Введение

Облик современных ГТД во многом определяют материалы, применяемые в их конструкции [1–4]. Наиболее ответственными деталями газогенератора являются диски турбин и компрессора [5]. Для создания высокоэффективных ГТД конструкторам необходимы новые сплавы, обладающие высокими рабочими температурами, статическими и циклическими свойствами. Кроме того, для высокой конкурентоспособности и снижения затрат при эксплуатации двигателей гражданской авиации ресурс роторных деталей, в частности дисков, должен составлять не менее 20000 ч. Таким образом, помимо повышенных механических свойств новые жаропрочные сплавы должны обладать высокой фазовой и структурной стабильностью при длительной наработке во всем диапазоне рабочих температур, в их структуре не должно происходить изменений, приводящих к снижению эксплуатационных характеристик диска [6–13].

Данная работа посвящена исследованию структурно-фазовой стабильности нового жаропрочного сплава ВЖ175-ИД, применяемого для изготовления дисков компрессора и турбины высокого давления двигателя ПД-14.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.2. «Изотермическая деформация на воздухе нового поколения гетерофазных труднодеформируемых жаропрочных сплавов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [14].

Материалы и методы

Исследования проводили на металле промышленной крупногабаритной штамповки (Æ550 мм) диска турбины производства АО «Ступинская металлургическая компания». Заготовки под образцы для исследования свойств и структуры вырезали из полотна диска в тангенциальном направлении.

Испытания на кратковременную, длительную прочность и ударную вязкость проводили по ГОСТ 1497, ГОСТ 9454 , ГОСТ 10145.

Для микроструктурных исследований применяли методы оптической, растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. Количество и состав фаз определяли локальным микрорентгеноспектральным анализом (МРСА) на установке JCMA-733 (локальность метода 1 мкм², глубина анализа 1 мкм) [15, 16].

Основные характеристики микроструктуры (морфология, распределение и размеры выделений γ'-фазы) изучали методом количественного анализа посредством обработки изображений в компьютерной программе Image Expert Pro 3.

Исследование изломов образцов из сплава ВЖ175-ИД после испытания на ударную вязкость проводили на растровом электронном микроскопе JSM-6490 LV.

Результаты и обсуждение

Для оценки стабильности структурно-фазового состояния и свойств сплава ВЖ175-ИД заготовку диска турбины ø550 мм разрезали на сегменты в тангенциальном направлении. Основную часть сегментов подвергали выдержке в камерной электропечи в течение 1000 и 2000 ч при максимальной рабочей температуре сплава 750°С.

Вторая часть заготовок (микрошлифы) в исходном состоянии исследована методами оптической, растровой электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа (МРСА).

Микроструктура штамповки диска из сплава ВЖ175-ИД после стандартной термической обработки (СТО)(рис. 1) однородная, мелкозернистая (8 балла – по ГОСТ 5639), типична для сплава ВЖ175-ИД в термообработанном состоянии. Исследования, проведенные методом растровой электронной микроскопии, показали, что после СТО структура сплава ВЖ175-ИД(рис. 1) представляет собой зерна γ-твердого раствора, внутри которых наблюдаются дисперсные выделения вторичной γ'-фазы. По границам зерен расположены крупные частицы первичной γ'-фазы. Границы зерен упрочнены частицами зернограничной γ'-фазы, вторичных карбидов и боридов различной дисперсности. В сплаве также содержатся первичные карбиды МеС. Морфология частиц вторичной γ¢-фазы близка к кубической, в прослойках γ-твердого раствора и на границах раздела фаз наблюдаются частицы третичной γ'-фазы размером ˂50 нм.

Микрорентгеноспектральным анализом установлен типичный состав фаз в состоянии после СТО: γ'-фаза на основе интерметаллида (Ni, Co, Cr)₃(Al, Ti, Nb) и карбиды на основе (Nb, Ti)C, нитриды титана.

Методами оптической и растровой электронной микроскопии установлено, что после выдержек в течение 1000 и 2000 ч при 750°С структура сплава ВЖ175-ИД качественно идентична микроструктуре после СТО. С увеличением длительности выдержки происходит коагуляция частиц первичной и вторичной γ'-фазы, довыделение и коагуляция мелкодисперсной третичной γ'-фазы (рис. 1). Наблюдается увеличение выделений вторичных фаз (карбидов и боридов) по границам зерен и на границах частиц первичной γ'-фазы.

Рис. 1. Микроструктура штамповки из сплава ВЖ175-ИД после стандартной термической обработки (СТО) (а) и после СТО и выдержки при 750°С в течение 1000 (б) и 2000 ч (в)

Микрорентгеноспектральный анализ образцов показал, что после длительных выдержек (1000 и 2000 ч) при 750°С состав основы (под основой подразумевается γ-твердый раствор с мелкодисперсными выделениями γ'-фазы), первичной γ'-фазы и первичных карбидов не изменяется. Ликвационной неоднородности не наблюдается – сплав однороден по химическому составу.

Топологически плотноупакованных (ТПУ) фаз, снижающих свойства, после выдержек в течение 1000 и 2000 ч при 750°С в сплаве ВЖ175-ИД не обнаружено.

