ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-СКОРОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА

Аннотация


Рассматриваются некоторые вопросы, связанные с возможностью прогнозирования структуры гранульных жаропрочных никелевых сплавов после горячей деформации, существенное влияние на которую оказывают температурно-скоростные условия деформации. Разработан метод прогнозирования структуры материала по возникающим в нем в процессе изотермической штамповки напряжениям и температурам. Для формирования требуемой структуры в гранулируемых жаропрочных никелевых сплавах (ЖНС) рационально использовать условия изотермической или близкой к ней деформации. Существенное влияние на размеры зерен при этом оказывают температурно-скоростные условия деформации, которые выбирают с учетом химического состава сплава и требуемой степени деформации. Для оценки структуры материала была определена зависимость. Эта зависимость может быть получена путем экспериментальных исследований образцов из материала ЖНС, путем проведения испытания на осадку с различными степенями деформации и замере размера γ'-фазы после испытания. Для определения степени влияния скорости деформации и температуры деформации на изменение структуры были проведены исследования микроструктуры образцов после испытания на осадку из ЖНС с определением размера γ'-фазы. Было выполнено исследование микроструктуры с увеличением 10000 раз. Проведен анализ результатов исследований деформируемости и микроструктуры сплава ЖНС. По результатам проведенных исследований было установлено, что с увеличением температуры деформации отмечается укрупнение γ'-фазы как внутри, так и на границе зерен при всех скоростях деформации. При этом следует отметить, что малые скорости деформации при температурах выше 1100 °С приводят к значительному росту размера γ'-фазы. А также незначительное влияние температуры деформирования начиная с 1100 °С при скоростях выше 0,017 с-1.

Полный текст

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.

Об авторах

Д. Р Абашев

Московский политехнический университет, Москва, Российская Федерация

В. С Бондарь

Московский политехнический университет, Москва, Российская Федерация

П. О Диковицкий

Московский политехнический университет, Москва, Российская Федерация

С. В Морозов

Московский политехнический университет, Москва, Российская Федерация

Список литературы

  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

Статистика

Просмотры

Аннотация - 8

PDF (Russian) - 4

Cited-By


PlumX


© Абашев Д.Р., Бондарь В.С., Диковицкий П.О., Морозов С.В., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах