INFLUENCE OF TEMPERATURE-VELOCITY DEFORMATION PARAMETERS ON STRUCTURES OF THE HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOY

Abstract


The paper aims at predicting structures of granular heat-resistant nickel alloys after hot deformation, which is significantly influenced by temperature-velocity deformation conditions. The developed method predicts the material’s structure based on stresses and temperatures arising in it during isothermal stamping. To form a required structure in granulated heat-resistant nickel alloys (HRNA), it is rational to use the conditions of close-to-isothermal or isothermal deformation. The temperature-velocity deformation conditions, which are chosen taking into account the chemical composition of the alloy and the required degree of deformation, have a significant effect on grain sizes. To assess the material structure, a relation was determined. This dependence can be obtained by experimental studies of the samples from the HRNA material, by conducting a sludge test with various degrees of deformation and by measuring the size of the γ' phase after the test. To determine the degree of influence of the deformation rate and deformation temperature on the change in the structure, microstructure studies of samples were carried out after sludge testing of HRNA with the determination of the size of the γ' phase. The microstructure was studied with a magnification of 10,000 times. We analyzed the results of studying deformability and microstructure of the HRNA alloy. According to these results, it was found that with an increase in the deformation temperature, the γ' phase both inside and at the grain boundary at all deformation rates was greater. It should be noted that low deformation rates at temperatures above 1100 ° C lead to a significant increase in the size of the γ' phase. Also there is a slight influence of the deformation temperature starting from 1100 ° C at velocities above 0.017 s-1.

Full Text

Авиационные двигатели 5-го и 6-го поколений должны обеспечивать существенное улучшение летных характеристик перспективных летательных аппаратов. С точки зрения материаловедения эту задачу можно решать путем разработки новых более эффективных материалов и технологий их производства [1-5]. В качестве материала дисков (турбин, последних ступеней компрессора) газотурбинных двигателей (ГТД) в настоящее время широко используют высоколегированные жаропрочные никелевые сплавы, в том числе, такие как ЭП741НП и ВВ751П, которые обычно изготавливают с помощью гранульных технологий [6-8]. Установлено, что для удовлетворения требованиям по прочности необходимо максимально измельчить компоненты структуры дисковых материалов (например, уменьшить размеры зерна и упрочняющих частиц γ'-фазы). А для удовлетворения требований по жаропрочности требуется структура материала с более крупными зернами и крупными частицами γ'-фазы [9-21]. Диски ГТД работают в сложных условиях значительных величин действующих механических нагрузок в поле высоких температур и неравномерного нагрева по его радиусу и толщине [1, 2]. В области ступицы диск испытывает повышенные механические нагрузки при пониженных температурах, а в области обода – нагрузки существенно меньше, но материал работает при повышенных температурах. Поэтому ступица диска должна обладать повышенной прочностью, которую обеспечивает более мелкозернистая структура материала, а обод – повышенной жаропрочностью, которую обеспечивает более крупнозернистая структура материала [2]. В связи с этим представляет значительный практический интерес получения заготовок диска с градиентной структурой [7, 8, 22-25]. В настоящее время в практике проведения расчетов кинетики напряженно-деформированного состояния широко используются программные комплексы, основанные на методе конечных элементов. Они позволяют подробно учитывать широкий ряд геометрических и других особенностей процесса деформирования, задавать реальную геометрию, условия контакта и различные модели поведения материала. Такие программные комплексы хорошо подходят для моделирования процесса изотермической раскатки, который характеризуется объемным напряженно-деформированным состоянием [26-28]. Сложность компьютерного моделирования процесса заключается в недопустимости постановки задачи, как плоской, так и осесимметричной, из-за наличия, постоянно смещающегося по спирали от центра заготовки к периферии локального очага деформации и присутствия внеконтактной деформации. При этом скорость деформации материала заготовки изменяется в процессе раскатки в широком диапазоне. В очаге деформации она максимальна и существенно (более чем на порядок) ниже в его окрестностях. Кроме того, процесс деформирования имеет циклический характер, для моделирования которого необходимо использование специальных математических моделей. Математические модели деформирования, которые доступны для проведения расчета в существующих программных комплексах, позволяющие учитывать влияние скорости деформации на кинетику напряженно-деформированного состояния не предназначены для проведения расчетов циклических процессов. Одной из ключевых задач работы является прогнозирование структуры материала после раскатки. Результаты исследований [29] показывают, что структура материала зависит не от текущего значения напряжений и деформаций, а от их изменения на протяжении всего процесса деформирования. Математические модели, позволяющие проводить оценку структуры материала в упомянутых выше программных комплексах отсутствуют.

