Введение

Для соответствия перспективных газотурбинных двигателей (ГТД) мировым стандартам требуется применение новых материалов и технологий [1–4]. В связи с этим с учетом требований к работе компрессора высокого давления (КВД) перспективных ГТД большой тяги (35–50 тс) при повышенных температурах воздуха, частотах и амплитудах аэромеханического возбуждения, для лопаток КВД последних ступеней требуется сплав, существенно превосходящий по эксплуатационным характеристикам применяемые в серийных ГТД сплавы.

Новый материал должен обладать высокой кратковременной и длительной прочностью при повышенных рабочих температурах (до 800 °С), а также высоким сопротивлением усталости, в том числе при возникновении дефектов. В основном в серийных ГТД применяют сплавы ЭИ787 и ЭП718, не отвечающие повышенным требованиям к механическим свойствам перспективных ГТД.

Для перспективных ГТД требуется материал с более высокими характеристиками кратковременной и длительной прочности (σ_в^20°≥ 1280 МПа, σ₁₀₀^650°≥ 880 МПа и σ₁₀₀^800°≥ 490 МПа). При этом свойства при циклических нагрузках должны превосходить свойства для серийных материалов.

В качестве аналогов рассмотрены отечественные сплав ЭП718-ИД (по применению) и самый жаропрочный деформируемый сплав ЭП220, применявшийся для лопаток турбин в серийных двигателях третьего поколения.

При разработке нового материала учтено, что уровень служебных характеристик жаропрочных сплавов определяется степенью упрочнения твердого раствора (γ); количеством, дисперсностью и стабильностью упрочняемой γʹ-фазы; состоянием поверхностей раздела, в первую очередь – границ зерен [5].

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 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») [6–8].

Материалы и методы

При проведении исследования использована система на основе Ni, при легировании которой реализованы все современные принципы, применяемые при разработке современных деформируемых жаропрочных сплавов:

– твердорастворное упрочнение γ-матрицы (Cr, Co, W, Мо);

– дисперсионное упрочнение γʹ-фазой (Al, Ti, Та);

– упрочняющее влияние карбидов типа МеС;

– микролегирование поверхностей раздела (границы зерен и фаз) – B, Mg и редкоземельными металлами.

Новому материалу присвоена марка ВЖ179-ИД* (ХН57КВМЮТ-ИД, ЭК197-ИД). Получен патент № 2737835 «Жаропрочный деформируемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него» [9].

В условиях промышленного производства на предприятии АО «Металлургический завод «Электросталь» отработаны технологические режимы выплавки слитков в вакуумных индукционных и вакуумнодуговых печах, а также технология изготовления прутков.

Выплавку электродов из сплава ВЖ179-ИД проводили в 1,5 т вакуумно-индукционной печи Consarc; вакуумно-дуговой переплав слитков проводили с использованием кристаллизатора диаметром 290 мм. Далее на горизонтальном прессе с усилием 6300 тс по схеме двойного прессования в режиме сверхпластичности получали прутки диаметром 50 и 70 мм.

Опробована также прокатка на стане 350/250 прутков на диаметр 50 мм. При деформации слитков достигнут хороший уровень технологической пластичности, обеспечивший получение прутков диаметром 70 и 50 мм.

Проведена общая квалификация (паспортизация) прутков из сплава ВЖ179-ИД и выпущены технические условия на поставку прутков ТУ 14-131-1296–2020. Исследование полуфабрикатов проводили в Испытательном центре НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Для исследования микроструктуры применяли оптическую и электронную растровую микроскопию, а также микрорентгеноспектральный анализ для определения локального химического состава. Размер микрозерна определяли по ГОСТ 5639–82.

Определение температур фазовых превращений методом дифференциального термического анализа проводили в диапазоне температур от 20 до 1400 °С при нагреве со скоростью 20 К/мин в среде гелия.

Для определения видов, режимов и объемов испытаний в соответствии со стандартом НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ СТО 1-595-407–2012 «Паспортизация материалов для изделий авиационной и специальной техники» и ТЗ-0072–2017 (I этап, средние значения) разработана Программа паспортизации жаропрочного никелевого сплава марки ВЖ179-ИД.

В связи с тем, что предыдущие сплавы такого класса разрабатывали более 50 лет назад, многие характеристики свойств определены впервые.

Испытания образцов для определения кратковременных свойствпроводили в соответствии с ГОСТ 1497–84 (при температуре 20 °С) и ГОСТ 9651–84 (при температурах 650–850 °С); пределов длительной прочности – по ГОСТ 10145–81 (при температурах 650–850 °С) на базах 10, 100 и 500 ч; ударной вязкости – по ГОСТ 9454–78 (при температурах 20–800 °С). Все испытания проводили на современных испытательных машинах [10].

