Особенности технологии изготовления деформированных заготовок из интерметаллидного сплава ВИТ1 для деталей газотурбинного двигателя

Введение

Применение жаропрочных титановых сплавов в конструкциях газотурбинных двигателей до температуры 600 °С способствовало снижению массы деталей и узлов, повышению параметров двигателей и их эксплуатационных характеристик. Использование титановых сплавов при больших температурах ограничено, что связано со снижением жаропрочности (главным образом сопротивления ползучести), термической стабильности и повышенным окислением [1].

Для решения этих проблем было предложено использовать материалы на основе алюминидов титана. Одним из представителей этого класса материалов являлся интерметаллид Ti₃Al (α₂-фаза), который имел повышенные удельные жаропрочные характеристики (длительную прочность, сопротивление ползучести), стойкость к окислениюи горению [2–4].

Однако интерметаллид Ti₃Al обладал существенными недостатками, связанными с низкой пластичностью при комнатной температуре и низкой технологичностью при изготовлении деформированных полуфабрикатов [5].

Проведенные в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ исследования показали, что низкие свойства интерметаллида Ti₃Al можно повысить, используя дополнительное легирование, измельчение структуры с помощью операций горячей обработки давлением и термической обработки [6].

Значительное легирование ниобием интерметаллида Ti₃Al привело к образованию интерметаллида Ti₂AlNb (так называемая орто-фаза), имеющего состав Ti–14Al–42Nb (% (по массе)). Этот интерметаллид обладает повышенной температурой плавления, низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), лучшими жаропрочными свойствами и повышенной пластичностью при комнатной температуре по сравнению с последними разработками супер-α₂-сплавов [5].

Анализ научно-технической информации в области разработки сплавов на основе интерметаллида Ti₂AlNb показал, что характеристики удельной прочности и жаропрочности этого соединения могут быть повышены путем:

– легирования сплавов тугоплавкими элементами и активными неметаллами;

– использования операций горячей деформации для измельчения структуры;

– термической обработки для стабилизации фазового состава и получения оптимальных структурных параметров.

Для этих целей использовано экономное легирование орто-фазы элементами – Zr, Мо, Та, W (в сумме <6 % (по массе)), что привело к повышению прочностных cвойств, термической стабильности и стойкости к окислению. Легирование элементами Si и C (в сумме <0,5 % (по массе)) вызывало дисперсионное упрочнение за счет образования карбосилицидных фаз, повышающих жаропрочные характеристики. Использование этих подходов привело к разработке жаропрочного интерметаллидного орто-сплава марки ВИТ1 [6].

Несмотря на значительные преимущества сплава ВИТ1, ему свойственны некоторые недостатки, связанные с повышенными плотностью и стоимостью, однако эти недостатки не критичны, поскольку они свойственны всему классу разработанных орто-сплавов.

Первоначально орто-сплавы разрабатывались в качестве матричной основы для композиционных материалов, поскольку их повышенная технологичность и прочность обеспечивали получение тонколистовых полуфабрикатов.

При создании интерметаллидного композиционного материала в качестве матрицы использовался тонколистовой орто-сплав состава Ti–22Al–23Nb (% (атомн.)), который упрочнялся высокопрочными волокнами карбида кремния (β-SiC) диаметром 140 мкм в количестве 35–40 % (объемн.). Такой материал показал уникальные механические свойства: плотность d ≈ 4,4 г/см³,  Использование в конструкциях интерметаллидных композиционных материалов позволит увеличить их жесткость на 30 %, повысить прочность на 40 % и снизить массу на 45 %, что приведет к увеличению характеристик надежности и ресурса конструкции [7].

В настоящее время достигнутый уровень механических свойств орто-сплавов позволяет использовать их в монолитном варианте для деталей с рабочей температурой на 100–150 °С больше, чем для классических титановых сплавов, что может привести к снижению массы деталей на 20 % (по сравнению с жаропрочными сталями), обеспечить стойкость к окислению и пожаробезопасность.

Данная работа посвящена разработке технологии изготовления из интерметаллидного сплава ВИТ1 деформированных заготовок в виде плит и исследованию влияния макро- и микроструктуры на механические свойства плит применительно к деталям газотурбинного двигателя.

Материалы и методы

В работе использовались слитки из сплава ВИТ1 размером Ø330×150 мм, которые изготавливали по технологии, принятой в производстве серийных титановых сплавов. Слитки разрезали по диаметру на восемь частей и использовали в дальнейших исследованиях.

Определение химического состава сплавов проводили на установке  атомно-абсорбционного анализа (Varian 240FS) и атомно-эмиссионном спектрометре с источником связанной плазмы (Varian 730 ES). Полученные результаты определения химического состава сплавов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав слитков из сплава ВИТ1

Для изготовления деформированных полуфабрикатов слитки из сплава ВИТ1 разрезали на четыре сектора по диаметру для получения 8 полукруглых секторных заготовок размером 162×300 мм для последующей горячей обработки давлением.

Термическую обработку деформированных заготовок осуществляли в лабораторной печи Naber Term LT15/12 (701).

Металлографические исследования проводили на оптическом микроскопе Olympus GX51. Шлифы для исследований изготавливали по стандартным методикам, включающим механическую и электролитическую полировку. Травление микрошлифов для выявления микроструктуры осуществляли в соответствии со стандартной процедурой.

Рентгеновский фазовый анализ образцов из плит проводили на дифрактометре ДРОН-3М, а для электронно-микроскопического исследования использовали электронный просвечивающий микроскоп JTM-200-CX.

Количественный анализ микроструктуры образцов плит в исходном состоянии и после термической обработки осуществляли на металлографическом комплексе фирмы Leica с цифровой камерой VEC-335 и компьютерной программой Image Expert Pro 3×.

 Испытания механических свойств заготовок плит проводили при растяжении на образцах диаметром 5 мм и расчетной длиной 25 мм на сервогидравлической машине MTS (США) при скорости нагружения 2,5 мм/мин (ГОСТ 1497–84). Испытания на длительную прочность за 100 и 500 ч при температурах 650 и 700 °С проводили в воздушной среде с влажностью 56–60 % на машинах ZDM-93 (ГОСТ 10145–81).

Результаты и обсуждение

По сравнению с классическими титановыми сплавами, горячая деформация орто-сплавов затруднена, что связано с сильной зависимостью прочности литой структуры от скорости нагружения, повышенной теплопроводностью материала и значительным окислением при температурах деформации. Эти особенности сплавов приводят к образованию хрупких газонасыщенных слоев и разрушению материала [8–11]. Устранение этих факторов достигается изотермической ковкой при температурах больше температуры полного полиморфного превращения (Т_п.п) сплава, использованием низких скоростей деформирования и низких допустимых деформаций [12, 13].

При разработке технологии горячей деформации слитков использовали изотермический пресс П2642 с усилием 16 МН. Горячая деформация слитков включала следующие этапы: три предварительные всесторонние ковки литых заготовок со сменой оси, ковку промежуточной заготовки под прокатку и изготовление катаных заготовок (плит).

Перед ковкой механически обработанные слитки из сплава ВИТ1 покрывали смесью эмалей ЭВТ-24 и ЭВТ-100 и в дальнейшем использовали  для проведения операций горячей деформации.

Ковка литых заготовок

Первая всесторонняя ковка. Литые полукруглые секторные заготовки нагревали до температуры Т_п.п + 60 °С и ковали на заготовку в виде круга размером Ø160×L (где L – длина заготовки, мм), а затем осаживали на высоту 245 мм, подогревали до температуры  Т_п.п + 60 °С, проводили смену оси и осаживали на высоту 170 мм с последующей обкаткой на заготовку в виде круга диаметром 160 мм.

Вторая всесторонняя ковка. Заготовки нагревали до температуры Т_п.п + 60 °С и осаживали на высоту 160 мм, подогревали при температуре Т_п.п + 60 °С, проводили смену оси и ковали на заготовку в виде квадрата размером 150×150 мм с последующей обкаткой на заготовку в виде круга диаметром 145 мм.

