Разработка новых гранулированных жаропрочных никелевых сплавов для производства дисков и валов авиационных двигателей

_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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

УДК 621.762:669.018.4:629.7

РАЗРАБОТКА НОВЫХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДИСКОВ И ВАЛОВ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

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

^^^^^^^^^^^^^^^^

Представлен комплексный металловедческий подход к разработке новых гранулируемых никелевых сплавов и созданию технологии производства из них заготовок дисков перспективных ГТД, учитывающий специфику метода металлургии гранул.

Приведены результаты всесторонних исследований механических свойств и структурных характеристик крупногабаритных заготовок дисков из новых гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов класса ВВП.

Ключевые слова: авиадвигатели поколений «4», «5» и «5+», металлургия гранул, гранулы, горячее изостатическое прессование (ГИП), термическая обработка, микроструктура, упрочняющая у'-фаза, скорость охлаждения, механические характеристики, паспортизация.

Development of New PM Ni-Base Superalloys for Production of Discs and Shafts For Aircraft Engines. G.S. Garibov, A.V. Vostrikov, N.M. Grits, Ye.A. Fedorenko.

Complex metal science approach to development of new PM Ni-base superalloys and to creation of a technology for production of advanced gas-turbine engine discs of the alloys in view of specific character of the powder metallurgy technique is presented.

The results of comprehensive investigations of mechanical properties and structural characteristics of large-size discs made of new PM VVP-class Ni-base superalloys are shown.

Key words: 4th, 5th and 5th+ generation aircraft engines, powder metallurgy, powders, hot isostatic pressing (HIP), heat treatment, microstructure, strengthening у' phase, cooling rate, mechanical properties, certification.

Дальнейшее развитие авиадвигателестро-ения связано с необходимостью модернизации авиадвигателей поколения «4» и создания перспективных авиадвигателей «5» и «5+» поколений для военной и пассажирской авиации, обеспечивающих качественно новый уровень показателей эксплуатационного и экологического совершенства. Создание таких двигателей связано со значительными

материальными затратами и требует концентрации финансового и интеллектуального потенциала целого ряда предприятий, фирм и институтов.

Современный двигатель - сложнейшая в конструктивном и технологическом отношении техническая система, поэтому конструкция двигателя, технологические процессы, обеспечивающие его работоспособность и

химические составы гранулированных жаропрочных никелевых сплавов нового класса (названного классом ВВП), а также исследовать, оптимизировать, разработать и внедрить в опытно-промышленное производство рациональные технологии изготовления заготовок дисков из вновь созданных сплавов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать и оценить основные факторы, определяющие развитие перспективных гранулированных жаропрочных никелевых сплавов и технологических процессов производства заготовок дисков и валов авиационных газотурбинных двигателей;

- определить матрицы легирования новых сплавов класса ВВП, обладающих повышенной прочностью и жаропрочностью;

- установить закономерности формирования структуры новых сплавов в зависимости от технологических параметров их производства;

- исследовать микроструктуру и механические характеристики крупногабаритных массивных дисков, изготовленных методом прямого ГИП (ав-ЬПР), с целью внедрения разработанных сплавов и режимов их изготовления в опытно-промышленное производство;

- провести паспортизацию разработанных новых жаропрочных гранулируемых никелевых сплавов класса ВВП, обеспечивающих современные и перспективные требования, предъявляемые к дисковым материалам.

При разработке и освоении новых сложно-легированных никелевых сплавов в производстве деталей ГТД методом металлургии гранул учитывали специфику их производства, в частности процессов горячего изоста-тического прессования и термической обработки компактного материала [4, 9-11].

Определяющую роль в обеспечении требуемого уровня механических свойств современных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов играют структурные факторы, такие как средний размер зерна, количество и дисперсность упрочняющей "'-фазы, тип карбидной фазы и состояние границ зерен.

Четкое представление о влиянии каждого из перечисленных факторов отдельно и при их взаимном влиянии на показатели механических свойств позволяет правильно выб-

рать технологию и назначить требуемые технологические параметры.

Были проведены исследования влияния нагревов литого и компактированного материала в различных температурных областях существования фаз на структурное состояние высокопрочного сплава ВВ751П и высокожаропрочного сплава ВВ750П (рис. 2, а-е), что позволило определить критические точки сплавов, а также разработать оптимальные температуры компактирования (ГИП) и термической обработки.

Были опробованы режимы ГИП в различных температурных областях:

- при проведении компактирования из двухфазной ("+"')-области в структуре наблюдается дендритно-ориентированная структура, унаследованная от гранул (рис. 2, г). Такой материал имеет низкие пластические характеристики и проявляет чувствительность к надрезу, так как большинство границ зерен совпадает с границами гранул и наблюдается сильная разнозернистость;

- при компактировании в однофазной "-области формируется однородное зерно, полностью устраняется литая структура (рис. 2, д);

- при незначительном переходе температуры солидус (Г) в структуре наблюдается эвтектика (оплавление, материал становится хрупким) (рис. 2, е).

