Современные жаропрочные никелевые сплавы для дисков газотурбинных двигателей (ГТД) отличаются сложным легированием и обладают высоким комплексом свойств, что требует применения особых технологических приемов для изготовления полуфабрикатов из них. Усовершенствование имеющихся и разработка новых эффективных технологий производства этих сплавов является одной из ключевых задач материаловедения на ближайшую перспективу [1].

При современном подходе уровень характеристик деформируемых жаропрочных никелевых сплавов в значительной степени определяет технология их деформации и окончательной термической обработки [2–4].

При производстве штамповок дисков из сложнолегированного сплава ЭК151-ИД, одной из важнейших технологических операций является закалка. Она включает в себя отжиг на твердый раствор и охлаждение заготовки по регламентированному режиму. Особенность закалки таких сплавов, как ЭК151-ИД – необходимость учета температуры полного растворения (Т_п.р) упрочняющей γ'-фазы индивидуально для каждой плавки. Объемная доля γ'-фазы и температура ее полного растворения варьируются в пределах 5% и 15°С соответственно в зависимости от фактического химического состава. В связи с этим для термической обработки таких сплавов необходимо применять оборудование с точностью поддержания температуры не ниже ±5°С с возможностью автоматического регулирования скорости нагрева и охлаждения [2].

Вопросами технологии термической обработки – в большей степени режимов закалки – занимаются все разработчики жаропрочных никелевых сплавов. Например, NASA, фирмы General Electric, Honeywell, Rolls-Royce проводят масштабные исследования для новых марок сплавов LSHR, ME3, Alloy10, RR1000, изучают влияние температуры закалки – выше и ниже растворения γ'-фазы – на зеренную структуру и свойства [5–12]; выбирают режимы закалки в зависимости от температуры работы и требуемого набора характеристик материала; разрабатывают приемы обработки для формирования градиентной структуры и свойств в заготовках [13–15].

Серийная термическая обработка отечественных сплавов, содержащих менее 45% γ'-фазы (ЭИ698-ВД, ЭП742-ИД, ЭК79-ИД), предполагает закалку из однофазной области. Для более легированного сплава ЭК151-ИД, освоенного в промышленном производстве в 80-х годах, применяется закалка вблизи температуры Т_п.р γ'-фазы. Формирование структуры и свойств материала при такой термической обработке представляет интерес.

В ВИАМ разработаны технологии и налажено серийное производство штамповок дисков диаметром до 300 мм для малоразмерных газотурбинных двигателей (МГТД) из жаропрочных деформируемых сплавов ЭИ698-ВД, ЭП742-ИД, ЭК151-ИД, ЭП975-ИД в условиях изотермической деформации на воздухе [16, 17].

Данное исследование посвящено анализу влияния режимов закалки на структуру и свойства жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД при производстве штамповок дисков в условиях ВИАМ.

Материалы и методика исследований

Деформация сплава ЭК151-ИД проводилась на гидравлическом прессе с усилием 630 тс, оборудованном установкой изотермического нагрева штампов. В качестве исходных заготовок использовались прессованные прутки Æ150 мм. Технология производства включает в себя многостадийную деформацию, промежуточные отжиги, окончательную термическую обработку и обточку. Свойства материала оценивались по результатам сдаточных испытаний на растяжение, длительную прочность и ударный изгиб (по ГОСТ 1497, ГОСТ 10145, ГОСТ 9454) на образцах, изготовленных из технологических припусков.

В работе исследовали 58 штамповок дисков четырех шифров, близких по геометрии, из 7 плавок. Для каждой плавки металлографическим методом определяли Т_п.р γ'-фазы.

Влияние режимов закалки на структуру сплава изучали на оптическом микроскопе Olympus GX51 на нескольких микрошлифах, вырезанных от каждой штамповки из технологического припуска. Измеряли не менее 1000 зерен для каждой заготовки. Обработку изображений микроструктур проводили в программе Image Expert Pro 3.

Результаты исследований

В соответствии с действующей в серийном производстве технологией, закалка заготовок дисков из сплава ЭК151-ИД проводится с температуры (1140–1160)±10°С с учетом Т_п.р γ'-фазы и для оптимального сочетания характеристик должна быть равна Т_п.рγ'±10°С.

Установлено, что для исследуемых плавок Т_п.р γ'-фазы находится в интервале от 1149 до 1162°С.

