Введение

В статье [1] показано, что сплав системы Fe–Cr–Al–Y превосходит никелевые сплавы марок ЭИ435 и ЭИ868 по жаростойкости при температуре 1100 °С, представлены исследования технологической пластичности и жаростойкости исследуемого сплава в литом состоянии. Дальнейшими этапами разработки технологии холоднокатаной ленты являются отработка холодной прокатки, а также режимов промежуточной и заключительной термической обработки ленты и листов. Исследованы механические свойства и жаростойкость образцов ленты номинальной толщиной 0,2 мм после смягчающей термической обработки. Полученные результаты сравнили с соответствующими характеристиками сплавов-аналогов (ЭИ435, ЭИ868) и требованиями технического задания на выполнение научно-исследовательской работы.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблем 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») [2–4] и государственной программы Российской Федерации «Развитие авиационной промышленности».

Материалы и методы

По отработанной технологии [1] получены два слитка из сплава системы Fe–Cr–Al–Y: плавки 1 и 2. Выплавку слитков проводили в вакуумной индукционной печи с последующим вакуумно-дуговым переплавом. Для изготовления опытных партий ленты из сплава системы Fe–Cr–Al–Y дополнительно получены слитки плавок 3 и 4 со скорректированным химическим составом. Для плавок 3 и 4 выплавку проводили в вакуумной индукционной печи с формированием конических слитков с прибыльной частью. Химический состав слитков определяли методами атомно-эмиссионного и газового анализа (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав слитков из сплава системы Fe–Cr–Al–Y

Химический состав плавок соответствует требованиям к сплаву системы Fe–Cr–Al–Y. Плавки незначительно различаются по содержанию основных легирующих элементов (Cr, Al, Ti, Y), плавка 4 содержит большее количество углерода [5, 6].

Ковку слитков на плоских бойках проводили на специализированном гидравлическом прессе с усилием 1600 тс, оснащенном индукционной установкой нагрева рабочего инструмента [7–9]. Полученные после ковки сутунки толщиной 40–50 мм подвергали горячей прокатке на стане «Дуо 900» до толщины 3,5–3,8 мм [10]. Окалину с поверхности горячекатаных листов снимали путем пескоструйной обработки.

Режимы холодной прокатки листов отрабатывали на лабораторном прокатном стане «Дуо 250». Прокатку листов и лент проводили в условиях Воскресенского экспериментального технологического центра по специальным материалам (ВЭТЦ) НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ на реверсивном прокатном стане «Дуо-кварто 300» (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид реверсивного прокатного стана «Дуо-кварто 300» ВЭТЦ НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ

Термическую обработку образцов, листов и ленты проводили в камерных печах электросопротивления, ленты в защитной атмосфере – в специализированной вакуумной печи с возможностью ускоренного охлаждения [11–13].

Механические свойства листов определяли по ГОСТ 1497–84, ленты – по ГОСТ 11701–84. Жаростойкость образцов ленты исследовали согласно методике, изложенной в работе [1]. Состояние поверхности образцов после испытаний на жаростойкость изучали методом оптической микроскопии.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Для отработки режимов холодной прокатки использовали слитки плавок 1 и 2, из которых изготовлены горячекатаные листы толщиной 3,5–3,8 мм. Технологии ковки сутунок и горячей прокатки листов изложены в работе [1]. Из горячекатаных листов получены образцы для определения механических свойств, в частности относительного удлинения δ₅, при комнатной температуре. Образцы испытывали до и после термической обработки при различных режимах (табл. 2).

Исследуемый сплав после горячей прокатки очень хрупкий, часть образцов разрушилась в процессе изготовления. После охлаждения в воде с температуры1000–1100 °С на поверхности листовых заготовок появились термические трещины. Закалка с температуры 760–780 °С повышает пластичность сплава, однако ее величина недостаточна для успешной прокатки листов и ленты из данного материала.

Прокатка заготовок из сплава системы Fe–Cr–Al–Y после термической обработки при температурах 760–780 °С показала, что образец разрушается при суммарной степени деформации ε < 10 %. Результаты пробной холодной прокатки образцов после закалки приведены на рис. 2.

