ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 5, 2013
УДК 669.018.2:621.77/.78:621.7.04/.06/.07
© 2013 г. Утяшев Ф.З., Бурлаков И.А., Гейкин В.А., Морозов В.В., Мулюков Р.Р.,
Назаров А.А., Сухоруков Р.Ю.
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ РАСКАТКИ
ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ РОТОРА ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
Изложены основные положения технологии раскатки дисков газотурбинных двигателей в условиях сверхпластичности. Благодаря глубокой материаловедческой подоплеке, технология обеспечивает высокую эффективность процесса, универсальность оборудования, возможность получения с минимальными затратами заготовок с высокой точностью приближения к чистовой детали, а также создание структурных состояний, отвечающих наилучшему комплексу эксплуатационных свойств деталей [1, 2]. Показано, что существенную роль в технологии раскатки играют сверхпластические условия деформирования, которые, в отличие от простой изотермической деформации, позволяют получать в дисках либо однородную структуру и изотропные свойства, либо регламентированную градиентную структуру, соответствующую реальным температурно-силовым условиям эксплуатации разных частей дисков ротора газотурбинных двигателей.
Диски роторов газотурбинных двигателей (ГТД) при эксплуатации подвергаются воздействию высокого давления сильно разогретого газа и значительных центробежных сил. По этой причине их изготавливают из сложнолегированных жаропрочных сплавов на основе никеля, титана и железа. Наиболее дорогостоящими являются жаропрочные никелевые сплавы. В сущности, современные гетерофазные жаропрочные сплавы при эксплуатации представляют собой наноструктурированные материалы. Свыше 50% объема в них занимают наноразмерные частицы интерметаллидной у'-фа-зы. Эти частицы, образуя с сильнолегированной матрицей стабильные когерентные границы и являясь стопорами для дислокаций, обеспечивают сплавам высокую жаропрочность при эксплуатации. Вместе с тем, дисперсная у'-фаза, оказывая большое сопротивление сдвигу и резко снижая пластические свойства матрицы, представляющей собой сложнолегированный твердый раствор, существенно затрудняет процесс обработки таких сплавов давлением. По этой причине процессы горячей ковки и штамповки дисков отличаются чрезвычайной трудоемкостью и обеспечивают низкий, не превышающий 10—15%, коэффициент использования металла. При этом из-за неравномерного распределения деформации в дисках формируется неоднородная структура, вследствие которой конструкционная прочность деталей оказывается ниже потенциально возможной.
В отличие от российских предприятий, ведущие мировые производители авиадвигателей для изготовления дисков используют сверхпластическую штамповку. Для этого процесса требуются дорогостоящие вакуумно-штамповочные комплексы, включающие вертикальные пресса с усилием около 20000 т и большую номенклатуру массивных штампов, выполняемых из дефицитных молибденовых сплавов. В качестве исходных заготовок западные компании используют порошковые сплавы, деформи-
рованные с большими степенями на мощных горизонтальных прессах. После такой деформационной и последующей термической обработки дисковые сплавы приобретают необходимую однородную структуру с оптимальным размером зерен, обеспечивающим им высокие эксплуатационные свойства.
В России порошковые диски получают спеканием порошка в газостатах, без существенной деформационной проработки, что не позволяет достичь максимального уровня механических свойств, характерных для деформированных жаропрочных сплавов. Кроме того, для этих процессов характерен низкий коэффициент использования металла и высокая вероятность неисправимого брака из-за огрубления структуры вследствие неоднородной деформации.
Оснащение российских предприятий оборудованием и технологиями, используемыми за рубежом, требует громадных инвестиций, что вряд ли оправданно. Для отечественных предприятий важно использовать свои национальные достижения. К таковым еще в период существования Минавиапрома СССР была отнесена технология раскатки дисков и других осесимметричных деталей ГТД в условиях сверхпластичности. Наряду с существенной экономией материала, энергии и трудозатрат, эта технология позволяет получать изделия, отличающиеся высокими свойствами, надежностью и повышенным ресурсом эксплуатации.
В настоящей статье рассмотрены основные научные положения, используемые в технологии раскатки дисков ГТД в условиях сверхпластичности [1, 2], обеспечивающие более высокую эффективность процесса их изготовления и качество по сравнению с традиционными процессами.
