автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Обеспечение структурной стабильности и свойств при температурах 850-975 градусов С никелевых сплавов для дисков ГТД

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ВИАМ)"

На правах рукописи " Дм служебного пользования" Экз.№ 01_

УДК 669.14.018.44:620.17

ОВСЕПЯН СЕРГЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

"ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ И СВОЙСТВ ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ 850-975°С НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ДИСКОВ ГТД"

Специальность 05.16.01.-"Металловеденке и термическая обработка металлов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1999 г.

Работа выполнена в Государственном Научном Центре РФ "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ)".

Научный руководитель - доктор технических наук. ЛомбергБ.С.

Официальные оппоненты: доктор технических наук Петрушин Н.В.,

кандидат технических наук Степанов В.П.

Ведущее предприятие - ОАО "СМК"

(Ступинский металлургический комбинат).

Защита диссертации состоится__1999 г., в_часов на заседании Диссертационного совета ГП «ВИАМ».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью., один из них на бланке учреждения, просим высылать по адресу: 107005, г. Москва, ул. Радио 17, ВИАМ, Ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан" йЁъубШ&Ш г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат технических наук

Подъячев ВН.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы определяется необходимостью применения дисков турбин в диапазоне от 850 до 975 °С, в связи с совершенствованием газотурбинных двигателей (ГТД) для авиационной, космической и наземной техники. Дисковые никелевые жаропрочные сплавы, обладающие при заданных температурах необходимым уровнем свойств и структурной стабильностью - отсутствуют. Систематических исследований по их изысканию недостаточно.

Чтобы соответствовать предъявляемым требованиям, сплавы должны быть многокомпонентными и содержать свыше 55% упрочняющей у' фазы. Сложность легирования, предельная насыщенность твердого раствора определяют высокую вероятность выделения нежелательных фаз (ТПУ, эвтектики из у' и карбоборидов, и др.). Для обеспечения структурной и фазовой стабильности при создании таких материалов необходимо переоценить известные и выбрать наиболее эффективные способы совершенствования химической композиции, учитывая температуру работы и специфику производства дисков путем деформации слитка. При этом необходимо применять методы прогнозирования фазового состава и свойств на основе физико-химического моделирования. Способы, известные в данное время, не позволяют получить требуемый результат.

При производстве заготовок дисков из слипа, методы выплавки, термомеханические параметры формообразования значительно влияют на эксплуатационные свойства. В связи со сложным составом изучаемых сплавов, требуется разработка специальных или корректировка существующих технологий. Необходим научно-обоснованный выбор режимов и способов термической обработки, не только обеспечивающих высокий уровень характеристик сплавов при 850-975°С, но н снижающих вероятность растрескивания штамповок в процессе закалки.

Таким образом, задача обеспечения структурной стабильности и свойств никелевых сплавов для дисков ГТД, применимых вплоть до 975°С, включающая в себя оптимизацию химического состава, термомеханиче-

ских параметров получения штамповок и режимов их термической обработки является актуальной.

Актуальность темы диссертации подтверждает ее соответствие Президентской Программе развития гражданской авиационной техники России до 2000 года, Программе разработки критических технологий для обеспечения создания узлов двигателей нового поколения, тематическим планам ГП "ВИАМ".

Целью работы является обеспечение структурной стабильности и свойств никелевых сплавов для дисков ГТД, применимых в интервале температур от 850 до 975 °С.

Дня реализации поставленной цели были решены следующие взаимозависимые материаловедческие задачи:

- развитая метода прогнозирования фазового состава и свойств многокомпонентных сложнолегированных никелевых сплавов;

- выбора эффективных путей совершенствования химического состава сплавов типа ЭП975, включающего оптимизацию содержания у'-образующих, тугоплавких элементов и комплексного микролегирования;

- изучения термомеханических параметров технологий получения заготовок дисков ГТД, как совокупности стадий термического и деформационного воздействия;

- исследования влияния термической обработки - закалки и старения, и поиск режимов, обеспечивающих требуемый уровень структурной стабильности и жаропрочности дисковых сплавов типа ЭГО75 при температурах 850-975°С.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Развит метод прогнозирования свойств и фазового состава никелевых жаропрочных 15 ™ компонентных сплавов, основывающийся на параметрах, рассчитанных по уравнениям системы неполяризованных ионных радиусов (СНИР).

2. На основе систематических исследований определены эффективные пути совершенствования химического состава, оптимальные соотношения и концентрации основных компонентов сплавов для дисков ГТД рабо-

тающих при 850-975 °С, сочетающих структурную стабильность, высокую жаропрочность и достаточную технологичность.

