Эволюция технологии, структуры и механических свойств гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, изготовленных методом ГИП

_МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ__

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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

УДК 669.24:621.777

ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ, СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГРАНУЛИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ ГИП

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

На примере серийного жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП проведен анализ совершенствования технологии изготовления дисков ГТД методом металлургии гранул с целью повышения уровня механических характеристик.

Оценено влияние фактора уменьшения размера используемой фракции гранул на структурные и механические характеристики заготовок дисков при соответствующей корректировке параметров ГИП и термической обработке.

Ключевые слова: диски ГТД, металлургия гранул, жаропрочные никелевые сплавы, фракция гранул, горячее изостатическое прессование (ГИП), термическая обработка, микроструктура, размер зерна, размер включений, механические свойства.

Evolution of the Technology, Structure and Mechanical Properties of PM NickelBase Superalloys. G.S. Garibov, N.M. Grits, A.V. Vostrikov, Ye.A. Fedorenko.

An improvement in the technology for production of gas-turbine engine discs via the powder metallurgy technique to increase the level of mechanical properties is analysed and commercial EP741NP Ni-base superalloy is shown for illustration.

The effect of the factor in reducing size of the used powder fraction on structural and mechanical characteristics of the discs, in case of an appropriate correction of HIP and heat treatment parameters, is evaluated.

Key words: gas-turbine engine discs, powder metallurgy, Ni-base superalloys, powder fraction, hot isostatic pressing (HIP), heat treatment, microstructure, grain size, inclusion size, mechanical properties.

Технология изготовления заготовок дисков ГТД методом металлургии гранул, внедренная в производство в начале 80-х годов, под давлением все возрастающих требований конструкторов постоянно совершенствуется и развивается, что оказывает существенное влияние на структурные характеристики гранулируемых сплавов и соответственно на уровень механических свойств.

На примере первого широко применяемого в настоящее время жаропрочного никеле-

вого сплава ЭП741НП, специально разработанного для метода металлургии гранул, можно проследить, как совершенствовалась технология и какое влияние это оказало на уровень механических свойств.

На первых этапах внедрения сплава ЭП741НП в производство заготовок дисков и валов, изготавливаемых методом металлургии гранул, уровень гарантированных механических свойств, несмотря на существенное превышение по сравнению со свойствами

отечественных сплавов, изготавливаемых традиционным методом деформации слитка, оставался достаточно низким. Предел прочности и предел текучести не превышали значений 1300 МПа и 850 МПа [1] соответственно, тогда как на зарубежном сплаве аналогичного типа легирования Merl 76, но с применением дополнительной деформации компакта, было достигнуто значение предела прочности 1500 МПа [2].

При этом отечественный гранулируемый сплав ЭП741НП, получаемый методом ГИП, по характеристикам жаропрочности имел преимущества перед сплавом Merl 76, получаемым методом ГИП+деформация.

В процессе развития метода металлургии гранул в России постоянно ставилась задача: не применяя дополнительную сложную операцию деформации компакта, повысить уровень прочностных характеристик гранулируемых сплавов без снижения достигнутого уровня жаропрочности при температуре 650 °С.

Поэтому направление развития технологии металлургии гранул за последние десятилетия определялось в основном следующими тремя факторами:

- широкими возможностями этого метода и стремлением реализовать их при использовании прямого горячего изостатического прессования гранул без последующей деформации;

- растущими требованиями конструкторов к получению высоких прочностных характеристик без потери жаропрочности при рабочей температуре 650 °С;

- требованием повысить чистоту гранулируемых сплавов от шлаковых и неметаллических включений для обеспечения повышенного уровня их надежности.

Одной из основных устойчивых тенденций совершенствования металлугии гранул, сформированной под воздействием этих факторов, является постепенное уменьшение размера используемой фракции.

Размер используемых гранул в значительной мере обусловливает уровень механических свойств заготовок, получаемых методом горячего изостатического прессования, так как при прочих равных условиях определяет размер зерна и степень однородности струк-

туры компакта, а также размер возможных шлаковых и неметаллических включений.

Это объясняется, во-первых, тем что неодинаковые скорости охлаждения и кристаллизации гранул разного размера приводят к образованию в гранулах литой структуры с различными размером вторых фаз и дендритным параметром. Величина последнего определяет степень дендритной ликвации и отражает размер зерна в гранулах. Было установлено, при уменьшении размера гранул с 300 до 100 мкм скорость кристаллизации увеличивается приблизительно на порядок (с ~104 до ~105 град/с) [3], дендритный параметр уменьшается приблизительно в 2 раза, а размер зерна в гранулах уменьшается с 3540 мкм до 14-18 мкм.

Таким образом, используя гранулы меньшего размера, можно получать компакт с более однородной и диспергированной структурой.

Во-вторых, мелкие гранулы из-за высоких скоростей кристаллизации обладают большей склонностью к рекристаллизации в процессе ГИП. Например, в процессе компактирования при температуре, равной температуре полного растворения у'-фазы (7,), в случае использования крупных гранул (-315+250 мкм) происходит частичная рекристаллизация, в компакте сохраняются следы дендритно-ориентирован-ной литой структуры гранул (рис. 1, а, в), а при использовании мелких гранул (<100 мкм) следы литой структуры полностью исчезают (рис. 1, б, г).

Следовательно, для сохранения наследственного мелкого зерна в компакте горячее изостатическое прессование мелких гранул можно и в ряде случаев необходимо проводить при более низких температурах.

В-третьих, использование более мелких гранул автоматически уменьшает размер возможных шлаковых и неметаллических включений.

Например, сравнительное исследование сопротивления МЦУ, а также количества и размера шлаковых и неметаллических включений, проведенное на материале, полученном из гранул сплава ЭП741НП двух фракций -140 и -100 мкм, показало, что максимальный размер включения для фракции

Рис. 1. Микроструктура компакта из гранул сплава ЭП741НП разных фракций после ГИП при температуре,

равной Т,, +300:

а, в - гранулы фракции -315 +50 мкм; б, г - гранулы фракции -100 мкм; а, б - травление на у'-фазу; в, г - травление на карбиды

-100 мкм составляет 80 мкм, что не превышает величины допустимого дефекта [5], а для фракции -140 мкм составляет 144 мкм (рис. 2).

32 48 64 80 96 112 128 144 160 Размер включений, мкм

Рис. 2. Распределение включений по размеру в сплаве ЭП741НП, изготовленном из гранул разных фракций

Общее количество включений всех размеров, обнаруживаемых при увеличении до х500, также существенно различается и составляет 21 и 29 включений (на общей площади микрошлифов 20 см2) для фракции -100 и -140 мкм соответственно. Уменьшение количества и размера включений при использовании фракции -100 мкм позволило при испытании сопротивления МЦУ уменьшить разброс значений количества циклов до разрушения и поднять средний уровень числа циклов с 32518 до 51506 при температуре 650 °С и напряжении 1000 МПа (табл. 1).

Таким образом, диспергирование структуры и уменьшение размера зерна и возможных шлаковых и неметаллических включений за счет уменьшения размера используемых гранул должно оказывать положительное

Таблица 1

Размер включений в сплаве ЭП741НП и число циклов до разрушения

при испытании на сопротивление МЦУ

Фракция гранул, мкм Общее число Максимальный размер Число циклов до разрушения при 650 °С и напряжении 1000 МПа

включении включения, мкм минимальное максимальное среднее

-100 21 80 41320 65100 51506

-140 29 144 18310 55910 32518

влияние на прочностные характеристики и сопротивление МЦУ.

На начальном этапе развития металлургии гранул использовали фракцию -315+50 мкм, которая обеспечивала относительно низкий гарантированный уровень механических свойств (табл. 2).

Совершенствование оборудования и ввод в действие новых установок плазменного распыления с более высокими скоростями вращения распыляемой заготовки способствовали постепенному переходу на более мелкие гранулы фракции -250 мкм, -200 мкм и -140 мкм. Уменьшение размера гранул позволило получить компактирован-ный материал с рекристаллизованной структурой при более низких температурах ГИП.