При назначении режима компактирова-ния из однофазной области для материала, изготовленного методом ГИП, учитывали легирование сплава и те характеристики, которые необходимо получить на материале.

Приближение Тгип к температуре полного растворения "'-фазы (Т ) позволяет получить более мелкое зерно. Поэтому для получения высокой прочности материала необходимо проводить ГИП при температуре, близкой к Т , а для получения высокой жаропрочности Тгип должна быть значительно дальше от Т , насколько это позволяет Т .

Также были проведены исследования для установления общих закономерностей формирования структуры при термической обработке (рис. 2, ж, з, и).

Охлаждение с температур, лежащих в различных температурных областях, показало, что:

- наличие крупных выделений некогерентной у'-фазы (более 1 мкм), образующейся при охлаждении из двухфазной области, снижает общий уровень механических характеристик, так как определенный процент у'-фазы не участвует в упрочнении материала (рис. 2, ж);

- при охлаждении из однофазной области вся выделившаяся у'-фаза участвует в упроч-

нении сплава, что позволяет получить максимальный уровень механических характеристик (рис. 2, з);

- охлаждение с 7 или выше ведет к образованию эвтектики (рис. 2, и).

Для каждого сплава после выбора оптимальной температуры нагрева под закалку исследовали влияние различных режимов старения: низкотемпературного при +800 °С

Рис. 2. Характерный вид микроструктуры исследованных сплавов после нагревов в различных температурных

областях существования фаз, 1500

и высокотемпературного при >800 °С - на формирование выделений упрочняющей у'-фазы и карбидов.

Разработку и опробование режимов старения проводили на всех исследуемых перспективных сплавах.

При переходе к термообработке полноразмерных крупногабаритных дисков помимо сохранения мелкого размера зерна, сформированного на стадии ГИП, для получения максимальных значений прочности необходимо сформировать мелкие выделения упрочняющей у'-фазы, то есть максимально приблизиться к размеру фазы, которая образуется в образцах.

В экспериментах по опробованию различных скоростей охлаждения на сплаве ВВ751П было установлено, что для получения гарантируемого значения а02>1200 МПа необходимо обеспечить скорость охлаждения не ниже 60 °С/мин (табл. 1, рис. 3).

Разработанные композиции новых слож-нолегированных гранулируемых сплавов на основе никеля защищены патентами РФ [1214].

На основе результатов проведенных исследований были разработаны также еще две новые композиции сплавов класса ВВП. Это сплавы ВВ752П и ВВ753П.

В сплаве ВВ752П [15] за счет дополнительного карбидного упрочнения и уменьшения размера зерна удалось получить на опытных полноразмерных заготовках массой 60 кг (рис. 4) более высокие прочностные характеристики и повышенное сопротивление МЦУ, по сравнению со сплавом ВВ751П (табл. 2).

На сплаве ВВ753П [16], по сравнению со сплавом ВВ750П, предполагается одновременно повысить характеристики прочности и жаропрочности за счет легирования тугоплавкими элементами (Ре, Та, Ри и др.). Это позволит дополнительно упрочнить матрицу

Таблица 1 Сравнительные значения характеристик, зависящие от скорости охлаждения

Условия охлаждения Скорость охлаждения, °С/мин аог, МПа 100-часовая длительная прочность , МПа

Аргон* (заготовка диска) Промышленный вентилятор (заготовка диска) Воздух(образцы) Масло (образцы) * Определение скоростей охлаждения и температур проводили в вакуумных печах типа «Улвак» на ФГУП « 47 ~60 ~100 >180 в различных зона ММПП «Салют» и ОА 1180 1200 1250 1340 х полноразмер О «НПО «Сатурн 1100 1110 1120 1150 ных заготовок дисков », г. Рыбинск.

"«л- °с/мин

Рис. 3. Зависимость предела текучести высокопрочного гранулируемого сплава ВВ751П от скорости охлаждения

Новые разработанные сложнолегирован-ные никелевые сплавы класса ВВП сочетают в себе высокую степень упрочнения "'-фазы и "-твердого раствора.

Рис. 4. Вид опытных заготовок дисков из нового гранулируемого высокопрочного сплава ВВ752П после компактирования

сплава, а также упрочнить и увеличить количество "'-фазы (см. табл. 2).