3. Установлены закономерности влияние малых добавок скандия совместно с лантаном и церием, на параметры структуры, эксплуатационные свойства, технологичность деформируемых никелевых сплавов, содержащих более 55% упрочняющей у'-фазы.

4. Предложен способ получения качественных полуфабрикатов дисков турбин из сплавов с близкими температурами неравновесного солидуса и полного растворения упрочняющей у'-фазы.

5. Для дисковых сплавов типа ЭП975 установлено влияние разных способов и параметров термической обработки на характеристики структуры и определены режимы, снижающие риск возникновения закалочных трещин и обеспечивающие наилучший комплекс свойств при температурах от 850 до 975°С.

Практическая ценность.

Развитие метода прогнозирования фазовой стабильности и свойств никелевых сплавов позволяет применять его на зтале оптимизации составов, содержащих до 15™ основных легирующих элементов.

На основе исследования влияния основных компонентов и малых добавок, в том числе скандия, на свойства и физико-химические параметры материала предложены два никелевых деформируемых сплава для применения при 850 - 975°С в дисках турбин, превышающих по ряду характеристик все известные материалы аналогичного назначения (а85030о ä 441 МПа, а900зоо > 294 МПа, а9"?0> 196 МПа).

Предложены термомеханические параметры различных этапов обработки, позволившие создать технологии получения заготовок дисков из труднодеформируемых сплавов типа ЭП975 с повышенной жаропрочностью.

Рекомендованы режимы и способы проведения термической обработки, позволяющие повысить уровень свойств сплавов и снизить риск возникновения закалочных трещин.

Опробование на заводах отрасли разработанных сплавов, технологии получения и термической обработки штамповок дисков» показало эффективность выбранных решений.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- ХУ Межотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, Москва, 1988г, ВЙАМ;

- Отраслевой научно-технической конференции, Москва, 1988г., ВИАМ;

- III Всесоюзной конференции по металлургии гранул, Москва, 1991г, ВИЛС;

- Международной конференции по сверхпластичности передовых материалов, Москва, 1994г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, в том числе одно авторское свидетельство на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из 5 глав, содержит 165 страниц, включающих 35 таблиц, 41 рисунок, список использованной литературы из 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы и защищаемые положения.

В первой главе анализируется состояние вопроса по литературным источникам.

Рассмотрены требования, предъявляемые к материалам для дисков турбин и основные свойства зарубежных и отечественных никелевых жаропрочных сплавов. Установлено, что известные промышленные и экспериментальные сплавы для дисков ГТД, предназначены для использования не выше 750°С, некоторые кратковременно до 850°С.

Проанализирован химический и фазовый октав современных деформируемых никелевых сплавов. Рассмотрены способы, применяющиеся при

создании материалов с более высокой структурной стабильностью и жаропрочностью, получаемых деформацией слитка:

- легирование элементами, повышающими количество у' фазы и стабилизирующими структуру (в том числе и карбидные фазы);

- комплексное микролегирование;

- использование методов априорной оценки состава для предотвращения выделений ТПУ фаз и расчета характеристик материала;

- разработка металлургических процессов, в том числе электроннолучевого переплава с промежуточной емкостью (ЭЛППЕ) и вакуумного двухэлектродното переплава в неохлаждаеиую изложницу (ВДЭП или УАБЕЯ), позволяющих получать крупногабаритные слитки с равномерной мелкозернистой структурой;

- совершенствование термической и термомеханической обработки, формирующих структуру материала (зерен матрицы, частиц упрочняющих фаз, границ зерен) в зависимости от химического состава и требуемых свойств (с использованием изотермической деформации и эффекта сверхпластичности).

Отсутствие как сведений о сплавах с необходимым уровнем свойств, применяемых для дисков турбин выше 850°С, так и исследований, посвященных их разработке, явилось основанием для определения задач настоящей работы.

Вторая глава содержит описание материалов и методики исследования.

За основу для разработки взяты наиболее жаропрочные дисковые сплавы типа ЭП975: серийный - ЭП975-ИД и экспериментальный -ВЖ137-ИД, упрочняемые от 55 до 65% /фазы. Выплавка заготовок проводилась вакуумно-индукнионньш методом (ВЙ), для переплава применялись процессы: вакуумно-дуговой (ВДП) в ВИАМе и на з-де "Электросталь", ВДЭП в ЦНИИЧерМете и ЭЛППЕ на установках ИЭС им.Е.О.Патона. Деформация осуществлялась методами прессования, под-прессовки в глухую матрицу, прямой осадки с разными скоростями и штамповки, в том числе в изотермических условиях ("Электросталь", СМК, ВИЛС, ВИАМ).

Расчеты электронно-химического эквивалента состава при выборе химической композиции, осуществлялись с использованием уравнений СНИР, посредством созданных алгоритмов и программ для 15-ти компонентных систем.

