплав ВВ750П с содержанием упрочняющей у'-фазы 57 % мас. превосходит по всем механическим характеристикам и значительно превосходит по жаропрочности при рабочих температурах серийный сплав ЭП741НП с большим содержанием упрочняющей у'-фазы, составляющим 60 % мас.

Усложнение легирования гранулируемых сплавов позволило на данный момент достичь очень высоких характеристик как прочности

на уровне 1600 МПа высокопрочного сплава ВВ751П, так и жаропрочности при 650 и 750 °С на уровне 1140 и 750 МПа соответственно высокожаропрочного сплава ВВ750П [4].

Поэтому дальнейшее усложнение и совершенствование легирования как с целью увеличения количества упрочняющей у'-фазы до предельного содержания 65 % мас. так и с целью одновременного упрочнения у-твердого раствора и у'-фазы, за счет увеличения содержания уже используемых легирующих элементов (Со, С и др.) и введения новых для отечественных сплавов эффективных легирующих элементов, таких как Та, Яе и др., продолжает оставаться наиболее перспективным направлением развития гранулируемых сплавов для дисков ГТД.

Получение универсального гранулируемого дискового сплава с жаропрочностью 800 МПа при 750 °С и пределом прочности на уровне 1600 МПа является вполне реальной ближайшей перспективой.

Следующим перспективным направлением развития дисковых жаропрочных никелевых сплавов можно рассматривать дальнейшее уменьшение размера используемых гранул.

Одна из важнейших характеристик надежности - сопротивление малоцикловой усталости - напрямую зависит от размера дефекта, в нашем случае от размера шлаковых или неметаллических включений, которые пока еще могут иметь место в гранулируемом материале. Так как уменьшение размера используемой фракции гранул автоматически уменьшает размер возможных включений, то этот путь рассматривается в качестве одного из основных путей повышения характеристик надежности.

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

На данный момент после проведения широкого круга исследований и опробования в промышленном производстве осуществляется переход на гранулы фракции - 100 мкм на серийном сплаве ЭП741НП и решается вопрос о дальнейшем уменьшении размера гранул до фракции - 70 мкм.

В производстве заготовок дисков из новых гранулируемых сплавов класса ВВП из-за высоких требований к их эксплуатационной надежности используют гранулы крупностью менее 100 и менее 70 мкм.

Применение гранул мелких фракций позволяет получать не только мелкозернистый однородный материал, но и для специальных целей в случае необходимости, меняя режимы ГИП и термообработки путем увеличения температуры и длительности выдержки, можно получать более крупное зерно.

То есть переход на мелкие гранулы существенно расширяет возможности управления размером зерна в компактированном материале и, следовательно, получения любого требуемого комплекса механических характеристик гранулируемых сплавов, так как позволяет получать размер рекристаллизованного зерна в широком диапазоне от 15 до 70 мкм и более.

Металлургия гранул за счет получения однородного материала, уменьшения крупности гранул, усложнения легирования, безусловно, обладает широкими возможностями повышения механических характеристик. Однако эти возможности не безграничны.

Несмотря на это, требования конструкторов постоянно растут, и одновременно расширяется спектр необходимых высоких механических и служебных характеристик. В частности, в настоящее время в качестве одного 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 высокую прочность одного сплава в одном структурном состоянии невозможно, так как эти свойства обеспечиваются разными значениями одних и тех же структурных характеристик.

Только путем использования двух сплавов или создания разнородного структурного со-

стояния по сечению диска из одного и того же сплава можно получить разный уровень механических свойств: от максимальной жаропрочности и низкой СРТУ в одной зоне -ободе, до максимальной прочности и сопротивления МЦУ в другой зоне диска - ступице. Это позволит реализовать максимальные возможности новых сплавов и привести механические свойства в каждой зоне в соответствие с температурно-силовыми полями, возникающими в разных зонах диска при эксплуатации [5], то есть обеспечить формирование функционально-градиентных характеристик в диске.

Эта линия в развитии гранулируемых жаропрочных дисковых сплавов в настоящее время считается наиболее перспективной и разрабатывается в ОАО ВИЛС по двум направлениям: создание технологии изготовления биметаллических дисков из самых современных жаропрочных никелевых сплавов высокопрочного ВВ752П и высокожаропрочного ВВ750П, а также формирование переменной структуры в разных зонах дисков, изготовленных из одного сплава.

В ходе проведения экспериментальных работ был разработан и запатентован [6] наиболее перспективный и экономичный способ формирования разной структуры в разных зонах диска, позволяющий также оптимальным образом соединять два сплава в биметаллическом диске.

Суть способа заключается в том, что горячему изостатическому прессованию и последующей компромиссной термообработке подвергается капсула, две зоны которой заполнены гранулами двух разных фракций в случае использования одного сплава или гранулами двух сплавов в случае биметаллического диска. При этом способе изготовления биметаллического диска эффект от использования двух разных сплавов можно усилить, используя более мелкие гранулы высокопрочного сплава и более крупные гранулы высокожаропрочного сплава.

Этим способом в промышленных условиях были изготовлены опытные заготовки диска ТВД с переменной структурой (рис. 2) и заготовки биметаллических дисков из новых сплавов ВВ752П и ВВ750П.

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Рис. 2. Заготовки диска с переменной структурой:

а - внешний вид; б - макроструктура радиального темплета; в - макроструктура в переходной зоне, х7; г -микроструктура в переходной зоне, х100

Таблица 2

Механические свойства в разных зонах биметаллического диска и диска с переменной структурой

Тип диска Зона диска (сплав) Предел прочности при 20 °С, МПа Предел длительной прочности при750°С за 100 ч, МПа Сопротивление МЦУ при 650 °С на базе 2 • 104циклов, МПа

Диск с переменной структурой из сплава ВВ750П Обод Ступица 1520 1540 750 700 1050 1100

Биметаллический диск из сплавов ВВ750П и ВВ752П Обод(ВВ750П) Ступица(ВВ752П) 1560 1620 750 650 1080 1160

Исследование таких заготовок дисков показало эффективность способа получения функционально-градиентных характеристик и высокое качество переходной зоны. Механические свойства в разных зонах изготовленных дисков приведены в табл. 2

Результаты многочисленных зарубежных разработок и первые , полученные в прове -денных исследованиях, данные свидетельствуют о жизнеспособности и перспективности инновационных технологий изготовления из гранул дисков ГТД с функционально-градиентными характеристиками.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белов А.Ф., Фаткуллин О.Х., 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.: Наука, 1984. С. 31-40.

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

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

4. 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. 34-44.

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

6. Пат. 2455115 РФ. Способ получения переменной структуры по сечению порошковой заготовки / Гарибов Г. С., Гриц Н.М., Волков А.М. и др. Опубл. 10.07.2012. Бюл. № 19.