Способ изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов

 

Изобретение относится к способам изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов. Цель изобретения - повышение уровня механических свойств и жаропрочности. Способ заключается в предварительной обработке, заключительной деформации заготовок и окончательной термообработке. Предварительную обработку заготовок проводят путем гомогенизирующего отжига слитка при температуре нагрева выше температуры полной растворимости γʹ - фазы (T_прγ) на 20-30°С в течение 4-8 ч, охлаждения с печью до температуры максимальной коагуляции частиц gʹ - фазы, затем на воздухе, горячего прессования при температуре двухфазной (γ+γʹ) - области, соответствующей T_п.рγ (40-60)°С со степенью деформации 65-75%, резки полученного прутка на мерные заготовки и подпрессовки заготовки в закрытом контейнере при температуре T_п.рγ 60-80°С со степенью деформации 35-50%. Заключительную деформацию осуществляют совмещением осадки и штамповки при температуре нагрева T_п.рγ (40-60)°С со степенью деформации 75-85%. Окончательную упрочняющую термическую обработку проводят путем предварительного отжига при температуре, соответствующей T_п.рγ 100-130°С, охлаждения на воздухе, закалки с температуры T_п.р ± 10°C с регламентированным охлаждением и последующего старения. Применение изобретения для изготовления дисков и из сплавов ЭП 742, ЭК 79 и ЭП 975 позволяет повысить уровень механических свойств и жаропрочность. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу термомеханической обработки высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано для изготовления дисков турбины и компрессора наиболее ответственных изделий авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Целью изобретения является повышение уровня механических свойств и жаропрочности. При осуществлении предлагаемого способа в качестве исходного материала используют слитки диаметром 320 мм из высоколегированных жаропрочных сплавов на основе никеля. Изготовление дисков по предлагаемой схеме осуществляют применительно к сплавам: ЭП742 с содержанием γ'-фазы 34%, T _прγ' 1100^оС; ЭК 79 с содержанием γ'-фазы 43%,T _прγ' 1130^оС; ЭП 975 с содержанием γ'-фазы 60%, T _прγ' 1200^оС. П р и м е р 1 (при минимальных значениях термомеханических параметров обработки). Для сплава ЭП 742. Операция 1. Гомогенизирующий отжиг слитка по режиму: загрузка в печь на 700^оС, выдержка 2 ч, подъем температуры со скоростью 80^оС/ч до 1130^оС, выдержка 8-10 ч, охлаждение с печью со скоростью 30^оС/ч до 900^оС, далее на воздухе. Операция 2. Нагрев слитка до 1040^оС. что соответствует T _прγ' - 60^оС и прессование из контейнера диаметром 330 мм со степенью деформации 65% на пруток диаметром 194 мм. Операция 3. Обточка прутка до диаметра 185 мм и резка на мерные заготовки размером 185х740 мм. Операция 4. Нагрев мерных заготовок до 1020^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 35%. Полученная заготовка имеет размеры 220х480 мм. Операция 5. Нагрев заготовки под заключительную деформацию до 1040^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 75% до получения штамповки диска диаметром до 500 мм. Операция 6. Термическая обработка путем предварительного отжига при температуре нагрева 1000^оС, выдержка 6 ч и охлаждение на воздухе, затем нагрев под закалку 1100±10^оС, выдержка 2-4 ч, охлаждение на воздухе и двухступенчатое старение при 850^оС, 6 ч, охлаждение на воздухе при +780^оС, 10 ч, охлаждение на воздухе. П р и м е р 2 (при максимальных значениях термомеханических параметров обработки). Операция 1. Проводится по примеру 1. Операция 2. Нагрев слитка до 1060^оС, что соответствует T _прγ' - 40^оС, и прессование из контейнера, диаметром 330 мм со степенью деформации 75% на пруток диаметром 165 мм. Операция 3. Обточка прутков до диаметра 155 мм и резка их на мерные заготовки размером 155х775 мм. Операция 4. Нагрев мерной заготовки до 1040^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 50%. Полученная заготовка имеет размеры 220х380 мм. Операция 5. Нагрев подпрессованной заготовки под заключительную деформацию до 1060^оС и заключительная деформация за одну операцию и степенью деформации 85% до получения штамповки диска диаметром до 575 мм. Операция 6. Проводится по примеру 1. П р и м е р 3 (при оптимальных значениях термомеханических параметров обработки). Операция 1. Проводится по примеру 1. Операция 2. Нагрев слитка до 1050^оС и прессование со степенью деформации 80% на пруток диаметром 180 мм. Операция 3. Обточка прутка до диаметра 175 мм и резка на мерные заготовки размером 175х775 мм. Операция 4. Нагрев мерной заготовки до 1030^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 45%. Полученная заготовка имеет размеры 220х440 мм. Операция 5. Нагрев прессованной и подпрессованной заготовки до 1050^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 80% до получения штамповки диска диаметром 500 мм. Операция 6. Проводится по примеру 1. П р и м е р 4 (при минимальных значениях термомеханических параметров обработки). Для сплава ЭК 79. Операция 1. Гомогенизирующий отжиг по режиму: загрузка в печь на 700^оС, выдержка 3 ч, подъем температуры со скоростью 80^о/ч до 