Способ термообработки дисков из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов

 

Изобретение относится к металлургии никелевых сплавов, а именно к термообработке высокотемпературных дисков ГТД. Целью изобретения является повышение прочности, пластичности, жаропрочности и нечувствительности к концентраторам напряжений при температурах 750 - 850°С. Способ заключается в том, что диски предварительно нагревают до температуры начала собирательной рекристаллизации 1100 - 1180°С, выдерживают в течение 4 - 6 ч, затем нагревают до температуры полного растворения γʹ - фазы или выше, но не более чем на 10°С, выдерживают в течение 8 - 16 ч. После этого закаливают со скоростью 80 - 100°С/ч до температуры на 40°С ниже температуры полного растворения γʹ - фазы, затем охлаждают на воздухе со скоростью 40 - 50°С/мин, после чего проводят старение по режиму: нагрев до 910 - 970°С, выдержка 6 - 24 ч, охлаждение со скоростью 10 - 30°С/ч до 800 - 850°С, выдержка 8 - 24 ч, охлаждение на воздухе. Реализация способа позволяет получить на сплаве ЭП 975 предел прочности при 20°С 1400 - 1480 МПа, условный предел текучести при 20°С 1000 - 1100 МПа, относительное удлинение при 20°С 17 - 24%, 100-часовую жаропрочность при 750°С 800 МПа, при 850°С 480 МПа, нечувствительность к концентраторам напряжений; на сплаве ВЖ 137 предел прочности при 20°С 1350 - 1420 МПа, условный предел текучести при 20°С 1020 - 1150 МПа, относительное удлинение при 20°С 15 - 20%, 100-часовую жаропрочность при 750°С 750 МПа, при 850°С 420 - 440 МПа, нечувствительность к концентраторам напряжений. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к металлургии никелевых сплавов, а именно к термообработке высокотемпературных дисков ГТД. Целью изобретения является повышение прочности, пластичности, жаропрочности и нечувствительности к концентраторам напряжений при температуре 750-850^оС. Работу проводили на материале штамповок дисков, химический состав которого приведен в табл.1. Температура полного растворения γ'-фазы данных конкретных плавок для сплава ЭП 975 составляла 1200^оС, для сплава ВЖ 137 составляла 1250^оС. Размеры штамповок: для сплава ЭП 975 - диаметр 520 мм; для сплава ВЖ 137 - диаметр 500 мм. Варианты термообработки приведены в табл. 2 (числитель - данные для сплава ЭП 975; знаменатель - для сплава ВЖ 137). Образцы всех видов исследований изготавливали из заготовок, вырезанных в радиальном направлении из всех зон штамповки. Введение предварительного нагрева под закалку с выдержкой 4-6 ч при температуре начала собирательной рекристаллизации позволило получить эффект ликвидации разнозернистости, характерной для заготовок, деформированных в сверхпластичном состоянии. Это связано с релаксацией напряжений, возникающих в сверхпластичной структуре. Отрицательное влияние разнозернистости особенно сильно проявляется на жаропрочности и чувствительности к надрезу заготовок из высоколегированных сплавов. Наличие избыточных выделений первичной γ'-фазы в структуре высоколегированных сплавов типа ЭП 975 и ВЖ 137 предполагает использование закалок из однофазной области. Однако, несмотря на высокую тугоплавкость первичной избыточной фазы, обогащенной по легированию Al, Nb, W, Ta, эвтектический характер ее выделения приводит к оплавлению и потере всех свойств в случае перегрева по отношению к температуре полного растворения γ'-фазы на 20-30^оС. При неполном ее растворении (нагрев ниже температуры полного растворения γ'-фазы), когда наблюдается присутствие в окончательно термообработанной структуре сплавов избыточной фазы на стыках граней зерен, резко повышается чувствительность к концентраторам напряжений. Эффект устранения чувствительности к концентраторам напряжений достигается за счет длительных (8-16 ч) выдержек под закалку с температуры равной или большей на 5-10^оС температуры полного растворения γ'-фазы в сочетании с последующими режимами охлаждения и дисперсионного твердения. Особенностью указанной группы сплавов является то, что максимальное количество упрочняющей γ'-фазы выделяется уже в процессе закалки, независимо от скорости охлаждения (воздух, печь). Однако скорость охлаждения в процессе закалки оказывает существенное влияние на соотношение доли крупных (до 0,8-1,0 мкм) и мелких (0,1-0,2 мкм) выделений γ'-фазы. Совместно с последующим старением она контролирует