Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2018-0-5-12-17
УДК 669.018.44:669.245
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА ИСХОДНЫХ ПРЕСС-ПРУТКОВ ПЕРЕД ДЕФОРМАЦИЕЙ НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ШТАМПОВОК ИЗ СПЛАВА ЭП742-ИД

Исследованы процессы рекристаллизации пресс-прутков из сплава ЭП742-ИД, используемых в качестве заготовок при изотермической штамповке дисков малоразмерных ГТД. Определено влияние рекристаллизационного отжига в однофазной области на механические свойства материала штамповок после окончательной термической обработки.


Введение

В настоящее время для малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД) широкое применение нашли диски из жаропрочного деформируемого сплава ЭП742-ИД, которые производятся во ФГУП «ВИАМ» [1–4].

Исходными заготовками штамповок дисков для малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД) являются пресс-прутки диаметром 140–150 мм, производимые методом экструзии из слитков ø320 мм двойной вакуумной выплавки (ВИ+ВДП).

Вследствие невозможности достижения на имеющемся промышленном оборудовании достаточной для получения однородной макро- и микроструктуры степени вытяжки при деформации, структура по сечению пресс-прутков имеет неоднородный характер. Этот недостаток частично устраняется в процессе изготовления штамповок с помощью гомогенизирующих отжигов, последующей деформации и окончательной термической обработки.

Однако полностью исключить «наследственное» влияние исходной структуры пресс-прутков при существующей технологии производства штамповок дисков не удается. Это обстоятельство в первую очередь отражается на размере микрозерна и приводит к недостаточной стабильности пластических характеристик материала штамповок дисков (δ20°, ψ20°, KCU20°).

Для повышения стабильности свойств штамповок дисков после окончательной термообработки, снижения количества повторных испытаний проведена работа по корректировке режима отжига пресс-прутков ø150 мм из сплава ЭП742-ИД перед началом деформации [5–8].

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 9.7. «Высокотемпературные деформируемые сплавы и композиционные материалы, упрочненные тугоплавкими металлическими волокнами и частицами, карбидами, нитридами и др., истираемые уплотнительные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

 

Материалы и методы

В качестве исходных заготовок для штамповок дисков шифра ИШО-90 использовали пресс-прутки ø150 мм сплава ЭП742-ИД, изготовленные в условиях АО «Металлургический завод «Электросталь» методом двойной вакуумной выплавки (ВИ+ВДП) с последующим прессованием на горизонтальном прессе с усилием 63 МН. Пресс-прутки поставлялись во ФГУП «ВИАМ» по ТУ14-131-663–86.

После проведения входного контроля и гомогенизационного отжига мерные заготовки подвергались ковке в изотермических условиях на гидравлическом прессе с усилием 1600 тс (ПА-2642), а затем после отжига – штамповке в два перехода также в изотермических условиях на гидравлическом прессе с усилием 630 тс (ПА-2638).

Отжиг штамповок и термическую обработку проводили в камерных печах типа ПСКО 1250/640.50.80 [9, 10].

Исследование микроструктуры проводили на оптическом микроскопе Olympus GX-51, изображения обрабатывали в программе Analisys Start. Контроль микроструктуры (размер зерен) проводили по ГОСТ 5639–82 [11].

Значения кратковременной прочности, ударной вязкости и длительной прочности определяли в соответствии с требованиями ТУ1-595-3-725–2013 из кольцевых припусков штамповок.

 

Результаты и обсуждение

Пресс-прутки ø150 мм из сплава ЭП742-ИД, из которых изготавливают штамповки дисков шифра ИШО-90, вследствие существующих условий деформации имеют неравномерный размер зерен от периферии к центру прутка.

Для подготовки заготовок к деформации с целью выравнивания структуры и снятия напряжений проводили гомогенизирующий отжиг в двухфазной области.

Как показали исследования (рис. 1), при существующей температуре отжига заготовок ниже температуры полного растворения упрочняющей γʹ-фазы (Тп.рγʹ) не происходит полной рекристаллизации структуры и при этом наблюдается существенная разнозернистость.

Очевидно, что наследственность от текстуры прессованного прутка сохраняется до последних технологических операций получения штамповок и не позволяет в полной мере реализовать возможности материала – особенно по значениям пластичности (δ, ψ) и ударной вязкости (KCU).

Для устранения этого недостатка исследовали влияние температуры отжига перед деформацией на структуру и механические свойства штамповок дисков после окончательной термообработки. При этом необходимо учесть изменение значений температуры Тп.рγʹ в зависимости от суммы основных упрочняющих элементов в сплаве (Ti, Al, Nb) в пределах марочного состава сплава ЭП742-ИД (рис. 2).

 

Рис. 1. Микроструктура (×100) края (а) и центра (б) пресс-прутка ø150 мм из сплава
ЭП742-ИД после отжига при температуре ниже Тп.рγ¢

 

 

Рис. 2. Изменение температуры Тп.рγʹ в зависимости от суммы основных упрочняющих
элементов сплава ЭП742-ИД

 

Из приведенных на рис. 2 данных видно, что изменение значений температуры Тп.рγʹ в зависимости от плавочного химического состава составляет порядка 10–12°С. Такая разница по значениям температуры (рис. 3) приводит при Тзакалки>Тп.рγʹ к заметному укрупнению зерна и существенному снижению пластических характеристик (δ, ψ, KCV), а при Тзакалки<Тп.рγʹ – к неполной рекристаллизации и снижению длительной прочности.

 

 

Рис. 3. Микроструктура штамповки диска из сплава ЭП742-ИД при температуре закалки меньше (а), равной (б) и больше температуры Тп.рγʹ (в)

В ранее проведенных исследованиях [12–15] показано, что оптимальный комплекс механических свойств штамповок дисков соответствует температуре закалки после окончательной термообработки, равной Тп.рγʹ.

Для выбора режима отжига исходного прутка исследована макро- и микроструктура из центральной части исходного прутка (наименее проработанная зона) при различной температуре отжига в однофазной области (>Тп.рγʹ) в интервале температур (Тп.рγʹ+5°С)÷(Тп.рγʹ+45°С) – рис. 4 и 5. Как видно из приведенных фотографий, уже при температуре Тп.рγʹ+5°С проходит рекристаллизация по всему сечению прутка. При этом во всем сечении прутка макроструктура равномерная (рис. 6).

 

Рис. 4. Макроструктура (×5) центральной части пресс-прутка ø150 мм после различных
температур отжига:

а – <Тп.рγʹ; бТп.рγʹ+5°С; вТп.рγʹ+25°С; гТп.рγʹ+45°С

 

 

Рис. 5. Микроструктура (×100) центральной части пресс-прутка ø150 мм после различных температур отжига:

аТп.рγʹ+5°С; бТп.рγʹ+25°С; вТп.рγʹ+45°С

 

Рис. 6. Микроструктура (×100) по сечению пресс-прутка после отжига при температуре Тп.рγʹ+25°С:

а – край прутка; б – 1/2 радиуса; в – центр прутка

 

Для эксперимента выбрана температура Тп.рγʹ+25°С, так как при этой температуре процесс рекристаллизации закончен и дальнейшее повышение температуры только приводит к росту макро- и микрозерна, что может отрицательно сказаться на уровне технологической пластичности материала.

Из трех опытных заготовок пресс-прутка ø150 мм после отжига при температуре, равной Тп.рγʹ+25°С, по серийной технологии изготовлены штамповки шифра ИШО-90. На рис. 7 приведена микроструктура из кольцевого припуска штамповки после окончательной термообработки (Тзакалки=Тп.рγʹ). Видно, что микроструктура штамповки однородная с преимущественным размером зерна 3–5 балла по шкале 1 (ГОСТ 5639–82).

