Введение

Увеличение ресурса авиационных двигателей требует создания материалов с высоким уровнем физико-механических свойств. Новые материалы должны превосходить аналоги по рабочей температуре, удельным прочностным характеристикам, не иметь чувствительности к концентраторам напряжений [1]. Разработка современных конкурентоспособных материалов для ГТД нового поколения основана на неразрывности концепции «материал–технология–конструкция» [2].

Одной из проблем металловедения современных деформируемых жаропрочных никелевых сплавов является создание материала с высокой жаропрочностью при температурах ˃650°С без потери кратковременной прочности. Среди отечественных дисковых сплавов наибольшим значением жаропрочности при 750°С обладает отечественный гранулируемый сплав разработки ВИЛС марки ВВ750П – 755 МПа (при прочности 1501 МПа), однако его рабочая температура без защитного покрытия ограничена 650°С из-за неудовлетворительной стойкости к сульфидно-оксидной коррозии при 750°С. Высокий уровень кратковременной прочности при 20°С имеет отечественный деформируемый сплав марки ВЖ175, разработанный во ФГУП «ВИАМ»: 1600 МПа, однако его жаропрочность при 750°С несколько ниже: 638 МПа. Перспективным зарубежным аналогом является гранулированный никелевый сплав марки LSHR с характеристиками: 1700 МПа и      680 МПа [3–7].

Для изготовления дисков турбин малоразмерных ГТД из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов во ФГУП «ВИАМ» разработана технология изотермической штамповки, обеспечивающая формирование регламентированной структуры материала штампованных заготовок. Отличительной особенностью новой комплексной энерго- и ресурсосберегающей технологии, по сравнению с зарубежными, является то, что высокотемпературная деформация заготовок производится на воздухе, а не в вакуумных установках с молибденовыми штампами [8–11].

Известно, что структурно-фазовое состояние во многом определяет свойства жаропрочных поликристаллических никелевых сплавов. Структура современных высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов весьма чувствительна к термомеханической и термической обработке – например, температуру закалки необходимо подбирать индивидуально для каждой плавки, так как температура полного растворения основной упрочняющей γ′-фазы (Т_п.рγ′) может сильно меняться в пределах паспортного химического состава сплава [12–16].

С целью создания материала для дисков ГТД, рассчитанных на длительную эксплуатацию при температурах 750–800°С, во ФГУП «ВИАМ» выполнена НИР по разработке нового жаропрочного деформируемого сплава (ВЖ177) с уровнем жаропрочности 765 МПа и пределом прочности при растяжении 1500 МПа. Для определения оптимальных технологических параметров получения заготовок дисков проведено исследование влияния термомеханической и термической обработки на структуру и характеристики длительной  и кратковременной (σ_в) прочности нового сплава ВЖ177.

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

Материал для исследования – новый высокожаропрочный деформируемый сплав ВЖ177 на основе никеля системы легирования Ni–Co–Cr–W–Mo–Ta–Al–Ti–Nb–C. Сплав получали путем вакуумно-индукционной выплавки с последующим переплавом в слитки методом высокоградиентной направленной кристаллизации (ВГНК).

Микроструктуру сплава ВЖ177 в различных состояниях исследовали на протравленных микрошлифах с помощью оптического микроскопа Olympus GX-51 и растрового электронного микроскопа JSM-6490LV. Локальный химический состав определяли методом количественного микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) на аппарате «Суперпроб-733».

Температуры фазовых превращений в литом состоянии определяли методом дифференциального термического анализа на установке для измерения теплоемкости DSC404F1.

Фазовый состав сплава исследовали методом, основанным на электрохимическом изолировании фаз, с последующим рентгеноструктурным анализом изолятов на дифрактометре D/MАХ-2500 фирмы Rigaku в Cu K_α-излучении. Обработку дифрактограмм проводили с помощью специализированной программы Jade 5 и базы данных PDF-2.

Испытания при растяжении выполнены в соответствии с ГОСТ 1497–84 на цилиндрических образцах с рабочей частью Ø5 мм. Испытания на длительную прочность проводили на аналогичных образцах по ГОСТ 10145–81 при температуре 750°С с постоянным напряжением 765 МПа. Испытания на ударную вязкость (KCU) проводили по ГОСТ 9454–78.

Результаты и обсуждение

Комплексная технология получения заготовок дисков из никелевых жаропрочных сплавов включает: вакуумно-индукционную выплавку слитков с последующим переплавом методом высокоградиентной направленной кристаллизации (ВГНК)→гомо-генизационный отжиг→изотермическую штамповку слитков→термическую обработку заготовок дисков. Далее представлены результаты исследований – начиная с гомогенизации слитка и заканчивая термической обработкой деформированных заготовок.

Микроструктура сплава в исходном состоянии
и после гомогенизационного отжига

В литом состоянии сплав ВЖ177 имеет типичную дендритную структуру с большой долей эвтектики в междендритных областях и карбидами типа МеС, а также небольшое количество избыточной фазы на основе системы Ni–Co–Cr–Nb–Mo (рис. 1, а). Больший объем эвтектики в сплаве ВЖ177 (по сравнению с другими деформируемыми жаропрочными сплавами) обусловлен повышенным суммарным содержанием γ′-образующих и тугоплавких легирующих элементов. Для обеспечения длительной работоспособности при высоких температурах сплав ВЖ177 максимально легирован танталом и вольфрамом, их сумма (8,4% (по массе)) существенно выше, чем у всех современных зарубежных и отечественных дисковых сплавов:

Наличие эвтектики отрицательно сказывается при последующей деформации и, как правило, приводит к образованию трещин вдоль границ фазового раздела, поэтому процессу гомогенизации сплава ВЖ177 необходимо уделить особое внимание.

По данным дифференциального термического анализа (ДТА) температура сольвус сплава ВЖ177 находится несколько выше 1220°С, при этом металлографические исследования показали, что активное растворение эвтектики происходит при температурах ≥1210°С (рис. 1, б). С учетом столь узкого температурного интервала гомогенизации, в работе исследовали влияние продолжительности выдержки (от 6 до 12 ч) при температуре отжига 1220±5°С (рис. 1 в, г). Максимальное растворение эвтектической составляющей происходит после отжига в течение 12 ч (рис. 1, г), однако после гомогенизации в сплаве все же остается небольшое ее количество.

Методом МРСА исследовали состав легирующих элементов в осях дендритов первого порядка (С_д) и в межосном пространстве (С_м.д) образцов в литом и гомогенизированном состоянии. Как видно из данных табл. 1, коэффициенты ликвационной неоднородности (K_л=С_д/С_м.д) после отжига в течение 12 ч при 1220±5°С равны 1±0,2, что свидетельствует о завершении процесса гомогенизации. Увеличение продолжительности отжига более 12 ч не приводит к дополнительным изменениям в микроструктуре. Для проведения дальнейших исследований слитки, выплавленные методом ВГНК, термически обрабатывали по режиму: при 1220±5°С в течение 12 ч.

Рис. 1. Микроструктура образцов из сплава ВЖ177 в литом состоянии после
ВГНК-переплава (а) и после гомогенизационного отжига, проведенного по режимам: 1210°С,
8 ч (б); 1220±5°С с выдержкой 6 (в) и 12 ч (г)

Таблица 1

Коэффициенты ликвации легирующих элементов в литом и гомогенизированном

состоянии образцов из сплава ВЖ177

* K_л=С_д/С_м.д.

Микроструктура сплава после деформации

Для достижения высоких и стабильных характеристик механических свойств в поликристаллических жаропрочных никелевых сплавах необходимо на этапе деформации сформировать однородную мелкозернистую рекристаллизованную структуру.

С учетом высокого уровня легирования сплава ВЖ177, исследовали влияние высокотемпературных отжигов между деформациями для рекристаллизации металла по двум режимам:

– режим 1 – многостадийная деформация при постоянной температуре с промежуточными отжигами по режиму Т_отж=Т_деф+(20÷40)°С;

– режим 2 – многостадийная деформация при постоянной температуре с отжигами между первыми операциями осадки при температуре гомогенизации и отжигами между окончательными операциями деформации, как в режиме 1.

Деформацию заготовок из сплава ВЖ177 проводили на гидравлических прессах в условиях, близких к изотермическим (температура нагрева штампового инструмента составляла 950–980°С), общая степень деформации для обоих режимов: ~80% по высоте.

Рис. 2. Микроструктура после деформации по режиму 1 (а) и 2 (б)

Микроструктурные исследования показали, что после деформации формируется однородное микрозерно 10 балла по ГОСТ 5639–82 (рис. 2). В структуре видны равномерно распределенные выделения γ′-фазы различной дисперсности. Кроме того, по сравнению с режимом 1, в процессе термомеханической обработки по режиму 2 остатки эвтектической фазы практически полностью устраняются (рис. 2, б).