1160^оС, выдержка 8-10 ч, охлаждение с печью со скоростью 30^о/ч до 900^оС, далее на воздухе. Операция 2. Нагрев слитка до 1070^оС и прессование его из контейнера диаметром 330 мм со степенью деформации 65% на пруток диаметром 194 мм. Операция 3. Обточка прутков до диаметра 185 мм и резка на мерные заготовки размером 185х740 мм. Операция 4. Нагрев мерных заготовок до 1050^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 35% до размера 220х480 мм. Операция 5. Нагрев подпрессованной заготовки под заключительную деформацию до 1070^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 75% до получения штамповки диска диаметром 500 мм. Операция 6. Термическая обработка путем предварительного отжига при 1030^оС, выдержки 8 ч и охлаждения на воздухе, затем закалка при 1130±10^оС, выдержка 4 ч, охлаждение на воздухе и двухступенчатое старение : 850 ⁺²⁰_-10 ^oC, выдержка 6 ч, охлаждение на воздухе +780±10^оС, выдержка 10-16 ч, охлаждение на воздухе. П р и м е р 5 (при максимальных значениях термомеханических параметров обработки). Операция 1. Проводится по примеру 1. Операция 2. Нагрев слитка до 1090^оС, прессование его из контейнера диаметром 330 мм со степенью деформации 75% на пруток диаметром 165 мм. Операция 3. Обточка прутков до диаметра 155 мм и резка их на мерные заготовки размером 155х775 мм. Операция 4. Нагрев мерных заготовок до 1070^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 50% до получения заготовки размером 220х380 мм. Операция 5. Нагрев подпрессованной заготовки под заключительную деформацию 1090^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 85% до получения диска диаметром 575 мм. Операция 6. Проводится по примеру 4. П р и м е р 6 (при оптимальных значениях термомеханических параметров обработки). Операция 1. Проводится по примеру 4. Операция 2. Нагрев слитка до 1080^оС, прессование его из контейнера диаметром 330 мм со степенью деформации 70% на пруток диаметром 180 мм. Операция 3. Обточка прутка до диаметра 175 мм и резка на мерные заготовки размером 174х755 мм. Операция 4. Нагрев мерных заготовок до 1060^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 450% до размеров 220х440 мм. Операция 5. Нагрев заготовки до 1080^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 80% до получения штамповки диска диаметром 500 мм. Операция 6. Проводится по примеру 4. П р и м е р 7 (при минимальных значениях термомеханических параметров обработки). Для сплава ЭП 975. Операция 1. Гомогенизирующий отжиг слитка по режиму: загрузка в печь на 750-800^оС, выдержка 1 ч, подъем температуры со скоростью 80^о/ч до 1220^оС, выдержка 7 ч, охлаждение со скоростью 30^о/ч до 900^оС, далее на воздухе. Операция 2. Нагрев слитка до 1140^оС, прессование его из контейнера диаметром 330 мм со степенью деформации 65% на пруток диаметром 194 мм. Операция 3. Обточка прутков до диаметра 185 мм и резка их на мерные заготовки размером 185х740 мм. Операция 4. Нагрев мерных заготовок до 1120^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 35% до размеров 220х480 мм. Операция 5. Нагрев заготовки до 1140^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 75% до получения штамповки диска диаметром 500 мм. Операция 6. Термическая обработка путем предварительного отжига при 1100^оС, выдержка 4-6 ч, охлаждение на воздухе; закалка при 1220-1230^оС, выдержка 8-16 ч, охлаждение до температуры 1180^оС со скоростью 80-100^о/ч с последующим охлаждением со скоростью 50^о/мин + двухступенчатое старение: 910-970^оС, выдержка 6-24 ч, охлаждение со скоростью 10-30^о/ч до 800-850^оС, выдержка при этой температуре 8-24 ч и охлаждение на воздухе. П р и м е р 8 (при максимальных значениях термомеханических параметров обработки). Операция 1. Проводится по примеру 7. Операция 2. Нагрев слитка до 1160^оС, прессование его из контейнера пресса диаметром 330 мм со степенью деформации 75% на пруток диаметром 165 мм. Операция 3. Обточка прутков до диаметра 155 мм и резка их на мерные заготовки размером 155х755 мм. Операция 4. Нагрев мерных заготовок до 1140^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса 220 мм со степенью деформации 50% до размера 220х380 мм. Операция 5. Нагрев заготовки до 1160^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 85% до получения штамповки диска диаметром 575 мм. Операция 6. Проводится по примеру 7. П р и м е р 9 (при оптимальных значениях термомеханических параметров обработки). Операция 1. Проводится по примеру 7. Операция 2. Нагрев слитка до 1150^оС, прессование его из контейнера диаметром 330 мм со степенью деформации 70% на пруток диаметром 180 мм. Операция 3. Обточка прутков до диаметра 175 мм и резка на мерные заготовки размером 175х755 мм. Операция 4. Нагрев мерных заготовок до 1130^оС и подпрессовка в закрытом контейнере пресса диаметром 220 мм со степенью деформации 45% до размеров 220х440 мм. Операция 5. Нагрев заготовки до 1150^оС и заключительная деформация за одну операцию со степенью деформации 80% до получения штамповки диска диаметром 575 мм. Операция 6. Проводится по примеру 7. Достигаемый при этом уровень механических свойств и жаропрочности представлен в таблице. Проведение дополнительного горячего прессования слитка, прошедшего