Аннотация

В современном энергетическом машиностроении наблюдается тенденция повышения рабочих параметров (температура, давление, скорость), которые требуют применения сплавов повышенной прочности, в частности повышенной жаропрочности, что вновь делает актуальным вопрос применения хромистых сталей мартенситного класса [1].

Эти стали восполняют «температурный разрыв» между низколегированными сталями перлитного класса и высоколегированными аустенитного класса. Применение 12%-х хромистых сталей рассчитано на интервал температур 560...620°С, при этом основное преимущество по сравнению с низко- и среднелегированными сталями перлитного класса заключается в повышенной стойкости к газовой коррозии [1], а главный недостаток — в высоком разбросе свойств и пониженных вязкопластических характеристиках для заготовок большого сечения.

По заказу компании «Силовые машины» на мощностях ООО «АЭМ—Спецсталь» (филиал АО «АЭМ—Технологии») и с использованием технологии этого предприятия изготовлены заготовки из стали Х12CrMoWVNbN1011 для проекта ГТЭ-65. Свойства заготовок были регламентированы техническими требованиями на поставку. В работе проведено исследование однородности свойств и структуры по сечению диска после полного цикла изготовления и корреляции свойств сдаточных проб со свойствами в объеме диска. Предложены направления по корректировке технологии, приведены результаты испытаний заготовок после корректировок.

Материал и методика исследования  

Предметом исследования служила заготовка диска четвертой ступени ГТЭ-65 производства ООО «АЭМ—Спецсталь» (АО «АЭМ—Технологии»). Технология изготовления включала в себя выплавку слитка марочного состава, с последующим электрошлаковым переплавом электрода в слиток с пониженным содержанием серы в соответствии с SEW 555.

Рис. 1. Схема разрезки заготовки и отбора проб

Перед операцией ковки проводился отжиг слитка по режиму трехкратного нагрева на температуру ниже Ас1 с суммарной выдержкой более 100 часов.

Исходная заготовка находилась в донной части слитка, операция ковки заключалась в протяжке слитка до заданных значений длины и диаметра, разрезка его на части, осадка каждой части до заданной высоты.

После ковки были проведены операции неразрушающего контроля и термообработки с получением конечных свойств детали. Механические свойства сдаточных испытаний контролировались на тангенциальных образцах внешнего обода (рис. 1), по результатам испытаний заготовка соответствовала международным требованиям TLV 8258 81 Siemens AG для V64.A и ТТ №61.800-0001.001Д АО «СМ».

Для исследований свойств и структуры заготовка диска разрезалась на части таким образом, чтобы можно было провести испытания свойств детали в области ступицы, половины радиуса диска и обода, схема разрезки приведена на рис. 1а.

Из каждой пробы были изготовлены тангенциальные образцы для анализа химического состава по ГОСТ Р 54153-2010, испытаний на растяжение по ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 9651-84, ударный изгиб при комнатной температуре по ГОСТ 9454-78, определение температуры вязкохрупкого перехода (FATT) по ГОСТ Р ИСО 148-1-2013, анализа микроструктуры по ГОСТ 5639-82, из зоны ступицы дополнительно исследовались радиальное и высотное направления [2-7].

Результаты исследования

Анализ химического состава подтверждает заявленную высокую чистоту по сере и фосфору, при этом ликваций по легирующим элементам и примесям в анализируемых зонах не обнаружено, концентрация ниобия ниже требований ТТ на 0,01 %, что, по-видимому, связано с особенностями инструментального — (экспрессанализа) химического состава.

Рис. 2. Механические свойства заготовки по сечению

Механические свойства по сечению диска обладают хорошей повторяемостью, различия по пределу текучести между исследованными зонами не превышают 7%. Свойства в различных направлениях также характеризуются высокой сопоставимостью, различия между пределами текучести в тангенциальном, высотном, радиальном направлениях не превышают 5 % (рис. 1б).

Измерение твердости коррелирует с прочностными характеристиками. Анализ распределения твердости на сечении исследуемой пробы показывает хорошую сходимость свойств в радиальном и высотном направлении, что является дополнительным подтверждением однородности структуры внутри каждой из исследуемых зон.

Установлено, что все исследуемые зоны обладают одинаковым соотношением предела текучести к временному сопротивлению, равному 0,9. Прочностные характеристики снижаются по направлению от внешнего обода к центру диска.

Энергия удара единичных значений меняется в диапазоне от 13 до 46 Дж, средние значения варьируются в более узком интервале — от 18 до 31 Дж. Работа удара по объему диска меняется нелинейно, наименьшие значения зафиксированы со стороны поверхности А и в центре исходной заготовки (область 7). Наибольшие значения работы удара получены в области внешнего обода диска со стороны поверхности Б (на удалении 160 мм от сдаточных проб). Результаты испытаний обобщены на рис. 2.

Очевидно, что изменение свойств по сечению заготовки связано с влиянием температурных полей по объему заготовки во время ТО и кинетикой реализованных превращений.

Для объяснения полученных тенденций изменения свойств и оценки реализованных превращений проведен анализ микроструктры заготовки.

Рис. 3. Микроструктура заготовки: а) Х200, структура диска из стали  12CRMOVWNBN10-1-1 после финального ТО; б) Х500, микроструктура зоны 1Т; в) Х1000, микроструктура зоны 4Т; г) Х1000, микроструктура зоны 1Т

Сталь после проведенной обработки обладает структурой отпущенного мартенсита (рис. 3а), подобная структура обнаружена на всех исследуемых пробах. Морфология и ориентация кристаллитов a-Fe позволяют сделать вывод, что начало мартенситного превращения имеет относительно высокую температуру (300°С), мартенсит характеризуются как реечный. Отличие между анализируемыми участками заключаются в размере бывших аустенитных зерен и степени отпущенности мартенсита.

Бывшая аустенитная структура характеризуется как крупнозернистая, условный средний диаметр бывшего аустенитного зерна варьируется от 390 мкм на периферии до 580 мкм в центре заготовки, при этом не обнаружено четкой взаимосвязи между размером зерна и энергией удара. Однако области с меньшим размером бывшего аустенитного зерна в целом характеризуются более высокими показателями вязкопластических характеристик.

Главной особенностью микроструктуры объема диска с низкими значениями энергии удара (зона 1Т, 2Т, 3Т, 5Т, 7Т) является непрерывная оторочка выделений по границам бывших аустенитных зерен (рис. 3 б, г — показана стрелкой). Наличие оторочки выделений объясняет низкое значение энергии удара [8]. Примечательно, что микроструктура областей с высокими показателями работы удара отсевает непрерывные выделения по границам: так, в микроструктуре зоны 4Т (рис. 3в) обнаружены отдельные крупные выделения округлой формы как по телу, так и по границам зерен. Предположительно, непрерывные выделения интерпретированы как карбиды типа Ме23С6 [8], а прерывистые крупные выделения как карбиды МеС [8], для более точного анализа необходимо провести микрорентгеноспектральный анализ и рентгеноструктурный фазовый анализ.

Табл. Сравнение свойств диска до и после корректировки технологии

Различие предела текучести между исследуемыми областями также объясняется механизмом зарождения и роста карбидных выделений. Так, области с пониженным пределом текучести имеют преимущественное расположение выделений по границам зерен, а области с высоким пределом текучести выделения — внутри зерен. Следовательно, на этапе ТО необходимо реализовать условия, позволяющие обеспечить внутризеренное зарождение частиц.

На основе исследований структуры и свойств диска 4-й ступени турбины ГТЭ-65 были проведены корректировки технологии ковки и ТО, что позволило повысить однородность структуры и свойств по сечению, сходимость результатов описывается полосой разброса в пределах 2%, со средними характеристиками работы удара не менее 30 Дж. Сравнение свойств до корректировки технологии и после нее приведено в табл.

Вывод

 1. Проведен анализ технологии изготовления крупногабаритных поковок из мартенситной хромистой стали по технологии компании «АЭМ—Спецсталь («АЭМ—Технологии»).

2. Проведен макрои микроструктурный анализ образцов, отобранных из сдаточных проб и внутренних объемов загатовки.

3. Установлено, что в микроструктуре объемов с пониженной энергией удара наблюдаются непрерывные оторочки выделений по границам бывших аустенитных зерен, в микроструктуре объемов с высокой энергией удара отсутствуют непрерывные выделения по границам. Объемы металла с наибольшими прочностными характеристиками имеют преимущественное выделение карбидов внутри ферритных зерен. Для обеспечения баланса прочностных и вязкопластических характеристик необходимо за счет корректировки режима ТО обеспечить внутризеренное зарождение частиц.

3. Проведена корректировка технологии изготовления заготовок, позволившая получить значительный прирост прочностных и вязкопластических характеристик по всему объему диска.

4. Проведены испытания механических свойств сдаточных проб и металла из внутренних объемов заготовки.

5. Установлено, что до корректировки технологии разброс значений прочностных характеристик составлял 7%, после корректировки технологии — 2%. Минимальная работа удара металла, отобранного из заготовки в районе ступицы, составляет 18 Дж, после корректировки — 40 Дж. Температура хрупкого перехода снизилась с 50 до 24 о С после корректировки технологии.

Список использованных источников

1. Борздыка А.М., Цейтлин В. З. Термическая обработка жаропрочных сталей и сплавов. — М.: Машиностроение, 1964. — 236 с.

2. ГОСТ Р 54153-2010. Метод атомно-эмиссионного спектрального анализа. — М.: Стандартинформ. — 32 с.

3. ГОСТ 1497-1984. Металлы. Методы испытаний на растяжение. — М.: Стандартинформ. — 26 с.

4. ГОСТ 9651-1984. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах. Министерство черной металлургии СССР. М., 41 с.

5. ГОСТ 9454-1978. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. — М.: Московский печатник. — 12 с.

6. ГОСТ Р ИСО 148-1-2013. Материалы металлические. Испытание на ударный изгиб на маятниковом копре по Шарпи. Часть 1: методы испытания. — М.: Стандартинформ. — 27 с.

7. ГОСТ 5639-1982. Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна. М.: ИПК Издательство стандартов. — 21 с.

8. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочение стали. — М.: Металлургия, 1979. — 208 с.