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 (δ^20°, ψ^20°, KCU^20°).

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 (Т_п.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 Т_п.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 Т_п.рγ¢

Рис. 2. Изменение температуры Т_п.рγʹ в зависимости от суммы основных упрочняющих
элементов сплава ЭП742-ИД

Из приведенных на рис. 2 данных видно, что изменение значений температуры Т_п.рγʹ в зависимости от плавочного химического состава составляет порядка 10–12°С. Такая разница по значениям температуры (рис. 3) приводит при Т_{закалки}>Т_п.рγʹ к заметному укрупнению зерна и существенному снижению пластических характеристик (δ, ψ, KCV), а при Т_{закалки}<Т_п.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 Т_п.рγʹ (в)

В ранее проведенных исследованиях [12–15] показано, что оптимальный комплекс механических свойств штамповок дисков соответствует температуре закалки после окончательной термообработки, равной Т_п.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 (>Т_п.рγʹ) в интервале температур (Т_п.рγʹ+5°С)÷(Т_п.рγʹ+45°С) – рис. 4 и 5. Как видно из приведенных фотографий, уже при температуре Т_п.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 – <Т_п.рγʹ; б – Т_п.рγʹ+5°С; в – Т_п.рγʹ+25°С; г – Т_п.рγʹ+45°С

Рис. 5. Микроструктура (×100) центральной части пресс-прутка ø150 мм после различных температур отжига:

а – Т_п.рγʹ+5°С; б – Т_п.рγʹ+25°С; в – Т_п.рγʹ+45°С

Рис. 6. Микроструктура (×100) по сечению пресс-прутка после отжига при температуре Т_п.рγʹ+25°С:

а – край прутка; б – 1/2 радиуса; в – центр прутка

Для эксперимента выбрана температура Т_п.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 Т_п.рγʹ+25°С, по серийной технологии изготовлены штамповки шифра ИШО-90. На рис. 7 приведена микроструктура из кольцевого припуска штамповки после окончательной термообработки (Т_{закалки}=Т_п.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 Т_п.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)

Проверка выявленных закономерностей на большем количестве заготовок подтвердила полученные значения.

Заключение

Проведение отжига перед деформацией при температуре на 15–25°С выше Т_п.рγʹ позволяет повысить стабильность пластических свойств (δ, ψ, KCU) штамповок из сплава ЭП742-ИД, а также существенно снизить количество повторных испытаний и повторных термообработок.