Способ обработки изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу обработки изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава, и может найти применение в авиационном и энергетическом машиностроении при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей. Наносят покрытие из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья на изделие с равноосной структурой из жаропрочного никелевого сплава. Проводят упрочнение путем первой вакуумной термообработки изделия с полученным покрытием в диапазоне температур от температуры отжига до температуры растворения упрочняющей γ'-фазы жаропрочного сплава изделия. После этого подвергают пластической деформации поверхность изделия с нанесенным покрытием. Затем осуществляют вторую вакуумную термообработку изделия с полученным покрытием в диапазоне температур от температуры отжига до температуры растворения упрочняющей γ'-фазы жаропрочного сплава изделия. Технический результат заключается в продлении срока службы рабочих лопаток турбин из жаропрочных сплавов, не содержащих редких и дорогостоящих легирующих элементов, в снижении трудоемкости, энергоемкости и стоимости производства газотурбинных двигателей. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может быть использовано в авиационном и энергетическом машиностроении при изготовлении деталей горячего тракта газотурбинных двигателей, преимущественно лопаток газовых турбин.

Известен способ обработки изделий типа лопаток турбин, при котором на поверхности пера лопаток из высокотемпературной импульсной плазмы образуют покрытие толщиной до 20 мкм, а затем проводят упрочнение поверхности виброшлифованием (патент РФ №2094486, 1997 г.).

Обработка поверхности изделий из жаропрочного сплава высокотемпературной импульсной плазмой приводит к изменениям структурно-фазового состава поверхности сплава. Измененный слой приобретает повышенные характеристики коррозионной стойкости, но имеет более низкую прочность по сравнению с жаропрочным сплавом изделий, что уменьшает величину несущего сечения изделий на толщину измененного слоя, соизмеримую с толщиной стенки пера рабочих лопаток турбин. Кроме того, малая толщина покрытия не обеспечивает длительных ресурсов работы изделий типа лопаток турбин при высоких температурах из-за диффузионного взаимодействия покрытия с жаропрочным сплавом.

Известен способ обработки изделий из жаропрочных никелевых сплавов, при котором для предотвращения разупрочнения поверхностного слоя сплава изделий при высоких температурах, в результате образования вторичной реакционной зоны под защитным покрытием, проводят вакуумную термообработку изделий по режиму, обеспечивающему выравнивание содержания легирующих элементов в дендритных осях и междендритных пространствах материала изделий (патент ЕР №1146134, 2001 г.).

Однако способ не исключает разупрочнения поверхностного слоя и уменьшения несущего сечения изделий при формировании диффузионного защитного покрытия и дальнейшего взаимодействия с жаропрочным никелевым сплавом изделий при их эксплуатации. Кроме того, для достижения результата способ требует длительной вакуумной термообработки изделий при температурах выше температуры растворения упрочняющей γ'-фазы из-за низкой скорости диффузии некоторых легирующих элементов (рения).

Известен способ обработки изделий из литейного сплава на никелевой основе с упрочняющей γ'-фазой, имеющего равноосную или направленную структуру, включающий нагрев изделия до температуры начала растворения γ'-фазы, выдержку и охлаждение с заданной скоростью [патент США №4753686, 1988 г.].

Недостаточно высокая температура плавления и растворения упрочняющей γ'-фазы ограничивают прочность и термическую стабильность сплава на никелевой основе при эксплуатации изделия в области рабочих температур и, соответственно, ресурс его работы.

Недостатками известных способов являются пониженные прочностные свойства поверхностного слоя жаропрочного сплава, уменьшение несущего сечения изделий из-за изменения элементного состава сплава изделий при образовании покрытия и в процессе дальнейшей эксплуатации из-за диффузионного взаимодействия покрытия с защищаемым сплавом.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ обработки изделий, включающий образование на поверхности изделий защитного покрытия, поверхностную обработку для снижения шероховатости поверхности покрытия и последующее упрочнение (патент РФ №2115763, 1998 г.).