Микроструюурные исследования проводились с помощью световой металлографии ("Neophot-21"), электронной просвечивающей микроскопии на фольгах и репликах ("ЭМ200", "Jeol"), растровой электронной микроскопии ("Camebaks", "Superprob"). Размеры зерен и у'-фазы определялись непосредственным измерением по фотографиям или на установках типа "Qvantimet".

Состав фаз определялся после электролитического их разделения и микроренггеноспектральным анализом ("JCMA").

При определении температур фазовых превращений использовались резистометрия, дилатометрический анализ, дифференциальный термический анализ, а также оптическая металлография.

Параметры решеток у~матрицы и f фазы измеряли рентгеновским методом с последующей интерпретацией дифракгограмм по программе "PeakFet".

При выборе режимов термообработки использовали измерение твердости (по Бринеллю) и микротвердости.

Свойства испытывались по методикам, стандартным для жаропрочных никелевых сплавов.

Обработка результатов количественной металлографии и механических испытаний проводилась на ЭВМ IBM в среде Lotus 123 или Excel 7.0.

Третья глава посвящена оптимизации химического состава сплавов на основе ЭП975-ИД и ВЖ137-ИД с целью повышения их структурной стабильности и свойств при температурах от 850 до 975°С.

Дня большей эффективности исследований проводилось развитие метода прогнозирования фазового состава и свойств посредством физико-химического моделирования 15га компонентного сплава.

Впервые, в качестве эквивалента, характеризующего свойства никелевых композиций была применена комбинация величины заряда межатомной связи -Zyw размерного фактора -А, вида:

P= 7((At-c,).b1)2+((Zye-c2).b2)2t

где el, с2, Ы и Ь2 - коэффициенты, подбираемые с помощью регрессионного анализа для группы сплавов, полученных по одинаковой технологии, для одного вида изделий, в нашем случае дисков турбин.

Параметры Zyc и Ас рассчитывались по составу сплава с помощью уравнений системы неполяризованных ионных радиусов (СНИР), описанных в работах Э.В. Приходько. Для этого были созданы алгоритмы и программы, применимые для 15™ компонентных систем.

Анализ 20™ отечественных и зарубежных дисковых никелевых сплавов показал, что применение в качестве эквивалента состава величины Р (ci=3.49, 02=2.2, b¡=2000 и b2=200) позволяет гголутать достаточно строгие зависимости "Р = f(aB, o0i2, йб50юо, <x6SOiooo, а75°юоо)"- Максимальные механические свойства и жаропрочность на базе 100 часов наблюдаются при Р=80+95, жаропрочность на базе 1000 часов прямо пропорциональна величине Р.

Показано, что в области изучаемых составов - типа ЭП975 и более высоких температур применение параметров Ас и Zyc также правомерно и эффективно.

Установлено, что фазовый состав с ложно легированных никелевых сплавов, вероятность выделения ТПУ фаз. определяет соотношение параметров СНИР, рассчитанных по составу у твердого раствора. Для расчета химического состава последнего создана программа, основанная на эмпирических данных по распределению компонентов между у, у' фазами, карбидами и боридами в более чем 40 сплавах, в том числе и изучаемых в работе.

Были найдены композиции, склонные к выделению ТПУ (а и ц) фаз и без них, н рассчитаны параметры их твердого раствора - ZyM и А„. Анализ диаграмм «'¿ум-Ам-фазовый состав» сначала для многокомпонентных сплавов на основе системы Ni-Co-Cr, а затем, и для композиций типа ЭП975 позволил Определить критические значения величин СНИР.

Таким образом, выявленные зависимости позволяют прогнозировать свойства и фазовый состав при создании материалов с заданными характеристиками.

Свойства и структурная стабильность сплавов-прототипов при 850975 °С не соответствуют требованиям научно-технического задания. Поэтому проводился выбор эффективных направлений оптимизации их легирования, с учетом более высокой рабочей температуры и специфики технологии производства дисковых материалов. Опробовались и оценивались все известные методы корректировки составов, применяемые для повышения жаропрочности никелевых сплавов, и выявлялись наиболее перспективные композиции. Одновременно проводился контроль у матрицы, исключающий выделение ТПУ-фаз, что особенно важно в случае, если температура работы материала выше 750°С.

Было установлено, что дополнительное легирование алюминием «ли титаном изучаемых сплавов приводит к снижению технологичности и свойств. Из-за чрезмерного увеличения содержания у'-фазы возрастают межфазные напряжения, и происходит растрескивание как слитков, так и штамповок при термической обработке. При этом становится невозможно создать равномерную структуру, т.к. не удается растворить крупные частицы у' фазы эвтектического происхождения, Препятствующие движению границ зерен рри закалке. По этим же причинам не желательны добавки ниобия свыше 2.5% в сшив ВЖ137. Для сплава ЭП975 содержание ниобия можно увеличить до 2.5%.

