Влияние температуры отжига исходных пресс-прутков перед деформацией на структуру и механические свойства штамповок из сплава ЭП742-ИД
Исследованы процессы рекристаллизации пресс-прутков из сплава ЭП742-ИД, используемых в качестве заготовок при изотермической штамповке дисков малоразмерных ГТД. Определено влияние рекристаллизационного отжига в однофазной области на механические свойства материала штамповок после окончательной термической обработки.
Введение
В настоящее время для малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД) широкое применение нашли диски из жаропрочного деформируемого сплава ЭП742-ИД, которые производятся во ФГУП «ВИАМ» [1–4].
Исходными заготовками штамповок дисков для малоразмерных газотурбинных двигателей (ГТД) являются пресс-прутки диаметром 140–150 мм, производимые методом экструзии из слитков ø320 мм двойной вакуумной выплавки (ВИ+ВДП).
Вследствие невозможности достижения на имеющемся промышленном оборудовании достаточной для получения однородной макро- и микроструктуры степени вытяжки при деформации, структура по сечению пресс-прутков имеет неоднородный характер. Этот недостаток частично устраняется в процессе изготовления штамповок с помощью гомогенизирующих отжигов, последующей деформации и окончательной термической обработки.
Однако полностью исключить «наследственное» влияние исходной структуры пресс-прутков при существующей технологии производства штамповок дисков не удается. Это обстоятельство в первую очередь отражается на размере микрозерна и приводит к недостаточной стабильности пластических характеристик материала штамповок дисков (δ20°, ψ20°, KCU20°).
Для повышения стабильности свойств штамповок дисков после окончательной термообработки, снижения количества повторных испытаний проведена работа по корректировке режима отжига пресс-прутков ø150 мм из сплава ЭП742-ИД перед началом деформации [5–8].
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 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») [1].
Материалы и методы
В качестве исходных заготовок для штамповок дисков шифра ИШО-90 использовали пресс-прутки ø150 мм сплава ЭП742-ИД, изготовленные в условиях АО «Металлургический завод «Электросталь» методом двойной вакуумной выплавки (ВИ+ВДП) с последующим прессованием на горизонтальном прессе с усилием 63 МН. Пресс-прутки поставлялись во ФГУП «ВИАМ» по ТУ14-131-663–86.
После проведения входного контроля и гомогенизационного отжига мерные заготовки подвергались ковке в изотермических условиях на гидравлическом прессе с усилием 1600 тс (ПА-2642), а затем после отжига – штамповке в два перехода также в изотермических условиях на гидравлическом прессе с усилием 630 тс (ПА-2638).
Отжиг штамповок и термическую обработку проводили в камерных печах типа ПСКО 1250/640.50.80 [9, 10].
Исследование микроструктуры проводили на оптическом микроскопе Olympus GX-51, изображения обрабатывали в программе Analisys Start. Контроль микроструктуры (размер зерен) проводили по ГОСТ 5639–82 [11].
Значения кратковременной прочности, ударной вязкости и длительной прочности определяли в соответствии с требованиями ТУ1-595-3-725–2013 из кольцевых припусков штамповок.
Результаты и обсуждение
Пресс-прутки ø150 мм из сплава ЭП742-ИД, из которых изготавливают штамповки дисков шифра ИШО-90, вследствие существующих условий деформации имеют неравномерный размер зерен от периферии к центру прутка.
Для подготовки заготовок к деформации с целью выравнивания структуры и снятия напряжений проводили гомогенизирующий отжиг в двухфазной области.
Как показали исследования (рис. 1), при существующей температуре отжига заготовок ниже температуры полного растворения упрочняющей γʹ-фазы (Тп.рγʹ) не происходит полной рекристаллизации структуры и при этом наблюдается существенная разнозернистость.
Очевидно, что наследственность от текстуры прессованного прутка сохраняется до последних технологических операций получения штамповок и не позволяет в полной мере реализовать возможности материала – особенно по значениям пластичности (δ, ψ) и ударной вязкости (KCU).
Для устранения этого недостатка исследовали влияние температуры отжига перед деформацией на структуру и механические свойства штамповок дисков после окончательной термообработки. При этом необходимо учесть изменение значений температуры Тп.рγʹ в зависимости от суммы основных упрочняющих элементов в сплаве (Ti, Al, Nb) в пределах марочного состава сплава ЭП742-ИД (рис. 2).
Рис. 1. Микроструктура (×100) края (а) и центра (б) пресс-прутка ø150 мм из сплава
ЭП742-ИД после отжига при температуре ниже Тп.рγ¢
Рис. 2. Изменение температуры Тп.рγʹ в зависимости от суммы основных упрочняющих
элементов сплава ЭП742-ИД
Из приведенных на рис. 2 данных видно, что изменение значений температуры Тп.рγʹ в зависимости от плавочного химического состава составляет порядка 10–12°С. Такая разница по значениям температуры (рис. 3) приводит при Тзакалки>Тп.рγʹ к заметному укрупнению зерна и существенному снижению пластических характеристик (δ, ψ, KCV), а при Тзакалки<Тп.рγʹ – к неполной рекристаллизации и снижению длительной прочности.
Рис. 3. Микроструктура штамповки диска из сплава ЭП742-ИД при температуре закалки меньше (а), равной (б) и больше температуры Тп.рγʹ (в)
В ранее проведенных исследованиях [12–15] показано, что оптимальный комплекс механических свойств штамповок дисков соответствует температуре закалки после окончательной термообработки, равной Тп.рγʹ.
