Влияние температурных режимов закалки на структуру и механические свойства дискового гранулируемого жаропрочного никелевого сплава

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 621.78: 621.762

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ЗАКАЛКИ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИСКОВОГО ГРАНУЛИРУЕМОГО ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА

А. М. Волков, Г.С. Гарибов, докт. техн. наук

Приведены данные о различных режимах закалки жаропрочных никелевых сплавов, применяемых в качестве материала дисков ГТД. Рассмотрены особенности закалки гранулируемых сплавов. Указаны результаты работ, направленных на повышение стабильности свойств заготовок дисков из высокопрочного гранулируемого никелевого сплава ВВ751П за счет оптимизации технологии термической обработки.

Ключевые слова: диски, газотурбинные двигатели (ГТД), металлургия гранул, жаропрочные никелевые сплавы, горячее изостатическое прессование (ГИП), термическая обработка, закалка, микроструктура, механические свойства, среднее значение, среднее квадратическое отклонение.

The Effect of Solution Heat Treatment Conditions on a Structure and Mechanical Properties on a P/M Disk Ni-Base Superalloy. A.M. Volkov, G.S. Garibov.

Data on various solution heat treatment conditions for Ni-base superalloys used as a material for gas-turbine engine disks are presented. Features of solution heat treatment of P/M Ni-base superalloys are discussed. The results of studies aimed at an improvement in stability of properties of VV751P high-strength P/M Ni-base superalloy disks due to optimization of the heat treatment technology are shown.

Key words: disks, gas-turbine engines, powder metallurgy, Ni-base superalloys, hot isostatic pressing (HIP), heat treatment, solution heat treatment, microstructure, mechanical properties, mean standard deviation.

С использованием технологии металлургии гранул в ОАО ВИЛС создано новое поколение гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов класса ВВП (ВИЛС высокожаропрочный порошковый) [1, 2], которые предназначены для использования в качестве материала турбинных дисков, пустотелых валов и других критических деталей перспективных авиационных ГТД.

Разработан и паспортизован высокопрочный сплав ВВ751П с пределом прочности более 1600 МПа, состав и технология производства которого защищены патентами РФ [3, 4]. С 2009 г. ведущим российским авиа-двигателестроительным компаниям было поставлено более 100 заготовок крупногабаритных дисков (рис. 1).

Одним из самых важных этапов, определяющих структуру и механические характеристики материала, является термическая обработка, позволяющая управлять уровнем

Рис. 1. Крупногабаритные заготовки дисков, изготовленные из гранул сплава ВВ75

свойств сплавов в широком диапазоне значений. Типичный режим термической обработки жаропрочного никелевого сплава, применяемого в качестве материала турбинных дисков, состоит из закалки и старения (одно-, двух-или трехступенчатого). Некоторые режимы включают предварительный отжиг. Последнее обычно характерно для деформируемых сплавов и вызвано необходимостью гомогенизации и прохождения рекристаллизации [5].

Стоит отметить, что для современных сплавов указанного класса, содержащих в структуре 50-65 % упрочняющей у'-фазы, закалочное охлаждение не может полностью подавить распад пересыщенного у-раствора. В структуре материала даже после ускоренного охлаждения уже присутствуют выделения у'-фазы размером от 30 до 80 нм. Такую термообработку правильно было бы называть обработкой на твердый раствор (solution heat treatment) с последующим охлаждением, однако термин «закалка» уже прочно укрепился в научной литературе, посвященной этому вопросу.

Значительное преимущество жаропрочных никелевых сплавов, производимых по технологии металлургии гранул - возможность проведения закалки из однофазной области. В аналогичном деформируемом материале из-за растворения частиц у'-фазы при нагреве выше сольвуса начинается резкий рост зерна до размера 50 мкм и выше за счет рекристаллизации.

Последнее характерно и для деформируемых жаропрочных никелевых сплавов, изготавливаемых из гранул газоструйного распыления расплава (технология gas atomization). Например, в исследованиях американских ученых из Glenn Research Center для гранулированного материала, полученного распылением аргоном и экструзией, при закалке с температуры на 25 °С ниже и на 10 °С выше сольвуса средний размер зерна был 8 и 32 мкм соответственно [6].