Гафний и тантал наиболее сильно повышают температуру растворения у'-фазы (Тм7') в исследуемых сплавах. Подтверждаются данные, что эти элементы способствуют образованию устойчивых вторичных частиц МС по границам зерен в деформированном и термообработанном материале, препятствуя появлению М$С. Установлено, что в обоих сплавах гафний наиболее эффективен при добавках до 0.5%, тантал - до 1% (таблица 1). Превышение указанных концентраций ведет к снижению со-лидуса сплава, чрезмерному увеличению количества и устойчивости частиц №з(ЩЫЬ) и у'-фазы в составе эвтектики по границам девдритов. В

процессе деформации слитка образование трещин во многих случаях происходит вблизи этих скоплений.

Таблица 1. Свойства сплава ВЖ137-ИД с различным легированием.

Исследовано плавок Элементы % по весу Tsvy'* Т-ра шсалки* Долговечность* (час)

Nb Та °с °С 850 "С, 422 МПа 900 °С, 294 МПа 975 °С, 196 МПа

4 2.5-2.9 - 1225 1235 90 -105 95 - 130 40

3 1.9-2.7 0.8-1.2 1230 1240 140-170 150 -180 50-60

2 1.5-2.0 2.0-2.3 1245 1260 150 170 60-70

* - средние значения

Анализ зависимости свойств изучаемых композиций от температуры растворения у' фазы показал, что из-за сужения интервала обработки при закалке и трудностей при получении равномерной структуры не желательно, что бы Tsvy' превышала 1230 °С.

Изучалась возможность изменения содержания тугоплавких элементов - вольфрама, молибдена, хрома и добавка 0.5 % рения.

Для сплава ЭП975 лучшие свойства при 850-975°С показали составы с-11% W при сниженном молибдене. В случае ВЖ137 оставлено исходное соотношение W/Mo. Значительных преимуществ после добавок рения выявить не удалось.

Чтобы избежать выделения ц фазы и карбида М6С, снижающих свойства, содержание молибдена и сумма вольфрама и молибдена не должны превышать 3 и 11 весовых процентов соответственно. Однако для каждого сплава количество тугоплавких элементов выбиралось таким, чтобы для у твердого раствора

выполнялось условие: 2ум< (56.77-15.43.Ам). Правильность этого подхода была проконтролирована фазовым анализом, в том числе, и после выдержек до 1000 часов при 900°С. Несмотря на то, что а фаза в изучаемых составах не обнаружена, желательно, чтобы выполнялось и условие: Ъуи< 2.65 - рисунок 1.

Рисунок!. Выделение ТПУ фаз в сплавах типа ЭП975 в зависимости от параметров СНИР утвердого раствора, II - составы в которых обнаружены фазы /и или MçC;

- "чистые" составы; .-■' - области составов исходных сплавов; CD> - области составов разработанных сплавов; a-b , c-d - границы стабильности твердого раствора по отношению к fi, M/J и су фазам.

Дальнейшее сравнение параметров определяющих, как свойства сплавов (Р), так и их стабильность (Л2л'=2уцгр-гуы), позволило учесть все легирующие элементы и выбрать наиболее жаропрочные составы.

В данной работе, впервые для деформируемых, содержащих более 55% у' фазы сплавов, опробовалось легирование скандием, вводимым до 0.08% совместно с лантаном и церием.

Установлено, что сплавы со скандием, добавленным до 0.06%, обладают более высокой технологичностью при обработке давлением.

После термической обработки скандий в количествах от 0.015 до 0.035 % повышает время до разрушения и пластичность металла в интервале рабочих температур (рисунок 2). Оптимальная его концентрация зависит от легирования сплава.

Исследование композиций с избыточным содержанием лантана (до 0.06%) и поэтому обладающих пониженными свойствами при рабочих температурах, позволило дополнить данные о влияние скандия. Он восстанавливает пластичность и долговечность такого материала. Если в сплав добавляется гафний, он действует таким же образом. Эффект от этих элементов складывается, поэтому при определении оптимального количества скандия необходимо учитывать и содержание гафния.

Установлено, что скандий концентрируется в междендритных пространствах и в фазах, образующихся в конце интервала кристаллизации: в эвтектических у' частицах (в большей степени в их периферийной области), в иетерметаллндах на основе гафния и ниобия в составе эвтектики. Этим он сходен с ниобием и гафнием; отличается - отсутствием в карбидах МС.