Микроструктура и механические свойства сплава
после закалки с последующим старением

Окончательное формирование структуры происходит в процессе термической обработки – закалки с последующим старением. В данной работе исследовано влияние температуры закалки на микроструктуру и свойства образцов из сплава ВЖ177, обработанных по режиму 2. Старение для всех вариантов закалки проводили по одинаковому режиму. Выбраны температуры закалки (1190–1215°С), обеспечивающие в процессе термической обработки получение структуры с различным размером микрозерна: мелким – от 20 до 30 мкм (7–8 балл), средним – от 40 до 60 мкм (5–6 балл) и крупным – от 100 до 180 мкм (2–3 балл).

На рис. 3 показаны микроструктуры с различным размером зерна в зависимости от режима термообработки. Исследование образцов методами РЭМ и МРСА показало, что после полной термической обработки во всех образцах наблюдаются зерна γ-твердого раствора с дисперсными частицами интерметаллидной γ′-фазы (рис. 3, е). По границам зерен наблюдаются более крупные, по сравнению с телом зерна, частицы γ′-фазы, а также карбиды (рис. 3, г, д).

С помощью МРСА исследован локальный химический состав. Состав γ-матрицы и γ′-фазы типичен для такого класса сплавов. По результатам физико-химического фазового анализа (ФХФА) после термической обработки не обнаружены карбиды на основе соединений Ме₆С и Ме₂₃С₆, отрицательно влияющие на свойства, в первую очередь – на пластичность.

Рис. 3. Микроструктуры:

а, б, в – общий вид (а – крупное зерно, б – среднее, в – мелкое); г – вторичные карбиды;
д – границы зерен; е – упрочняющая γ′-фаза

Сравнительные исследования основных механических свойств проводили на образцах, прошедших термомеханическую обработку по режиму 2. Статистические данные собраны по десяти образцам для каждого исследования. Результаты испытаний (средние значения) представлены в табл. 2.

Таблица 2

Механические свойства после различных режимов полной термической обработки

Наибольшее значение жаропрочности получено на образцах с крупнозернистой микроструктурой, однако при этом заметно сильное снижение кратковременной прочности и пластичности, что типично для сплавов данного класса. Оптимальным комплексом свойств обладают образцы со средним баллом зерна – они показали высокую жаропрочность при высоких значениях предела прочности и текучести при комнатной температуре.

Имитация наработки для оценки структурно-фазовой стабильности сплава

Оценку структурно-фазовой стабильности (табл. 3) сплава ВЖ177 проводили на образцах со средним баллом зерна – имитацией наработки при рабочей температуре (выдержка 1050 ч при 750°С).

 Таблица 3

Свойства после термической обработки* и последующей выдержки
в течение 1050 ч при 750°С (средние значения)

* Режим термомеханической обработки 2, термообработка на 5–6 балл зерна.

Видно, что после длительной имитации наработки (1050 ч) при рабочей температуре 750°С прочность снижается незначительно – на 2%, предел текучести – на 9%, пластичность уменьшается не более чем на 13%. Время до разрушения при испытаниях на длительную прочность сохраняется на уровне исходного состояния.

Рис. 4. Микроструктура образцов после термической обработки (а) и выдержки 1050 ч при 750°С (б); первичные карбиды по границам зерен после термообработки (в) и выдержки (г)

По сравнению с исходным (термообработанным) состоянием после длительной выдержки в течение 1050 ч при температуре 750°С в микроструктуре наблюдается коагуляция частиц вторичной γ′-фазы (рис. 4, а, б), а также увеличение вторичных карбидов по границам зерен и границам (γ/γ′)-фаз (рис. 4, в, г), что является причиной снижения пластичности. Выделений ТПУ фаз не обнаружено.

Заключение

Для нового высоколегированного жаропрочного сплава ВЖ177 исследовано влияние параметров термомеханической и термической обработок на структуру и механические свойства. Определены оптимальные режимы гомогенизационного отжига, изотермической штамповки, промежуточных рекристаллизационных отжигов, а также окончательной термической обработки.

Для получения равномерной рекристаллизованной структуры без избыточных фаз необходимо проводить многостадийную изотермическую штамповку с отжигами при температуре 1220±5°С на первых этапах.

Высокий уровень механических свойств материала при комнатной и рабочей температурах обеспечивает термическая обработка, состоящая из закалки при температуре Т_п.р-10°С и двойного старения. Структура после обработки равномерная, размер зерен матрицы 30–50 мкм.

Исследования обработанного по оптимальному режиму сплава ВЖ177 (после выдержки в течение 1050 ч при 750°С в качестве имитации наработки) показали структурно-фазовую стабильность и длительную работоспособность материала.