Институт новых металлургических технологий (ИНМТ), ОАО «Композит»

А. Г. Береснев, ген. директор, e-mail: info@kompozit-mv.ru;

И. М. Разумовский, гл. науч. сотр.;

С. Ф. Маринин, нач. лаборатории ИНМТ;

А. А. Тихонов, гл. науч. сотр. ИНМТ;

В. Н. Бутрим, директор.

Развита концепция диффузионного растворения пористости усадочного происхождения в монокристаллах жаропрочных никелевых сплавов в процессе ГИП, позволяющая минимизировать пластическую деформацию и склонность структуры к рекристаллизации. Предполагается, что механизм вакансионного растворения пор является эффективным для залечивания пористости в том случае, когда обеспечивается сток вакансий на внешнюю поверхность. Для этого диффузионный путь вакансий в микроструктуре должен быть близок к характерному геометрическому размеру обрабатываемой детали (толщине поперечного сечения пера лопатки). Проведены оценки влияния давления всестороннего сжатия при ГИП и дефектов микроструктуры на диффузию вакансий в жаропрочных сплавах. На основе предложенных принципов ГИП разработан двухступенчатый режим ГИП монокристаллических лопаток из жаропрочного никелевого сплава ЖС32, при котором не наблюдается рекристаллизации, происходит существенное уменьшение усадочной пористости и повышение комплекса жаропрочных свойств, включая сопротивление ползучести и усталости. Применение этого режима привело к увеличению долговечности монокристаллических образцов из сплава ЖС32 при температуре 1000 ^оС под нагрузкой 245 МПа от 167 (без ГИП) до 213 ч. Обработка лопаток с монокристаллической структурой из сплава ЖС32 по двухступенчатому режиму ГИП обеспечила повышение усталостной прочности лопаток на базе 2·10⁷ циклов со 147 до 186–206 МПа.

Авторы выражают глубокую благодарность сотрудникам лаборатории исследования процессов ГИП ИНМТ ОАО «Композит», совместно с которыми получено большинство представленных в данной работе результатов. С благодарностью отмечают многолетнее сотрудничество с А. Г. Падалко, заведующим Лабораторией физикохимии баротермических процессов ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН. Авторы признательны также коллегам из ОАО «НПО «Сатурн» Ю. Н. Шмотину, В. Н. Крылову, А. И. Виноградову и В. А. Кочеткову, коллегам из ОАО «ММП им. В. В. Чернышева» К. Б. Вертию и О. А. Буценко, которые помогали в организации исследований и способствовали проведению испытаний лопаток ГТД в заводских условиях.

1. Литейные лопатки газотурбинных двигателей : сб. / под ред. Е. Н. Каблова. — Москва : МИСИС, 2001. — 632 с.
2. Шалин Р. Е., Светлов И. Л., Качанов Е. Б., Толорайя В. Н., Гаврилов О. С. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов. — М. : Машиностроение, 1997. — 336 с.
3. Epishin A., Link T., Nazmy M., Staubli M., Klingelhoffer H., Nolze G. Microstructural degradation of CMSX-4 : kinetics and effect on mechanical properties. Superalloys 2008 // TMS. 2008. P. 725–731.
4. Падалко А. Г. Практика горячего изостатического прессования неорганических материалов. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2007. — 267 с.
5. Логунов А. В., Маринин С. Ф., Поклад В. А., Разумовский И. М. Высокотемпературное газостатическое уплотнение монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов // Технология легких сплавов. 2005. № 1–4. С. 71–77.
6. Логунов А. В., Тихонов А. А., Маринин С. Ф., Береснев А. Г., Разумовский И. М., Шмотин Ю. Н., Виноградов А. И., Новиков А. С., Вертий К. Б. Газостатическое уплотнение лопаток с монокристаллической структурой из сплава ЖС32 // Материаловедение. 2011. № 3. С. 38–45.
7. Golovanov V. I., Larionov V. N., Logunov A. V., Marinin S. F., Poklad V. A., Razumovskii I. M., Tikhonov A. A. Densification of Ni-based Superalloy Single Crystals through HIP // Proc. of the 2005 International Conference on Hot Isostatic Pressing. — Paris, 2005. P. 199–203.
8. Humphreys F. G., Hatherly M. Recrystallization and Related Annealing Phenomena. — New York : Pergamon Press, 1996.
9. Lindsly B., Pierron X. Sub-Solvus Recrystallization Mechanisms in UDIMET and Alloy 720LI // TMS. 2000. P. 59–68.
10. Bond S. D., Martin J. W. Surface Recrystallization in a Single Crystal Nickel-Based Superalloy // Mater. Sci. 1984. Vol. 19. P. 3867–3872.
11. Khan T., Caron P., Nakagawa Y. G. Mechanical Behavior and Processing of DS and Single Crystal Superalloys // J. Metals. 1986. № 7. P. 16–19.

12. Paul U., Sahm P. R., Goldschmidt D. Inhomogeneities in Single-Crystal Components // Mater. Sci. and Engineering A. 1993. Vol. 173. P. 49–54.
13. Pat. 5413648 US. Preparation of Single Crystal Superalloys for Post-Casting Heat Treatment // Salkeld R. W., Field T. T., Ault E. A. ; publ. 09.05.1995.
14. Burgel R., Portella P. D., Preuhs J. Recrystallization in single crystals of nickel base superalloys // TMS. 2000. P. 229–238.
15. Pat. 5573609 US. Hot isostatic pressing of single crystal superalloy articles / Fritzemeier L. G. ; publ. 12.11.1996.
16. Pat. 4743312 US. Method for preventing recrystallization during hot isostatic pressing / Eridon J. M., Dalal R. P. ; publ. 10.05.1988.
17. Бокштейн С. З., Гинзбург С. С., Кишкин С. Т., Разумовский И. М., Строганов Г. Б. Авторадиография поверхностей раздела и структурная стабильность сплавов. — М. : Металлургия, 1987. — 272 с.
18. Лифшиц И. М., Слезов В. В. О кинетике диффузионного распада пересыщенных твердых растворов // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1958. Т. 35, № 2. С. 479–492.
19. Бокштейн С. З., Болберова Е. В., Кишкин С. Т., Костюкова Е. П., Мишин Ю. М., Разумовский И. М. Особенности диффузии в границах зерен никелевых сплавов, полученных методом направленной кристаллизации // Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 58, № 1. С. 189–191.
20. Бокштейн С. З., Гинзбург С. С., Кишкин С. Т., Разумовский И. М. Диффузия по границам фаз (обзор) // Поверхность. Физика, химия, механика. 1984. № 1. С. 5–19.
21. Пат. 2380454 РФ. Способ обработки отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов горячим изостатическим прессованием / Тихонов А. А., Маринин С. Ф., Разумовский И. М., Логунов А. В., Крылов В. Н., Виноградов А. И., Кочетков В. А., Новиков А. С., Вертий К. Б. ; заявл. 11.06.2008 ; опубл. 27.01.2010, Бюл. № 3.
22. Razumovskii I. M., Ruban A. V., Razumovskii V. I., Logunov A. V., Larionov V. N., Ospennikova O. G., Poklad V. A., Johansson B. New generation of Ni-based superalloys designed on the basis of first-principles calculations // Mater. Sci. and Engineering A. 2008. Vol. 497. P. 18–24.