процессы упрочнения и разупрочнения сплавов. Оптимальным является ступенчатое охлаждение с температуры закалки, равной температуре полного растворения γ'-фазы до температуры на 40^оС ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью 60-80^оС/ч и последующее охлаждение на воздухе со скоростью 40-50^оС/ч. Предлагаемый режим закалки позволяет достичь высоких параметров жаропрочности, длительной пластичности и нечувствительности к концентраторам напряжений. Однако при этом не обеспечиваются характеристики кратковременных свойств. Эффект повышения прочностных и ударных свойств при комнатной температуре в сочетании с высокой жаропрочностью был получен при сочетании закалки и старения по предлагаемому режиму. Для сплавов типа ЭП 985 и ВЖ 137, имеющих практически предельное содержание легирующих, выделяется упрочняющая γ'-фаза в виде двух модификаций по составу: одна из них более богата такими элементами, как Al, Ti, Nb, Hf, Cr (γ₁), другая содержит эти элементы в меньшем количестве (γ₂'). Практически все возможное количество γ'-фазы выделяется при закалке и дальнейшее старение ведет лишь к перераспределению модификаций γ'-фазы и изменению ее дисперсности и морфологии. Область температур 910-970^оС является оптимальной для получения максимального количества γ'-фазы. При этом ведется облагораживание структуры сплава путем растворения наиболее грубых и коагуляции наиболее мелких выделений γ'-фазы, сформированных в процессе закалки; таким образом идет процесс выравнивания структуры. Медленное охлаждение до температуры второго старения позволяет получить набор γ'-упрочняющей фазы различной дисперсности и таким образом обеспечить необходимый уровень свойств в широком диапазоне температур. Длительная выдержка при низкотемпературном старении приводит к дополнительному довыделению 3-5% мелкодисперсной γ'-фазы, что позволяет повысить уровень кратковременной прочности. Результаты испытаний механических свойств по всем вариантам термообработки приведены в табл.3 (числитель - данные для сплава ЭП 975; знаменатель - для сплава ВЖ 137). Как видно из табл.3, предлагаемый способ термообработки в сравнении с прототипом повышает прочностные характеристики на кратковременный разрыв при 20^оС ( τ_в²⁰ с 1230 МПа до 1400-1480 МПа для сплава ЭП 975 и до 1350-1420 МПа для сплава ВЖ 137) 100-часовую жаропрочность при 750^оС с 520-540 МПа до 750-800 МПа. 100-часовая жаропрочность при 850^оС для сплава ВЖ 137 достигает 420-440 МПа и для сплава ЭП 975 достигает 480 МПа, в то же время для способа-прототипа данные по 100-часовой жаропрочности при 850^оС не были получены: максимальное время работы при этой температуре материала, обработанного по режиму способа-прототипа, не превышает 10 ч. Во всех случаях предлагаемый режим обеспечивает нечувствительность к концентраторам напряжений (приведенные данные получены по образцам с острым надрезом r = 0,15 мм). Таким образом, предлагаемый способ термообработки обеспечивает получение требуемого комплекса эксплуатационных свойств дисков турбин из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов с рабочей температурой 750-850^оС и повышает надежность и ресурс изделия более чем в 1,5 раза.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ ДИСКОВ ИЗ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, включающий нагрев под закалку, выдержку в течение 8 - 16 ч, ступенчатую закалку и старение, отличающийся тем, что, с целью повышения прочности, пластичности, жаропрочности и нечувствительности к концентраторам напряжений при 750 - 850^oС, перед нагревом под закалку проводят предварительный нагрев до 1100 - 1180^oС с выдержкой в течение 4 - 6 ч, нагрев под закалку ведут в интервале температур полного растворения γ ʹ - фазы плюс 10^oС, закалку на первой ступени проводят со скоростью 80 - 100^oС/ч до температуры в интервале полного растворения γ ʹ - фазы минус 40^oС, на второй ступени - со скоростью 40 - 50^oС /мин и проводят последующее старение. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что старение проводят сначала при 910 - 970^oС в течение 6 - 24 ч, затем охлаждают со скоростью 10 - 30^oС/ч до 800 - 850^oС, выдерживают при этой температуре в течение 8 - 24 ч и охлаждают на воздухе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 17.01.2005

Извещение опубликовано: 10.07.2008        БИ: 19/2008

---