Физика металлов и металловедение, 2019, T. 120, № 4, стр. 442-448
Влияние деформационно-термической обработки на формирование градиентной структуры и механических свойств в диске из гранульного никелевого сплава
А. А. Ганеев a, В. А. Валитов a, Ф. З. Утяшев a, В. М. Имаев a, *
a Институт проблем сверхпластичности металлов РАН
450001 Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39, Россия
* E-mail: vimayev@mail.ru
Поступила в редакцию 24.05.2018
После доработки 02.10.2018
Принята к публикации 06.11.2018
Аннотация
На примере модельной заготовки из гранульного никелевого сплава ЭП741НП (EP741NP), имитирующей диск, продемонстрирована возможность получения градиентной структуры с помощью деформационно-термической обработки (ДТО). ДТО включала в себя основную деформационную обработку, обеспечившую развитие рекристаллизации и формирование мелкозернистой микроструктуры, термическую обработку в градиентном температурном поле, дополнительную деформационную и заключительную упрочняющую термическую обработку. В заготовке диска после ДТО была получена градиентная структура: структура типа “ожерелье” в периферийной части и мелкозернистая типа “микродуплекс” в центральной части заготовки диска. Оценка механических свойств образцов, вырезанных на разном расстоянии от оси симметрии заготовки диска, показала, что центральная часть диска обладает повышенной прочностью и пластичностью, а периферийная часть – повышенной жаропрочностью и ударной вязкостью. Полученные результаты свидетельствует о перспективности примененного подхода для достижения градиентной структуры и градиентных механических свойств в дисках из гранульных никелевых сплавов.
ВВЕДЕНИЕ
В качестве материала дисков и других вращающихся деталей для газотурбинных двигателей (ГТД) в настоящее время используют высоколегированные жаропрочные никелевые сплавы, которые обычно изготавливают с помощью гранульных технологий, исключающих возникновение макро- и микросегрегаций, характерных для слитков таких сплавов. Диски ГТД относятся к высоконагруженным деталям, испытывающим знакопеременные статические и динамические нагрузки, поэтому механические свойства дисковых материалов должны отвечать требованиям одновременно высокой прочности, в том числе усталостной, высокой жаропрочности, ударной вязкости и пластичности [1–6]. Применительно к дискам ГТД следует также учесть, что их нагружение происходит неравномерно в радиальном направлении и в условиях градиентного температурного поля. В области ступицы диск испытывает повышенные механические нагрузки при пониженных температурах, а в области обода – наоборот, пониженные нагрузки при повышенных температурах [7–11]. Поэтому ступица диска должна обладать повышенной прочностью, которую обеспечивает более мелкозернистая структура, а обод – повышенной жаропрочностью, которую обеспечивает более крупнозернистая структура. В связи с этим представляет значительный практический интерес изготовление диска с градиентной структурой. Его можно получить с помощью горячего изостатического прессования гранул разных фракций: мелкой фракции в ступице и относительно крупной – в ободе [4, 5]. Однако использование крупных гранул может приводить к повышению дефектности материала и снижению его эксплуатационных характеристик (сопротивления малоцикловой усталости и трещиностойкости) [12–15]. Поэтому механические свойства никелевых гранульных сплавов стремятся улучшить дополнительной деформационной обработкой [9–12, 16], которую сочетают с термической обработкой в градиентном температурном поле. Компактированный материал обычно подвергают горячей экструзии, последующей горячей штамповке, механической обработке для получения нужной геометрии и термической обработке в градиентном температурном поле с использованием специально разработанного метода (DMHT method) [10, 11]. Градиентная термическая обработка подразумевает кратковременный нагрев обода диска до температур выше температуры сольвуса, при этом центральная часть диска нагревается до температур ниже температуры сольвуса [10, 11].
Для улучшения механических свойств представляет интерес после градиентной термической обработки дополнительно деформировать диск с тем, чтобы в области обода получить частично рекристаллизованную структуру типа “ожерелье”. Согласно [9, 12, 17–22], такая структура обеспечивает наилучшее сочетание скоростей зарождения и роста трещин по сравнению с крупнозернистой, при этом снижения жаропрочности не происходит. Дополнительная деформация может быть осуществлена на небольшую степень при пониженной температуре. Следует отметить, что такого рода работы применительно к высоколегированным гранульным никелевым сплавам не проводились.