Третья всесторонняя ковка. Заготовки нагревали до температуры Т_п.п + 60 °С, осаживали на высоту 160 мм, подогревали при температуре Т_п.п + 0 °С, проводили смену оси и ковали на квадрат размером 150×150  мм с последующей обкаткой на заготовку в виде круга диаметром 145 мм.

Изготовление промежуточной заготовки

После всесторонней ковки заготовки нагревали до температуры Т_п.п. + 20 °С и осаживали на высоту 150 мм, после подогрева при температуре Т_п.п + 20 °С проводили смену оси и осаживали на высоту 145 мм с последующей обкаткой на заготовку в виде круга диаметром 140 мм, после чего заготовки охлаждали на воздухе. Образовавшуюся на поверхности заготовки окалину удаляли с помощью пескоструйной обработки и обточки до получения чистой поверхности.

Обработанную заготовку размером Ø135×L мм нагревали до температуры Т_п.п – 20 °С и ковали с помощью вытяжки на заготовку в виде круга размером Ø110×L мм c промежуточным подогревом до первоначальной температуры. Затем заготовку в виде круга размером Ø110×L мм нагревали до температуры Т_п.п – 20 °С и ковали на заготовку в виде плиты толщиной 95 мм и после подогрева при температуре Т_п.п – 20 °С проводили ковку на заготовку в виде плиты толщиной 75 мм, а затем после подогрева при температуре Т_п.п – 20 °С ковали на заготовку в виде плиты толщиной 52 мм, после чего кованые заготовки охлаждали на воздухе.

Изготовление катаных плит

Кованые заготовки толщиной 52±1 мм разрезали на темплеты размером 52×190×380 мм (толщина/ширина/длина) и подвергали обстругиванию по всем поверхностям и снятию фаски со всех углов. Механически обработанные заготовки размером (44±1)×180×180 мм (толщина/ширина/длина) использовали в дальнейшем для получения конечного полуфабриката.

Предварительные эксперименты показали, что при прокатке при температурах менее Т_п.п – 120 °С не удается получить качественную плиту из-за образования сетки поверхностных трещин за счет подхолаживания поверхности заготовок. Поэтому прокатку проводили при температурах нагрева Т_п.п – 70 °С и деформации ~25 % за каждый проход с промежуточным подогревом. Такой режим прокатки заготовок позволил получить плиты размером (25±1)×200×350 мм (толщина/ширина/длина) без поверхностных дефектов. В дальнейшем эти заготовки использовали для исследования фазового состава, макро- и микроструктуры и механических свойств.

После горячей деформации из плит вырезали образцы размером 5×5×15 мм и после подготовки поверхности проводили рентгеновский фазовый анализ и электронно-микроскопические исследования, в результате чего идентифицированы фазы и определен фазовый состав плит из сплава ВИТ1: >93 % (объемн.) орто-фазы + <7 % (объемн.) β₂-фаза + α₂-фаза + следы карбосилицидов.

Исследование показало, что орто-фаза имеет тетрагональную решетку, β₂-фаза – объемноцентрированную кубическую решетку, а α₂-фаза ‒ гексагональную решетку. Кроме того, отмечались в небольшом количестве карбосилицидные соединения. Определить количество α₂-фазы не представлялось возможным из-за отсутствия методик точного определения рентгеновским методом количества фаз <5 % (объемн.).

Исследование макроструктуры плит после горячей деформации проводили на образцах, вырезанных в продольном направлении, а микроструктуры – в поперечном направлении. Шлифы для исследований изготавливали по стандартным методикам, включающим механическую обработку, электролитическую полировку и травление. Типичные макро- и микроструктуры плит представлены на рис. 1 и 2 соответственно.