гомогенизирующий отжиг, при температуре двухфазной (γ+γ')-области, соответствующей T _прγ' (40-60)^оС со степенью деформации 65-75%, способствует получению ультрамелкозернистой структуры (УМЗ) с величиной зерна ≈ 10 мкм, стабильность которой обеспечивается наличием оптимального количества γ'-фазы. Выход за пределы указанного температурного интервала прессования не обеспечивает оптимального количества γ'-фазы, при этом проведение прессования при температуре ниже T _прγ' 60^оС приводит к повышению удельного давления, что вызывает увеличение внутренних напряжений и, следовательно, опасность появления трещин. Осуществление горячего прессования со степенью деформации менее 65% не обеспечивает достаточного измельчения зерна, а выше 75% нецелесообразно с точки зрения оптимального размера заготовки для последующего изготовления дисков. Сплавы после горячего прессования имеют двухфазную структуру матричного типа, для которой характерна определенная степень неоднородности: вытянутость зерен, направленность в расположении γ'-фазы, разнозернистость, что не позволяет обеспечить эффект сверхпластичности и провести дальнейшую заключительную деформацию совмещением осадки и штамповки со степенью деформации 75-85%. Подпрессовка в закрытом контейнере мерной заготовки, полученной после резки прессованного прутка, при температуре ниже T _прγ' на 60-80^оС со степенью деформации 35-50% направлена на получение однородности и стабильности УМЗ-структуры из зерен γ- и γ'-фаз, приблизительно одинаковых по размеру, оптимальной для реализации эффекта сверхпластичности при последующей заключительной деформации. Снижение температуры деформации при подпрессовке до T _прγ' 60-80^оС в отличие от прототипа вызывает интенсивный наклеп сплавов, обеспечивающий динамическую рекристаллизацию, в результате чего формируется однородная УМЗ-структура. При проведении подпрессовки при температуре выше T _прγ' 60^оС наблюдается огрубление структуры, а при температуре ниже T _прγ' -80^оС повышаются усилия деформации и увеличиваются внутренние напряжения, что при последующей заключительной деформации может привести к нарушению целостности сплава. В результате предлагаемой предварительной обработки заготовки имеет место повышение однородности структуры и пластичности сплавов за счет формирования УМЗ с микродуплексной структурой, что при последующей заключительной деформации при температуре, соответствующей T _прγ'40-60^оС, позволяет улучшить условия деформирования и осуществить осадку, совмещенную со штамповкой, со степенью деформации 75-85%. Осуществление заключительной деформации со степенью деформации менее 75% не обеспечивает оформления геометрии изделия (диска), а осуществление со степенью деформации более 85% вызывает повышение усилия деформирования, что способствует опасности появления трещин. Улучшение условий деформирования при заключительной деформации положительно сказывается на размерах зерен матрицы и распределении частиц γ'-фазы, что позволяет после окончательной термической обработки дисков, выполненной по предлагаемому режиму, не изменяющей макроструктуры деформации, но оптимизирующей микроструктуру: величину, количество и распределение фазовых составляющих, обеспечить наряду с повышением уровня механических свойств стабильность их значений и жаропрочность сплавов. Как следует из данных таблицы, использование предлагаемого способа изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов позволяет в сравнении с известным повысить уровень механических свойств и жаропрочность, а следовательно, увеличить ресурс работы двигателя.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКОВ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, включающий гомогенизирующий отжиг слитков, охлаждение, резку слитка на мерные заготовки, подпрессовку в закрытом контейнере при температуре двухфазной (γ + γ ʹ ) - области ниже температуры полного растворения γ ʹ - фазы (T_{п.p. γʹ}) на 60 - 80^oС, заключительную деформацию в двухфазной области и окончательную термическую обработку, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня механических свойств и жаропрочности, после гомогенизирующего отжига проводят прессование при температуре ниже T_{п.p. γʹ} на 40 - 60^oС со степенью деформации 65 - 75%, подпрессовку заготовки осуществляют в закрытом контейнере со степенью деформации 35 - 50%, а заключительную деформацию проводят совмещением осадки и штамповки со степенью деформации 75 - 85%. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гомогенизирующий отжиг слитка ведут при температуре на 20 - 30^oС выше T_{п.p. γʹ} в течение 4 - 8 ч, а охлаждение осуществляют с печью до температуры максимальной коагуляции частиц γ ʹ - фазы, далее на воздухе. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заключительную деформацию осуществляют при температуре на 40 - 60^oС ниже T_{п.p. γʹ}. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончательную термическую обработку проводят путем предварительного отжига при температуре ниже T_{п.p. γʹ} на 100 - 130^oС, закалки с температуры в интервале T_{п.p. γʹ} ± 10^oС с регламентированным охлаждением и последующего старения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2