Повышение весовой эффективности в сочетании с высокой надежностью материалов при разработке новых двигателей является актуальной задачей [1]. В отечественном авиационном моторостроении для изготовления валов газотурбинных двигателей используются хромсодержащие мартенситные стали ЭП517 и ЭП866 с прочностью ~1100 МПа.

В настоящее время ведется активный поиск новых высокотехнологичных материалов, обладающих более высокими прочностными характеристиками. Известно, что за рубежом для вала двигателя SАМ 146 применяется мартенситостареющая сталь Маraging «250» (VasсoMax–250) с прочностью ³1700 МПа [2–4].

Для повышения весовой эффективности конструкций практический интерес для валов ГТД представляет использование высокопрочных конструкционных особо низкоуглеродистых мартенситостареющих сталей системы Fe–Ni–Co–Mo–Ti с пределом прочности от 1570 до 1865 МПа [5, 6]. Низкое содержание углерода в этих сталях (£0,03%) и легирование их никелем и кобальтом обеспечивает получение высокопластичного мартенсита [7–9]. Старение в пластичной матрице позволяет получить оптимальное сочетание высоких прочностных и пластических свойств [10–12].

Стали данной системы легирования обладают неограниченной прокаливаемостью и высокой технологичностью при изготовлении деталей (не требуют предварительного отжига, в закаленном состоянии имеют твердость 24–32 HRC). Упрочняющая обработка (старение) мартенситостареющих сталей проводится при относительно низких температурах (~450–500°С). Повышение прочности достигается благодаря выделению из безуглеродистой мартенситной матрицы высокодисперсных интерметаллидов Ni₃Ti. При этом изменение размеров минимально – не возникает поводок и короблений, свойственных для среднелегированных сталей, которые упрочняются закалкой с высоких температур.

Мартенситостареющие стали системы Fe–18Ni–Co–Mo–Ti широко применяются для изготовления тяжелонагруженных деталей и узлов самолетов (шасси, осей, болтов крепления крыла и фюзеляжа, шестерен редукторов агрегатов управления самолетов, а также деталей орбитального космического корабля «Буран») [13, 14].

В качестве перспективного материала для изготовления валов двигателей может рассматриваться высокопрочная конструкционная мартенситостареющая сталь ВКС-180, разработанная в ВИАМ, упрочняемая на s_в≥1720 МПа и обладающая хорошим сочетанием характеристик прочности, пластичности и надежности.

При металлургическом производстве мартенситостареющих сталей с пределом временного сопротивления разрушению ˃1600 МПа используют методы выплавки, направленные на максимально возможное снижение в металле газонасыщенности и количества неметаллических включений. С этой целью при выплавке используют чистовые шихтовые материалы; дуплекс-вакуумные способы выплавки: вакуумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом – (ВИ+ВДП)=ИД или вакуумно-индукционная выплавка с последующим электронно-лучевым переплавом – (ВИ+ЭЛП)=ИЛ; применяют специальные способы раскисления щелочными (Са или Мg) и модифицирования редкоземельными (Се, Lа, Y) металлами. При снижении количества неметаллических включений и повышении их дисперсности существенно повышается пластичность и уменьшается анизотропия свойств высокопрочных сталей, что особенно важно для деталей, изготовленных из крупногабаритных заготовок [2, 15, 16].

Наиболее вредными по влиянию на свойства мартенситостареющих сталей системы Fe–18Ni–Co–Mo–Ti являются примеси углерода и азота [15], которые, обладая высоким химическим сродством к титану, образуют труднорастворимые карбиды или карбонитриды. Углерод, выводя титан из твердого раствора, снижает прочность сталей. Образующиеся карбиды или карбонитриды титана выделяются либо в виде скоплений, либо по границам зерен, что приводит к существенной потере пластичности и может спровоцировать преждевременные хрупкие разрушения [17]. Типичная микроструктура сталей рассматриваемой системы легирования с карбонитридными выделениями представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Микроструктура (×100) мартенситостареющих сталей с карбонитридными выделениями в виде скоплений (а) и по границам зерен (б)

Сталь ВКС-180, выплавленная методом ИД, обеспечивает следующий уровень механических свойств: s_в³1720 МПа; y³50%, KСU³49 Дж/см² и y³35%, KСU³34 Дж/см² в долевом и поперечном направлениях соответственно (прутки диаметром до 170 мм).