Анализ фаз показал, что добавка скандия в изучаемые сплавы приводит к изменению состава карбидов и борвдов:

- в литом металле меньше вольфрама и молибдена и больше гафния, ниобия и никеля;

- после деформации и термической обработки - больше вольфрама и молибдена за счет, в основном, гафния.

Аналогичные изменения вызывает и лантан.

Фазы на основе скандия в изучаемых сплавах не обнаружены. Влияние скандия на структуру проявляется в следующем: - уменьшаются величины дендритных ячеек в слитке после добавок 0.015 и 0.03% Бс и укрупняются - с 0.05% Бс;

0 0,02 о,см 0,06 0,08 Добавка скандия вес)

а)

850 С, 0,2%Н В? = 0,90

о 0,02 0,04 0,06 0,08 Добавка скандия {% вес)

о 0,02 0,04 0,06 0,08 Добавка скандия ('Л вес)

850 С, 0,2%НГ № = 0,85

о 0,02 0,04 0,06 0,08 Добавка скандия (% вес)

в) г)

Рисунок 2. Влияние скандия ш свойства сплава ВЖ137-ИД при длительных испытаниях; а), 6) - 975°С, №МПа; в), г) ■ 85СРС, 441 МПа и 90СРС, 294 МПа, Я2 - величина достоверности аппроксимации.

- повышается стабильность структурных составляющих, о чем говорят меньшие изменения в параметрах решеток, размерах и морфологии частиц у' фазы и твердого раствора после выдержек до 1000 часов при рабочей температуре.

Установлено, что сплавы со скандием обладают большей стойкостью к окислению.

Исходя из совокупности полученных фактов предполагается, что скандий меняет химический состав границ и приграничных областей зерен и фаз, что приводит к замедлению процессов связанных с диффузией атомов через эти границы. Из-за этого изменяется соотношение прочности границ и тел зерен. Вероятно, при оптимальных концентрациях скандий вытесняет микролегирующие элементы, например лантан, из мест их локализации. Не исключено, что скандий, как и иттрий, образует тугоплавкие соединения, служащие центрами кристаллизации расплава, хотя этот факт, по-видимому, не связан с изменением свойств деформированного металла.

Результаты проведенных исследований показывают, что скандий является полезным легирующим элементом, повышающим структурную стабильность и свойства изучаемых сплавов в интервале рабочих температур. Однако, учитывая высокую стоимость, он рекомендуется для наиболее труднодеформируемого сплава - ВЖ137. Оптимизированные составы названы ЭП975А и ВЖ137А. Содержаний легирующих элементов - в границах прототипов, а по молибдену (для ЭП975А) и гафнию (для ВЖ137А) выходят из них. Испытания показали, что предложенные сплавы имеют большую жаропрочность и стабильность структуры и фазового состава. Это подтверждает и сравнение электронных параметров СНИР всех возможных плавок при изменении компонентов от минимального до максимального содержания (см. рисунок 1).

Четвертая глава посвящена совершенствованию термомеханических параметров формообразования заготовок дисков и поневу режимов окончательной термической обработки. Основная часть исследований проводилась на заготовках полученных из слитков ВД переплава.

Разработанные сплавы представляют собой весьма сложные объекты с металлургической точки зрения! При оптимизации параметров технологии производства дисков надо было учитывать следующие их особенности:

- близость температур растворения у' фазы и солидуса;

- большое количество эвтектических выделений, в том числе и крупных частиц у' фазы, которые необходимо растворить до окончательной термической обработки.

Проведённые исследования показали, что во избежание потери свойств из-за локального оплавления в связи с низким солидусом литого металла для сплава ВЖ137А необходима гомогенизация в две стадии. Сначала, при температуре ниже Tsvy' на 10+30 °С в течение 6-8 часов с предварительными выдержками при Tsvy'-(120+140) °С (а для составов на верхнем уровне легирования и при Tsvy'-(30-r40) °С) с охлаждением со скоростью менее 60 °/час. Затем, после деформации на 20+35 %, способствующей ускорению диффузионных процессов, при температуре от Tsvy' до Tsvy'+15 °С. В результате в большей части заготовки формируется равномерная, крупнозернистая, без выделений эвтектической у' фазы структура. Материал обладает хорошей пластичностью и допускает осадку без трещин не менее чем на 55%.

Чтобы обеспечить повышенную пластичность металла при последующей штамповке необходимо сформировать равномерную мелкозернистую структуру, так называемую "микродуплекс". Было установлено, что для этого обязательно проведение интенсивной (более чем на 45%) деформации при температуре 1120-1170 °С прессованием или осадкой со скоростью не менее 1*10л с"1. В результате проходят процессы динамической рекристаллизации, и формируется однородная структура металла с размером зерен менее 8 мкм и у* частиц ~ 5 мкм. Показано, что такой материал проявляет сверхпластичность. Например, при 1120+1180 °С и скоростях деформации от 10"4 до 5»10т2 с'1, показатель скоростной чувствительности m принимает значения от 0.4 до 0.5.

