Глава VI исследование и опыт производства поковок из специальных сталей перлитного класса

15. Диски газовой турбины из стали эи415

Особенностями диска газовой турбины (рис. 14) являются от­сутствие центрального отверстия и большое отношение высоты сту­пицы к диаметру диска. В металлургическом отношении такая форма диска считается сложной и нетехнологичной, так как весьма ограничивает использование эффективных средств механической проработки центральных зон поковки, формируемых из осевых участков слитка.

Диски подвергаются травлению торцовых поверхностей и ультразвуковому контролю. Наличие каких-либо макродефектов и внутренних пороков металла не допускается. Во всем объеме диска металл должен иметь высокие механические свойства в тан­генциальном направлении, удовлетворяющие следующим нор­мам: σ_0,2 62 кГ/мм²·, а_в ≥76 кГ/мм²; δ ≥ 11%; ψ ≥ 35%; a_н ≥ 4,0 кГ-м/см².

При отсутствии в диске центрального отверстия эти требова­ния означают необходимость полной заварки усадочных дефектов слитка и создания условий деформирования, благоприятствующих радиальному течению металла в приторцовых зонах поковки.

Применительно к стали ЭИ415 решение задачи не вызывало каких-либо трудностей: использование слитка весом 1,5 т, а затем весом 2,5 т на две поковки с применением операции промежуточ­ной осадки биллета обеспечивало заварку осевых пороков слитка и необходимую проработку центральных участков диска без ка­ких-либо специальных приемов ковки.

На рис. 15 показана поковка диска с обдирочными контурами, а на рис. 16 — технологическая схема ее ковки из слитка весом 2,5 т (выход годного 60%). Все операции ковки выполняются на прессе усилием 2000 Τ в интервале температур 1180—800° С за четыре выноса. Для протяжки используются верхний плоский и нижний вырезной бойки, а для разгонки полотна — раздвижные бойки. Последние ковочные операции — Осадка заготовки с 780 до 350 мм и разгонка полотна с обоих торцов на плите и на под­кладном кольце — производятся за один вынос.

специальной верхней плиты с глухим конусным отверстием [55]. До осадки слиток не биллетировался.

В обоих случаях — при ковке дисков из слитка весом 2,5 т и из слитка удлиненной формы весом 2,17 т — процесс деформи­рования протекает в условиях высокой технологичности стали; как правило, ни на операциях осадки, ни на операциях вытяжки ковочные дефекты типа трещин, надрывов, чешуи не наблюдаются. В этом отношении сталь допускает большие, практически неограниченные степени обжатия за один ход пресса. Неудо­влетворительная деформируемость стали отмечалась только в случаях серьезных технологических нарушений производ­ства, особенно при выплавке стали (недостаточное раскисле­ние и пр.).

Откованные диски подвер­гаются первичной тепловой об­работке и охлаждению по сов­мещенному режиму, установ­ленному для турбинных поко­вок из хромоникельмолибденовых и некоторых других марок стали: изотермической выдерж­ке при 640—660° С длитель­ностью 70 ч после предваритель­ного переохлаждения при 210— 230°С и медленному охлаждению в печи до 120° С, затем обдирке и термической обработке—за­калке и отпуску по следующему режиму.

Закалка: посадка в го­ризонтальную термическую печь с выдвижным подом при 600—700° С и выдержка 1 ч. Нагрев до 1000—1020° С со ско­ростью 70—80 град/ч и выдерж­ка 3 ч. Охлаждение в масле.

Отпуск: посадка в печь при 500° С и выдержка 1 ч. На­грев до 660—670° С со ско­ростью 80 град/ч и выдерж­ка 10 ч. Охлаждение в печи до 400° С со скоростью не более 50 град/ч, а затем охлаждение на воздухе.

Диски располагаются на подине печи в один ряд с приме­нением лежек высотой 250—300 мм. Отсутствие в диске цент­рального отверстия потребовало изготовления специального захватывающего устройства для передачи диска в закалочный бак. Попытка использовать для нагрева и закалки заготовок индивидуальные или групповые подставки либо металлические «корзины» приводила к неравномерной твердости дисков в раз­ных зонах вследствие неоднородной закалки, связанной с влия­нием дополнительных масс металла, примыкающих к одной из торцовых поверхностей диска.

В соответствии с требованиями технических условий по харак­теристикам прочности диски отпускаются на твердость НВ 235— 285. В табл. 9 приведены данные, характеризующие фактический уровень механических свойств дисков, откованных из слитков разных плавок. По каждой плавке приведены механические свой­ства двух типичных дисков, откованных из слитков весом 2,5 или 2,17 т. Дополнительно диски подвергались гибовой пробе на оп­равке диаметром 40 мм. Во всех случаях металл дисков выдержи­вал угол изгиба 180°.