При производстве особо низкоуглеродистых мартенситостареющих сталей имеются некоторые особенности: после горячей деформации слитков (в условиях отечественного производства) не удается получать однородную мелкозернистую структуру в полуфабрикатах больших сечений – величина зерна в крупноразмерных заготовках колеблется от 0 до 5 балла. Для устранения разнозернистости, выравнивания ликвационной неоднородности, растворения карбонитридов титана и, следовательно, повышения механических свойств, в том числе пластичности и вязкости, в ВИАМ разработан специальный режим термообработки, включающий закалку с высоких температур с охлаждением в воде и последующую закалку для получения однородной мелкозернистой структуры. Применение этого режима термообработки для крупномерных деталей обеспечивает высокую пластичность в поперечном направлении. Однако режим термической обработки стали ВКС-180-ИД достаточно сложен и энергоемок.

В отечественной промышленности получение наиболее чистого металла по углероду и азоту с минимальным газонасыщением обеспечивает метод выплавки ИЛ – вакуумно-индукционная выплавка (ВИ) с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭЛП). После электронно-лучевого переплава содержание азота уменьшается в ~2 раза по сравнению с вакуумно-дуговым переплавом [18]. В научной литературе имеются сведения, что применение процесса ЭЛП в сталях указанной системы легирования значительно уменьшает количество неметаллических включений: суммарное количество неметаллических включений после ЭЛП составляет ~0,046% (по массе), а после ВДП ~0,079% (по массе) [19].

Выплавка стали ВКС-180 методом электронно-лучевого переплава (ЭЛП) позволяет уменьшить содержание углерода до ≤0,01% и азота до ≤0,005% вместо С≤0,02%, N≤0,01% на металле после ИД. Получен металл высокой чистоты по неметаллическим включениям: от 0 до 1 балла (ГОСТ 1778) – для металла, выплавленного методом ИЛ, от 1,5 до 2 – для металла ИД.

Высокая чистота металла после ЭЛП позволила существенно упростить и повысить энегоэффективность процесса термической обработки стали ВКС-180 по сравнению с металлом после ВДП. Удалось снизить температуру первой гомогенизирующей закалки примерно на 100°С, уменьшить количество последующих закалок для измельчения зерна с трех до двух раз при обеспечении бездефектной мелкозернистой структуры с величиной зерна 7–8 балла вместо 5–6 балла (по шкале ГОСТ 5639) на стали ИД. Микроструктура стали ВКС-180-ИЛ приведена на рис. 2.

Оценка механических свойств стали ВКС-180-ИЛ, термообработанной по энергоэффективному режиму, проводилась на полуфабрикатах различных сечений. Полученные результаты приведены в табл. 1.

 Рисунок 2. Микроструктуры (×100) сталей ВКС-180-ИЛ (а, в) и ВКС-180-ИД (б, г) после гомогенизирующей закалки (а, б) и перекристаллизационных закалок (в, г)

Таблица 1

Механические свойства стали ВКС-180-ИЛ, термообработанной по энергоэффективному режиму

Анализ полученных результатов показывает, что сталь ВКС-180-ИЛ, термообработанная по энергоэффективному режиму, имеет высокий комплекс механических свойств в полуфабрикатах различных сечений и обладает низкой анизотропией свойств при вязком пластичном характере разрушений.

Результаты исследования характеристик стали ВКС-180-ИЛ, термообработанной по энергоэффективному режиму, в сравнении с отечественными сталями, применяемыми для валов ГТД, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства стали ВКС-180-ИЛ в сравнении с аналогами (не менее)

* N=1×10⁷ цикл.

Применение высокопрочной конструкционной мартенситостареющей стали ВКС-180-ИЛ более высокого качества, чем сталь ВКС-180-ИД, позволит повысить надежность деталей на 10–15% и уменьшить энергозатраты за счет снижения температуры гомогенизирующей закалки на ~100°С и сокращения количества перекристаллизационных закалок с трех до двух раз. Увеличение прочности на ~30% по сравнению со сталями ЭП517 и ЭИ961, применяемыми для валов ГТД, позволит повысить, с учетом конструктивных особенностей, весовую эффективность и долговечность валов на ~15%.

*В работе принимал участие к.т.н. А.И. Щербаков.