Недостатком известного способа является низкая прочность покрытия, уменьшение площади несущего сечения деталей при эксплуатации из-за коррозии и диффузионного взаимодействия покрытия со сплавом детали, неудовлетворительная жаростойкость покрытия в области высоких температур.

Технической задачей изобретения является повышение прочности поверхностного слоя изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава, увеличение площади его несущего сечения, увеличение ресурса работы изделия в области высоких температур.

Технический результат достигается тем, что предложен способ обработки изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава, включающий нанесение на поверхность изделия покрытия с последующим упрочнением поверхности, отличающийся тем, что на поверхность изделия наносят покрытие из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, а упрочнение поверхности проводят путем первой вакуумной термообработки изделия с покрытием из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, последующей пластической деформации поверхности изделия, а затем второй вакуумной термообработки изделия.

Вакуумную термообработку изделия проводят в диапазоне от температуры отжига до температуры растворения упрочняющей фазы жаропрочного сплава изделия с равноосной структурой. Покрытие из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья наносят ионно-плазменным напылением. На покрытие из сплава для монокристального литья наносят дополнительно жаростойкое алюминидное покрытие.

Нанесение на поверхность изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава покрытия из сплава для монокристального литья приводит к повышению прочности поверхностного слоя изделия в результате образования на поверхности изделий покрытия и зоны диффузионного взаимодействия покрытия с основой, близких по элементному и фазовому составу жаропрочному сплаву изделия с равноосной структурой. Но в отличие от сплава основы покрытие из сплава для монокристального литья и его зона диффузионного взаимодействия с основой, в силу особенностей своего элементного состава, имеют более высокие температуры солидуса, температуры растворения упрочняющей γ'-фазы и, соответственно, прочность в области высоких температур. Легирование поверхности изделий с равноосной структурой из жаропрочного сплава элементами, повышающими его прочность, происходит в процессе вакуумных термообработок. Для интенсификации процессов диффузии после первой вакуумной термообработки проводят пластическую деформацию поверхности, например, стальными или керамическими шарами. Это стимулирует процессы роста зерна в покрытии из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья и диффузионного взаимодействия покрытия с жаропрочным сплавом изделий при второй вакуумной термообработке. В результате прочность покрытия возрастает, а жаропрочный сплав основы упрочняется с поверхности за счет дополнительного легирования элементами сплава покрытия, повышающими его термическую стабильность и прочность. Нанесение упрочняющего покрытия из сплава для монокристального литья на поверхность изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава увеличивает площадь несущего сечения изделия, исключает возможность разупрочнения поверхностного слоя основы в случае формирования жаростойкого алюминидного покрытия. Кроме того, при эксплуатации изделия с равноосной структурой в области высоких температур дальнейшая диффузия легирующих элементов, повышающих температуры солидуса сплава и растворения упрочняющей γ'-фазы, от поверхности в основу будет приводить к упрочнению внутренних слоев жаропрочного сплава и тормозить процессы коагуляции или растворения γ'-фазы, приводящих к его разупрочнению.

В результате упрочнения поверхностного слоя изделия с равноосной структурой из жаропрочного сплава, увеличения несущего сечения изделия и увеличения толщины зоны диффузионного взаимодействия покрытия из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья с основой при эксплуатации ресурс работы изделия в области высоких температур возрастает.

Предложенный способ может быть использован для обработки лопаток турбин из сплавов ЖС6У, ЖС6К, ВЖЛ12У, ЖС26, ЖС26У и т.д. В качестве упрочняющего покрытия могут быть использованы сплавы для монокристального литья ЖС32, ЖС36, ЖС40, ЖС47 и т.д.

Пример осуществления.