Такое изменение зеренной структуры (с 11 балла до 7 по шкале ASTM) существенно снижает прочностные характеристики материала. Высокое значение среднего размера зерна, а также возможность проявления при высокотемпературной обработке газовой пористости не позволяют получить требуемые прочностные свойства.

Производство гранул плазменным распылением быстровращающейся литой заготовки снижает внутригранульную пористость практически до нулевых значений. Это позволяет исключить операцию дополнительной обработки давлением (экструзия, штамповка и т. п.) заготовок дисков после компактирования. Процесс рекристаллизации такого материала при нагреве под закалку идет медленнее, так как степень микродеформации после ГИП составляет не более 10 %, что значительно ниже, чем при традиционной обработке давлением, даже в несколько переходов с промежуточными отжигами. Поэтому рост зерна происходит медленнее, это подтверждается проведенными экспериментами по закалке гранулируемого сплава ВВ751П из двухфазной области: размер зерна при этом составляет 23-27 мкм, а при закалке выше сольвуса -всего на 5-7 мкм больше (рис. 2).

Рис. 2. Типичная зеренная структура заготовок дисков после закалки из двухфазной (а) и однофазной (б) областей

52

ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ № 2 2013

-Ф-

-Ф-

-Ф-

Однако проведение закалки из однофазной области позволяет получить выделения Y'-фазы более мелкого размера, чем при закалке из двухфазной области. Причина этого заключается в том, что при нагреве выше сольвуса полностью растворяется крупная некогерентная у'-фаза, образовавшаяся на предыдущих технологических этапах (выплавка или переплавы, обработка давлением). Рост частиц когерентной у'-фазы, несоответствие решеток у/у' для которой крайне мало и составляет -0,1 %, определяется, в основном, скоростью закалочного охлаждения.

Данная закономерность подтверждается не только теоретически, но и экспериментально. Так, в работе ученых из Rolls-Royse Corporation показано различие в микроструктуре порошковой модификации сплава Udimet 720L при закалке ниже и выше сольвуса [7]. Размер самых крупных частиц у'-фазы (в данном случае избыточной) при закалке из двухфазной области в несколько десятков раз превышает аналогичный параметр материала, термооб-работанного в однофазной области.

Отсутствие в структуре избыточной у'-фазы, не когерентной с матрицей сплава, которая практически не участвует в упрочнении материала, определяет высокий уровень механических характеристик материала после закалки выше температуры сольвуса. Хотя при закалке из двухфазной области может быть обеспечен меньший размер зерна, но то, что меньшее количество у'-фазы в виде мелких когерентных частиц участвует в упрочнении сплава, приводит к снижению предела текучести, сопротивления МЦУ и длительной прочности при 650 °С.

Из вышеизложенного следует, что наиболее важной характеристикой для назначения режима закалки является температура полного растворения у'-фазы (Тпр или сольвус). Для высокопрочных сплавов, к которым относится гранулируемый жаропрочный никелевый сплав ВВ751П, этот этап термической обработки необходимо проводить только в однофазной области, выше Тпр у'-фазы.

Однако изменение температуры сольвуса от плавки к плавке может приводить к двум нежелательным ситуациям. Во-первых, превышение температуры закалки над сольвусом

выше требуемой величины может привести к сильному росту зерна, что в соответствии с уравнением Холла-Петча приведет к снижению предела текучести. Другой предельный случай, а именно недогрев приводит к образованию крупных выделений избыточной у'-фазы (рис. 3, а), что также снижает прочностные характеристики материала.

В серийном производстве режим термической обработки жестко регламентируется технологической документацией. При использовании различных плавок, которые могут иметь колебания химического состава и соответственно различные критические точки, у материала заготовок дисков может наблюдаться нестабильность механических свойств, даже если отклонения указанных величин от плавки к плавке невелики.

При этом часть значений механических характеристик при контроле такого материала

Рис. 3. Типичная микроструктура заготовок дисков

после закалки из двухфазной (а) и однофазной (б) областей, травление на у' -фазу

р

А от]

0,2 0,15 0,1 0,05 0

ТУ

А

/ \

/ \

1 ' /1 1 . 1 >.

1580 1620 1660 1700 1600 1640 1680

ав, МПа

Р

от

0,2 0,15 0,1 0,05 0

ТУ л

/ \

\

/ \

/. . Л

1180 1220 1260 1200 1240 1280 а0 2, МПа

Рис. 4. Распределение а„ и &0 2 с учетом значения «—ЗБ»

может не соответствовать требованиям ТУ, что приводит к необходимости повторных испытаний.