Раскатка дисков из жаропрочных сплавов в условиях сверхпластичности как деформационная нанотехнология. К нанотехнологиям относят процессы обработки материалов, в которых вследствие воздействия на наноразмерные элементы структуры или их синтеза полуфабрикаты и изделия приобретают высокие технологические и эксплуатационные свойства. По сути, технология раскатки дисков из жаропрочных никелевых сплавов является нанотехнологией. На первом этапе, посредством деформационно-термической обработки в жаропрочных сплавах изменяют состояние наноразмер-ных интерметаллидных частиц. Их укрупняют до размеров 300—1000 нм, меняют место их расположения от внутризеренного к межзеренному. При этом изменяют и тип межфазных границ, которые преобразуются от когерентных к некогерентным высокоугловым границам. Одновременно до размеров от одного до нескольких микрометров измельчают зерна матрицы, границы которых вследствие адсорбции решеточных дислокаций приобретают неравновесное состояние. В результате такого преобразования структуры жаропрочные сплавы приобретают противоположные свойства — при температурах, близких к температуре эксплуатации, они теряют жаропрочность и приобретают сверхпластичность. Причиной такого кардинального изменения свойств является существенное увеличение расстояния между частицами у'-фазы и рост протяженности границ зерен и фаз, что облегчает внутризеренную деформацию матрицы и проскальзывание по границам зерен и фаз. Благодаря такому преобразованию структуры, жаропрочные сплавы приобретают не только высокую пластичность, но и низкое напряжение течения, что важно для снижения нагрузки на инструмент и мощности деформирующего оборудования.
На втором этапе осуществляют формообразование дисков методом раскатки в условиях сверхпластичности, а в завершение производят термообработку дисков с целью наделения их высокой прочностью и жаропрочностью. Иными словами, зерна матрицы обратно укрупняют, частицы у'-фазы уменьшают до нанометрических размеров, а межфазные границы преобразуют в когерентные. Таким образом, путем деформационно-термического воздействия достигается управление размерами и характером расположения наноразмерных элементов структуры жаропрочных сплавов — переход от нанометрических размеров до микрометрических, от строго совпадающей направленности кристаллографических осей на межфазных у/у' границах до большеугловых ра-зориентировок и обратно, благодаря чему сначала осуществляется переход от нетех-
4 ПМ и НМ, № 5
97
нологичных жаропрочных свойств до технологичных сверхпластичных свойств, а затем в готовом изделии восстанавливаются свойства жаропрочности.
Что касается дисковых сплавов на основе титана, то их пластические свойства даже при наличии исходной пластинчатой структуры с наноразмерными выделениями а-фазы остаются высокими. Однако, с точки зрения технологичности деформации, для этих сплавов также важно применять заготовки с микрокристаллической структурой, получаемой в результате предварительной деформации, в ходе которой происходит преобразование пластинчатой нанофазы в скоагулированную фазу.
Технологичность микрокристаллических материалов и обработка в условиях сверхпластичности. Технологичность материала — это совокупность свойств, обеспечивающих возможность изготовления из него изделий с заданным качеством при минимальных затратах. В процессах обработки металлов давлением технологичность материала определяется не только характеристиками пластичности и деформируемости материала, но и рядом других, не менее важных параметров. В их числе допустимые рамки изменений режимов обработки и их контролируемость. Особенно важной при изготовлении изделий ответственного назначения является гарантированность и надежная контролируемость структуры и физико-механических свойств, приобретенных материалом в результате деформации. В этом отношении несомненным преимуществом обладают материалы с микрокристаллической структурой, хотя их получение требует дополнительных трудозатрат. Выделим технологические аспекты преимуществ, которые предоставляет применение металлокристаллических материалов в обработке металлов давлением.
Деформируемость. Обычно конструкционные многофазные сплавы в зависимости от метода изготовления из них деталей разделяют на литейные и деформируемые. Литейные сплавы должны иметь повышенную жидкотекучесть, малую усадку, минимальное газопоглощение и ряд других характеристик, необходимых для получения из них качественных изделий литьем. Вместе с тем, для придания изделиям из литейных сплавов их сильно легируют множеством элементов, поэтому эти сплавы обладают низкой для обработки давлением технологичностью.
Методами обработки металлов давлением детали изготавливают из деформируемых сплавов. Эти сплавы должны обладать достаточной в исходном литом состоянии пластичностью для обработки давлением, поэтому они легируются в меньшей степени, чем литейные сплавы того же класса. Потенциал механических свойств сложнолеги-рованных литейных сплавов можно было бы использовать для повышения конструкционной прочности деталей, если их получать не литьем, а методами обработки металлов давлением. Однако этому препятствует отмеченная низкая технологичность литейных сплавов.
С открытием и систематическим изучением явления сверхпластичности металлов и сплавов выяснилось, что высокопластичными могут быть практически все кристаллические материалы. В классе металлов таковыми становятся даже хрупкие литейные чугуны [3] и сложнолегированные жаропрочные сплавы. Более того,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.