Цель работы – исследование влияния горячей деформации, последующей термической обработки в градиентном температурном поле, дополнительной деформации и заключительной упрочняющей термической обработки на формирование градиентной микроструктуры в модельной заготовке из гранульного сплава, имитирующей диск, с последующей оценкой механических свойств полученного материала. В качестве исходного материала был взят гранульный сплав ЭП741НП, широко применяемый для изготовления дисков ГТД.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Исходные заготовки сплава ЭП741НП ∅90 × × 60 мм были изготовлены методом горячего изостатического прессования (ГИП). Химический состав сплава (вес. %): Cr – 9.3; Ti – 1.8; Al – 5.2; Mo – 4; Nb – 2.7; Co – 15.7; W – 5.4; Hf – 0.2, C – 0.04, B – 0.014, Ni – основа. Температуру сольвуса (TS) определяли методом пробных закалок образцов от температур 1160–1200°С, а также с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии. Она составила ТS = 1180 ± 5°C. Исходную заготовку сплава подвергали гетерогенизационному отжигу и изотермической деформационной обработке сжатием, обозначенной далее как основной, при температурах Т = 1140–1160°С [23]. В результате в заготовках с примерным размером ∅150 × 25 мм была получена преимущественно рекристаллизованная структура типа “микродуплекс”. Мелкозернистые заготовки были подвергнуты градиентной термической обработке. Температура в ступичной части составляла Т = 1130°C в области обода – Т = 1190–1210°C. Далее заготовку охлаждали в печи со скоростью 80–90°C/ч, после чего деформировали при Т = 1130°C на степень ε = 15–25%, причем в области обода из-за разной толщины заготовки степень деформации была наименьшей в указанном диапазоне. Деформированную заготовку подвергали заключительной упрочняющей термической обработке, включавшей в себя обработку на твердый раствор при Т = 1150°C (1 ч) с последующим охлаждением на воздухе и старением при Т = 870°C (16 ч), 650°C (8 ч) и 760°C (16 ч). Таким образом, проведенная многостадийная деформационно-термическая обработка (ДТО) включала в себя гетерогенизационный отжиг, основную деформационную обработку, градиентную термическую обработку, дополнительную деформационную и заключительную термическую обработку.
Микроструктурные исследования проводили с помощью растрового электронного микроскопа Mira-3 Tescan в режиме вторичных (SE) или обратнорассеянных (BSE) электронов. Размер и объемную долю выделений γ'-фазы, в том числе дисперсных, оценивали по изображениям в режиме SE, размер γ-зерен – по изображениям в режиме BSE. При изучении микроструктуры использовали также метод автоматического анализа картин дифракции обратно-рассеянных электронов (EBSD-анализ) с шагом сканирования 0.5 мкм. При этом частицы γ'-фазы условно принимались как γ-фаза, а микроструктура – как квазиоднофазная. Малоугловые границы с разориентировкой менее 2°, принимая во внимание погрешность EBSD-анализа, не учитывались. Высокоугловыми границами зерен (ВУГ) считали границы с разориентировкой более 15°.
Испытания на растяжение были выполнены на плоских образцах с размерами рабочей части 17 × 4.5 × 2 мм3 при комнатной температуре со скоростью деформации $\varepsilon \prime $ ≈ 5 × 10–4 с–1. Испытания на ударный изгиб проводили на стандартных образцах с размерами 55 × 10 × 10 мм3. Для испытаний на ползучесть использовали плоские образцы с размерами рабочей части 17 × 3 × 3 мм3. Образцы для проведения механических испытаний вырезали из различных областей заготовки диска, подвергнутой ДТО, при этом измеряли расстояние L от центра рабочей части образца до оси симметрии заготовки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Структура заготовки диска после ДТО. Исследования структуры заготовки диска после ДТО подтвердили формирование градиентной структуры по сечению заготовки (рис. 1 и 2). На рис. 3 приведены параметры микроструктуры в зависимости от расстояния от оси симметрии заготовки диска. Сечение заготовки можно разделить на две основные зоны: мелкозернистую и относительно крупнозернистую со структурой типа “ожерелье”.