В настоящее время конструкторы перспективных авиационных двигателей уделяют повышенное внимание вопросу стабильности гарантируемого уровня свойств материала [8, 9]. Требуется не только превышение фактических свойств сплава над заданными, но и обеспечение такого значения границы доверительного интервала «-3в», которое будет выше норм, указанных в ТУ (рис. 4).

При разработке технологии производства крупногабаритных заготовок дисков из гранул жаропрочного никелевого сплава ВВ751П

было уделено особое внимание указанному требованию. На этапе отработки технологии были приняты соответствующие меры, направленные на обеспечение стабильности гарантируемых механических характеристик [10]. Исследование влияния термической обработки, а именно закалки, на свойства полноразмерных заготовок дисков позволило существенно снизить долю материала, имеющего свойства ниже требований ТУ.

Проведены эксперименты по сравнению свойств после термообработки с закалкой заготовок одинаковых типоразмеров и массы по разработанному режиму и с закалкой вблизи температуры сольвуса. В таблице приведены результаты испытаний четырех полноразмерных заготовок дисков (масса в состоянии поставки около 100 кг) с различными режимами закалки.

Именно обеспечение нагрева сплава при температуре, имеющей точное соответствие с сольвусом (в данном случае выше на определенную величину), необходимо для стабильного и воспроизводимого уровня свойств заготовок дисков. В связи с этим потребовалось назначать режим закалки в соответствии с фактическим значением сольвуса каждой плавки по причине изменения этой величины

Механические характеристики крупногабаритных заготовок дисков, обработанных по различным режимам закалки

Механические свойства, 20 °С Жаропрочность при 650 °С, а = 1100 МПа МЦУ при 650 °С, а = 1120 МПа, 1 = 1 Гц, Ы, циклы Средний размерзерна 0*3, мкм

ав, МПа а02, МПа 8, % ¥, % КСи, Дж/см2 тглад, ч тнадр,ч

Требования ТУ > 1600 1 > 1200 1 > 12 1 > 13 1 > 25 1 > 100 1 > 1000^1 -

1632 1615 1181 1188 19,2 18,4 17,8 16,0 Закалка из д 32 32 вухфазно 84 90 й области 110 106 26700 8520 26

1608 1632 1157 1162 19,6 21,2 17,8 19,6 37 37 43 65 120 135 28100 5230 27

1615 1640 1223 1213 14,8 16,0 13,5 14,5 Закалка из о^ 25 26 нофазно 553 555 й области 173 175 55440 26640 30

1648 1629 1232 1218 18,4 18,4 18,3 19,3 29 33 122 119 289 174 26820 16920 32

-Ф-

-Ф-

-Ф-

-Ф-

МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

на 5-10 °С. Также необходимо было учитывать точность поддержания температуры технологического оборудования (камерных электрических печей для закалки), чтобы обеспечить гарантированное проведение технологических режимов в фазовой области твердого раствора.

Безусловно, подобный подход, состоящий в приведении режимов термической обработки в соответствие с фактическим составом сплавов, является в определенной степени известным. Американские ученые Грох и Шри-ватса описывают подобную проблему в своей работе [11]. Предложен метод уменьшения остаточных напряжений при нагреве на температуру, превышающую сольвус на определенную величину. При этом ставится цель, оставаться как можно ближе к температуре сольвуса, чтобы не допустить роста зерна. Поскольку возможны колебания критических точек в зависимости от химического состава материала, то для гарантированного попадания в однофазную область и как можно ближе к сольвусу требуется определение температуры полного растворения у'-фазы для каждой плавки материала.

Технология термической обработки деформируемого жаропрочного никелевого сплава ЭП742ИД также предусматривает закалку с температуры, равной Тп р у'-фазы, и корректировку режимов от плавки к плавке [12]. Однако, как сообщает автор, для высоколегированных сплавов, содержащих в структуре около 50 % у'-фазы существует опасность оплавления. Кроме того, по нашему мнению, увеличение температуры закалки деформированного материала может привести к существенному росту зерна вследствие рекристаллизации, что в конечном итоге вызовет снижение прочностных характеристик.