При изучении отжига перед штамповкой, применяемого для снятия напряжений, было установлено его значительное влияние на свойства де-

формированного и термообработанного металла: происходит повышение долговечности на 15-80% при 850-975°С обоих изучаемых сплавов.

Наряду с ВДП, опробовались и слитки, полученные переплавом ВДЭП (УДВЕЯ). Отжиги заготовок ВДЭП, по сравнению с ВДП, могут быть короче, а деформация интенсивнее из-за их более однородной и мелкой структуры.

Исходя из определяющего влияния окончательной термической обработки на характеристики жаропрочных никелевых сплавов, были проведены исследования термовременных параметров всех ее этапов для выбора режимов, обеспечивающих требуемый уровень структурной стабильности и сёойств сплавов при температурах 850-975°С.

Термическая обработка для исследуемых материалов состоит из закалки с предварительным отжигом и старения.

Предварительный отжиг деформированного металла при Тэуу'-СЮО-130)°С способствует снижению деформационных напряжений и коагуляции у' фазы. В дальнейшем, при рекристаллизации, это прИйОДИТ Я. более равномерному росту зёрен, что подтвердилось для плавок изучаемых сплавов разного уровня легирования.

Установлено, что обработка на твердый раствор, перед закалкой, должна проводится на 5-15°С выше температуры растворения у' фазы. Это обеспечивает для обоих сплавов оптимальное сочетание свойств при кратковременных и длительных испытаниях. Для сплава ЭП975А возможно увеличение температуры отжига до Т5у/+40°, что практически не приводит к снижению свойств. В случае ВЖ137А, превышение оптимальной температуры может привести к снижению кратковременных и длительных характеристик.

При закалке, применение регламентированного охлаждения со скоростью 1-2 град/час до температуры на 20 и 45° ниже растворения у* фазы позволяет дая изучаемых сплавов значительно снизить риск возникновения закалочных трещин, по сравнению со стандартным выносом на воздух, что особенно важно для заготовок сложной геометрии.

Охлаждение до Т5уу'-20° обеспечивает практически такие же механические свойства и жаропрочность, как при стандартной обработке. Медленное охлаждение до Т$уу'-450 приводит к значительному повышению времени до разрушения при температурах выше 850°С (таблица 2) и ударной вязкости.

Таблица 2. Свойства сплава ЭП975А-ИД после закалки по разным режимам; (старение: 920°С/12ч. охлаждение до 850°С/48ч.)

Режим закалки Кратковременные свойства при 20°С (средние значения) Жаропрочность (средние значения)

850°С, 441 МПа 900°С, 294 МПа 975°С, 196 МПа

МПа Оо,2 МПа 5 % хР час 6 % тР час § % тР час 5 %

Т!!УуЧ20оС/6час охл. на воздухе 1330 1075 15.7 140 6.4 180 8.5 70 4.9

ТетуЧ20°С/6час охл.~1°/мин.до Т5уу'-20°, воздух 1330 1069 17.0 148 5.0 - - 80 5.8

Т<5Уу'+20°С/6час охл.~17мин.до Т8уу'-45°, воздух 1303 986 20.8 330 12.0 350 7.6 130 7.4

Микроструктурные исследования показали, что если при выносе на воздух вся упрочняющая фаза выделяется в виде кубических частиц, границы зерен прямые, то при регламентированном охлаждении образуются округлые, некогерентно связанные с матрицей частицы у' фазы, размером около 1 мкм. Вокруг них формируются мелкие когерентно связанные с матрицей кубоидальные выделения. Границы зерен извилистые.

Замедленное охлаждение до Тяуу'-гО0 приводит к комбинации микроструктур двух типов, а до Тб\7'-45° обеспечивает равномерные выделение бимодальных частиц у' фазы по всему объему заготовки.

Изучение распределения дислокаций по структуре металла после разрушения при рабочих температурах показало, что наиболее вероятно мел-

кие у' частицы перерезаются, а крупные - огибаются дислокациями, что соответствует общепринятым представлениям.

При выборе старения учитывались как уровень свойств, так и характеристики структуры материала. Проводился анализ состава и количества У фазы, распределения карбидов и боридов по границам зерен. Установлено, что при изотермических выдержках в интервале от 1000 до 800°С происходят периодические затухающие колебания твердости металла, связанные с изменением морфологии и структуры у фазы и состава у твердого раствора. Показано, что для сплава ВЖ137А выдержка 24 часа при 910°С, соответствующая третьему максимуму твердости, обеспечивает высокие и стабильные свойства при рабочих и комнатной температурах, в том числе и нечувствительность к надрезу.

