Проблемы машиностроения и надежности машин, 2023, № 3, стр. 58-63

В современном авиадвигателестроении постоянно возрастают требования к комплексу эксплуатационных характеристик перспективных двигателей, их деталям и материалам. Сейчас в газотурбостроении широко применяются жаропрочные гранулируемые сплавы на основе никеля. Такие сплавы отличаются высокой плотностью (≥8300 кг/м³), что говорит о большом весе любых конструкций, также применение резьбовых соединений в деталях ГТД не является актуальным в виду увеличения массы узлов и двигателей в целом и зоны крепления будут служить концентраторами напряжений, а значит, актуальным становится вопрос о неразъемных сварных соединениях.

Но подобного рода сплавы имеют большой недостаток. Даже применение электронно-лучевой сварки не является оптимальным, поскольку гранулируемые сплавы на основе никеля склонны к трещинообразованию при плавлении [1].

Сварка трением (ротационная и инерционная) при соответствующих параметрах процесса может производить более прочные и бездефектные соединения с более низкими пиковыми температурами и меньшими зонами термического влияния (ЗТВ), чем при сварке плавлением. Поэтому для изготовления валов, роторов и турбин ГТД из современных материалов перспективно использовать ротационную и инерционную сварку трением [2–9].

Рассматривая проблему более детально, можно сказать, что ротационная сварка трением жаропрочных никелевых сплавов, в сравнении со способами сварки плавлением обладает рядом преимуществ. Основными ее достоинствами являются: низкие значения остаточных напряжений; возможность получения разнородных сварных соединений и материалов, которые отсутствуют при использовании сварки плавлением.

В перспективных газотурбинных двигателях к жаропрочным сплавам на основе никеля предъявляются очень высокие требования, одним из которых является новый сплав ВЖ178П из-за его высоких механических свойств, по заявлениям ВИАМ (σ_B свыше 1400 МПа). Поскольку полуфабрикаты данного сплава получаются металлургией гранул, и он склонен к трещинообразованию, был выбран способ сварки заготовок в твердой фазе [10–12].

Также необходимо принять во внимание, что из-за сложнолегированного химического состава жаропрочных сплавов на основе никеля ключевую роль при достижении требуемых физико-механических свойств играет термическая обработка. При ее проведении не только релаксируются временные напряжения и убираются остаточные напряжения, а также улучшается микроструктура и возрастают эксплуатационные и механические свойства [13].

Результаты исследований. В настоящей статье основной целью термической обработки служит получение упрочняющей γ′-фазы. Благодаря ее распределению и правильному формообразованию (кубоидному) в структуре сплава значительно возрастают механические свойства при высоких температурах.

В ходе исследования был выполнен сравнительный анализ образцов без термической обработки и в результате ее воздействия на новый жаропрочный гранулируемый сплав ВЖ178П после ротационной сварки трением (РСТ) на установке ПСТИ-400.

В рамках исследования были сварены кольца из заготовок ВЖ178П диаметром 200 мм, с толщиной стыкового бурта 10 мм.

После этого из сваренных колец были вырезаны темплеты для металлографических исследований и замеров микротвердости в зонах основного материала, в зоне термомеханического влияния и сварном шве. Затем образец КО-2 был термообработан по режиму закалки.

Образец КО-1 термообработке не подвергался. При исследовании микроструктуры образца установлено следующее: 1) в микроструктуре основного материала (ОМ) γ′-фаза имеет правильную кубоидную форму (рис. 1а).

Рис. 1.

Микроструктура образца КО-1 из сплава ВЖ178П без ТО после сварки: (а) – зона основного материала; (б) – зона термомеханического влияния–сварной шов; (в) – середина сварного шва.

В виду термического воздействия инерционной сварки трением наблюдается полное, либо частичное растворение упрочняющей фазы в стыковой зоне (ЗТМВ + шов), однако после закалки образца КО-2, были выявлены следующие результаты: 1) микроструктура основного материала однородная и типична относительно предыдущих сварок, в тонкой структуре (рис. 2а) γ′-фаза правильной формы, в остальном (по границам и на стыке с ЗТМВ) аналогична структуре самой ЗТМВ; 2) в зоне термомеханического влияния наблюдается однородность, она достаточно узка (0.8–0.85 мм) и состоит из полиэдрических зерен. В тонкой структуре (рис. 2б) есть частичное растворение γ′-фазы в γ-основе, по границам зерен γ′-фаза сосредоточена крупными и избыточными кусками неправильной формы. Границы между сварным швом и ЗТМВ не выражены, структура между ними бездефектна, а также схожа по форме и выделениям γ′-фазы.

Рис. 2.

Микроструктура образца КО-2 из сплава ВЖ178П после сварки и закалки: (а) – зона основного материала; (б) – зона термомеханического влияния (ЗТМВ)–сварной шов.

Далее была измерена микротвердость образцов, результаты указаны в табл. 1.

Анализ результатов. Полученные результаты непосредственно связаны с параметрами режимов сварки, поскольку окружная скорость, давление сварки, усилие и удельная энергия в случае с образцом КО‑1 значительно выше, чем при сварке КО-2. Сам металл был подвержен более высокому давлению и, вследствие этого, микротвердость возросла, поэтому показания между зонами сварного соединения и основного материала так сильно различаются.

В процессе сварки образца КО-2 параметры давления и удельной энергии были на среднем уровне, однако момент инерции почти в 2 раза выше, чем при сварке образца КО-1, за счет чего, предположительно, осадка вышла на 1.2 мм больше. Вероятно, такой характер носит воздействие концентрации момента инерции в зоне контакта и резкой остановки сварочного процесса. Этим также объясняется, что влияние на ЗТМВ не так значительно.

Оборудование. Предсварочная подготовка образцов выполнена на токарном (ТВ-7) и фрезерном (Millstar BMH2200) станках. Сварка проведена на отечественной установке ПСТИ-400, вырезка образцов выполнена на электроэрозионном станке AMStech CHMER AW. Термическая обработка проводилась в печи с воздушной атмосферой ПКЭ-10. Металлографические исследования проводились на растровом электронном микроскопе FE-SEM Zeiss SUPRA 25.

Выводы. В ходе проведенной научно-исследовательской работы установлено, что возможно получение сварного соединения с отсутствием дефектов в виде непроваров во всех зонах, однако вместе с этим также происходит полное, либо частичное растворение γ′-фазы в ЗТМВ и сварном шве до послесварочной термической обработки, а при наличии в этих зонах γ′-фазы ее форма в основном сыпеобразная и неправильная.

После проведенной термической обработки по режиму закалки получены следующие результаты: 1) структура сварного шва остается бездефектной; 2) выявлена более крупная фракция γ′-фазы, что предполагает возможность вторичной упрочняющей γ′′-фазы именно в сварном шве и ЗТМВ. Отмечается, что выделения упрочняющей фазы в сварном шве после термической обработки также неправильной формы.

Таким образом, благодаря влиянию закалки микроструктура сварного соединения улучшается, но следует провести дальнейшие исследования в данной области для получения правильной формы γ′-фазы и ее равномерного распределения по всей периферии сварного шва.