Фактический комплекс механических свойств поковок значи­тельно выше норм технических условий. Из сопоставления пока­зателей прочности, пластичности и вязкости дисков, откованных из сталей разных плавок, можно сделать вполне определенный вывод о большом' запасе свойств стали ЭИ415 применительно к рассматриваемым дискам. При норме σ_0,2 ≥ 62 кГ/мм² нормы δ, ψ и а_н могут быть повышены до значений: δ ≥ 15%, ψ ≥ 50%, а_н ≥ 6кГм/ см². В случае необходимости повышения норм проч­ности значения σ_0,2 и σ_в могут быть соответственно равны 70 и 78 кГ/мм² при вполне приемлемых показателях пластичности.

Опытными работами выявлено соотношение показателей проч­ности и пластичности дисков, отпущенных после закалки на раз­ные значения о_д. Серия дисков в количестве 10 шт., откованных из стали одной плавки (химический состав, %: 0,21 С; 0,33 Si; 0,45 Μη; 2,90 Cr; 0,30 Ni; 0,45 Mo; 0,78 V; 0,50 W; 0,018 S; 0,018 P), термически обрабатывалась на σ_в = 75 ÷ 105 кГ/мм². Для более уверенного суждения о фактических свойствах дисков последние испытывались не только на обычной штатной пробе, но и на до­полнительных кольцах, отобранных из центральной зоны ступицы диаметром 160 мм. Весьма показательно, что даже в центральной области дисков значения δ, ψ и а_н не спускались ниже норм тех­нических условий при σ_0,2 до 90 кГ/мм² (рис. 17).

После термической обработки и механических испытаний диски подвергаются ультразвуковому контролю прибором УЗД-7н на частоте 2,5 Мгц. Прозвучивается весь объем диска с одной из тор­цовых поверхностей ступицы и полотна. Размер дефектов опреде­ляется сравнением амплитуды сигнала, отраженного от дефекта и от одного из контрольных отверстий в эталонных образцах.

Статистический анализ результатов ультразвукового контроля производственных дисков в количестве 70 шт. показал следующие результаты: в восьми дисках, преимущественно в центральных зонах, близких к осевой горизонтальной плоскости, обнаружено от одного до пяти разрозненных мелких дефектов типа неме­таллических включений размером до 3 мм. В одном диске на глубине 100—200 мм в области ступицы выявлены две дефект­ные зоны размером 50 и 8 см² и ряд одиночных дефектов. В осталь­ных поковках никаких внутренних пороков металлла не обна­ружено. Из 60 дисков признан негодным и забракован один диск, имеющий дефектные зоны. В дальнейшем забракованный диск был разрезан и исследован: дефектные зоны оказались скоплениями неметаллических включений.

В окончательно обработан­ном виде диски подвергались травлению 15-процентным рас­твором персульфата аммония и 10-процентным раствором азот­ной кислоты с последующим макроконтролем поверхностей ступицы, торцовых поверхно­стей обода и полотна. Все 59 проконтролированных дисков оказались годными: на травле­ных поверхностях не обнару­жено каких-либо дефектов, на­рушающих сплошность и одно­родность металла.

Выборочно на ударных об­разцах от 2—3 дисков из стали каждой плавки проверялась микроструктура металла, кото­рая во всех случаях оказалась сорбитом с незначительно вы­раженной мартенситной ориен­тацией. Отмечена достаточно высокая степень структурной однородности металла.

То обстоятельство, что при контроле травлением и ультра­звуком ни в одном из дисков не выявлены наружные дефекты и внутренние несплошности металла, подтверждает надежность уста­новленного технологического процесса, в частности веса и про­филя выбранных слитков и технологии ковки дисков. Так как большинство поковок было отковано из слитков удлиненной формы,, практикой подтверждены вполне благоприятные результаты их использования для весьма сложных дисков ответственного назна­чения из стали ЭИ415.

Разрезкой и механическими испытаниями разных участков од­ного из дисков было проверено изменение показателей прочности и пластичности в объеме поковки. Одновременно была разрезана вторая поковка диска, откованная из стали той же плавки поизмененному технологическому процессу — без промежуточной осадки слитка. Целью исследования второго диска явилось изуче­ние влияния укова на заварку усадочных дефектов слитка и уровень механических свойств металла в различных зонах поковки.