В мелкозернистой зоне заготовки, расположенной до L ≈ 0.5R, после упрочняющей термической обработки сохранилась микродуплексная структура, полученная в результате развития динамической рекристаллизации в ходе основной и дополнительной деформационной обработки. Структура представляет собой мелкие рекристаллизованные γ зерна, по границам которых наблюдаются крупные частицы γ'-фазы, а внутри – дисперсные выделения γ'-фазы. По мере удаления от оси симметрии заготовки размер γ-зерен возрастает. Резкий рост γ зерен происходит в узкой переходной зоне при L ≈ 0.5R: средний размер увеличивается от d ≈ 13 мкм до d ≈ 45 мкм (рис. 3а). Средний размер и объемная доля дисперсных и крупных частиц γ'-фазы в пределах мелкозернистой зоны практически не меняются.
EBSD-анализ (рис. 4), выполненный на расстоянии L ≈ 0.29R от оси симметрии диска, показал, что формируемая в мелкозернистой зоне структура содержит в основном высокоугловые границы зерен: их доля составила 93%. Это указывает на полное прохождение рекристаллизационных процессов в результате ДТО.
В зоне “ожерелье”, расположенной на расстоянии больше L ≈ 0.5R, была получена микроструктура, представляющая собой крупные γ-зерна, окруженные мелкими γ зернами. Крупные γ-зерна сформировались при термической обработке в градиентном температурном поле в результате развития собирательной рекристаллизации. При последующей дополнительной деформации крупнозернистая структура, в которой при замедленном охлаждении после высокотемпературного отжига была выделена дисперсная γ'-фаза, трансформировалась в частично рекристаллизованную структуру, состоящую из деформированных γ-зерен, по границам которых образовались мелкие рекристаллизованные зерна, образующие “ожерелье”. При этом внутри γ-зерен формируется субструктура, декорированная дисперсными выделениями γ'-фазы.
В зоне “ожерелье” крупная γ'-фаза наблюдается как по границам (зернограничная γ'-фаза), так и внутри крупных γ зерен (внутризеренная γ'-фаза). При этом зернограничная γ'-фаза крупнее внутризеренной – $d_{{{\gamma '}}}^{{\text{I}}} = {\text{1}}.{\text{9}}$ мкм против $d_{{{\gamma '}}}^{{{\text{II}}}} = 0.{\text{7}}$ мкм. В сравнении с мелкозернистой зоной размер крупной γ'-фазы в зоне “ожерелье” заметно уменьшается, при этом суммарная объемная доля крупной внутризеренной и зернограничной γ'-фазы не меняется и составляет около 12% (рис. 3в). Размер и объемная доля дисперсных выделений γ'-фазы сохраняются примерно такими же, как и в мелкозернистой зоне – $d_{{{\gamma '}}}^{{{\text{III}}}} \approx 0.{\text{15}}$ мкм и $V_{{{\gamma '}}}^{{{\text{III}}}} \approx {\text{46}}\% $ (рис. 3б, 3в). Они располагаются в объеме как крупных, так и мелких γ зерен.
EBSD-анализ зоны “ожерелье” (L ≈ 0.67R) обнаружил высокую долю малоугловых границ (55%), что является результатом формирования субструктуры в крупных γ зернах в ходе дополнительной деформационной и заключительной термической обработки (рис. 4д).
Таким образом, в заготовке диска из сплава ЭП741НП при помощи разработанных технологических приемов и режимов ДТО была достигнута градиентная микроструктура – однородная мелкозернистая с преимущественно высокоугловыми границами зерен на расстоянии до L ≈ 0.5R и структура типа “ожерелье” при L > 0.5R. Из разных областей заготовки диска вырезали образцы для последующих механических испытаний.
Механические испытания. На рис. 5 представлены механические свойства при растяжении образцов, вырезанных из различных областей заготовки диска. Видно, что при комнатной температуре прочностные свойства и пластичность максимальны в мелкозернистой зоне и постепенно снижаются с увеличением расстояния от оси симметрии заготовки диска (рис. 5). Прочность при переходе от мелкозернистой зоны к зоне “ожерелье” снижается примерно на 100 МПа, пластичность – на 3–4%.
Измерения ударной вязкости выявили немонотонную зависимость ударной вязкости от расстояния от оси симметрии заготовки диска (табл. 1). При переходе от мелкозернистой зоны к зоне “ожерелье” ударная вязкость сначала значительно возрастает (при L ≈ 0.57R), затем убывает (при L ≈ 0.81R). При этом в зоне “ожерелье” она всегда выше, чем в мелкозернистой зоне.
Таблица 1.
Расстояние от оси симметрии в долях радиуса заготовки диска, L | KCU, МДж/м2 |
---|---|
0.35R (мелкозернистая зона) | 0.41 ± 0.02 |
0.57R (зона “ожерелье”) | 0.58 ± 0.03 |
0.81R (зона “ожерелье”) | 0.50 ± 0.03 |
На рис. 6 представлены кривые ползучести для образцов, вырезанных из различных областей заготовки диска и испытанных при Т = 650°С. Видно, что скорость ползучести заметно меньше в зоне “ожерелье”. Остаточная деформация образцов, вырезанных из мелкозернистой зоны и разрушившихся после 66 ч, составила около 4%. Образцы, вырезанные из зоны “ожерелье”, разрушились после 254 ч, при этом остаточная деформация составила около 10%.
Таким образом, сопротивление ползучести и, в особенности, длительная прочность значительно возрастают в направлении к периферии заготовки диска. Это соотносится с изменением кратковременных свойств при растяжении, ударной вязкости и обусловлено градиентной структурой, полученной в заготовке диска.
Разрушение. Фрактографический анализ образцов, разрушенных при испытаниях на ударный изгиб, показал, что разрушение всех образцов было преимущественно транскристаллитным. При этом у образцов со структурой типа “ожерелье” поверхность разрушения оказалась рельефнее, а вторичные трещины больше по размерам и количеству. Это говорит об увеличении длины траектории распространения трещин и соответственно работы распространения трещин с увеличением размера зерен при переходе от мелкозернистой структуры к структуре типа “ожерелье”, что и обеспечивает повышение ударной вязкости. При дальнейшем увеличении размера зерен в зоне “ожерелье” снижение сопротивления зарождению трещины, вероятно, является причиной некоторого снижения ударной вязкости. По всей видимости, оптимальное сочетание высокого сопротивления зарождению и распространению трещины, обеспечивающее наибольшую ударную вязкость, достигается при размере зерен более 10 мкм, но менее 50 мкм.
Таким образом, градиентная структура, полученная в заготовке диска из гранульного сплава ЭП741НП с помощью специально разработанных технологических приемов и режимов ДТО, обеспечивает градиентные механические свойства. В направлении от оси симметрии заготовки диска к периферии пластичность и прочность снижаются при одновременном повышении жаропрочности и ударной вязкости. Это объясняется переходом от микродуплексной структуры к структуре типа “ожерелье”. Укрупнение γ-зерен затрудняет зернограничное проскальзывание, что и обеспечивает повышение жаропрочности. При формировании структуры типа “ожерелье” в деформированных крупных γ-зернах, как отмечалось, формируется субструктура, стабилизированная дисперсными выделениями упрочняющей γ'-фазы. Она обеспечивает субструктурное упрочнение, способствует повышению ударной вязкости и жаропрочности [19, 20].
