Технологические особенности производства мартенситостареющей стали ВКС-180
Рассмотрены технологические особенности мартенситостареющих сталей системы Ni–Co–Mo–Ti. Проведены исследования механических свойств стали ВКС-180, выплавленной электронно-лучевым переплавом, разработана энергоэффективная технология термической обработки.
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 sв≥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: sв³1720 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
Полуфабрикат | Направление волокна | sв, МПа | y, % | KСU, Дж/см2 |
Средние значения | ||||
Сутунка (d=16 мм) | Долевое | 1800 | 60,5 | 60 |
Поперечное | 1820 | 52 | 52 | |
Пруток (□ 90 мм) | Долевое | 1775 | 59 | 64 |
Поперечное | 1785 | 45 | 47 | |
Пруток (□ 150 мм) | Долевое | 1755 | 56 | 62 |
Поперечное | 1760 | 45 | 43 | |
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)
Свойства | Направление волокна | Значения свойств для стали | |||
ВКС-180-ИЛ | ВКС-180-ИД | ЭП517 | ЭИ961 | ||
sв, МПа | Долевое | 1720 | 1720 | 1130 | 1080 |
Поперечное | – | – | |||
y, % | Долевое | 55 | 45 | 50 | 50 |
Поперечное | 45 | 35 | – | – | |
KСU, Дж/см2 | Долевое | 55 | 49 | 59 | 50 |
Поперечное | 42 | 34 | – | – | |
s-1, МПа (N=2×107 цикл) | Долевое | 670 | 650 | 550 | 520* |
* 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.
- Тонышева О.А., Вознесенская Н.М., Елисеев Э.А., Шалькевич А.Б. Новая высокопрочная экономнолегированная азотсодержащая сталь повышенной надежности //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 84–88.
- Перкас М.Д., Кардонский В.М. Высокопрочные мартенситностареющие стали. М.: Металлургия. 1970. 223 с.
- Шалькевич А.Б., Маркова Е.С., Покровская Н.Г. Мартенситностареющая сталь ВКС-180 – перспективный материал для двигателей ГТД /В сб.: Всероссийская науч. школа для молодежи «Материал и энергосберегающие технологии для производства ответственных деталей высокоэффективных газотурбинных двигателей, промышленных энергетических силовых установок и приводов»: сборник лекций. М.: ВИАМ. 2010. С. 98–103.
- Маркова Е.С., Покровская Н.Г., Шалькевич А.Б., Громов В.И. Мартенситостареющие стали – новые перспективные материалы для валов ГТД //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 81–84.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Фалалеев С.В. Современные проблемы создания двигателей летательных аппаратов: электронное учебное пособие. Самара. 2012. 106 с.
- Лейбова Н.М., Зотьева А.С., Коган Е.С., Феликсон А.Е. О применении мартенситностареющих сталей для деталей металлорежущих станков //МиТОМ. 1974. №10. С. 12–15.
- Арзамасов Б.Н., Ховова О.М., Перкас М.Д. Пути совершенствования свойств мартенситностареющих сталей //Заготовительные производства в машиностроении. 2003. №9. С. 43–46.
- Беляков Л.Н. К вопросу о механизме α превращения в мартенситностареющих сталях //Металлургия. 1976. №3. С. 17–22.
- Петраков А.Ф., Шалькевич А.Б. Высокопрочные стали в авиастроении /В сб. Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ 1932–2002: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2002. С. 180–191.
- Вылежнев В.П., Коковякина С.А., Симонов Ю.Н., Сухих А.А. Повышение характеристик надежности мартенситностареющей стали 03Н18К9М5Т путем создания структуры типа «нанотриплекс» //МиТОМ. 2010. №11. С. 20–24.
- Шлямнев А.П. и др. Коррозионностойкие, жаростойкие и высокопрочные стали и сплавы: Справочник. М.: Интермет Инжиниринг. 2000. 232 с.
- Шалькевич А.Б., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Маркова Е.С. Высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали для самолетов нового поколения /В сб. 75 лет. Авиационные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 142–150.
- Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.
- Ломберг Б.С., Покровский А.А., Топилин В.В., Ревякина О.К., Щербаков А.И. Влияние способа переплава на качество мартенситностареющей стали //Сталь. 1973. №8. С. 72–74.
- Сергеев А.Б., Швед Ф.И., Тулин Н.А. Вакуумный дуговой переплав конструкционной стали. М.: Металлургия. 1974. 192 с.
- Маркова Е.С., Ревякина О.К., Петраков А.Ф. Новая высокопрочная мартенситностареющая сталь ВКС-170 /В сб.: Авиационные материалы. Вып. «Высокопрочные стали». 1986. С. 40–44.
- Щербаков А.И., Ломберг Б.С., Оборенкова А.С. Некоторые закономерности кристаллизации при ЭЛП и ВДП //Специальная электрометаллургия. 1973. №22. С. 34–38.
- Ревякина О.К., Петраков А.Ф., Сачков В.В., Щербаков А.И. Усовершенствование мартенситностареющих сталей на основе системы Fe–Ni–Co–Mo–Ti //МиТОМ. 1981. №6. С. 15–19.