Рис. 1. Макроструктура (×1) плиты из сплава ВИТ1 после горячей деформации в продольном направлении

Рис. 2. Микроструктура (×500) плиты из сплава ВИТ1 после горячей деформации

Исследование показало, что в исходном состоянии заготовки плит имеют матовую макроструктуру с заметной ориентировкой вдоль направления деформации, а микроструктура представлена беззернистой структурой 1–2 типа и микроструктурой 3 балла шкалы микроструктур со сферической орто-фазой размером ~1,3 мкм, а также пластинчатой формы длиной 4,9 мкм и толщиной 2,34 мкм. Такая структура характерна для заготовок с высокой степенью деформации при пониженных температурах.

Геометрические параметры микроструктуры образцов из плит в исходном состоянии следующие:

В ранее проведенных работах [5, 14, 15] показано, что для получения требуемых механических свойств в деформированных полуфабрикатах из интерметаллидных титановых сплавов необходимо устранить наклеп и текстуру, сформировать оптимальную микроструктуру, что достигается термической обработкой. В результате этих исследований установлено, что оптимальным режимом термической обработки для орто-сплавов являются кратковременный нагрев в β + α₂-области для получения определенных размеров первичных микрозерен при температуре Т_п.п – 120 °С, охлаждение с регламентированной скоростью для получения тонкопластинчатых выделений первичной орто-фазы и старение в орто + β₂-области при температуре Т_п.п – 320 °С в течение продолжительного времени и последующего охлаждения заготовок на воздухе до комнатной температуры.

В термически обработанных образцах плит фазовый состав изменился до 68–70 % (объемн.) орто-фазы + 31–29 % (объемн.) β₂-фазы + α₂-фаза + следы карбосилицидов.

Типичные макро- и микроструктура заготовок из плит после термической обработки представлены на рис. 3 и 4. Заготовки плит имеют рекристаллизованную макроструктуру 4 балла шкалы макроструктур. Макроструктура сохранила преимущественную ориентировку, совпадающую с направлением продольной прокатки.

Микроструктура образцов плит после термической обработки представлена рекристаллизованной структурой 4 типа (рис. 4) с микрозерном размером 155/85 мкм (длина/толщина), выделениями орто-фазы в виде частиц 1,4–1,8 мкм и пластин 7,5/4 мкм (длина/толщина), а также α₂-фазы в виде пластин 5,2/2,9 мкм (длина/толщина).

Рис. 3. Макроструктура (×1) плит из сплава ВИТ1 после термической обработки

Рис. 4. Микроструктура (×600) плит из сплава ВИТ1 после термической обработки

Геометрические параметры микроструктуры плит из сплава ВИТ1 после термической обработки следующие:

Образцы после термической обработки имели микроструктуру с размерами зерен – длиной 155±7,2 мкм, шириной 85 мкм и вытянутостью 1,8. Выделения орто-фазы внутри зерна имели почти сферическую форму шириной 1,4 мкм и длиной 1,8 мкм, а также пластинчатую форму длиной до 7,5 мкм и шириной 4,02 мкм с коэффициентом сложности формы ~4,5. Отмечено также присутствие игольчатых частиц этой фазы длиной до 21,3 мкм с минимальной толщиной 1,3 мкм.

Из термически обработанных заготовок изготавливали образцы для испытаний механических свойств: предела прочности (σ_в), предела текучести (σ_0,2), относительного удлинения (δ) и относительного сужения (ψ) при температурах 20; 650 и 700 °С, а также длительной прочности за 100 и 500 ч при температурах 650 и 700 °С. Результаты этих испытаний при температурах 20; 650 и 700 °С представлены в табл. 2–4.

Таблица 2

Кратковременная прочность плит при температуре испытания 20 °С

после термической обработки

Таблица 3

Кратковременная прочность плит при температуре испытания 650 °С

после термической обработки

Таблица 4

Кратковременная прочность плит при температуре испытания 700 °С

после термической обработки

Термически обработанные плиты из сплава ВИТ1 обладали следующими прочностными и пластическими свойствами:

– при температуре 20 °С – σ_в > 1221 МПа, σ_0,2 > 1110 МПа, δ > 8,6 %, ψ > 12,3 %;

– при температуре 650 °С – σ_в > 1020 МПа, σ_0,2 > 880 МПа, δ > 13,8 %, ψ > 16,2%;

– при температуре 700 °С – σ_в > 821 МПа, σ_0,2 > 759 МПа, δ > 15,2 %, ψ > 17,1 %.