Для более надежного сопоставления оба диска были откованы из слитков удлиненной формы из стали одной плавки (химичес­кий состав, %: 0,20 С; 0,28 Si; 0,47 Μn; 3,00 Cr; 0,23 Ni; 0,52 Mo; 0,65 V; 0,33 W; 0,019 S; 0,013 P). Выплавка и разливка стали про­изводились по заводской инструкции. Слитки были доставлены в прессовый цех в горячем состоянии и с температурой на поверх­ности 580—650° С посажены в нагревательную печь для нагрева под ковку.

Режимы нагрева слитков и промежуточных заготовок, режимы деформации, температурные условия ковки соответствовали тех­нологическим нормам, установленным для производственных дис­ков. Общая схема ковки второго диска отличалась от обычной отсутствием операций промежуточной осадки и последующей вы­тяжки осаженного слитка. Технологический цикл в связи с этим был сокращен на два выноса.

Первичная тепловая обработка и охлаждение опытных поковок, обдирка и термическая обработка производились по действующим в цехах инструкциям и поэтому обеспечивалась идентичность ус­ловий выполнения операций, определяющих уровень механичес­ких свойств для опытных и производственных дисков.

Макроконтроль и ультразвуковая дефектоскопия показали отсутствие каких-либо дефектов в обеих опытных поковках.

Из дисков были вырезаны радиальные темплеты, поверхности которых после шлифования и травления тщательно контролирова­лись. Ни в одном из них не обнаружено никаких макродефектов металлургического характера.

Результаты механических испытаний темплетов представлены на рис. 18 в виде графиков изменения механических свойств по высоте и по радиусу дисков в тангенциальном, радиальном и осе­вом направлениях.

В тангенциальном направлении (рис. 18, а) характеристики прочности σ_{0 2} и а_в сохраняют почти постоянное значение по всему объему диска, проявляя лишь незначительную тенденцию к повы­шению от одного торца диска к противоположному. Разница в показателях σ_{0 2} и σ_β связана с некоторой неравномерностью отпуска и не превышает 5—6 кГ/мм² при абсолютных значениях σ_0,2 == 70 75 кГ/мм² и 𝜎_в = 78 ÷ 84 кГ/мм². Сопоставление свойств прочности торцовых и глубинных зон дисков свидетель­ствует о высокой степени прокаливаемости металла. Не отмечается существенной разницы в показателях прочности дисков, откован­ных по разным технологическим процессам: с промежуточной осадкой и без промежуточной осадки слитка.

Показатели относительного удлинения δ отличаются ровными значениями во всех участках обоих дисков и не спускаются ниже 13%. Относительное сужение о)) имеет наибольшие значе­ния в зоне осевой горизонтальной плоскости, где достигает 60— 68%, т. е. значений даже более высоких, чем в периферийных участках полотна. Это объясняется большой степенью осадки, фактически получаемой этой зоной. В торцовых участках дисков, особенно в центре ступицы, показатели ψ несколько снижаются, но, однако, до значений не менее 40%, что при соответствующем показателе σ_θ2 = 73 ÷ 76 кГ/мм² следует признать вполне удовлетворительными. В основном объеме дисков относительное сужение находится в пределах 50—60% в районе ступицы и 60— 65% в районе полотна.

Применительно к относительному сужению вариант ковки сказывается в некотором снижении этого показателя в диске, от­кованном без промежуточной осадки. Например, в торцовых зо­нах центральной части ступицы диска, откованного с промежу­точной осадкой, ψ = 42—51%, а без промежуточной осадки — 40—47%, в глубинных зонах ступицы ψ равно 60—68 и 50—60% соответственно.

Ударная вязкость дисков а_н, откованных по обоим вариантам, примерно одинакова и находится на достаточно высоком уровне. Самое низкое значение соответствует одному из торцов централь­ной части ступицы, где а_н = 4,5 кГм/см², в остальных участках диска а_н выше и достигает значений 8—12 кГм/см².

Общая картина изменения механических свойств дисков в ра­диальном направлении (рис. 18, б) близка по своему характеру к графику тангенциальных свойств с той лишь разницей, что по­казатели относительного сужения имеют более ровные значения по высоте дисков. Комплекс свойств обоих дисков можно считать равноценным: несколько меньшие значения предела текучести и предела прочности в диске, откованном без промежуточной осадки, компенсируются повышенными свойствами пластичности и ударной вязкости.