Циклические испытания (многоцикловая (МнЦУ) и малоцикловая (МЦУ) усталость) проводили в соответствии с ГОСТ 25.502–79, испытания на определение скорости роста трещины усталости (СРТУ) при температурах 20, 750 и 800 °С – в соответствии с ASTME 647 [11]. Все циклические испытания проводили на сервогидравлических испытательных машинах. Полученные экспериментальные данные обработаны при помощи линейного регрессионного анализа методом наименьших квадратов, где кривая аппроксимируется прямой линией в двойных логарифмических координатах lоg(dl/dN) – log(ΔK).

По результатам проведенных исследований выпущен паспорт на сплав ВЖ179-ИД.

Результаты и обсуждение

С учетом сложного легирования нового материала необходимо использовать технологию деформации, которая бы обеспечила получение прутков диаметром 50 мм с бездефектной поверхностью.

С этой целью разработаны режимы термомеханической обработки слитков и промежуточных заготовок с микродуплексной структурой, позволившей получить при температурах деформации материал в состоянии сверхпластичности.

Относительное удлинение образцов, испытанных при температурах деформации, составило 380–420 %.

Кроме того, помимо схемы двойного прессования, опробована также схема, по которой промежуточную заготовку получали прессованием с последующей прокаткой на круг диаметром 50 мм.

Для получения оптимального комплекса механических свойств сплава ВЖ179-ИД разработан специальный режим термической обработки.

В связи с тем, что сплав ВЖ179-ИД относится к сплавам с большим количеством упрочняющей γʹ-фазы (≥50 %), при определении режимов закалки и старения руководствовались разработанными ранее положениями, которые использованы для сложнолегированных высокожаропрочных дисковых сплавов и обеспечивали получение однородной стабильной микроструктуры [5].

На рис. 1 представлена кривая дифференциальной сканирующей калориметрии сплава ВЖ179-ИД, свидетельствующая об отсутствии в структуре материала избыточных и топологически плотноупакованных фаз. Эти данные были взяты за основу при разработке термической обработки сплава.

Рис. 1. Кривая дифференциальной сканирующей калориметрии сплава ВЖ179-ИД

Термическая обработка полученных прутков состояла из следующих операций:

– гомогенизирующий отжиг при температурах на 100–150 °С ниже температуры полного растворения γʹ-фазы (Т_п.р.γʹ), обеспечивающий (благодаря релаксации напряжений в структуре, а также за счет частичного растворения мелких частиц γʹ-фазы (0,1 мкм) и дальнейшего укрупнения частиц размером 5–10 мкм) повышение однородности твердого раствора, более равномерные и благоприятные условия для собирательной рекристаллизации в процессе закалки и получение однородного микрозерна (2–3 балла по ГОСТ 5639–82) [5, 12];

– закалка при температуре Т_п.р.γʹ, обеспечивающая однородную микроструктуру и наилучший комплекс механических свойств;

– двухступенчатое старение для создания условий максимального выделения γʹ-фазы разной дисперсности; для получения стабильной структуры температура первой ступени старения выбрана в области начала растворения γʹ-фазы, а второй ступени – в области, близкой к максимальной рабочей температуре лопатки.

Дополнительным критерием при выборе температуры закалки послужил размер рекристаллизованного микрозерна (рис. 2). В табл. 1 показано влияние размера зерна после закалки на время до разрушения при испытании на длительную прочность.

Рис. 2. Микроструктура (×50) прутка из сплава ВЖ179 с размером зерна 105 (а), 107 (б)
и 135 мкм (в)

Таблица 1

Размер зерен прутка из сплава ВЖ179-ИД

Установлено, что размер зерна влияет на время до разрушения при температуре 800 °С. Оптимальной температурой закалки будет та температура, которая обеспечивает средний размер зерна 120–135 мкм по ГОСТ 5639–82.

Типичная микроструктура прутков из сплава ВЖ179-ИД после термической обработки и дополнительной выдержки в течение 1000 ч приведена на рис. 3. 

Рис. 3. Микроструктура (×50) прутка из сплава ВЖ179-ИД после полной термической обработки (а) и после полной термической обработки и дополнительной выдержки в течение 1000 ч (б)

Видно (рис. 3, а), что после полной термической обработки микроструктура прутков сплава ВЖ179-ИД однородная с размером зерна 2–3 балла по ГОСТ 5639–82. Структура сплава стабильная. После выдержки при максимальной рабочей температуре 800 °С в течение 1000 ч (рис. 3, б) изменений размера зерна не обнаружено, дополнительные выделения или топологически плотноупакованные фазы отсутствуют.

Средняя долговечность образцов, испытанных после выдержки на длительную прочность при температуре 800 °С и нагрузке 490 МПа, составила 179 ч.

