Введение

Один из традиционных методов изготовления деталей – литье жаропрочных сплавов. В рамках литейных процессов разработаны методы вакуумного литья заготовок для получения направленной структуры (монокристаллические лопатки газотурбинных двигателей), селективного лазерного сплавления металлопорошковых композиций и др. [1–3].

Одной из проблем применения литейных жаропрочных сплавов являются технологические нарушения, связанные с наличием дефектов отливок (раковин, засоров и т. д.), исправление которых проводят, как правило, методом сварки плавлением с применением присадочных материалов, полученных по оптимальным составам. Изготовление таких присадочных материалов является актуальной задачей [4–6].

Для устранения дефектов литья при изготовлении деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок из новых литейных сплавов разрабатываются присадочные материалы и технологии ремонта, которые позволят увеличить выход годного литья и снизить стоимость конечной продукции, при этом отказаться от закупки материалов иностранного производства.

Для ремонта литейных жаропрочных сплавов широко применяют аргоно-дуговую электросварку (АрДЭС) неплавящимся электродом с использованием присадочных материалов, в том числе из основного материала [7–9].

Присадочные материалы рекомендуется использовать для ремонта литейных деталей и сварки с разделкой кромок, а также при необходимости ‒ для изменения формы и состава шва, технологических, механических свойств и структуры сварных соединений. Свариваемость материалов и сплавов определяется склонностью к образованию трещин при сварке (термической обработке) и степенью разупрочнения сварных соединений. Свариваемость жаропрочных никелевых сплавов зависит от содержания алюминия и титана, а также выделившейся γ′-фазы, которые в наибольшей степени влияют на уровень образующихся остаточных термических напряжений, релаксационную стойкость сплавов и сварных соединений, склонность к образованию горячих трещин и определяют разделение сплавов на группы [10–12].

Сварочные проволоки для АрДЭС по принципу легирования можно разделить на две группы: из гомогенных сплавов, легированные большим количеством кобальта и тугоплавкими металлами (хром, вольфрам, молибден, кобальт, работоспособные до температуры 1100 °С); дисперсионно-твердеющие, при сварке которыми наплавленный металл после старения упрочняется в результате выделения γ′-фазы, температура эксплуатации которых не превышает 1000 °С [13].

Для изготовления нового отечественного двигателя ПД-8, импортозамещающего французский (Sam-146) и украинский (Д-436ТП) двигатели, в России с 2021 по 2022 г. разработаны и паспортизованы литейные жаропрочные никелевые сплавы, в частности ВЖЛ718 и ВЖЛ220, в качестве замены зарубежных сплавов In718, Rene220 для литья некоторых деталей газотурбинных двигателей. Указанные отечественные материалы включены в конструкторскую документацию двигателя ПД-8 и превосходят по уровню свойств импортные аналоги [14–17].

При температуре испытаний от 20 до 700 °С предел прочности и условный предел текучести разработанного литейного сплава ВЖЛ718 по сравнению с зарубежным аналогом (сплав In718, США) больше на 2–7 %, а относительное удлинение – в 1,5–2,1 раза. Сплав рекомендуется для литья корпусных деталей, работоспособных при температурах до 650 °С [5, 18–21].

Литейный жаропрочный никелевый сплав ВЖЛ220 по сравнению с зарубежным аналогом состава NiCr19Co12NbTaMo (сплав Rene220, Франция) имеет следующие преимущества: предел прочности при растяжении при температуре от 20 до 600 °С больше на 6–10 %; относительное удлинение при температуре от 20 до 750 °С – в 1,4–2,2 раза, при температуре 800 °С – на 12 %; предел ограниченной выносливости при малоцикловой усталости при температуре 750 °С на базе 10⁴ циклов («жесткий» цикл) на гладких образцах – на 11 %. Сплав рекомендуется для литья корпусных деталей (в том числе крупногабаритных), работоспособных при температурах до 750 °С [14–21].

Для расширения возможностей использования новых материалов в перспективных изделиях авиационной техники и уменьшения экономических затрат при сохранении качества сварного соединения необходимо разработать состав присадочного материала, сочетающего высокие характеристики длительной и кратковременной прочности с рабочей температурой до 1000 °С.

Материалы и методы

Определен химический состав полученных слитков из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220. Данные представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав слитков из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220

По результатам анализа научно-технической литературы выбраны составы систем Ni–Co–Cr и Ni–Cr–Fe. Проводили выплавку образцов четырех экспериментальных составов для изготовления присадочного материала, предназначенного для ремонта литейных дефектов в литых заготовках из жаропрочных никелевых сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 с помощью АрДЭС. Для экспериментальных исследований проведены плавки и получены слитки из присадочных материалов двух систем. В состав первой системы входят Cr, W, Mo, Ti, Nb, Co, Аl, основа – Ni; второй системы – Cr, W, Mo, Ti, Fe, основа – Ni.

Выплавку образцов из опытного сплава проводили в вакуумной индукционной печи УППФ-3. В процессе выплавки металл несколько раз перемешивали для предотвращения ликвации по плотности составляющих. После литья проводили операции механической обработки полученных слитков для удаления прибыльных и донных участков.

Горячую деформацию (осадку) на сутунку слитков из присадочного материала экспериментальных составов проводили на прессе «Блисс» с усилием до 10⁷ Н. Перед деформацией слитки нагревали в камерной электропечи в течение нескольких часов. Допустимая разовая степень деформации составляла 30–40 %. Осуществляли горячую прокатку для получения листовых заготовок.

С использованием полученных листов изготовлен присадочный материал экспериментальных составов. Для проведения испытаний по определениюгеометрических параметров присадочного материалаи испытаний на стойкость к образованию горячих трещин из полученных листов изготовлен присадочный материал экспериментальных составов в виде «лапши». Резка полученных заготовок проведена на гильотине.

Присадочный материал экспериментальных составов изготавливали в виде «лапши» длиной не менее 250 мм с квадратным сечением (длина стороны 1,5±0,1 мм). Результаты визуального анализа качества присадочного материала показали, что поверхность чистая, гладкая, без трещин, расслоений, закатов, забоин, рисок, вмятин (рис. 1).

Испытания на трещиностойкость проводили по ГОСТ 26389–84. Для испытаний применяли образцы размером 50×50 мм, последовательно сваренные с помощью АрДЭС. Скорость растяжения полученного сварного соединения изменяется дискретно. Главный критерий для определения склонности сварного соединения к образованию горячих трещин – критическая скорость растяжения V_кр. В процессе испытания увеличивали относительное перемещение сварных кромок, что при достижении критического значения приводило к трещинообразованию. Критическая скорость растяжения рассчитывается как среднее арифметическое трех значений. Оценку трещиностойкости проводили с применением присадочной проволоки и без нее.

Наклепанные в результате горячей прокатки листы из сплавов отжигали при температуре нагрева под прокатку с охлаждением на воздухе. Листы с окисленной в процессе предыдущей обработки поверхностью подвергали щелочно-кислотному травлению, а затем прокатывали до толщины 1,5 мм. Изготовлено восемь листов (по 2 шт. на каждый экспериментальный состав). Полученные листы представлены на рис. 2.

Для проведения исследований технологических параметров ремонта дефектов литья проведена выплавка и изготовлены литые заготовки из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220. Выплавка сплавов ВЖЛ220 и ВЖЛ718 осуществлена в промышленной вакуумной индукционной печи ИСВ. Из слитков из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 отлиты заготовки с равноосной структурой в печи УППФ-У (рис. 3).

Рис. 3. Литые заготовки из сплавов ВЖЛ220 (а) и ВЖЛ718 (б)

На литых заготовках из сплавов ВЖЛ220 и ВЖЛ718 без имитации дефектов и после ремонта по выбранному оптимальному технологическому режиму с присадочным материалом проведена упрочняющая термическая обработка, и изготовлены образцы для дальнейших механических испытаний. Качество поверхности материала после ремонта дефектов литья контролировали визуально.

Схемы выборки имитации дефектов литья, внешний вид заготовок исходной и с нанесенной на поверхности разделкой, имитирующей дефекты литья до ремонта, а также технологические схемы выборки и разделки образцов для ремонта с использованием присадочного материала представлены на рис. 4.

Рис. 4. Схемы выборки: а – эскиз образца (Н – размер выборки; δ – ширина рабочей части заготовки; δ₁ – высота головки заготовки); б – эскиз заготовки образца с разделкой применительно к технологии ремонта; в –д – заготовки с V-образной, U-образной и двухсторонней разделкой

Проведены испытания на стойкость к образованию горячих трещин присадочных материалов экспериментальных составов на изготовленных образцах по методике МГТУ им. Н.Э. Баумана (ГОСТ Р ИСО 17641-1–2011) и ГОСТ 26389–84.

Испытания образцов из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 (основного материала и после ремонта с присадочным материалом на основе системы Ni–Co–Cr) на кратковременную прочность проведены при температурах 20, 650 и 750 °С, на длительную прочность – при 650 и 750 °С.

Испытания на растяжение проводили по ГОСТ 1497–2023, на кратковременную прочность – по ГОСТ 9651–84, на длительную прочность – по ГОСТ 10145–81.

Атомно-эмиссионный анализ проводили по методикам измерения МИ 1.2.036–2011, МИ 1.2.037–2011 и МИ 1.2.038–2011, а также по ГОСТ 12344–2003, ГОСТ 12345–2001 и ГОСТ 17745–90.