Для сплава ЭП975А наиболее высокие свойства обеспечивает ступенчатое старение с первой выдержкой 12 часов при 920°, медленное охлаждение до 850 и выдержкой при этой температуре до 48 часов.

В пятой главе описываются результаты промышленного опробования разработанных сплавов и режимов их обработки.

Использование результатов данного исследования позволило совместно с заводом "Электросталь", Всероссийским Институтом Легких Сплавов (ВИЛС) и Ступинским Металлургическим Комбинатом (СМК) разработать НТД (ТУ14-131-780-89 (изменение No5), ТР1.2.1609-97, технологии производства штамповок и др.) и в промышленных условиях изготовить штамповки дисков из предлагаемых сплавов.

Для сплава ВЖ137А был применен переплав ЭЛППЕ. В институте Электросварки им.Патона (г.Киев) изготовили слитки 0230 и 310 мм с равномерной мелкозернистой структурой. Из заготовок 230 мм на промышленном оборудовании ВИЛС были получены штамповки 0350-400 мм. Слитки 310 мм прессовали и на СМК изготовили штамповки шифра АП-1.

Для сплава ЭП975А применяли ВИ+ВД переплав. После прессования на пруток (з-д "Электросталь") на СМК была изготовлена опытная партия штамповок шифра МАС-8.

Применение термической обработки с регламентированным охлаждением при закалке для штамповок диска с валом на СМК позволило исключить брак, связанный с обламыванием вала.

Всесторонние исследования, в том числе и на базах до 2000 часов, показали высокий уровень свойств и стабильность структуры и фазового состава сплавов. Выявлены преимущества разработанных материалов по сравнению с прототипами по жаропрочности, МЦУ на гладких и надрезанных образцах и другим характеристикам. Наиболее существенные квоты превосходства представлены в таблице 3.

Таблица 3. Сравнительные свойства разработанных сплавов для дисков ГТД.

Сплав Кратковременные свойства при 20°С, (средние значения) Жаропрочность (мин. значения)

850°С 900°С 975°С

а„ МЛа <5 0,2 МПа 6 % с МПа час СУ МПа Ь час о МПа тр час

ЭП975-ИД 1313 1019 19.0 382 100 265 100 177 40

ЭП975А-ИД Т.О.№1 Квоты прев, по сравнен с ЭП975-ИД 1320 1065 17.0 412 8% 100 294 10% 100 196 11% 50 2594

ЭП975А-ИД Т.О.№2 Квоты прев, по сравнен с ЭП975-ИД 1303 986 20.8 441 15% 300 200% 294 10% 300 200% 196 11% 100 150%

ВЖ137А Т.О.№2 Квоты прев, по ^авнен с ЭП975-ИД 1274 921 18.2 441 15% 350 250% 294 10% 350 250% 196 11% 70 75%

Требуемый уровень по ТУ >1176 £882 ¿14.0 - - 294 >100 196 £40

т.о.№1 - закалка: тбутчб? охл.~г/мин до тбуу'-20о, в-х, т.о.№2 - закалка: т5\7ч54, охл.~17мин до твуумб0, в-х.

В связи с тем, что для производства штамповок из сплава ВЖ137А желательно применение специальных методов переплава, проведение отжига при температуре выше 1230°С, то для изготовления дисков диаметром более 250 мм рекомендуется состав ЭП975А-ИД. Режим термической обработки выбирается в зависимости от требуемого уровня кратковременных свойств и жаропрочности.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основе выполненных исследований установлены закономерности оптимизации химического состава и термомеханических параметров обработки, обеспечивающие структурную стабильность и требуемый уровень свойств жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД применяемых в интервале температур от 850 до 975°С.

Использование найденных закономерностей позволило разработать не имеющие аналогов деформируемые струкхурносгабильные сплавы для дисков ГТД - ЭП975А и ВЖ137А, с жаропрочностью не ниже:

CT850300 = 441 МПа, ст900,«, = 294 МПа, о950,оо = 235 МПа, ст97570 = 196 МПа,

и квотами превосходства при долговременных испытаниях по сравнению с прототипом (ЭП975-ИД) от 8 до 11% (по напряжению).

2. Развит и применен при оптимизации легирования метод прогнозирования свойств и фазового состава никелевых жаропрочных сплавов, основывающийся на параметрах, рассчитанных по уравнениям системы не-поляризованных ионных радиусов (СНИР). Показано, что свойства никелевых сплавов зависят от величины P=f(ZycAJ, рассчитываемой по составу сплава, а фазовая стабильность определяется соотношением ZyM и Ая для состава у твердого раствора.