Механические свойства, включая циклические характеристики прутков из сплава ВЖ179-ИД, приведены в табл. 2 и на рис. 4–6.

Таблица 2

Механические свойства сплавов для лопаток компрессора высокого давления

Рис. 4. Сравнение пределов ограниченной выносливости (средние значения) на гладких
образцах из сплавов ВЖ179-ИД, ЭП718-ИД и Inconel 718: а – при контролируемой осевой нагрузке (R_σ = 0); б – при контролируемой деформации (R_ε = 0)

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что кратковременные свойства сплава ВЖ179-ИД превосходят свойства сплава-аналога по применению (лопатки КВД) ЭП718-ИД на 14–16 % (при температуре 20 °С) и в 1,4–1,5 раза (при температуре 800 °С); по длительной прочности при температурах 650 и 800 °С – в 1,8 и 2,1 раза соответственно.

Превосходство над наиболее жаропрочным деформируемым сплавом ЭП220 для лопаток составляет по кратковременной прочности при 20 °С: 28–35 %, при 800 °С: 8 %, по длительной прочности при 800 °С: 9 %. Относительное удлинение сплава ВЖ179-ИД при этих температурах также больше в 1,4 и 1,8 раза соответственно.

При этом следует отметить, что такие важные для лопаток КВД свойства, как МнЦУ и МЦУ (рис. 4), у сплава ВЖ179-ИД больше, чем у применяемых в настоящее время сплавов ЭП718-ИД и Inconel 718 [14].

Сплав ВЖ179-ИД при испытании на длительную прочность не чувствителен к надрезу в диапазоне температур 650–850 °С ( σ^н_τ/σ^гл_τ> 1,15–1,2).

Впервые для высокожаропрочных деформируемых сплавов для лопаток построены кривые скорости роста трещины усталости (СРТУ) при температурах 20, 750 и 800 °С**, графики которых представлены на рис. 5 и 6.

Рис. 5. Кривые скорости роста трещины усталости (СРТУ) для сплава ВЖ179-ИД при
температурах 20 (а) и 800 °С (б)

Рис. 6. Сравнение значений скорости роста трещины усталости (СРТУ) сплавов ВЖ179-ИД, ВЖ175-ИД, ЭП718-ИД и Inconel 718 при температурах 20 (а) и 750 °С (б) [14, 15]

** Работа выполнена в ИЦ НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ под руководством к.т.н. М.А. Горбовца и И.А. Ходинева.

Приведенные данные показывают, что сплав ВЖ179-ИД, существенно превосходящий сплавы-аналоги по прочностным и жаропрочным свойствам, по циклическим характеристикам полностью соответствует уровню серийных материалов или превосходит их.

С целью определения качества полученных по различным схемам деформации полуфабрикатов изготовлены образцы из прессованных и катаных прутков диаметром 50 мм производства АО «Металлургический завод «Электросталь» и проведены механические испытания. Результаты приведены в табл. 3 и 4 (все образцы доведены до разрушения).

Таблица 3

Результаты испытаний механических свойств (средние значения) при комнатной
температуре прессованного и катаного прутков диаметром 50 мм из сплава ВЖ179-ИД

Таблица 4

Результаты испытаний (средние значения) механических свойств
и длительной прочности при температуре 800 °С прессованного и катаного прутков

диаметром 50 мм из сплава ВЖ179-ИД

Анализ результатов основных механических свойств и длительной прочности показал, что прутки диаметром 50 мм, полученные по разным схемам деформации, из сплава ВЖ179-ИД имеют практически одинаковый уровень значений. Поэтому для изготовления полуфабрикатов из сплава применима как технология двойного прессования, так и прессования промежуточной заготовки с последующей прокаткой.

Заключения

Для лопаток КВД перспективных ГТД разработан и паспортизован высокожаропрочный деформируемый сплав ВЖ179-ИД, превосходящий по комплексу свойств применяемые в серийных двигателях зарубежные и отечественные сплавы.

В условиях промышленного производства предприятия АО «Металлургический завод «Электросталь» разработана технология получения прутков диметром 50–70 мм и выпущены технические условия на поставку прутков ТУ 14-131-1296–2020.

Для достижения требуемых показателей по механическим свойствам проведены структурные исследования, результаты которых использованы при определении режимов термической обработки сплава.

Анализ результатов основных механических свойств и длительной прочности показал, что прутки диаметром 50 мм из сплава ВЖ179-ИД, полученные по разным схемам деформации (двойное прессование и прессование промежуточной заготовки с последующей прокаткой), имеют практически одинаковый уровень значений. Поэтому для изготовления полуфабрикатов из сплава применимы обе технологии.

Сплав ВЖ179-ИД рекомендован для опробования в производственно-эксплуатационных условиях для изготовления лопаток КВД, работающих при температуре до 800 °С.

* Правообладатель АО «ОДК».