Проведены исследования технологических параметров ремонта дефектов литья на литых заготовках из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 с помощью АрДЭС с присадочным материалом экспериментальных составов. В процессе ремонта дефектов литья варьировали основные технологические параметры – ток сварки, напряжение на дуге, скорость сварки, расход защитного газа и количество присадочного материала, подаваемого в зону имитации дефекта. Количество подаваемого присадочного материала контролировали визуально.

Результаты и обсуждение

Определен химический состав слитков из полученных экспериментальных составов присадочных материалов. Установлено, что составы выплавленных слитков соответствуют расчетным составам по содержанию химических элементов.

Проведены испытания по определению химического состава и геометрических параметров присадочного материала экспериментальных составов. Все экспериментальные составы присадочных материалов соответствуют расчетным составам по содержанию химических элементов, как и полученные слитки.

При ремонте с присадочным материалом экспериментального состава системы Ni–Co–Cr на поверхности заготовок не обнаружено окисления металла, усадочных раковин, поверхностных пор, трещин. Металл присадочного материала экспериментального состава при сварке плавился равномерно, без выплесков и закипания. При ремонте литых заготовок изсплавов ВЖЛ220 и ВЖЛ718 основной материал заготовок находился в закаленном состоянии. Для ремонта литых заготовок из сплавов ВЖЛ220 и ВЖЛ718 выбран оптимальный технологический режим, который обеспечивает высокое качество поверхности материала в зоне ремонта и отсутствие дефектов сварного соединения.

В качестве критерия склонности к образованию горячих трещин использовали максимальную (критическую) скорость деформации V_кр, при которой в образце не образуется трещина. По результатам испытаний установлено, что для присадочного материала системы Ni–Co–Cr V_кр ≥ 5,2 мм/мин. Для остальных экспериментальных составов получили низкую стойкость к образованию горячих трещин (V_кр ≤ 3,2 мм/мин).

Результаты проведенных испытаний образцов после ремонта, выполненного методом ручной АрДЭС с экспериментальным присадочным материалом системы Ni–Co–Cr, показывают, что выбранный технологический режим и состав присадочного материала позволяют получить отремонтированную литую заготовку без дефектов и обеспечить прочность после ремонта, равную не менее 0,8 от прочности основного материала, при повышенных температурах; равнопрочность для сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 при комнатной температуре (кратковременная прочность). Результаты механических испытаний основного материала и образцов после ремонта с экспериментальным присадочным материалом системы Ni–Co–Cr приведены в табл. 2.

По результатам исследований технологических параметров ремонта дефектов литья на литых заготовках из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 методом АрДЭС и механических испытаний выбран состав присадочного материала системы Ni–Co–Cr.

Состав скорректирован по основным легирующим элементам (Cr, W, Mo, Сo) для образования глобулярной структуры. Корректировка позволила получить равнопрочность сварного соединения при комнатной температуре при механических испытаниях сплава ВЖЛ718 после ремонта. Модифицированному составу присвоена марка Св-ВЖ183.

Таблица 2

Результаты испытаний основного материала сплавов ВЖЛ220, ВЖЛ718

и образцов после ремонта на кратковременную и длительную прочность

при комнатной и повышенных температурах

Проведены испытания образцов из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 после ремонта с присадочным материалом марки Св-ВЖ183 на кратковременную прочность при температурах 20, 650 и 750 °С и длительную прочность при температурах 650 и 750 °С (табл. 3).

Таблица 3

Результаты испытаний образцов после ремонта на кратковременную

и длительную прочность при комнатной и повышенных температурах

По результатам испытаний выявлено достижение необходимых прочностных характеристик литых заготовок из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220 с применением доработанного присадочного материала Св-ВЖ183.

Заключения

Разработанный присадочный материал и технологии ремонта литейных дефектов при изготовлении литых заготовок предназначены для производства деталей газотурбинных двигателей из новых сплавов ВЖЛ220 и ВЖЛ718 применительно к перспективному двигателю ПД-8.

По результатам испытаний образцов, выполненных методом ручной АрДЭС, после ремонта установлено, что состав присадочного материала Св-ВЖ183 позволяет получить литую заготовку без дефектов и обеспечить равнопрочность (K = 1 для кратковременной прочности) при температурах 20 и 650 °С для сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220, при 750 °С – для сплава ВЖЛ220, а также длительную прочность не менее 0,8 от прочности основного материала при рабочей температуре 650 °С для сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220, при 750 °С – для сплава ВЖЛ220.

По результатам испытаний установлено, что образцы, изготовленные из сплавов ВЖЛ718 и ВЖЛ220, достигают необходимых технологических свойств для введения заготовок в эксплуатацию после ремонта с присадочным материалом Св-ВЖ183.