Поэтому при уменьшении размера гранул с -315 до -140 мкм для получения более мелкого зерна и соответственно более высоких прочностных свойств температура компак-тирования заготовок дисков из сплава ЭП741НП была снижена на 20 °С. Это привело к изменению размера зерна с 60-70 мкм для фракции -315+50 мкм до 35-45 мкм для фракции -140 мкм, используемой в настоящее время. Уменьшение размера зерна позволило поднять гарантированные значения предела прочности и предела текучести до

1450 и 1020 МПа соответственно. При этом сохранились высокие значения характеристик пластичности и ударной вязкости (см. табл. 2).

Поскольку длительная прочность жаропрочных никелевых сплавов при 650 °С находится в прямой зависимости от прочности, то за счет повышения прочности и снижения лик-вационной неоднородности гранул при переходе на более мелкие фракции удалось одновременно поднять и гарантируемый уровень жаропрочности с 1000 до 1020 МПа.

Проведенные исследования и опробование в промышленном производстве показали принципиальную возможность перехода на гранулы фракции -100 мкм, и решается вопрос о дальнейшем уменьшении размера гранул до фракции -70 мкм и менее.

Однако следует учесть, что при переходе на гранулы менее 70 мкм для сохранения эффекта мелкого зерна для каждого сплава потребуется проведение исследований для поиска оптимальных режимов ГИП и термообработки. Иными словами, для сохранения наследственного мелкого зерна необходим поиск таких температуры и времени выдержки на этих операциях, при которых на стадии ГИП должна пройти динамическая рекристаллизация, а на стадии термообработки не успевала бы начаться собирательная рекристаллизация.

Таблица 2

Гарантируемые механические свойства заготовок дисков из гранулируемого сплава ЭП741НП

Используемая фракция, мкм Механические свойства, 20 °С Жаропрочность МЦУ, при 650 °С и о=1000 МПа

Год о , МПа в' МПа %, % /, % кси, Дж/см2 МПа

1983 2010 -315+50 -140 1300 1450 850 1020 13 13 15 15 40 40 1000 1020 3500 10000

Однако для определенных целей в случае необходимости, меняя режимы ГИП и термообработки в сторону увеличения температуры и времени выдержки, можно получать более крупное зерно. Таким образом, с изготовлением мелких гранул существенно расширяются возможности управления размером зерна, а следовательно, и комплексом механических свойств компактированого материала.

Успешный переход на мелкие гранулы и изготовление из них мелкозернистого ком-пактированного материала позволит обоснованно отказаться от дополнительной сложной операции деформации компакта, основная цель которой сводится к получению мелкого зерна.

Кроме того, переход на все более мелкие гранулы, отличающиеся большей однородностью, склонностью к рекристаллизации при более низких температурах ГИП и меньшей склонностью к образованию неравновесных эвтектик, открывает новые возможности в дополнительном легировании жаропрочных никелевых сплавов и позволяет использо-

вать в производстве заготовок дисков высоколегированные сплавы с большим количеством упрочняющей у'-фазы и узкой областью гомогенности.

Примером этому может служить успешное освоение новых сложнолегированных сплавов класса ВВП при использовании гранул фракции -100 мкм. Применение специальных режимов ГИП и термической обработки этих сплавов для получения требуемого размера зерна и выделений упрочняющей у'-фазы позволило существенно поднять характеристики прочности до значений

>1600 МПа,

0,2"

2>1200 МПа, а характе-жаропрочности до значений

аТпп =1140 МПа и =750 МПа [4].

ристики

с =1140 МПа и

Открывающиеся новые возможности дополнительного легирования и управления структурными характеристиками сплавов позволяют заключить, что потенциал метода металлургии гранул по обеспечению конструкторов материалами с высокими механическими свойствами далеко не исчерпан и требует своего дальнейшего развития.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.

2.

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

Dreshfield R.L., Miner R.V. Application of superalloy powder metallurgy for aircraft engines// Metal Powder Report. 1981. V. 36, № 2. P. 516-520.

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

4. Гарибов Г.С. и др. Разработка новых гранулированных жаропрочных никелевых сплавов для производства дисков и валов авиационных двигателей//Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 34-43.

5. Сизова Р.Н. и др. Особенности сопротивления малоцикловой усталости материалов дисков, изготовленных методом металлургии гранул// Металлургия гранул. - М.: ВИЛС, 1983. Вып. 1. С. 405-412.