Перспективные материалы и технологии производства дисков турбин

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 621.762

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДИСКОВ ТУРБИН

Ю.Н. Шмотин, канд. техн. наук, Р.Ю. Старков, канд. техн. наук, А. В. Логунов, докт. техн. наук, Д. В. Данилов

Рассмотрены проблемы создания дисков компрессоров газотурбинных двигателей и достоинства гранульных дисковых сплавов, проведен анализ отечественных и зарубежных сплавов.

Ключевые слова: диски турбин, диски компрессора, никелевый жаропрочный сплав, тугоплавкие элементы, гранульная технология, технология as-HIP.

Advanced Materials and Technologies for Production of Turbine Disks.

Yu.N. Shmotin, R.Yu. Starkov, A.V. Logunov, D.V. Danilov.

Problems of creation of gas-turbine compressor disks and merits of P/M disk alloys are discussed, domestic and foreign alloys are reviewed.

Key words: turbine disks, compressor disks, Ni-base superalloy, refractory elements, powder metallurgy technology, as-HIP technology.

Создание газотурбинных двигателей 5 и 6 поколений, а также новых газотурбинных установок для энергетики, судостроения и другого применения требует, наряду с оригинальными конструкторскими и технологическими решениями, разработки материалов со значительно более высоким уровнем работоспособности.

Одними из наиболее критических элементов газотурбинных двигателей являются диски турбин и последних ступеней компрессоров, изготавливаемые из никелевых жаропрочных сплавов.

Усложнение состава сплавов, приводящее к повышению их эксплуатационных характеристик, одновременно существенно снизило технологичность этих материалов. Темпера-турно-силовые параметры условий их деформации стали настолько сложными, что получать высококачественные штамповки из них с приемлемым выходом годного стало практически невозможно.

Выходом из сложившейся ситуации является гранульная металлургия. В этом случае гранулы представляют собой микрослиток,

отличающийся высокой равномерностью химического состава, а, следовательно, высокой однородностью и равномерностью распределения выделяющихся упрочняющих фаз, что позволяет:

- получать детали из особо жаропрочных сложнолегированных сплавов;

- использовать новую высокоэффективную технологию формообразования деталей -газостатическую обработку, которая свела практически к нулю все сложные и трудноразрешимые проблемы, характерные для технологии «литье + деформация»;

- существенно облегчить условия деформации заготовок из этих сплавов.

В России работы по гранульным сплавам и технологиям получения турбинных дисков применительно к созданию авиадвигателей Д30Ф6, Д30Ф11, АЛ31Ф, РД33, ПС90А для истребителей МиГ-31, Су-47, Су-27, МиГ-29, пассажирских самолетов Ил-96-300, Ил-96-400, Ил-76МФ, Ту-204 ведутся с начала 70-х гг.

Объединенными усилиями отечественных предприятий авиакосмической отрасли к 80-м гг. был разработан широкий спектр

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

паспортизованных гранульных жаропрочных сплавов, отработаны технологии изготовления дисков, в том числе военных и гражданских силовых газотурбинных установок.

Для производства дисков военных и гражданских силовых установок используют технологию as-HIP, разработанную в ВИЛСе еще в 70-80-х гг. Гранульная технология производства дисков ГТД методом as-HIP обеспечивает стабильное высокое качество изотропного материала. При доработке технологии в процессе производства существенно снижены размеры гранул и неметаллических включений (до 100 мкм).

Производство в ВИЛСе компонентов ГТД из гранул жаропрочных Ni-сплавов, в первую очередь из ЭП741НП, сертифицировано на соответствие зарубежным стандартам и требованиям АР МАК.

Применение улучшенного сплава ЭП741НП взамен сплавов ЭИ698-ВД, ЭП742-ИД, ЭК79- ИД, ЭК79У- ИД повысило ресурс двигателей в 3-5 раз, а благодаря снижению расхода металла и трудоемкости привело к уменьшению стоимости до 15 % [1].

Следует отметить, что значительное внимание в России и за рубежом уделяется проблеме улучшения прочностных свойств в диапазоне температур - от комнатной до рабочей. Известно, что увеличение прочностных показателей сплавов при комнатных и невысоких температурах обеспечивает надежную работу ступицы диска и двигателя при запусках и остановах, а более высокие значения прочности при рабочих температурах позволяют значительно улучшить надежность, долговечность и тактико-технические параметры новых изделий.

В частности, в сплавах Alloy 10, LSHR, FGH95,

TMW-4 фирмы Honewell достигнутый уровень

20

прочности ств составляет 1650-1742 МПа. При этом следует особо отметить китайский сплав FGH95, обладающий рекордным значением кратковременной прочности при комнатной температуре (1742 МПа) и максимальным

20

пределом текучести ств (1469 МПа).

Отечественные сплавы, созданные в настоящее время, также отличаются высоким уровнем прочности при комнатных температурах (1560-1650 МПа).

Примерно так же соотносятся характеристики зарубежных и отечественных новых сплавов по важному показателю - пределу текучести при комнатной температуре. У отечественных сплавов ст02 составляет 1130-1215 МПа.

2 20 За рубежом достигнутый уровень Сто 2 равен

1125-1469 МПа. '

При температурах порядка 650 °С показатели отечественных сплавов соответствуют достигнутому за рубежом уровню.

Однако при более высоких температурах (750 °С и выше), которые станут основными в перспективных ГТД, российские дисковые сплавы имеют заметное преимущество.

Активно ведутся работы по созданию сплавов, предназначенных для работы при 800 °С и выше.

Особо стоит обратить внимание на вновь создаваемый в ОАО ВИЛС сплав ВВ753. Он в наибольшей степени легирован тугоплавкими элементами, обеспечивающими высокий уровень работоспособности при температурах выше 750 °С. Сплав имеет хорошие характеристики длительной прочности при всех реализуемых в новой технике температурах: 650, 750, 850 °С. Это делает его весьма перспективным для использования в разрабатываемых конструкциях авиадвигателей.

Представляют интерес также два новых жаропрочных дисковых сплава - ВВ751П и ВВ752П. Эти сплавы предназначены для работы при температурах до 650 и 700 °С соответственно. Они, по сравнению с широко используемым в настоящее время сплавом ЭП741 НП, обладают гораздо более высокими (в указанных авторами условиях эксплуатации) пределами кратковременной прочности. В частности, путем совершенствования легирования, технологии компактирования и термической обработки авторам работы [2] удалось обеспечить для этих сплавов современный уровень предела кратковременной прочности, равный 1600 и 1650 МПа (сплавы ВВ751П и ВВ752П соответственно). При этом заметно улучшены характеристики жаропрочности -значения ст 1650 С этих сплавов равны 1110 и 1140 МПа. Сплав ВВ751П был успешно использован для изготовления крупногабаритных дисков и массивного вала сложной формы двигателя изделия «133». Полученные ре-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

зультаты дают основание применять этот сплав и в дальнейшем для турбинных и компрессорных дисков наших перспективных двигателей.

Подводя итоги, можно добавить, что эффективность гранульной металлургии обусловлена рядом факторов.

1. Гранульная металлургия позволила решить давно поставленную конструкторами задачу - иметь в диске различные свойства в разных его частях за счет создания заготовок с различным химическим составом по сечению. Именно эта технология дала возможность получить надежное твердофазное соединение разнородных материалов с плавным изменением их химического состава.

2. Гранульная металлургия обеспечила реализацию принципиально новых подходов: получение целиковых узлов (например, диска с лопатками), что в предыдущий период являлось весьма проблематичным. Следует указать, что некоторые технологии подобного назначения применялись ранее, как, например, производство цельнолитого ротора с лопатками. Однако литые материалы обеспечивают меньшие прочность и сопротивление усталости по сравнению с деформируемыми (что крайне важно для ступицы и полотна диска). Поэтому данная технология не смогла полностью решить поставленную задачу. Анализ способов получения блисков, приведенных в работе [1], показывает, что гранульная металлургия совместно с монокристальным литьем является, пожалуй, наиболее удачной технологией для этих целей.

3. С помощью технологии гранульной металлургии оказалось возможным получать заготовки сложной формы, обладающих высоким уровнем равномерности прочностных

Компрессорный диск из гранул нового сплава ВВ751П

показателей во всем объеме. Последнее обстоятельство является крайне важным для техники ответственного назначения. В этом она имеет определенное преимущество перед технологией точного литья по выплавляемым моделям, которая также обеспечивает получение деталей высокой сложности. Однако в таких деталях возникают объемы (в особенности там, где усадка кристаллизующегося металла затруднена) с повышенной пористостью, рыхлотами и др. дефектами.

4. Одним из важных достоинств гранульной металлургии является реализуемая с ее помощью технология получения практически готовых деталей, для которых требуется минимальная механическая обработка (по сопрягаемым и контактирующим поверхностям) (см. рисунок). Это обеспечивает резкое снижение трудоемкости, повышение коэффициента использования крайне дорогостоящего материала в 2-3 раза и, соответственно, значительное снижение расхода металла и трудоемкости изготовления в 1,5-2,0 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Логунов А.В., Шмотин Ю.Н. Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газовых турбин (материалы и технологии). - М.: Наука и технологии, 2013. - 264 с.

2. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Создание нового высокопрочного сплава ВВ751П для перспективных газотурбин-

ных двигателей // Технология легких сплавов. 2009. № 1. С. 34-39.

3. Фаткуллин О.Х., Еременко В.И., Власова О.Н., Гриц Н.М. Повышение механических свойств гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов за счет легирования и обработки давлением // Технология легких сплавов. 2001. № 5-6. С. 149155.