About the authors

D. R Abashev

Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation

V. S Bondar

Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation

P. O Dikovitsky

Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation

S. V Morozov

Moscow Polytechnic University, Moscow, Russian Federation

References

  1. Иноземцев А.А., Сандарский В.Л. Газотурбинные двигатели. Часть 1 – Пермь // Изд. ОАО «Авиадвигатель». – 2006. – С. 599
  2. Gabb T.P. et al. Fatigue resistance of the grain size transition zone in a dual microstructure superalloy disk // International Journal of Fatigue. – 2011. – Т. 33. – №. 3. – С. 414-426
  3. Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропрочных материалов и технологий их производств для авиационного двигателестроения // Крылья Родины. 2012. № 3–4. С. 34
  4. Смирнов O.M. и др. Влияние комбинированного нагружения на параметры штамповки плоских дисков в состоянии сверхпластичности // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 1997. № 1. С. 1
  5. Афонин В.Л. и др. Исследования и разработка инновационных технологических процессов и интеллектуальных систем управления для изготовления деталей газотурбинных двигателей (ГТД). М.: ИМАШ, 2019. 137 с
  6. Кукса Л.В., Рудницкий Е.Н., Фаткуллин О.Х. Исследования микромеханизма деформации сплава ЭП741П при различных температурах испытания // Металлургия гранул. Сб. статей, вып. 5. ВИЛС, – 1989 г. – С. 265-271
  7. Д.А. Егоров, Г.С. Гарибов, Н.М. Гриц, А.М. Казберович, Н.А. Рыжова. Исследование материала заготовок дисков с переменной структурой из гранул жаропрочных никелевых сплавов, изготовленных по технологии прямого ГИП // Технология легких сплавов. – 2014. – №3
  8. Д.Д. Ваулин, О.Н. Власова, Л.Д. Бер, Е.Б. Качанов, О.Г. Уколова. Исследование механизма формирования структуры при горячей деформации и термической обработке заготовок турбинных дисков из гранулированного сплава ЭП741НП // Технология легких сплавов. – 2009. – №4
  9. Joe Lemsky, Assessment of NASA Dual Microstructure Heat Treatment Method Utilizing Ladish Super CoolerTM Cooling Technology // NASA/CR – 2005-213574
  10. John Gayda. Dual Microstructure Heat Treatment of a Nickel-Base Disk Alloy // NASA/TM – 2001-211168
  11. J. Gayda, T. Gabb, P. Kantzos and D. Furrer. Heat Treatment Technology for Production of Dual Microstructure Superalloy Disks // NASA/TM – 2002-211558
  12. D. Furrer and J. Gayda. Dual-Microstructure Heat Treatment. Advanced Materials and Processes. – July 2003. – pp. 36-39
  13. J. Gayda and P. Kantzos. High Temperature Burst Testing of a Superalloy Disk with a Dual Microstructure // NASA/TM – 2004-212884
  14. J. Lemsky. Assessment of NASA Dual Microstructure Heat Treatment Method for Multiple Forging Batch Heat Treatment. // NASA/NV – 2004-212950
  15. R. Montero. NASA/P W Dual Microstructure Heat Treat Program // NASA/TM – 2004-213088
  16. Кононов С.А., Перевозов А.С., Колачев Б.А. Структура и свойства гранулированного сплава ЭП741НП, полученного по технологии, включающей горячее изостатическое прессование и обработку давлением // Металлы.2007. – №5. – С. 86-89
  17. А.М. Волков, А.В. Востриков. Образование и рост зерен в дисковых гранулируемых жаропрочных никелевых сплавах // Новости Материаловедения. Наука и техника. – № 2. – 2017. – С. 3-11