Отношение основных показателей механических свойств σ_0,2, ψ и а_н в радиальном и тангенциальном направлениях показано на рис. 19. Отношение практически остается постоянным по высоте обоих дисков и находится на уровне около 100%, отношения и имеют минимальные значения в середине высоты поковок, но и в этом случае соответствуют 85—97% в диске с промежуточной осадкой (рис. 19, а) и 105—107% в диске без промежуточной осадки (рис. 19, б).

Весьма показателен график изменения механических свойств поковок в осевом направлении. Здесь наблюдается четкая тенден­ция к резкому снижению свойств пластичности от торцов к гори­зонтальной осевой плоскости, особенно в центре ступицы. Напри­мер, снижение показателя ψ в этой области характеризуется сле­дующими данными: в районе торцов ψ = 42 -г- 63%, в середине высоты ψ = 16%, по ударной вязкости а_н соответственно равна 6—8 и 1—2 кГ-м/см². Изменение показателей прочности относи­тельно невелико.

Падение пластичности металла в районе осевой горизонтальной плоскости объясняется физичес­кими особенностями деформирова­ния этой зоны при осадке, так как именно эта зона является грани­цей двух встречных потоков ме­талла, где процессы деформиро­вания неметаллических включе­ний протекают наиболее активно. Образуемые здесь тонкие пленки неметаллической фазы не оказы­вают существенного влияния на механические свойства поковки в тангенциальном направлении, но служат главным фактором рез­кого снижения пластичности ме­талла в осевом направлении.

Фактическая степень осадки от ее максимального значения в области горизонтальной осевой плоскости уменьшается по мере приближения к торцам диска. Одновременно волокна все более отклоняются от радиального на­правления. В соответствии с этим уменьшается и общая поверхность металлургических дефектов в плос­кости разрыва осевого образца, что способствует повышению плас­тичности металла в осевом направлении.

Естественно предположить, что в середине высоты диска мак­симальное падение свойств пластичности в осевом направлении должно быть в местах, наиболее насыщенных ликватами и другими пороками металлургического характера, т. е. в центральной зоне. Действительно, такая закономерность, исключая отдельные вы­пады, подтверждается экспериментально. На рис. 18, в, например, значения наиболее чувствительной характеристики пластичности ψ непрерывно повышаются от центра к периферии ступицы.

Влияние варианта ковки на уровень механических свойств дисков в осевом направлении незначительно, а общая закономер­ность изменения основных характеристик пластичности в разных зонах поковки практически одинакова для обоих вариантов.

Отношения механических свойств металла дисков в осевом и тан­генциальном направлениях (рис. 20) отличаются резко занижен­ными значениями в области горизонтальной осевой плоскости центра ступицы, где имеет значения около 25%, а = 1522%. В периферийной зоне ступицы повышается до значений 45—50 % при некотором повышении значений .

В торцовых участках дисков отношения и достигают, а в некоторых случаях даже превышают 100%. Такие соотношения свойств пластичности и вязкости в разных зонах объ­ясняются противоположной закономерностью изменения показа­телей ψ и а_н по высоте диска в осевом и тангенциальном направле­ниях: при испытании металла на тангенциальных образцах участкам осевой горизонтальной плоскости соответствуют мак­симальные значения ψ и а_н при испытании осевых образцов — ми­нимальные.

Отношения характеристик прочности преимущественно находятся на уровне 90—100%.

Результаты исследования подтвердили высокое качество обоих дисков. Ни в одной из зон механические свойства металла в танген­циальном и радиальном направлениях не снижаются ниже норм технических условий при вполне приемлемых показателях свойств в осевом направлении.

Проведенными работами установлена принципиальная воз­можность упрощения технологического процесса ковки дисков рассматриваемого типа за счет исключения операций промежуточ­ной осадки слитка и последующей вытяжки осаженного блока.

На H3JI с участием ЦНИИТмаша разработан и внедрен в про­изводство метод секционной штамповки дисков низкого давления газовой турбины ГТ 700-5 из стали ЭИ415 на прессе усилием 3000 Т.

Особенности нового процесса [55] позволили технологически решить задачу резкого снижения веса поковки с 750 до 450 кг, т. е. на 40%, и значительно уменьшить трудоемкость механической обработки дисков.

На рис. 21 представлена поковка диска, изготовляемая методом секционной штамповки. Снижение поковочного веса достигается за счет повышения точности ковки, уменьшения напусков и при­пусков и более рационального размещения пробных колец для механических испытаний.

Штамповка диска производится на двухсекционном штампе. Размеры секций выбраны с таким расчетом, чтобы давление (14— 15 кПмм²) распределилось примерно поровну при штамповке центральным и наружным пуансонами.

Первоначальная технология изготовления поковки с исполь­зованием секционного штампа состояла из следующих основных операций:

1. нагрев слитка весом 2,0 или 2,17 т до ковочной температуры;

2. ковка цапфы и биллетирование слитка (слиток удлиненной формы весом 2,17 т биллетированию не подвергался);

3. подогрев биллета;

4. промежуточная осадка;

5. протяжка осаженного блока до диаметра 330 мм\

6. вырубка трех заготовок длиной 680 мм;

7. подогрев заготовок;

8. осадка заготовки на плоской плите до высоты 260 мм;

9. штамповка диска за три хода траверсы пресса.

Все ковочные операции, кроме операций последнего выноса, производятся на прессе усилием 2000 Т, а осадка заготовки и сек­ционная штамповка—на прессе усилием 3000 Т. Такая последова­тельность операций, как показала экспериментальная проверка, является наиболее благоприятной с точки зрения эффективности проработки металла в двух взаимно перпендикулярных направле­ниях в объеме всего диска.

Для выполнения операций последнего выноса на подвижном столе пресса устанавливаются две плиты, на одной из которых осаживается заготовка, а на другой крепится матрица для секци­онной штамповки. Осадка производится плитой траверсы, к кото­рой затем с помощью крючков прикрепляется секционный пуансон штампа.

Усилие пресса 3000 Τ оказывается достаточным для штам­повки диска по приведенной выше технологической схеме при усло­вии окончания деформации при температуре не ниже 1000— 1020° С. Общая продолжительность операций последнего выноса с учетом затраты времени на передачу заготовки от печи к прессу (3—4 мин) и длительности операций осадки и штамповки с передви­жениями стола и всеми вспомогательными операциями (2—3 мин) составляет около 5—7 мин. В этих условиях начальная темпера­тура деформации металла должна быть не менее 1130—1150° С, а температура нагрева заготовки в печи—около 1180° С. При менее высоком начальном нагреве и снижении конечной температуры штампуемой заготовки до 900—950° С поковки получаются недоштампованными и требуется повторный подогрев металла для доведения размеров поковки диска до установленных.

Режимы охлаждения и термообработки штампованных поковок, испытания механических свойств и другие методы контроля ка­чества металла соответствуют обычным условиям, принятым для дисков такого типа. Установлено, что по уровню механических свойств, по микро- и макроструктурному состоянию металла, по результатам ультразвукового контроля штампованные диски не уступают дискам, полученным методом свободной ковки. В табл. 10 приведены результаты механических испытаний серии таких дис­ков, отштампованных из стали одной плавки (химический состав, %: 0,28 С; 0,26 Si; 0,45 Μn; 2,85 Cr; 0,35 Ni; 0,46 Mo; 0,46 W; 0,77 V; 0,019 S; 0,020 P) и термически обработанных на разную твердость. Все заготовки получены из слитков удлиненной формы весом 2,17 т. По результатам макроконтроля и ультразвуковой дефектоскопии все диски признаны годными. Микроструктура металла дисков представляет собой сорбит с участками феррита и очень мелкими карбидами, расположенными по границам и внутри зерен, т. е. является нормальной для стали ЭИ415.

Изучался вопрос о возможности упрощения технологического процесса ковки (штамповки) дисков за счет исключения операции промежуточной осадки слитка. В данном случае вероятность удовлетворительного качества металла диска, откованного по упрощенной технологии, была вполне реальной в связи с тем, что слиток без промежуточной осадки подвергался обжиму с коэффи­циентом укова не менее 1,6.

Из плавки, химический состав которой приведен выше (стр. 129), методом секционной штамповки были откованы два диска с промежуточной и без промежуточной осадки слитка.

Термически обработанные и проконтролированные по установлен­ной методике оба диска показали удовлетворительные результаты по всем видам контроля (табл. 11).

Для более детального исследования металла диски обоих ва­риантов разрезались на кольца, механические испытания которых на тангенциальных образцах дают полное представление об уровне механических свойств во всем объеме дисков. Результаты испыта­ний показаны на графике изменения механических свойств по вы­соте дисков в разных сечениях ступицы и полотна (рис. 22). Из анализа кривых можно сделать заключение о высоком уровне механических свойств дисков даже в приосевых зонах, где, на­пример, минимальное значение относительного сужения превы­шает 50%, а ударной вязкости — 6 кГ-м/см² при величине пре­дела текучести более 73 кГ!мм². Вариант ковки (с промежуточной или без промежуточной осадки слитка) не оказывает существенного влияния на качество металла дисков.