Введение

Жаропрочный никелевый деформируемый сплав ХН62ВМЮТ-ВД (ЭП708-ВД) используется для изготовления ответственных деталей большинства отечественных газотурбинных двигателей (ГТД). Сплав относится к группе материалов для дисков турбин высокого и низкого давления. Детали, изготовленные из данного сплава, работают при температурах до 800 °С и высоких нагрузках [1].

свойства применяемых сплавов во многом определяют эксплуатационные характеристики как ГТД, так и стационарных энергетических установок. Детали, изготовленные из сплавов данной группы, должны иметь высокий уровень механических свойств во всем диапазоне рабочих температур и не иметь фазовых превращений, приводящих к существенному изменению служебных свойств в процессе длительной наработки. Кроме того, в процессе горячей деформации технологические процессы должны приводить к получению оптимальной структуры, чтобы при дальнейшем изготовлении сборочной единицы обеспечить минимальные потери свойств [2–4].

Высокие требования, предъявляемые к качеству материалов, применяющихся в авиастроении, являются стимулом для совершенствования устаревших и разработки новых металлургических процессов на всех этапах передела. Применение современных металлофизических методов исследования дает возможность изучения и контроля на различных уровнях процессов, проходящих в жаростойких никелевых сплавах при их производстве и эксплуатации [5].

При исследовании материалов и причин эксплуатационных разрушений широко применяются методы как оптической, так и сканирующей электронной микроскопии. Это позволяет выявить размер зерен, наличие и количество неметаллических включений или пор, их расположение (дисперсное или строчечное), микроструктуру сплава, ее особенности или изменения, возникшие в процессе производства и эксплуатации [6].

Характер и рельеф разрушения, условия зарождения и развития трещин можно оценить методами фрактографии путем исследования сформировавшегося излома. Результаты фрактографических исследований учитываются при оценке эксплуатационных разрушений, отказов техники, аварийных ситуаций. Особенности развития трещины позволяют путем фрактографического анализа выявить слабые места материала, анализ расположения трещин в деталях позволяет установить слабые места конструкций, обосновать и провести работы по их изменению [7, 8].

Исследованию структуры сплава ЭП708 посвящено достаточное количество статей, однако в настоящее время основное внимание уделяется управлению структурой, полученной методами селективного лазерного сплавления (СЛС). Пока данная методика не позволяет получить оптимальную структуру и уровень свойств, характерных для материалов, изготовленных по технологии классической металлургии [9–13].

Химический состав жаропрочного никелевого дисперсионно-твердеющего деформируемого сплава ЭП708 приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав сплава ЭП708

Сплавимеет поликристаллическую структуру, представляет собой содержащий карбиды γ-твердый раствор с гранецентрированной кубической решеткой и когерентную ему γʹ-фазу (интерметаллидное соединение на основе Ni₃(Al, Тi)), упрочняющую матрицу. Прочность γʹ-фазы увеличивается по мере роста температуры, а ее наследственная пластичность предотвращает охрупчивание сплава. Состав и размер γʹ-фазы зависят от содержания алюминия и титана и напрямую влияют на жаростойкость сплава. Дополнительное упрочнение достигается за счет выделения карбидов типа Ме₂₃С₆ и Ме₆С на основе тугоплавких элементов, таких как Cr, Mo и W. Эти элементы также могут входить в состав γʹ-фазы, увеличивая ее содержание. После термической обработки желательно наличие равномерно распределенных карбидов типа Ме₆С по телу зерен и отсутствие выделений карбидов и топологически плотноупакованных фаз по их границам. Наибольшая жаропрочность никелевых деформируемых сплавов достигается после закалки и старения, после которых образуется мелкодисперсная γʹ-фаза, тормозящая пластическую деформацию в материале [14, 15].

Необходимо отметить, что в жаропрочных сплавах при высоких степенях горячей деформации возможно протекание динамической рекристаллизации, причем критическая степень деформации, которая необходима для начала рекристаллизации, увеличивается с ростом скорости деформации и с понижением температуры. Поэтому при горячей обработке давлением накопленная внутри металла энергия и получаемое в результате процессов рекристаллизации структурное состояние зависят от изменяющихся в широких пределах температуры и скорости деформации. Это многократно усложняет процесс получения структуры с заданными свойствами [16].

Для снижения массы узлов ротора перспективных ГТД применяются сварные конструкции компрессора высокого давления из свариваемых никелевых сплавов, не уступающих по механическим и прочностным свойствам серийно применяемым несвариваемым сплавам и способных выдерживать воздействие длительных нагрузок, высоких рабочих температур и агрессивных сред. В строительстве, энергетике, металлообрабатывающих отраслях промышленности сварные технологии являются базовыми и становятся неотъемлемой частью производственного цикла. Часто сварочный процесс ‒ это единственно возможный или наиболее эффективный способ создания неразъемных соединений конструкционных материалов, позволяющий повысить коэффициент использования сплава и при этом снизить энергоемкость производства готовых изделий. С повышением жаропрочности в сплавах наблюдается снижение таких важных характеристик свариваемости, как сопротивляемость образованию трещин при сварке и дальнейшей термообработке, в то время как к материалам такого типа предъявляются требования по образованию качественных сварных соединений. Согласно работе [17], независимо от технологии сварки, размеров образцов и режимов термообработки наименьшую склонность к образованию горячих трещин проявляют сплавы, подобные сплаву ЭП708, с содержанием, % (по массе): ≤2,7 алюминия, ≤3,7 титана и ≤(10–12) γʹ-фазы после старения.

Возникновение трещин при термообработке жаропрочных никелевых сплавов чаще всего наблюдается в сварных соединениях с высоким уровнем остаточных напряжений. Для уменьшения растрескивания и предотвращения возникновения термических трещин рекомендуется оптимизировать технологию сварки, применять присадочные материалы из гомогенных сплавов – например, ЭП367 и ЭК-22. Рекомендуется также проводить термообработку по схеме: закалка + сварка + закалка + старение.

Применение закалки после проведения сварки дисперсионно-твердеющих сплавов практически не оказывает влияния на кратковременную прочность, незначительно снижает значения длительной прочности и вызывает некоторое повышение ударной вязкости и пластичности. При оценке состояния сварного шва и околошовной зоны методами металлографии необходимо убедиться, что зерна не укрупнились, а на границах зерен отсутствуют следы оплавления. Недопустимым также является выделение по границам частиц упрочняющей фазы, так как все вышеперечисленные признаки приводят к снижению прочностных характеристик [17].

В данной статье проведено комплексное исследование полуфабрикатов заготовок сварных раскатных колец из сплава ЭП708-ВД и предпринята попытка оценить влияние величины зерна на склонность к образованию трещин после сварки.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ, полученные результаты являются продуктом деятельности АО «ОДК».

Материалы и методы

Исследование заготовок сварных раскатных колец и изготовленных из них деталей из сплава ХН62ВМЮТ-ВД (ЭП708-ВД) с растрескиванием в местах сварки выполняли методами оптической металлографии на микроскопах фирм Olympus и Leica в соответствии с ГОСТ 5639–82, фрактографии и металлографии высокого разрешения – на растровом электронном микроскопе фирмы Zeiss.

Подготовку металлографических шлифов осуществляли на оборудовании фирмы Struers.

Оценку уровня механических свойств (испытания на ударный изгиб, малоцикловую усталость и длительную прочность при температуре 800 °С) проводили на испытательном оборудовании в соответствии с требованиями ГОСТ 1497–84, ГОСТ 9454–78, ГОСТ 10145–81, ГОСТ 25.502–79 и ТУ 14-1-1018–98.

Результаты

Проведено комплексное исследование причин появления трещин в сварных деталях, произведенных из заготовок сварных раскатных колец из сплава ХН62ВМЮТ-ВД (ЭП708-ВД). После выполнения сварки и старения в тонком сечении деталей на разных стадиях изготовления выявили дефекты в виде трещин. Анализ технологической документации показал, что деталь изготавливали путем механической обработки из кольца сварного профиля сечением 55×42 мм и поставляли в закаленном состоянии (выдержка 1 ч при температуре 1140 °с, охлаждение на воздухе).

При визуальном исследовании сварных деталей установлено, что во всех случаях участки растрескивания располагались в самом тонком сечении толщиной 1,2 мм на расстоянии приблизительно 4–6 мм от сварного шва (рис. 1), соединяющего разноименные детали. Выявлены как сквозные трещины, так и трещины, развивающиеся на глубину до ¼ сечения детали. окисление участков поверхности изломов до черного цвета свидетельствует о возникновении трещин после кольцевой сварки деталей, до проведения термической обработки (старения).

Исследование поверхности изломов вскрытых трещин на растровом электронном микроскопе (рис. 2) показало, что разрушение статическое, проходит по границам крупных зерен, на некоторых участках поверхность излома окислена. В доломе разрушение вязкое, внутризеренное, с формированием ямочного рельефа.

Для определения соответствия механических свойств материала требованиям нормативной документации и проведения механических испытаний, из массива заготовок сварных раскатных колец вырезали образцы как из области проявления растрескивания, так и на удалении от нее. Полученные результаты приведены в табл. 2 и 3. Установлено, что характеристики прочности и пластичности испытанных образцов удовлетворяют требованиям ту 14-1-1018–98.

Рис. 1. Характерный вид трещин на поверхности (а, б) и изломов (в, г)

Рис. 2. Вид излома по трещине: а – характерное строение; б – вязкое внутризеренное
разрушение; в – межзеренное разрушение

Таблица 2

Результаты механических испытаний образцов из заготовок при температуре 20 °С

Таблица 3

Результаты механических испытаний образцов из заготовок при температуре 800 °С

Далее проведены исследования структуры материала деталей с трещинами на различных уровнях. На рис. 3 приведены фотографии макроструктуры заготовки 1. во всех исследованных деталях наблюдаются участки с крупным зерном. Установлено, что участки с зерном размером 0,5–1 мм (номер 0–1) расположены в зонах, соответствующих боковым поверхностям исходной заготовки. В центральной части деталей величина зерна соответствует номеру 3–5 по ГОСТ 5639–82. Видно, что в зоне сварного шва на все сечение исследуемой детали приходится всего 1–2 зерна, причем на приваренной детали, произведенной по схожей технологии, в зоне сварного шва присутствует мелкое зерно.

Рис. 3. Макроструктура детали в зоне образования трещин (торец заготовки) (а); микроструктура: б – крупные зерна в зоне образования трещин; в – мелкие зерна в середине детали

Исследование характерной микроструктуры сплава ЭП708 в массиве детали показало, что в структуре наблюдаются зерна γ-фазы с равномерно распределенными по телу зерна карбидами. Зернограничные выделения частиц упрочняющей фазы отсутствуют.

При исследовании микроструктуры на шлифах, изготовленных в поперечном сечении детали, подтверждено, что трещины в ее тонком сечении развивались по границам зерен (рис. 4), поверхность трещин окислена (как и наружная поверхность детали). Вблизи сварного шва наблюдались зерна размером до 450 мкм, что соответствует номеру зерна 0–1 по ГОСТ 5639–82. В области массива материала некоторых из исследованных деталей наблюдается разнозернистость с величиной зерен, изменяющейся от 50 до 120 мкм (номер зерна 3–5). В то же время материал сопряженной детали из сплава той же марки имеет структуру с размером зерен, не превышающим 50–70 мкм.

Рис. 4. трещины на поверхности детали по границам зерен (а) и окисленная поверхность трещины (б)

Анализ структуры выявил на некоторых участках деталей с трещинами частично рекристаллизованные зерна, показанные на рис. 5.

Рис. 5. рекристаллизованные зерна в исследованных деталях: а – участок с крупными
и мелкими зернами; б – мелкие зерна; в – мелкие и крупные зерна по краю заготовки

Обсуждение и заключения

Никелевый жаропрочный сплав ЭП708-ВД не имеет фазовых превращений в твердом состоянии. при термической обработке возможно лишь растворение (при гомогенизации – нагреве до высоких температур и достаточной выдержке) или выделение (при охлаждении с достаточной скоростью) вторичных фаз, в том числе упрочняющих – например, при старении. Изменение величины зерна достигается только в процессе рекристаллизации деформированного с определенной степенью деформации материала.

Согласно работе [16], в аустенитных сплавах в процессе высокотемпературной пластической деформации с подавлением процесса рекристаллизации возникает особое структурное состояние, характеризуемое наличием зубчатых границ. Образование зубчатости может свидетельствовать о проходящем в приграничных объемах зерен процессе полигонизации, т. е. начальной стадии рекристаллизации. Наличие неровностей на границах зерен способствует повышению уровня механических свойств деформированного материала по сравнению с материалом в равновесном состоянии после отжига. По-видимому, именно это обуславливает соответствие механических свойств материала исследованных деталей установленному технической документацией уровню.

Выявление трещин на нескольких деталях, изготовленных из раскатных колец одной партии, может свидетельствовать о неоднородности структуры исходного материала по сечению заготовок.

При анализе микроструктуры растрескавшихся после сварки деталей в торцах заготовок обнаружены крупные зерна, внутри которых частично выявляются границы рекристаллизованных зерен, а также единичные кристаллиты, внутри которых находятся мелкие рекристаллизованные зерна. Границы крупных зерен неровные, что характерно для неравновесной структуры с незаконченным процессом рекристаллизации.

Обнаруженные частично рекристаллизованные зерна предположительно могли образоваться из-за неоднородной степени деформации материала по сечению заготовки, нагрев которой при термической обработке и сварке вызвал рост зерен и «запустил» процесс рекристаллизации в отдельных наиболее деформированных зернах с подходящей ориентировкой.

Вероятно, степень обжатия была недостаточна для достижения равномерной по величине зерен и степени деформации структуре, что при дальнейших нагревах и вызвало рост зерен в тонких сечениях детали при сварке. Соответственно, некоторое увеличение степени обжатия при проведении горячей деформации может избавить в дальнейшем от возникновения трещин по границам крупных зерен при сварке сложных деталей из сплава ЭП708-ВД.