Таблица 2

Технологическая пластичность сплава

системы Fe–Cr–Al–Y при комнатной температуре

Рис. 2. Внешний вид образцов из сплава Fe–Cr–Al–Y после холодной прокатки: закалка при температуре 760 (а) и 780 °С (б), выдержка 30 мин, охлаждение в воде. Степень деформации ε составила 10 (а) и 7 % (б)

Трещина возникает на торцевой поверхности образца и распространяется вдоль направления прокатки. Характер излома – хрупкий, крупнокристаллический. Кристаллы на изломе ориентированы вдоль направления горячей прокатки.

Анализ научно-технических литературных данных [14, 15] показал, что прокатку сплавов типа фехралей и хромалей, в частности сплава системы Fe–Cr–Al–Y, с больших толщин проводят в режиме теплой деформации. Результаты механических испытаний при повышенных температурах образцов из сплава системы Fe–Cr–Al–Y после горячей прокатки без дополнительной термической обработки приведены в табл. 3.

Таблица 3

Технологическая пластичность сплава системы Fe–Cr–Al–Y

после горячей прокатки без дополнительной термической обработки

Сплав системы Fe–Cr–Al–Y обладает максимальной технологической пластичностью при температуре испытания 300 °С, при температуре 400 °С пластичность сплава снижается, но остается достаточной для теплой прокатки листа.

Прокатка листов с подогревом позволила получить раскат толщиной 1,0–1,2 мм без трещин и разрывов (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид раската из сплава системы Fe–Cr–Al–Y после прокатки с предварительным подогревом

После предварительной теплой прокатки раскат из сплава системы Fe–Cr–Al–Y приобретает достаточную технологическую пластичность, позволяющую проводить последующую прокатку листов и ленты без подогрева заготовки.

В результате экспериментальной отработки технологии прокатки листов и ленты из сплава системы Fe–Cr–Al–Y определена максимально возможная деформация листа до смягчающей термической обработки, а также подобран режим смягчающей термической обработки раската. По выбранному режиму изготовлены образцы ленты толщиной 0,2–0,3 мм. Предложенная технологическая схема позволяет изготавливать ленту толщиной от 0,1 до 0,3 мм.

Заключительная термическая обработка должна обеспечивать следующие механические свойства ленты в соответствии с техническими условиями: предел прочности σ_в ≤ 800 МПа, относительное удлинение δ₅₀ ≥ 20 %. Лента должна обладать низким сопротивлением деформации и высокой пластичностью для изготовления заготовок сотовых уплотнений методом холодной формовки [16].

Заготовки ленты, из которых изготавливали образцы для испытания на растяжение, термически обработаны при различных режимах закалки. Режимы различались температурой нагрева под закалку, выдержка составляла 30 мин. Заготовки образцов охлаждали в воде. С увеличением порядкового номера режима температуру нагрева под закалку повышали. Расчетная длина рабочей части образцов для испытания на растяжение составила 50 мм. В табл. 4 приведены результаты механических испытаний образцов, полученных при различных режимах закалки.

Таблица 4

Механические свойства ленты, полученной при различных режимах

промежуточной термической обработки

При увеличении температуры закалки прочность ленты уменьшается, а пластичность увеличивается. Однако при достижении определенной температуры закалки пластичность ленты начинает снижаться из-за чрезмерного роста зерна. Таким образом, оптимальные значения прочности и пластичности ленты достигнуты при термической обработке по режиму 5.

По отработанным технологическим режимам изготовлены партии ленты толщиной 0,2–0,25 мм из плавок 3 и 4 с отличающейся композицией легирующих элементов. Для промежуточной термической обработки раската и ленты выбран режим 5. Заключительную термическую обработку ленты проводили по двум различным технологическим цепочкам:

-     в камерных электропечах с последующим ускоренным охлаждением в воде (режим 5) и щелочно-кислотным травлением для удаления окалины;

-     в вакуумной электропечи при температуре и времени выдержки, соответствующих режиму 5, с последующим ускоренным охлаждением продувкой азота без травления.

В табл. 5 приведены результаты механических испытаний ленты после термической обработки в камерной и вакуумной печи.

Таблица 5

Механические свойства ленты из сплава Fe–Cr–Al–Y,

полученной при различных условиях заключительной термической обработки

Термическая обработка ленты из сплава Fe–Cr–Al–Y в вакуумной печи с возможностью ускоренного охлаждения садки позволяет получить требуемые механические свойства материала, при этом исключена необходимость последующего травления поверхности. После вакуумной термообработки поверхность ленты гладкая, блестящая, после травления – матовая, шероховатая.

Для образцов ленты после термической обработки в камерной печи с травлением и в вакуумной печи определена жаростойкость при температуре 1100 °С в течение 100 ч. Жаростойкость исследованных образцов ленты из сплава системы Fe–Cr–Al–Y в сравнении с аналогами, г/(м²·ч):

Для никелевых сплавов ЭИ435 и ЭИ868 указаны паспортные данные.

Результаты определения жаростойкости ленты показали, что удельный привес образцов после термической обработки в камерной печи и травления практически в 2 раза превышает удельный привес образцов после вакуумной термической обработки. На рис. 4 представлены изображения поверхности образцов ленты после испытаний на жаростойкость при 1100 °С в течение 100 ч.

Рис. 4. Поверхность образцов ленты после вакуумной термической обработки (а) итермической обработки в камерной печи и травления (б),подвергнутых испытаниям на жаростойкость

Образцы после термической обработки в камерной печи и травления имеют более развитую поверхность. Толщина оксидного слоя после вакуумной термической обработки составляет 2–3 мкм, после термической обработки в камерной печи и травления: 0,7–1,2 мкм. Такое различие в толщине оксидного слоя можно объяснить пассивацией поверхности ленты при щелочно-кислотном травлении. Однако из-за того, что поверхность ленты после травления более развитая – имеет большую протяженность, общий показатель жаростойкости меньше, чем для ленты после вакуумной термической обработки.

При этом все исследуемые образцы по показателям жаростойкости значительно превосходят жаропрочные никелевые сплавы ЭИ435 и ЭИ698, используемые в отечественном двигателестроении для изготовления сотовых уплотнителей проточной части горячего тракта газотурбинных двигателей.

Для сравнения на рис. 5 представлен внешний вид образцов ленты из сплава системы Fe–Cr–Al–Y и элемента сотового уплотнения газотурбинного двигателя из никелевого сплава марки ЭИ435, подвергнутых испытанию на жаростойкость при температуре 1100 °С в течение 100 ч.

Рис. 5. Образцы после испытаний на жаростойкость: а, б – лента из сплава Fe–Cr–Al–Y
соответственно без травления и после травления; в – элемент сотового уплотнения газотурбинного двигателя из никелевого сплава ЭИ435

Заключения

Экспериментально отработана технология изготовления ленты из жаростойкого сплава системы Fe–Cr–Al–Y. Показано, что сплав после горячей прокатки имеет низкую технологическую пластичность при комнатной температуре. Начальную стадию прокатки для получения холоднокатаных листа и ленты необходимо проводить в режиме теплой деформации. Последующая прокатка возможна без предварительного подогрева раската.

Выбраны режимы промежуточной и заключительной термической обработки ленты, обеспечивающие получение требуемого комплекса механических свойств, в частности показателей пластичности. Полученные данные подтверждают высокий уровень технологичности ленты из сплава системы Fe–Cr–Al–Y для изготовления сотовых уплотнений проточной части горячего тракта газотурбинных двигателей.

Отработаны режимы вакуумной термической обработки ленты из сплава системы Fe–Cr–Al–Y, позволяющие значительно улучшить качество поверхности. По сравнению с лентой после термической обработки в камерной электропечи с последующим щелочно-кислотным травлением лента после вакуумной термической обработки имеет меньшую шероховатость и более блестящую поверхность, что в свою очередь влияет на показатели жаростойкости данного материала.

Толщина оксидного слоя на поверхности образца после термической обработки в камерной электропечи с последующей щелочно-кислотной обработкой составляет 0,7–1,2 мкм, после термической обработки в вакуумной печи без травления: 2–3 мкм. Но из-за более развитой поверхности удельный привес после испытаний образца ленты, подвергнутого травлению, в 2 раза больше по сравнению с образцом после вакуумной термической обработки без травления.

Лента из сплава системы Fe–Cr–Al–Y по показателям жаростойкости значительно превосходит аналогичную заготовку из жаропрочных никелевых сплавов марок ЭИ435 и ЭИ698.