3. Впервые, для деформируемых дисковых сплавов типа ЭП975 с более 55% у' фазы, предложено легирование скандием, совместно с лантаном и церием. Установлено, что после добавки 0.015-0.03% Sc металл обладает:

- более высокой технологичностью при деформации;

- повышенной долговечностью (до 2х раз) при 850-975 °С после деформации и термообработки;

- более стабильной структурой, о чем говорят меньшие изменения в параметрах решеток у1 фазы и твердого раствора, размерах и морфологии разных видов у' частиц после выдержек до 1000 часов при рабочей температуре;

- большей стойкостью к окислению.

Показано, что оптимальное содержание скандия зависит от уровня легирования сплава.

4. Определены наиболее эффективные пути совершенствования легирования никелевых сплавов типа ЭП975 для дисков турбин, работающих при 850-975°С, сочетающих структурную стабильность, высокие свойства и достаточную технологичность:

- увеличение соотношения W/Mo;

- введение гафния и тантала;

- микродобавки скандия, наряду с РЗМ.

Установлено, что при изменении содержания легирующих элементов необходимо соблюдать соотношения параметров СНИР для у твердого раствора: ZyM< (5б.77-15.43Ам) и Zy„<2.65, что позволит избежать вьщеления ТПУ фаз и карбида МбС. Для предотвращения снижения технологичности металла при деформации и термообработке температура растворения у' фазы не должна превышать 1230°С.

5. Предложены режимы обработки металла сплавов ЭП975А и ВЖ137А выплавки ВДП, ВДЭП и ЭЛППЕ, позволившие создать технологии получения заготовок дисков турбины с гарантированным уровнем свойств:

- гомогенюациошшй отжиг слитков, для сплава с близкими температурами солидуса и полного растворения у'-фазы, включает в себя две стадии - при Tsvy'- (10+30)°С, и после обработки давлением, при Tsvy'+(0-bl0) оС;

- отжиг перед последней деформацией (например, прутка перед штамповкой).

Для обоих сплавов обоснована необходимость интенсивной (более 45%) обработки прессованием или осадкой со скоростью не менее МО"1 с"1 при 1120-5-1170 °С, которая формирует равномерную, типа "микродуплекс", структуру металла, позволяющую получать штамповки нужной конфигурации, в том числе, с использованием эффекта сверхпластичности;

6. Установлено, что термическая обработка дисковых сплавов типа ЭП975, позволяющая получить высокий уровень свойств при 20, 850-975°С и исключить растрескивание заготовок при закалке, должна включать в себя:

- отжиг на твердый раствор с регламентированным охлаждением 1-2 о/мин до Tsvy'-(20-î45)0 (в зависимости от требований к кратковременным свойствам и жаропрочности), с выдержкой при этой температуре 30^-45 минут и дальнейшем охлаждении на воздухе;

- старение для ЭП975А при 910°, 12 часов, охлаждение до 850° и выдержка до 48 часов, а для сплава ВЖ137А - при 910°С, 24 часа.

7. Проведено промышленное опробование разработанных сшивов и режимов обработки с использованием слитков ЭЛППЕ и ВД переплава в условиях предприятий "Электросталь" и СМК. Получены штамповки с требуемым уровнем свойств.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Овсепян C.B. "Особенности микролегирования порошковых жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС." Тезисы докладов XY Межотраслевой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов, М„ 1988г, с. 16-17, ВИАМ.

2. Ломберг Б.С., Овсепян C.B., Кардашова С.И. "Структурные особенности компактированного жаропрочного никелевого сплава с микродобавками бора и РЗМ", Технология легких сплавов, 1991 г., №4, с. 47-50.

3. Овсепян C.B., Ломберг Б.С., Бабурина Е.В. "Расчет жаропрочности сложнолегированных никелевых сплавов с помощью уравнений системы

неполяризованных ионных радиусов (СНИР).", МиТОМ, 1995г , №6, с.9-11.

4. B.S.Lomberg, S.V.Ovsepian, A.A.Alalykin, D.E.Gerasimov, A.A.Gromova. "Metods of Structure Preparing of Superalloy for Disc Turbin Applications for Superplastic Deformation", Proceedings of the Int. Conf.,1994, Moscow "Supeiplasticity in Advanced Materials ICSAM-94" Materials Science Forum Vols. 170-172 (1994) pp.305-310.

5. Авторское свидетельство №1602070 "Способ изготовления деформированных полуфабрикатов из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов", 22.06.90г. (приоритет от 1.03.89.).