Сравнение полученных механических свойств со свойствами заготовки диска, полученной методом ГИП гранул разной фракции [4], показывает, что разработанные режимы ДТО обеспечивают увеличение предела прочности и пластичности примерно на 10% (табл. 2). Указанное повышение пластичности и прочности материала в результате ДТО можно объяснить повышенной однородностью структуры в мелкозернистой зоне и эффектом мелких зерен в зоне “ожерелье” в отличие от материала, полученного с помощью ГИП. При этом в области обода достигаются хорошо сбалансированные механические свойства: высокие значения длительной прочности и ударной вязкости в сочетании с высокими значениями прочности и пластичности. Полученные значения прочности, пластичности и жаропрочности намного превосходят требования ТУ. Разработанные режимы ДТО помимо повышения механических свойств и достижения градиентных свойств будут обеспечивать и более надежные эксплуатационные свойства, чем в дисках, изготовленных с помощью ГИП без использования деформационной обработки.
Таблица 2.
Способ обработки | Микроструктура | σ0.2 , МПа | σВ, МПа | δ, % | KCU, МДж/м2 | Длительная прочность, ч |
|
---|---|---|---|---|---|---|---|
ДТО – наст. работа | МЗ | 1086–1136 | 1608–1672 | 22–23 | 0.41 | T = 650°Cσ = 1050 МПа | 66 |
“Ожерелье” | 1042–1071 | 1553–1572 | 20–21 | 0.50–0.58 | 254 | ||
ГИП гранул разных фракций [4] | МЗ | 1096–1113 | 1506–1541 | 18–23.6 | – | T = 750°Cσ = 700 МПа | 109–234 |
КЗ | 1053–1081 | 1369–1422 | 16–17.6 | – | 173–249 | ||
ТУ № 05.66.183 | КЗ | 931 | 1372 | 13 | ≥0.39 | Т = 650°C σ = 980 МПа |
≥100 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработаны режимы ДТО, обеспечившие формирование в модельной заготовке диска из гранульного никелевого сплава ЭП741НП градиентной структуры – однородной мелкозернистой типа “микродуплекс” с преимущественно высокоугловыми границами зерен в центральной части заготовки (L < 0.5R) и частично рекристаллизованной типа “ожерелье” в периферийной части заготовки диска (L > 0.5R). Установлено, что градиентная структура обеспечивает градиентные механические свойства, меняющиеся в радиальном направлении заготовки диска: повышенная прочность и пластичность были достигнуты в центральной мелкозернистой зоне, повышенная жаропрочность и ударная вязкость – в периферийной зоне, в которой была сформирована структура типа “ожерелье”. Полученное в заготовке диска градиентное распределение свойств “антиподов” – прочности и жаропрочности, демонстрирует возможность получения габаритных сложнопрофильных деталей типа “диск” с комплексом свойств, наиболее полно отвечающим условиям эксплуатации. Разработанные технологические приемы и режимы ДТО могут быть использованы при изготовлении натурных дисков ГТД из высоколегированных никелевых сплавов.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант РНФ № 18-19-00685). Экспериментальные исследования были выполнены на базе Центра коллективного пользования научным оборудованием ИПСМ РАН.
Список литературы
Gayda J. Dual Microstructure heat treatment of a nickel-base alloy // Technical Memorandum NASA TM 211168. November 2001. 18 p.
Бер Л.Б. Формирование частиц γ'-фазы в процессе закалочного охлаждения гранулированного сплава ЭП741НП. Построение ТТТ-диаграмм распада γ-твердого раствора // Технология легких сплавов. 2009. № 3. С. 77–88.
Овсепян С.В., Ломберг Б.С., Бакрадзе М.М., Летников М.Н. Термическая обработка деформируемых жаропрочных никелевых сплавов для дисков ГТД // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия “Машиностроение”, спец. выпуск “Перспективные конструкционные материалы и технологии”. 2011. С. 122–130.
Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Федоренко Е.А., Егоров Д.А., Волков А.М., Чудинов А.А. Исследование возможности изготовления заготовок дисков ГТД с переменной структурой и функционально-градиентными свойствами из гранул разных фракций // Технология легких сплавов. 2011. № 4. С. 41–49.