 

 

Рис. 7. Микроструктура (×100) штамповки ИШО-90 (кольцевой припуск) после окончательной термообработки (температура отжига исходной заготовки перед деформацией Тп.рγʹ+25°С)

 

В таблице приведены механические свойства по ТУ1-595-3-725–2013 опытных штамповок, определенные из кольцевых припусков. Для сравнения приведены данные по десяти серийным штамповкам, взятым из той же исходной плавки.

 

Механические свойства штамповок ИШО-90 (средние значения)

Условный номер

плавки

Температура

отжига перед деформацией

Количество

образцов

Механические свойства

при 20°С

Длительная

прочность при 650°С

σв

σ0,2

δ

ψ

KCU, кДж/м2

σ,

МПа

τ, ч

МПа

%

1

Тп.рγ¢+25°С

3

1440

970

20,5

20

4,9

850

>55

Тп.рγʹ-45°С

10

1400

970

14,5

14,5

3,4

850

>55

2

Тп.рγʹ+25°С

25

1430

990

18,0

17,0

4,7

850

>55

Тп.рγʹ-45°С

37

1400

960

15,0

14,0

3,7

850

>56

По ТУ1-595-3-725–2013

≥1230

≥770

≥13

≥14

≥3,0

850

≥50

Проверка выявленных закономерностей на большем количестве заготовок подтвердила полученные значения.

 

Заключение

Проведение отжига перед деформацией при температуре на 15–25°С выше Тп.рγʹ позволяет повысить стабильность пластических свойств (δ, ψ, KCU) штамповок из сплава ЭП742-ИД, а также существенно снизить количество повторных испытаний и повторных термообработок.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
3. Каблов Е.Н. Материалы нового поколения – основа инноваций, технологического лидерства и национальной безопасности России // Интеллект & Технологии. 2016. №2 (14). С. 41–46.
4. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.
6. Колачев Б.А., Габидуллин Р.М. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1992. 272 с.
7. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. С. 19–45.
8. Суперсплавы / под ред. Ч.Т. Симса, Н.С. Столоффа, У.К. Хагеля. М.: Металлургия, 1995. Т. II, кн. 1. 384 с.
9. Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев А.В. Производство дисков ГТД из жаропрочных сплавов на изотермических прессах // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 13–16.
10. Пономаренко Д.А., Скугорев А.В., Сидоров С.А., Строков В.В. Технологические возможности специализированных изотермических прессов силой 6,3 и 16 МН в производстве деталей авиационно-космического назначения // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2015. №9. С. 36–41.
11. Чабина Е.Б., Алексеев А.А., Филонова Е.В., Лукина Е.А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов // Труды ВИАМ: электрон. научн.-технич. журн. 2013. №5. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.03.2018).
12. Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1998. 464 с.
13. Чабина Е.Б., Филонова Е.В., Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М. Структура современных деформируемых никелевых сплавов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №6. С. 22–27.
14. Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Чабина Е.Б., Филонова Е.В. Взаимосвязь структуры и свойств высокожаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 25–30.
15. Бакрадзе М.М., Овсепян С.В., Шугаев С.А., Летников М.Н. Влияние режимов закалки на структуру и свойства штамповок дисков из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД // Труды ВИАМ: электрон. научн.-технич. журн. 2013. №9. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.03.2018).
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Kablov E.N. Sovremennye materialy – osnova innovacionnoj modernizacii Rossii [Modern materials – basis of innovative modernization of Russia] // Metally Evrazii. 2012. №3. S. 10–15.
3. Kablov E.N. Materialy novogo pokoleniya – osnova innovacij, tekhnologicheskogo liderstva i nacionalnoj bezopasnosti Rossii [Materials of new generation – basis of innovations, technological leadership and national security of Russia] // Intellekt & Tekhnologii. 2016. №2 (14). S. 41–46.
4. Ospennikova O.G. Strategiya razvitiya zharoprochnyh splavov i stalej specialnogo naznacheniya, zashhitnyh i teplozashhitnyh pokrytij [Strategy of development of hot strength alloys and steels special purpose, protective and heat-protective coverings] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 19–36.
5. Novikov I.I. Teoriya termicheskoj obrabotki metallov [Theory of thermal processing of metals]. M.: Metallurgiya, 1986. 480 s.
6. Kolachev B.A., Gabidullin R.M. Tekhnologiya termicheskoj obrabotki cvetnykh metallov i splavov. 2-e izd. [Technology of thermal processing of non-ferrous metals and alloys. 2nd ed.]. M.: Metallurgiya, 1992. 272 s.
7. Gorelik S.S. Rekristallizaciya metallov i splavov [Recrystallizing of metals and alloys]. M.: Metallurgiya, 1978. S. 19–45.
8. Supersplavy / pod red. Ch.T. Simsa, N.S. Stoloffa, U.K. Khagelya [Superalloys / ed. by Ch.T. Sims, N.S. Stoloff, U.K. Khagelya]. M.: Metallurgiya, 1995. T. II, kn. 1. 384 s.
9. Ponomarenko D.A., Moiseev N.V., Skugorev A.V. Shtampovka diskov GTD iz zharoprochnykh splavov na izotermicheskikh pressakh [Punching of disks GTD from hot strength alloys on isothermal presses] // Aviacionnye materialy i tekhnologii. 2013. №1. S. 13–16.
10. Ponomarenko D.A., Skugorev A.V., Sidorov S.A., Strokov V.V. Tekhnologicheskie vozmozhnosti specializirovannykh izotermicheskikh pressov siloj 6,3 i 16 MN v proizvodstve detalej aviacionno-kosmicheskogo naznacheniya [Technological capabilities specialized isothermal pressov with a force of 6,3 and 16 MN in production of details of aerospace assignment] // Kuznechno-shtampovochnoe proizvodstvo. Obrabotka metallov davleniem. 2015. №9. S. 36–41.
11. Chabina E.B., Alekseev A.A., Filonova E.V., Lukina E.A. Primenenie metodov analiticheskoj mikroskopii i rentgenostrukturnogo analiza dlya issledovaniya strukturno-fazovogo sostoyaniya materialov [Application of methods of analytical microscopy and X-ray of the structural analysis for research of structural and phase condition of materials] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №5. St. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: March 14, 2018).
12. Kablov E.N., Golubovskij E.R. Zharoprochnost nikelevykh splavov: ucheb. posobie [Thermal stability of nickel alloys: manual]. M.: Mashinostroenie, 1998. 464 s.
13. Chabina E.B., Filonova E.V., Lomberg B.S., Bakradze M.M. Struktura sovremennykh deformiruemykh nikelevykh splavov [Structure of modern deformable nickel alloys] // Vse materialy. Enciklopedicheskij spravochnik. 2012. №6. S. 22–27.
14. Kablov E.N., Grashhenkov D.V., Uvarova N.E. Issledovaniya metodom infrakrasnoj spektroskopii strukturnyh izmenenij gelej v processe termicheskoj obrabotki pri poluchenii vysokotemperaturnyh steklokeramicheskih materialov po zol-gel tehnologii [Researches by method of infrared spectroscopy of structural changes of gels in heat treatment process when receiving high-temperature glassceramic materials on technology sol-gel] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2011. №2. S. 22–25.
15. Bakradze M.M., Ovsepyan S.V., Shugaev S.A., Letnikov M.N. Vliyanie rezhimov zakalki na strukturu i svojstva shtampovok diskov iz zharoprochnogo nikelevogo splava EK151-ID [The influence of quenching on structure and properties nickel-based superalloy EK151-ID forgings] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2013. №9. St. 01. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: March 14, 2018).
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.