Таблица 2

Механические характеристики гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов класса ВВП

Механические свойства, 20 °С Длительная прочность, МПа

% , в' МПа %0,2-МПа кси, кДж/м2 Т=650 °С, 3=100 ч Т=750 °С, 3=100 ч МЦУ, МПа при 650 °С, М=104 циклов

Сплав % 9, % гладкие образцы образцы с надрезом гладкие образцы образцы с надрезом

Гарантируемые характеристики

ВВ751П 1600 1200 14,0 14,0 25 1110 1200 620 620 1120

ВВ750П 1550 1150 16,0 16,0 35 1140 1300 750 750 1100

Достигнутые характеристики

ВВ752П 1650 1220 13,0 13,0 25 1140 1150 610 610 1160

Ожидаемые характеристики

ВВ753П 1600 1150 16,0 16,0 35 1140 1300 800 800 1120

В результате исследований микроструктуры заготовок дисков из каждого сплава было установлено, что для получения максимальных служебных характеристик требуются следующие структурные характеристики: для высокопрочного материала зерно ~30 мкм, у'-фаза ~0,24 мкм; для высокожаропрочного зерно ~40 мкм, у'-фаза ~0,29 мкм с наличием тонкой сетки вторичных карбидных выделений (рис. 5).

В результате большого количества механических испытаний при разных температурах и нагрузках были построены кривые длительной прочности для новых сплавов класса ВВП (рис. 6), на основе которых определены сточасовые пределы длительной прочности при различных температурах (табл. 3). Было показано их преимущество по сравнению с серийным сплавом ЭП741НП. Сплав ВВ751П проявляет существенные преимущества при температурах до 650 °С, а сплав ВВ750П - во всем температурном интервале.

Для оценки стабильности разработанных технологий и принятия решения об их внедрении в опытно-промышленное и серийное производство были проведены всесторонние исследования структурных характеристик и широкий спектр испытаний механических свойств партий крупногабаритных заготовок дисков (рис. 7).

Сравнение микроструктур всех полноразмерных крупногабаритных массивных загото-

вок дисков показало, что интервал колебаний размера зерна в партии дисков из каждого сплава достаточно узкий и не превышает 10 мкм, а выделений упрочняющей у'-фазы -0,06 мкм. Характер выделения карбидов в материале дисков каждой партии однотипен.

Всесторонние исследования партий заготовок дисков из гранулируемых никелевых сплавов показали, что разработанные технологии горячего изостатического прессования и термической обработки, обеспечивают получение стабильной структуры и стабильного уровня высоких механических характеристик.

На рис. 8 представлен Диплом Международного Комитета, которым на Международной конференции по горячему изостатичес-кому прессованию - ГИП'08 была отмечена крупногабаритная массивная заготовка турбинного диска (диаметр заготовки 676 мм, высота 140 мм, масса 280 кг) из гранул сплава ВВ751П с уникальными свойствами, полученная методом прямого ГИП (ав-Н1Р) [8, 9].

Базовым пунктом в оценке работоспособности материала является его паспортизация. Паспорт на авиационный материал определяет комплекс сведений о материале, необходимый для выбора его на стадии проектирования изделий, для установления преимуществ перед ранее разработанными материалами как отечественными, так и зару-

Рис. 5. Микроструктура заготовок дисков из гранул новых жаропрочных никелевых сплавов:

а, б - травление на зерно, х200; в, г - морфология выделения упрочняющей у'-фазы, х8000; д, е - характер выделения карбидной фазы, х300

бежными, с указанием условий и областей его применения [17].

Был получен Паспорт на гранулированный высокопрочный никелевый сплав марки ВВ751П, изготовленный методом металлур-

гии гранул, с заявленными и подтвержденными характеристиками, удовлетворяющими требованиям конструкторов при создании перспективных изделий «5» и «5+» поколений авиационных газотурбинных двигателей.

со

100 I_

32 34 36 38 40 42 44 46 Параметр Ларсена - Миллера

Рис. 6. Кривые длительной прочности перспективных гранулированных жаропрочных никелевых сплавов

Таблица 3

Предел 100-часовой длительной прочности

(в МПа) сплавов ВВ751П и ВВ750П

при различных температурах

Сплав Т, °С

550 650 700 750 800 850

ВВ750П 1300 1140 960 750 550 410

ВВ751П 1437 1110 840 620 - -

Рис. 7. Партии крупногабаритных дисков из гранул новых сложнолегированных никелевых сплавов ВВ751П и ВВ750П

В настоящее время ОАО ВИЛС совместно с ФГУП ВИАМ ведут работы по определению паспортных характеристик перспективного гранулированного высокожаропрочного никелевого сплава ВВ750П, изготовленного по схеме прямого ГИП. Предварительная проработка показала, что сплав ВВ750П может вполне удовлетворять требованиям к дисковым материалам для двигателей «5» и «5+» поколений, имеющих температуру газа на турбине 750 °С и выше [18].

Рис. 8. Диплом Международного Комитета ГИП

В течение последних пяти лет в ОАО ВИЛС был выполнен большой объем работ в области теоретических и практических разработок жаропрочных гранулируемых никелевых сплавов для производства дисков и валов. Научно-исследовательские программы и работы по созданию и освоению перспективных сплавов, задействованных в производстве авиационных газотурбинных двигателей ведущих предприятий-изготовителей ГТД, продолжают успешно развиваться и в настоящее время.

ОАО ВИЛС приступил к изготовлению и поставке опытно-промышленных партий турбинных и компрессорных дисков из гранул новых сплавов ВВ751П и ВВ750П. Также ведутся работы по исследованию новых гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов ВВ752П и ВВ753П и отработки параметров технологии их опытного производства, которые обеспечат еще более высокие служебные характеристики материала.

Выводы

1. Определены матрицы легирования новых сплавов класса ВВП с учетом специфи-

ки их производства, в частности процессов горячего изостатического прессования и термической обработки компактного материала. Разработанные композиции новых сложнолегированных гранулируемых сплавов на основе никеля защищены патентами РФ.

2. Установлены закономерности формирования структурных параметров новых сплавов в зависимости от технологических режимов горячего изостатического прессования (ГИП) и термической обработки.

3. Всесторонне исследовано качество полноразмерных крупногабаритных дисков, изготовленных методом ГИП, с целью внедрения разработанных сплавов и технологических режимов в промышленное производство.

4. Уровень характеристик новых сложно-легированных гранулированных жаропрочных сплавов на никелевой основе класса ВВП превышает гарантируемый уровень комплекса служебных характеристик существующих отечественных и зарубежных дисковых материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Ричман С. и Чанг Д.С. Порошковая металлургия. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных установок/Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля Х.К. Т. 2/Пер. с англ. под ред. Шалина Р.Е. - М.: Металлургия, 1995. C. 219-259.

3. Garibov G.S., Vostrikov A.V. Current Trends of PM Superalloys Discs Production Technology for Gas Turbine Engines/In book.: Proceeding of The 2005 International Conference on Hot Isostatic Pressing - Paris, France, 2005. May 22-25. P. 86-89.

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

Разработка нового жаропрочного гранулируемого дискового сплава на никелевой основе/ В кн: Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике. - Королёв: ИПК «Машприбор», 2007. C. 3.

5. Востриков А.В., Гарибов Г.С. Крупногабаритные диски из новых сплавов типа ВВ для перспективных двигателей пятого поколения/Тезисы докл.: Новые материалы и технологии в

авиационной и ракетно-космической технике. - Королёв: ИПК «Машприбор», 2008. C. 39.

6. Гарибов Г.С. Новые материалы для дисков и лопаток газотурбинных установок систем перекачки нефти и газа//Технология легких сплавов. 1997. № 6. C. 38-45.

7. Гарибов Г.С. Металлургия гранул - путь повышения качества ГТД и эффективного использования металла//Газотурбинные технологии. 2004. № 5. C. 22-27.

8. Garibov G.S., Vostrikov A.V. New Russian P/M Nickel-Based Superalloys for Gas-Turbine Engines/ In book: Proceeding of the 2008 International Conference on Hot Isostatic Pressing. - Huntington Beach, California, USA, 2008. May 6-9. P. 197-199.

9. Гарибов Г.С., Востриков А.В. Новые материалы из гранул для дисков перспективных газотурбинных двигателей//Технология легких сплавов. 2008. № 3. C. 60-64.

10. Белов А.Ф., Аношкин Н.Ф., Фаткуллин О.Х. и др. Особенности легирования жаропрочных сплавов, получаемых методом металлургии гранул//В кн.: Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы на никелевой основе/Под ред.

Банных О.А. - М.: Наука, 1984. C. 31-40.

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

Создание нового высокопрочного сплава ВВ751П для перспективных газотурбинных двигателей//Технология легких сплавов. 2009. № 1. C. 34-39.

12. Пат. 2348726 РФ. Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля/Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М. и др. Опубл. 10.03.2009.

13. Пат. 2368683 РФ. Порошковый жаропрочный никелевый сплав/Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М. и др. Опубл. 27.09.2009.

14. Пат. 2294393 РФ. Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля/Еременко В.И, Гриц Н.М., Федоренко Е.А и др. Опубл. 27.02.2007.

15. Пат. 2371495 РФ. Жаропрочный порошковый никелевый сплав/Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М. и др. Опубл. 27.10.2009.

16. Заявка на изобретение 2009139039 РФ. Жаропрочный порошковый сплав на основе никеля/Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Иноземцев А.А. и др.

17. Каблов Е.Н., Шевченко Ю.Н., Гриневич А.В. и др. Проблемы паспортизации авиационных материалов на современном этапе/авиационные материалы. - М.: ВИАМ, 2007. C. 388-396.

18. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Федоренко Е.А. Крупногабаритные диски из гранул нового высокожаропрочного сплава ВВ750П для перспективных ГТД//Технология легких сплавов. 2008. № 1. C. 31-36.