Для каждой штамповки определены различные характеристики структуры: площадь, периметр, средний диаметр и параметры формы зерен; построена гистограмма распределения зерен по размерам. Установлено, что с увеличением температуры нагрева при закалке происходит рост среднего размера зерен в пределах от 27 до 86 мкм. На рис. 1 учитывались плавки и штамповки разных шифров, где по оси абсцисс отложена разность температур Т_п.рγ' и закалки (Т_зак).

Зависимость механических свойств от размера зерна показана на рис. 2. Штамповки из сплава ЭК151-ИД с размером зерен от 60 до 113 мкм обладают наиболее низкими из выборки значениями прочности и пластичности, а для некоторых заготовок с крупным зерном характеристики ударной вязкости и относительного сужения находятся на нижнем пределе норм технических условий. При этом для всех исследуемых заготовок значения длительной прочности соответствуют требованиям ТУ: при температуре 650°С и постоянно приложенном напряжении 1010 МПа все образцы были сняты без разрушения после 110 ч испытаний.

 Рисунок 1. Влияние температуры закалки на размер зерна сплава ЭК151-ИД

Рисунок 2. Влияние размера зерна на свойства штамповок дисков из сплава ЭК151-ИД

На рис. 3 показано, как зависят предел прочности при растяжении и ударная вязкость сплава от температуры закалки Т_зак (учитывалась разница этой температуры и Т_п.р γ'-фазы – см. рис. 1).

Полученные результаты хорошо согласуются с существующими в материаловедении представлениями. Известно, что для поликристаллических сплавов зависимость свойств от размера зерна описывается уравнением Петча–Холла:

σ = σ_i + K_yd^-1/2,

где σ – напряжение; σ_i и K_y– константы материала; d – размер зерна.

 Рисунок 3. Влияние температуры закалки на свойства сплава ЭК151-ИД

С увеличением протяженности границ, т. е. при более мелком зерне, пределы текучести и прочности, а также сопротивление МЦУ повышаются.

Известно, что при уменьшении размеров зерен снижаются характеристики ползучести и длительная прочность [4–6]. Для сплава Udimet 720 эти зависимости представлены на рис. 4 [18]. В случае сплава ЭК151-ИД необходимо не допустить снижения длительной прочности ниже требований ТУ.

Рисунок 4. Влияние размера зерна при закалке выше и ниже температуры Т_п.рγ' на свойства сплава Udimet 720

Температурная зависимость роста зерен носит сложный характер, зависит не только от температуры Т_п.р γ'-фазы, но и от химического и фазового состава сплава, от технологии его производства. На рис. 5 показано влияние температуры закалки (разность с температурой растворения γ'-фазы) на размер зерна и количество γ'-фазы для жаропрочного никелевого сплава NR3, близкого по легированности к сплаву ЭК151-ИД [18, 19]. Хотя зависимость такая же, как и для сплава ЭК151-ИД, видно, что рост зерен в сплаве NR3 происходит медленнее, чем в сплаве ЭК151-ИД. Аналогичные данные получены в работе [20] для гранулируемого дискового сплава ВВ751П: закалка с температуры на 10°С выше Т_п.р γ'-фазы формирует микроструктуру со средним размером зерен 35 мкм. Возможно, это связано с тем, что сплавы NR3 и ВВ751П изготовляются методами порошковой металлургии.

Рисунок 5. Влияние температуры закалки на количество упрочняющей γ'-фазы (-----) и размер зерна (– – –) сплава NR3

Полученные в работе результаты показывают, что температурный интервал нагрева под закалку для сплава ЭК151-ИД должен быть сужен, перед выбором температуры закалки должна выполняться оценка микроструктуры сплава на образцах. Это позволит повысить качество продукции, увеличить стабильность свойств.

Выявлены закономерности изменения структуры и свойств от температуры закалки штамповок дисков из высоколегированного жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД. Установлено, что с увеличением температуры закалки и ростом среднего размера зерна ˃60 мкм снижаются механические характеристики, отдельные значения которых находятся на нижней границе норм технических условий. Наиболее оптимальной для получения высокой прочности и пластичности (при сохранении жаропрочности) является закалка в более узком температурном интервале, формирующая мелкозернистую структуру с размером зерен 20–50 мкм.