Результаты испытаний на длительную прочность за 100 и 500 ч при температурах 650 и 700 °С представлены в табл. 5 и 6.

Таблица 5

Длительная прочность плит за 100 ч после термической обработки

Таблица 6

Длительная прочность плит за 500 ч после термической обработки

Длительная прочность плит из сплава ВИТ1 после термообработки составила:

Полученные результаты механических испытаний при комнатной и повышенной температурах плит из сплава ВИТ1 показали его преимущества по сравнению с жаропрочным титановым сплавом ВТ41 (табл. 7).

Видно, что по удельной прочности (σ_в/d) при температуре 20 °С сплав ВТ41 и сплав ВИТ1 имеют приблизительно одинаковые значения: 24,0 и 23,5 км (усл. ед.). Однако при температуре 600 °С удельная длительная прочность за 100 ч сплава ВИТ1 больше, чем у сплава ВТ41, на ~25 %, а при температуре 650 °С сплав ВИТ1 по этому параметру превосходит сплав ВТ41 в 1,8 раза. Обладая такими жаропрочными свойствами, интерметаллидный титановый сплав ВИТ1 является перспективным материалом для деталей газотурбинных двигателей, поскольку позволит расширить диапазон рабочих температур титановых деталей на 100–150 °С и снизить массу деталей на 20 % при замене деталей из жаропрочных сталей.

Таблица 7

Сравнительные свойства интерметаллидного сплава ВИТ1

и жаропрочного титанового сплава ВТ41

Заключения

Опробована технология получения из интерметаллидного сплава  ВИТ1 деформированного полуфабриката – плиты, которая включала: три предварительные всесторонние ковки со сменой осей литых заготовок при температуре Т_п.п + 60 °С, ковку промежуточной заготовки под прокатку при температуре Т_п.п + 30 °С и прокатку кованых заготовок на плиту при температуре Т_п.п – 70 °С.

После горячей деформации заготовки плиты имели фазовый состав: >93 % (объемн.) орто-фазы + <7 % (объемн.) β₂-фазы + α₂-фаза + следы карбосилицидов. Макроструктура плит соответствовала 1–2 типам и содержала сферические частицы орто-фазы размером ~1,4 мкм и пластинчатые частицы толщиной 2,54 мкм и длиной 5,5 мкм. На границах β-зерен располагались частицы α₂-фазы толщиной 2,98 мкм и длиной 4,95 мкм.

Заготовки плит подвергали термической обработке по режиму: нагрев до температуры Т_п.п – 70 °С с кратковременной выдержкой, охлаждение до температуры Т_п.п – 320 °С с длительной выдержкой, далее охлаждение на воздухе. Такая термическая обработка плит изменила фазовый состав заготовок на следующий: 68–70 % (объемн.) орто-фазаы + 31–29 % (объемн.) β₂-фазы + α₂-фаза + следы карбосилицидов. Макроструктура плит имела рекристаллизованную структуру 4 балла с сохранением направления прокатки. Микроструктура заготовок плит соответствовала 4 типу. Микрозерно имело вытянутую форму с размерами 155/85 мкм (длина/толщина) и состояло из орто-фазы в виде частиц почти сферической формы 1,4–1,8 мкм и пластин 7,5×4,02 мкм (длина/толщина), а также α₂-фазы в виде пластин 5,2/2,9 мкм (длина/толщина) и дисперсных частиц карбосилицидов.

Термически обработанные заготовки плит имели следующие механические свойства:

Опробованная технология получения деформированного полуфабриката – плиты размером 25×200×350 мм из интерметаллидного сплава ВИТ1 – может быть использована в опытно-промышленном производстве для изготовления заготовок деталей газотурбинных двигателей.