Егоров Д.А., Гарибов Г.С., Гриц Н.М., Казберович А., Рыжова Н.А. Исследование мате-риала заготовок дисков с переменной структурой из гранул жаропрочных никелевых сплавов, изготовленных по технологии прямого ГИП // Технология легких сплавов. 2014. № 3. С. 67–77.
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.
Кузьменко М.Л., Чигрин В.С., Белова С.Е. Статическая прочность рабочих лопаток и дисков компрессоров и турбин ГТД / Учебное пособие. Рыбинск: РГАТА. 2005. 74 с.
Горобец Г.В. К расчету распределения температуры на дисках осевых компрессоров газотурбинных двигателей // Промышленная теплотехника. 2004. Т. 26. № 5. С. 37–40.
Фаткуллин О.Х., Еременко В.И., Власова О.Н., Гриц Н.М. Повышение механических свойств гранулируемых жаропрочных сплавов за счет легирования и обработки давлением // Технология легких сплавов. 2001. № 5–6. С. 149–155.
Mitchell R.J., Lemsky J.A., Ramanathan R., Li H.Y., Perkins K.M., Connor L.D. Process development & microstructure & mechanical property evaluation of a dual microstructure heat treated advanced nickel disc alloy // TMS. 2008. P. 347–356.
Gabb T.P., Kantzos P.T., Telesman J., Gayda J., Sudbrack C.K., Palsa B. Fatigue resistance of the grain size transition zone in a dual microstructure superalloy disk // Intern. J. Fatigue. 2011. V. 33. P. 414–426.
Кононов С.А., Перевозов А.С., Колачев Б.А. Структура и механические свойства гранулиро-ванного сплава ЭП741НП, полученного по технологии, включающей горячее изостати-ческое прессование и обработку давлением // Металлы. 2007. № 5. С. 86–89.
Гарибов Г.С. Металлургия гранул – основа создания перспективных авиационных двигателей // Технология легких сплавов. 2007. № 1. С. 66–78.
Ножницкий Ю.А. Проблемы применения гранулируемых сплавов в перспективных ГТД // Технология легких сплавов. 2007. № 4. С. 13–20.
Скляренко В.Г., Бубнов М.В., Пономаренко Д.А., Моисеев Н.В., Малашенко Ю.В. Изготовление заготовок дисков из сплава ЭП741НП методом ГИП с последующим деформированием // Металлургия машиностроения. 2008. № 5. С. 41–44.
Береснеев А.Г., Логунов А.В., Логачева А.И. Проблемы повышения качества жаропрочных сплавов получаемых методом металлургии гранул // Вестник МАИ. 2008. Т. 15. № 13. С. 83–89.
Суперсплавы II: жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных установок. В 2-х кн. / Под ред. Симса Ч.Т., Столоффа Н.С., Хагеля У.К. Пер. с англ. под ред. Шалина Р.Е. М.: Металлургия, 1995. 384 с.
Валитов В.А., Утяшев Ф.З., Баймурзин Р.Г. Влияние условий раскатки на структуру и свойства дисков из жаропрочного никелевого сплава ЭП962 // Авиационная промышленность. 1994. № 11–12. С. 19–24.
Зоров Н.Е. Термомеханическая обработка жаропрочных сплавов // Технология легких сплавов. 1981. № 7. С. 61–73.
Menon M.N., Reiman W.H. Tensile Behavior of Rene 95 in the Thermomechanicaly Processed Forms // Met. Trans. A. 1975. V. 6A. P. 1075–1085.
Shamblen C.E., Allen P.E., Walker P.E. Effect of Processing and Microstructure on Rene 95 // Met. Trans. A. 1975. V. 6 A. P. 2072–2083.
Клещев А.С., Корнеева Н.Н., Ноткин А.Б., Юрина О.М. Изменение структуры жаропрочных никелевых сплавов типа ЭП742 при термомеханической обработке // ФММ. 1979. Т. 47(3). С. 548–557.
Ганеев А.А., Валитов В.А. Формирование ультрамелкозернистой структуры в никелевом сплаве ЭП741НП при горячей деформации в (γ + γ')-области // Письма о материалах. 2015. № 5. С. 152–155.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Физика металлов и металловедение