На образцы из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У с равноосной структурой диаметром рабочей части 5 мм на установке МАП-1 по серийной технологии было нанесено ионно-плазменное покрытие из сплава ЖС36 для монокристального литья толщиной 80 мкм. Образцы с покрытием были отожжены в вакууме при температуре 1000°С в течение 4 часов. Затем поверхность образцов с покрытием была подвергнута пластической деформации путем обработки стальными шариками диаметром 4-10 мм в центробежно-ротационной установке при 250 об/мин в течение 15 мин. После удаления с поверхности образцов с покрытием из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья слоя шлама и загрязнений промывкой в бензине, ацетоне и опескоструивания сухим электрокорундом при давлении сжатого воздуха (4-6) атм образцы отжигались в вакууме по режиму закалки сплава ЖС6У при температуре 1210°С в течение 75 мин. Затем на часть образцов по серийной технологии на установке МАП-1 было нанесено ионно-плазменное жаростойкое алюминидное покрытие СДП-2 (NiCrAlY) толщиной 40 мкм.

Провели испытания образцов из жаропрочного сплава ЖС6У, изготовленных по данному способу, способу прототипа, а также образцов в необработанном состоянии с покрытием СДП-2 на длительную прочность при температуре испытаний 1000°С и нагрузке 170 МПа. По результатам испытаний рассчитали значение длительной прочности сплава ЖС6У на базе испытаний 100 часов при температуре 1000°С, определили среднее значение долговечности и металлографическими методами определили толщину разупрочненной зоны на поверхности основного металла образцов под покрытием. Полученные средние значения перечисленных выше характеристик представлены в таблице.

Из представленных в таблице данных видно, что изготовление образцов из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У, имеющего равноосную структуру, по предлагаемому способу позволяет увеличить долговечность образцов в 1,5 раза, а длительную прочность на 10%. При этом толщина разупрочненного слоя уменьшается более чем в 8-10 раз.

Вид образцов из сплава ЖС6У	Характеристики прочности	Толщина разупрочненного слоя на поверхности образцов после испытаний при 1000°С на базе 100 ч, мкм
	Длительная прочность при температуре 1000°С на базе испытаний 100 ч, МПа	Долговечность образцов при температуре 1000°С и нагрузке 170 МПА
Без покрытия	165	95	150
С покрытием СДП-2	173	105	40
Изготовленные по предлагаемому способу	187	145	5
Изготовленные по предлагаемому способу, без внешнего покрытия СДП-2	181	141	10
Виброшлифовка покрытия СДП-2 до шероховатости 5(прототип)	160	90	60

Изготовление изделий с равноосной структурой из жаропрочных никелевых сплавов, преимущественно рабочих лопаток турбин, по данному способу с формированием на поверхности покрытия из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья практически не увеличивает массы деталей в отличие от способов повышения прочности литейных сплавов на никелевой основе, связанных с объемным легированием, что приводит к заметному росту их плотности, исключает возможность образования вторичной реакционной зоны под жаростойким покрытием, которая значительно снижает длительную прочность изделия из литейных никелевых сплавов при эксплуатации.

Изобретение может быть использовано при проведении ремонта рабочих лопаток турбин, а также для восстановления несущего сечения и геометрии поверхности пера рабочих лопаток турбин.

Применение изобретения в промышленности при изготовлении рабочих лопаток турбин в 1,5-2 раза продлит срок службы рабочих лопаток турбин из жаропрочных никелевых сплавов, не содержащих редких и дорогостоящих легирующих элементов, а также снизит трудоемкость, энергоемкость и стоимость производства ГТД.

1. Способ обработки изделия с равноосной структурой из жаропрочного никелевого сплава, включающий нанесение покрытия на поверхность изделия и последующее упрочнение, отличающийся тем, что наносят покрытие из жаропрочного никелевого сплава для монокристального литья, а упрочнение проводят путем первой вакуумной термообработки изделия с полученным покрытием в диапазоне температур от температуры отжига до температуры растворения упрочняющей γ'-фазы жаропрочного сплава изделия, последующей пластической деформации поверхности изделия с нанесенным покрытием и затем второй вакуумной термообработки изделия с полученным покрытием в диапазоне температур от температуры отжига до температуры растворения упрочняющей γ'-фазы жаропрочного сплава изделия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие наносят ионно-плазменным напылением.

3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что на покрытие из сплава для монокристального литья дополнительно наносят алюминидное покрытие.