Термическая обработка новых деформируемых сплавов ВЖ175 и ЭП975, а также технология их обработки давлением учитывают колебания значения сольвуса у'-фазы [13]. Применяемые экспресс-методы определения критических точек, например резистометри-рование, позволили внедрить разработанные технологии в серийное производство.

Предлагаемый нами метод, не требующий сложных регрессионных соотношений для определения точного значения температуры сольвуса в зависимости от содержания легирующих элементов, позволяет наиболее просто назначать оптимальную температуру закалки. Он учитывает не только ограниченность температурного интервала гомогенности твердого раствора, но и возможность проявления перегрева, приводящего к неисправимому браку и катастрофическому снижению механических характеристик. Также необходимость обеспечения крайне высоких прочностных свойств требует проводить операцию закалки достаточно близко к сольвусу, что возможно только при использовании гибкой технологии термообработки.

Выводы

1. В технологию производства заготовок дисков из высокопрочного сплава ВВ751П внесены изменения, предусматривающие определение температур критических точек для каждой плавки и назначение режима закалки в соответствии с полученными данными. При этом значительно уменьшилась частота появления пониженных значений при контрольных испытаниях.

2. В результате проведенной оптимизации технологии термической обработки средний уровень ад,2 материала крупногабаритных заготовок дисков повысился на 25-50 МПа, сузился разброс значений. Микроструктура в различных зонах заготовок при этом не содержит следов избыточной у'-фазы, что определяет высокий уровень прочностных свойств, длительной прочности и сопротивления МЦУ при 650 °С.

3. Несмотря на достигнутые успехи, работы по повышению стабильности свойств продолжаются, что позволяет обеспечивать конструкторов ГТД заготовками дисков с уникальным комплексом свойств, который при прочих равных условиях (габариты заготовок, стоимость, коэффициент использования металла) весьма трудно получить с применением технологии деформации слитка.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 52802-2007 Сплавы никелевые жаропрочные гранулируемые. Марки. - М.: Стандар-тинформ, 2006. - 10 с.

2. Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М., Фе-доренко Е.А. Разработка новых гранулированных жаропрочных сплавов для производства дисков и валов авиационных двигателей // Технология легких сплавов. 2010. № 2. С. 34-49.

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

4. Пат. 2453398 RU. Способ получения изделия из сплава типа ВВ751П с высокой прочностью и жаропрочностью / Гарибов Г.С., Востриков А.В., Гриц Н.М. и др. Опубл. 20.06.2012.

5. Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: учеб. пособие. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т. 2008. - 312 с.

6. Gayda G., Gabb T., Kantzos P. The Effect of Dual Microstructure Heat Treatment on an Advanced Nickel-Base Alloy // Superallous 2004. USA, Warrendale PA, TMS. P. 232-329.

7. Jain S.K., Ewing B.A., Yin C.A. The Development of Improved Performance PM Udimet 720 Turbine Disks // Superalloys 2000. USA, Warrendale PA, TMS. P. 785-794.

8. Ножницкий Ю.А. Проблемы применения гранулируемых сплавов в перспективных ГТД // Технология легких сплавов. 2007. № 4. С. 13-20.

9. Востриков А.В., Гарибов Г.С. Исследование влияния масштабного фактора на механические свойства заготовок дисков для ГТУ, полученных методом металлургии гранул // Газотурбинные технологии. 2006. Апрель. № 3 (46). С. 34-37.

10. Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Востриков А.В., Фе-доренко Е.А. Волков А.М. Освоение перспективного высокопрочного гранулируемого никелевого сплава при производстве заготовок турбинных дисков для авиационных двигателей нового поколения // Технология легких сплавов. 2012. №3. С. 50-62.

11. Пат. 7138020 US В2. Method for Reducing Heat Treatment Residuial Stresses in Super-Solvus Solu-tioned Nickel-Base Superalloy Articles/Groh J., Sri-vatsa S. 2006.

12. Ломберг Б.С. Жаропрочные сплавы для высоко-нагруженных дисков газотурбинных двигателей (ГТД) // Всероссийская научная школа для молодежи «Материалы и энергосберегающие технологии для производства ответственных деталей высокоэффективных газотурбинных двигателей, промышленных энергетических силовых установок и приводов». - М.: ВИАМ, 2010. С. 41-48.

13. Овсепян С.В. Термическая обработка деформируемых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД // Там же. С. 92-98.

-Ф-

-Ф-