Для выбора режима отжига исходного прутка исследована макро- и микроструктура из центральной части исходного прутка (наименее проработанная зона) при различной температуре отжига в однофазной области (>Тп.рγʹ) в интервале температур (Тп.рγʹ+5°С)÷(Тп.рγʹ+45°С) – рис. 4 и 5. Как видно из приведенных фотографий, уже при температуре Тп.рγʹ+5°С проходит рекристаллизация по всему сечению прутка. При этом во всем сечении прутка макроструктура равномерная (рис. 6).
Рис. 4. Макроструктура (×5) центральной части пресс-прутка ø150 мм после различных
температур отжига:
а – <Тп.рγʹ; б – Тп.рγʹ+5°С; в – Тп.рγʹ+25°С; г – Тп.рγʹ+45°С
Рис. 5. Микроструктура (×100) центральной части пресс-прутка ø150 мм после различных температур отжига:
а – Тп.рγʹ+5°С; б – Тп.рγʹ+25°С; в – Тп.рγʹ+45°С
Рис. 6. Микроструктура (×100) по сечению пресс-прутка после отжига при температуре Тп.рγʹ+25°С:
а – край прутка; б – 1/2 радиуса; в – центр прутка
Для эксперимента выбрана температура Тп.рγʹ+25°С, так как при этой температуре процесс рекристаллизации закончен и дальнейшее повышение температуры только приводит к росту макро- и микрозерна, что может отрицательно сказаться на уровне технологической пластичности материала.
Из трех опытных заготовок пресс-прутка ø150 мм после отжига при температуре, равной Тп.рγʹ+25°С, по серийной технологии изготовлены штамповки шифра ИШО-90. На рис. 7 приведена микроструктура из кольцевого припуска штамповки после окончательной термообработки (Тзакалки=Тп.рγʹ). Видно, что микроструктура штамповки однородная с преимущественным размером зерна 3–5 балла по шкале 1 (ГОСТ 5639–82).
Рис. 7. Микроструктура (×100) штамповки ИШО-90 (кольцевой припуск) после окончательной термообработки (температура отжига исходной заготовки перед деформацией Тп.рγʹ+25°С)
В таблице приведены механические свойства по ТУ1-595-3-725–2013 опытных штамповок, определенные из кольцевых припусков. Для сравнения приведены данные по десяти серийным штамповкам, взятым из той же исходной плавки.
Механические свойства штамповок ИШО-90 (средние значения)
Условный номер плавки | Температура отжига перед деформацией | Количество образцов | Механические свойства при 20°С | Длительная прочность при 650°С | |||||
σв | σ0,2 | δ | ψ | KCU, кДж/м2 | σ, МПа | τ, ч | |||
МПа | % | ||||||||
1 | Тп.рγ¢+25°С | 3 | 1440 | 970 | 20,5 | 20 | 4,9 | 850 | >55 |
Тп.рγʹ-45°С | 10 | 1400 | 970 | 14,5 | 14,5 | 3,4 | 850 | >55 | |
2 | Тп.рγʹ+25°С | 25 | 1430 | 990 | 18,0 | 17,0 | 4,7 | 850 | >55 |
Тп.рγʹ-45°С | 37 | 1400 | 960 | 15,0 | 14,0 | 3,7 | 850 | >56 | |
По ТУ1-595-3-725–2013 | ≥1230 | ≥770 | ≥13 | ≥14 | ≥3,0 | 850 | ≥50 | ||
Проверка выявленных закономерностей на большем количестве заготовок подтвердила полученные значения.
Заключение
Проведение отжига перед деформацией при температуре на 15–25°С выше Тп.рγʹ позволяет повысить стабильность пластических свойств (δ, ψ, KCU) штамповок из сплава ЭП742-ИД, а также существенно снизить количество повторных испытаний и повторных термообработок.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
- Каблов Е.Н. Современные материалы – основа инновационной модернизации России // Металлы Евразии. 2012. №3. С. 10–15.
- Каблов Е.Н. Материалы нового поколения – основа инноваций, технологического лидерства и национальной безопасности России // Интеллект & Технологии. 2016. №2 (14). С. 41–46.
- Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.
- Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.
- Колачев Б.А., Габидуллин Р.М. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. 2-е изд. М.: Металлургия, 1992. 272 с.
- Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1978. С. 19–45.
- Суперсплавы / под ред. Ч.Т. Симса, Н.С. Столоффа, У.К. Хагеля. М.: Металлургия, 1995. Т. II, кн. 1. 384 с.
- Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Скугорев А.В. Производство дисков ГТД из жаропрочных сплавов на изотермических прессах // Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 13–16.
- Пономаренко Д.А., Скугорев А.В., Сидоров С.А., Строков В.В. Технологические возможности специализированных изотермических прессов силой 6,3 и 16 МН в производстве деталей авиационно-космического назначения // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2015. №9. С. 36–41.
- Чабина Е.Б., Алексеев А.А., Филонова Е.В., Лукина Е.А. Применение методов аналитической микроскопии и рентгеноструктурного анализа для исследования структурно-фазового состояния материалов // Труды ВИАМ: электрон. научн.-технич. журн. 2013. №5. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.03.2018).
- Каблов Е.Н., Голубовский Е.Р. Жаропрочность никелевых сплавов: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 1998. 464 с.
- Чабина Е.Б., Филонова Е.В., Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М. Структура современных деформируемых никелевых сплавов // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №6. С. 22–27.
- Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Чабина Е.Б., Филонова Е.В. Взаимосвязь структуры и свойств высокожаропрочных никелевых сплавов для дисков газотурбинных двигателей // Авиационные материалы и технологии. 2011. №2. С. 25–30.
- Бакрадзе М.М., Овсепян С.В., Шугаев С.А., Летников М.Н. Влияние режимов закалки на структуру и свойства штамповок дисков из жаропрочного никелевого сплава ЭК151-ИД // Труды ВИАМ: электрон. научн.-технич. журн. 2013. №9. Ст. 01. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 14.03.2018).