Проведена обработка и анализ в программе Image Expert Pro 3 изображений микроструктуры сплава ВЖ175-ИД (при увеличениях от ×500 до ×50000), полученных методами оптической и электронный микроскопии. Определен средний размер частиц γ'-фазы различной дисперсности в зависимости от состояния сплава (рис. 2).

По результатам исследований, выполненных методами оптической и растровой электронной микроскопии, МРСА, анализа структуры в программе Image Expert Pro 3 можно заключить, что длительные выдержки при рабочей температуре приводят к коагуляции частиц γ'-фазы, карбидов и боридов в теле зерен и на границах раздела фаз (рис. 1 и 2). Причем с повышением длительности выдержки с 1000 до 2000 ч увеличивается средний размер выделений упрочняющих фаз (рис. 2). Фазовый состав сплава по сравнению с исходным термообработанным состоянием не изменяется. Перерождения карбидных частиц в ТПУ фазы не происходит.

Рис. 2. Влияние длительных выдержек после стандартной термической обработки (СТО) при рабочей температуре на средний размер частиц γ'-фазы

Проведены исследования механических свойств сплава ВЖ175-ИД в исходном состоянии и после длительных нагревов при 750°С (см. таблицу). Дополнительно испытаны образцы из сегментов заготовок сплава, подвергнутых выдержке в течение 1800 ч при 750°С с кратковременным (30 мин) забросом температуры до 850°С. Эти исследования проведены для имитации на дисках возможных максимальных забросов температуры при пиковых нагрузках – в моменты взлета и посадки.

Средние значения свойств сплава ВЖ175 в исходном состоянии

после стандартной термической обработки (СТО)

с последующими длительными выдержками при рабочих температурах

* Образцы сняты без разрушения.

После выдержки в течение 1000 ч при 750°С по сравнению с исходным состоянием наблюдается незначительное снижение значений σ_0,2 на 0,5%, характеристик пластичности – на 4–6,5% и ударной вязкости. Остальные свойства остаются на уровне исходного состояния. Значения пластичности и ударной вязкости не ниже требований по нормам технических условий для сплава ВЖ175-ИД в исходном состоянии, что свидетельствует о сохранении структурно-фазовой стабильности сплава после выдержки в течение 1000 ч при рабочей температуре.

После выдержки в течение 1800 ч при 750°С с кратковременным (30 мин) забросом температуры до 850°С наблюдается снижение значений σ_в на 7,1%, σ_0,2 – на 5,4%, характеристик пластичности и ударной вязкости. Жаропрочность сохраняется на уровне исходного состояния. Этот режим имитирует длительную наработку сплава с забросом температуры выше рабочей на 100°С. Сохранение пластичности, ударной вязкости, жаропрочности не ниже требований по нормам технических условий и незначительное снижение прочностных характеристик свидетельствуют о высокой структурно-фазовой стабильности и длительной работоспособности сплава ВЖ175-ИД, что также подтверждено микроструктурными исследованиями.

Дополнительно исследовали изломы образцов из штамповки сплава ВЖ175-ИД после испытания на ударную вязкость после СТО и выдержки в течение 1000 ч при 750°С. На обоих образцах получены близкие значения ударной вязкости: 33–34 Дж/см² при 20°С. Макростроение изломов показано на рис. 3.

Рис. 3. Макростроение изломов образцов из сплава ВЖ175-ИД после стандартной термической обработки (а) и выдержки в течение 1000 ч при 750°С (б)

Рис. 4. Микростроение изломов образцов 1 (а) и 2 (б) вблизи границы зон, различающихся по шероховатости рельефа излома

Начальная зона излома, соответствующая моменту страгивания трещины (stretched zone), составляет 15–19 мкм. Аналогичные значения зоны страгивания получены после полной СТО без длительной выдержки. Помимо зоны страгивания трещины в изломах отмечаются еще две зоны (1 и 2), отличающиеся по макро- и микростроению – шероховатости (рис. 4). В более шероховатой зоне встречаются участки межзеренного разрушения. В центральной зоне изломов наблюдаются вторичные трещины по границам зерен первичной γ-фазы и по карбидам. Таким образом, характер разрушения образцов, прошедших СТО с последующей выдержкой в течение 1000 ч при 750°С, не изменился по сравнению с исходным состоянием (после СТО), что свидетельствует о структурной стабильности материала.

Заключения

Результаты исследований структурно-фазового состояния сплава ВЖ175-ИД показали, что после выдержек в течение 1000 и 2000 ч при рабочей температуре структура сплава качественно идентична микроструктуре после СТО. Длительные выдержки при 750°С приводят к коагуляции частиц γ'-фазы, карбидов и боридов в теле зерен и на границах раздела фаз. Причем с повышением длительности выдержки с 1000 до 2000 ч увеличивается средний размер выделений упрочняющих фаз. Фазовый состав сплава по сравнению с исходным термообработанным состоянием не изменятся, образования ТПУ фаз не происходит.

Сохранение пластичности, ударной вязкости, жаропрочности не ниже норм технических условий и незначительное (не более чем на 7%) снижение прочностных характеристик свидетельствуют о высокой структурно-фазовой стабильности и длительной работоспособности сплава ВЖ175-ИД, что также подтверждено микроструктурными исследованиями.