  18. Валитов В.А. Исследование механизма формирования ультрамелкозернистой структуры дуплексного типа в никелевом сплаве при деформационно-термической обработке. // Материалы 10 Международной научно-инновационной молодежной конференции: 24 – 26 октября 2018. – С. 15-31
  19. Валитов В.А. Сверхпластичность жаропрочных никелевых сплавов с микро-, субмикро- и нанокристаллической структурой и перспективы ее использования для получения сложнопрофильных деталей // Тяжелое машиностроение. 2007. № 4. С. 23
  20. Tan L., Li Y, Liu F. et al. Superplastic behavior of a powder metallurgy superalloy during isothermal compression// J. of Materials Science Technology. 2019. Vol. 35. No. 11. P. 2591
  21. Утяшев Ф.З., Сухоруков Р.Ю. Механика интенсивной пластической деформации в процессах измельчения зерен в суперсплавах // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. 2022. Т. 504. С. 66
  22. Ганеев А.А., Валитов В.А., Нагимов М.И., Имаев В.М. Влияние деформационно-термической обработки на микроструктуру и сверхпластические свойства порошкового никелевого сплава ЭП741НП // Письма о материалах 10 (1). – 2020. – С. 100-105
  23. А.А. Ганеев, В.А. Валитов, Ф.З. Утяшев, В.М. Имаев. Влияние деформационно-термической обработки на формирование градиентной структуры и механических свойств в диске из гранульного никелевого сплава // Физика металлов и металловедение. – 2019. – том 120. – №4. – С. 442-448
  24. А.А. Ганеев, В.А. Валитов. Формирование ультрамелкозернистой структуры в никелевом сплаве ЭП741НП при горячей деформации в (γ+γ') – области // Письма о материалах 5(2). – 2015. – С. 152-155
  25. Волков А.М., Гарибов Г.С. Влияние температурных режимов закалки на структуру и механические свойства дискового гранулируемого жаропрочного никелевого сплава // Металлургия гранул. Композиционные материалы. – 2013. – № 2. – С. 51-56
  26. Бурлаков И.А., Валитов В.А., Ганеев А.А., Забельян Д.М., Морозов С.В., Сухоруков Р.Ю., Утяшев Ф.З. Моделирование структурообразования в процессе горячей деформации заготовок деталей ГТД из жаропрочного никелевого сплава // Проблемы машиностроения и автоматизации. – 2016. – №1. – С. 94-101
  27. Бурлаков И.А., Морозов В.В., Морозов С.В. Автоматическая линия для изотермической раскатки заготовок дисков газотурбинных двигателей // Заготовительные производства в машиностроении. – 2012. – № 5. – С. 26-28
  28. Морозов С.В., Морозов В.В. Методы расчета сил деформирования при раскатке дисков из жаропрочных сплавов на автоматической линии АЛРД-800. Труды международной научной конференции «Машины, технологии и материалы для современного машиностроения» // М.: Изд-во «Институт компьютерных исследований». – 2013. – С. 69
  29. Кайбышев О.А., Утяшев Ф.З. Cверхпластичность, измельчение микроструктуры и обработка труднодеформируемых сплавов // М:. Наука, – 2002. – 438с
  30. Утяшев Ф.З., Валитов В.А. Термомеханические режимы получения ультрамелкозернистых структур в жаропрочных никелевых сплавах // Технология легких сплавов. – 1989. – №2. – С. 63-67
  31. ГОСТ 25.503-97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие // М.: Стандартинформ. – 2005. – 25 с
  32. ГОСТ 8817-82 (СТ СЭВ 2839-81) Металлы. Метод испытания на осадку// М.: Издательство стандартов. – 1987. – 3

Statistics

Views

Abstract - 2

PDF (Russian) - 2

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Abashev D.R., Bondar V.S., Dikovitsky P.O., Morozov S.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies