Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению полуфабрикатов из жаропрочных высоколегированных деформируемых сплавов на основе никеля, предназначенных преимущественно для изготовления дисков газотурбинных двигателей или других изделий, работающих в условиях предельных нагрузок при рабочих температурах выше 600°С. Предложен способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава. Способ включает предварительную деформацию заготовки путем осадки за два или более раза, окончательную деформацию и термическую обработку, в котором при предварительной деформации заготовки первую осадку осуществляют в закрытом контейнере, а при следующей осадке на нагретую до температуры деформации Тдеф. заготовку устанавливают технологическое металлическое кольцо, имеющее температуру (0,02-0,5)Тдеф., и осуществляют свободную осадку в штамповом инструменте, нагретом до температуры деформации. Геометрические параметры кольца выбирают из приведенных соотношений. Предварительную деформацию заготовки осуществляют с промежуточными отжигами. Соотношение высоты и диаметра исходной заготовки под предварительную деформацию выбирают не менее 3:1. Технический результат - упрощение процесса и снижение трудоемкости, а также формирование однородной мелкозернистой структуры по всему объему заготовки за счет проработки торцевых зон. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению полуфабрикатов из жаропрочных высоколегированных деформируемых сплавов на основе никеля, предназначенных преимущественно для изготовления осесимметричных деталей газотурбинных и ракетных двигателей типа дисков, полусфер, оболочек, "стаканов" и изделий других форм, работающих в условиях предельных нагрузок при рабочих температурах выше 600°С.

При получении дисков из никелевых жаропрочных сплавов для деформации преимущественно используют слиток вакуумно-индукционного переплава с последующим вакуумно-дуговым переплавом. Для того чтобы в результате предварительной деформации получить заготовку с равномерным рекристаллизованным зерном и обладающую необходимой пластичностью, слиток многократно деформируют, уменьшая его поперечные размеры прессованием (экструзией) или специальными приемами ковки (например, ротационной ковкой). Затем проводят многократную деформацию осадкой в закрытом контейнере с последующей свободной осадкой на плоских бойках с целью увеличения диаметра поперечного сечения.

Известен способ изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий предварительную деформацию прессованием (экструзией) на пруток со степенью деформации 65-75% при температуре ниже Т.п.р. γ' на 60-80°С с последующей подпрессовкой в закрытом контейнере со степенью деформации 35-50% при температуре ниже Т.п.р. γ' на 60-80°С; окончательную деформацию совмещением осадки и штамповки при температуре ниже Т.п.р. γ' на 40-60°С со степенью деформации 75-85%; термическую обработку, состоящую из предварительного отжига при температуре ниже Т.п.р. γ' на 100-130°С; обработки на твердый раствор при температуре в интервале Т.п.р. γ'±10°С с регламентированным охлаждением и последующего старения (авт.св. СССР №1637360).

Недостатком известного способа является необходимость применения сложного энергоемкого оборудования, высокая трудоемкость и длительность многоразовых операций подпрессовки (осадки в закрытом контейнере) для увеличения поперечного сечения заготовки.

Известен также способ получения заготовок из малопластичных сплавов с применением внешних металлических коротких оболочек.

Короткая оболочка, помещаемая на центральную зону заготовки, повышает устойчивость заготовки и снижает неравномерность деформации при свободной осадке за счет действия гидростатического давления и геометрического фактора. (Л.Н.Могучий. Обработка давлением труднодеформируемых материалов.- М.: Машиностроение, 1976 г., стр.97-102) Известный способ деформации с короткими оболочками при деформации жаропрочных никелевых сплавов применения не нашел, так как для создания полезного гидростатического давления материал оболочки при температуре деформации 1050-1150°С должен быть более прочным или равнопрочным материалу заготовки. Такие материалы дефицитны и труднообрабатываемы, поэтому изготовление оболочек из них практически неосуществимо.

Известен способ получения штампованных изделий, включающий нагрев заготовок и деформирование их в подогретом штампе, в котором штамп подогревают до температуры, превышающей температуру заготовки, и деформируют заготовку с переменной скоростью.

В процессе деформации происходит разогрев приконтактных со штампом слоев заготовки вследствие теплопередачи от более нагретого инструмента к заготовке. Способ позволяет производить осадку заготовок с большим по сравнению с обычными или изотермическими условиями отношением высоты к диаметру (H/D) и влиять на интенсивность течения металла в торцевых зонах заготовки (авт.св. СССР №485009).

Недостатком известного способа является то, что его также невозможно применить для жаропрочных никелевых сплавов из-за повышенной температуры деформации. Технические сложности и проблема стойкости штампового материала ограничивают возможности нагрева штампов на температуру, превышающую температуру деформации никелевых сплавов.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий предварительную деформацию заготовки осадкой за два или более раза в закрытом контейнере в изотермических условиях (подпрессовкой) при соотношении высоты и диаметра заготовки более 2,5:1; окончательную деформацию в интервале температур (Т.п.р. γ'-80°С÷Т.п.р. γ'-20°С) и термическую обработку путем предварительного отжига в интервале температур 900-1100°С, обработки на твердый раствор с регламентированным охлаждением и старением в интервале температур 650-1050°С (патент РФ №2215059).

Недостатком способа прототипа является высокая трудоемкость получения изделий и недостаточная однородность структуры в получаемых изделиях.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, обеспечивающего снижение трудоемкости процесса, а также формирование однородной мелкозернистой структуры по всему объему заготовки за счет проработки торцевых зон.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий предварительную деформацию заготовки путем осадки за два или более раза, окончательную деформацию и термическую обработку, отличающийся тем, что при предварительной деформации заготовки первую осадку осуществляют в закрытом контейнере, а при следующей осадке на нагретую до температуры деформации Тдеф. заготовку устанавливают технологическое металлическое кольцо, имеющее температуру (0,02-0,5)Тдеф. и осуществляют свободную осадку в штамповом инструменте, нагретом до температуры деформации.

Геометрические параметры технологического металлического кольца выбирают из следующих соотношений:

Нк=(0,25 - 0,75)Нз,

Dнар.к=(1,2 - 1,7)Dз, где

Нк - высота кольца,

Dнар.к. - наружный диаметр кольца,

Dз - диаметр цилиндрической заготовки,

полученной после предварительной деформации,

Нз - высота заготовки, полученной

после предварительной деформации.

Предварительную деформацию заготовки можно осуществлять с промежуточными отжигами, необходимость которых определяется состоянием материала заготовки.

Соотношение высоты и диаметра исходной заготовки под предварительную деформацию выбирают не менее 3:1.

По предлагаемому способу предварительную деформацию заготовки осуществляют осадкой в закрытом контейнере. За счет этого обеспечивают продольную устойчивость заготовки и правильную цилиндрическую форму после осадки, а также достигают повышения пластичности и равномерности деформации при дальнейшей свободной осадке заготовки за счет преобразования литой крупнокристаллической ориентированной структуры в более однородную рекристаллизованную. При следующей деформации свободной осадкой на нагретую до температуры деформации Тдеф. заготовку непосредственно перед помещением в штамп устанавливают технологическое кольцо, предварительно нагретое до температуры (0,02 - 0,5)Тдеф. В результате между заготовкой и технологическим кольцом происходит теплообмен, и по объему заготовки возникает неравномерное температурное поле. Центральная зона заготовки, находящаяся в контакте с технологическим кольцом, теряет тепло и упрочняется по сравнению с более нагретыми торцевыми зонами, где теплообмен не успевает пройти. Вследствие этого при свободной осадке в инструменте, нагретом до температуры деформации, преимущественное течение металла и соответственно проработка структуры, происходит в торцевых зонах заготовки. Способ позволяет существенно повысить устойчивость заготовки при свободной осадке, т.е. ее сопротивление продольному изгибу, и использовать заготовки с более высоким, чем при обычной осадке, отношением высоты к диаметру (H/D). После свободной осадки с технологическим кольцом заготовка может принимать форму обратной бочки, и в зависимости от полученного соотношения H/D ее далее осаживают в закрытом контейнере или свободно осаживают обычным образом. При этом деформация идет уже преимущественно в центральной зоне и заготовка опять принимает форму, близкую к цилиндрической. В дальнейшем из этой заготовки окончательной штамповкой получают различные осесимметричные детали. Операция свободной осадки с технологическим кольцом по предлагаемому способу позволяет заменить часть трудоемких операций осадки в закрытом контейнере в процессе передела заготовки на больший диаметр и за счет этого упростить и удешевить процесс.

Наиболее подходящим материалом для технологического кольца по предлагаемому способу является легированная сталь, не образующая при нагреве значительной окалины.

Температуру нагрева и геометрические параметры кольца выбирают в зависимости от геометрии заготовки и температурно-скоростных параметров деформации.

Необходимость проведения промежуточных отжигов определяется состоянием материала заготовки. В ряде случаев технический результат заявляемого изобретения может быть достигнут и без промежуточных отжигов. Необходимость промежуточного отжига определяется маркой сплава, его структурным состоянием и величиной деформации при обработке давлением. Например, жаропрочный сплав на никелевой основе ЭП742 менее легирован, чем сплавы ЭК151 и ЭП975 и считается достаточно технологичным. В прессованном состоянии он допускает разовую деформацию до 60% и при получении изделий несложной формы позволяет обходиться без промежуточного отжига.

Примеры осуществления

Для практического осуществления предлагаемого изобретения были выбраны жаропрочные никелевые сплавы для дисков турбин ЭК151 и ЭП742ИД. При этом использовали слитки, полученные традиционным методом вакуумно-индукционной выплавки с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ВИ+ВД) и полученные с использованием метода направленной кристаллизации (ВИ+НК).

Предварительную и окончательную деформацию осадкой проводили на специализированном для изотермической штамповки прессе 630тс с индукционной нагревательной установкой штампового инструмента.

Пример 1. По предлагаемому способу из заготовки сплава ЭП742, полученной из слитка (ВИ+ВД) диаметром 320 мм с последующим прессованием со степенью 65-70%, получают изделие, осуществляя следующие операции:

1) обточка заготовки на размер ⊘100 мм ×600 мм;

2) осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм при температуре 1080°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 30% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1080°С;

3) свободная осадка с технологическим кольцом при температуре 1080°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 30% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

Параметры технологического кольца:

Тк=23°С, Нк=175 мм, Dнар.к=145 мм.

4) свободная осадка при температуре 1080°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1080°С;

5) окончательная деформация при температуре 1080°С (Тп.р.γ'-40°) в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1080°С;

6) закалка при температуре 1100°С 8 часов;

7) старение при температуре 850°С 6 часов;

8) старение при температуре 780°С 16 часов.

Пример 2. По предлагаемому способу из заготовки, полученной из слитка (ВИ+ВД) диаметром 320 мм с последующим прессованием со степенью 65-70%:

1) обточка заготовки на размер ⊘100 мм ×500 мм;

2) осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 30% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

3) отжиг при температуре 1090°С (Тп.р.γ'-50°);

4) свободная осадка с технологическим кольцом при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

Параметры технологического кольца:

Тк=23°С, Нк=112 мм, Dнар.к=144 мм.

5) свободная осадка при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

6) отжиг при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°);

7) окончательная деформация при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

8) отжиг при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°);

9) термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С (Тп.р.γ'+15°);

10) старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

Пример 3. По предлагаемому способу из слитка (ВИ+НК) диаметром 105 мм, полученного методом направленной кристаллизации в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200°С:

1) обточка слитка на размер ⊘100 мм ×450 мм;

2) осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм при температуре 1150°С (Tn.p.γ'+10°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1150°С;

3) отжиг при температуре 1150°С (Тп.р.γ'+10°);

4) свободная осадка с технологическим кольцом при температуре 1090°С (Тп.р.γ'-50°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1090°С;

Параметры технологического кольца:

Тк=285°С, Нк=188 мм, Dнар.к=170 мм.

5) свободная осадка при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

7) отжиг при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°);

8) окончательная деформация в при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

12) отжиг при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°);

13) термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С (Тп.р.γ'+15°);

14) старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

Пример 4. По предлагаемому способу (состояние исходной заготовки по примеру 3):

1) обточка слитка на размер ⊘100 мм ×300 мм;

2) осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм при температуре 1150°С (Tn.p.γ'+10°) со степенью деформации 20% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1150°С;

3) отжиг при температуре 1150°С (Тп.р.γ'+10°);

4) свободная осадка с технологическим кольцом при температуре 1090°С (Тп.р.γ'-50°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1090°С;

Параметры технологического кольца:

Тк=545°С, Нк=225 мм, Dнар.к=204 мм.

5) окончательная деформация в при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

6) отжиг при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°);

7) термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С (Тп.р.γ'+15°);

8) Старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

Пример 5. По способу-прототипу из слитка (ВИ+НК) (состояние исходной заготовки по примеру 3):

1) обточка слитка на размер ⊘100 мм ×400 мм;

2) осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм при температуре 1150°С (Тп.р.γ'+10°) со степенью деформации 25% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1150°С;

3) отжиг при температуре 1150°С (Тп.р.γ'+10°);

4) осадка в закрытом контейнере ⊘135 мм при температуре 1050°С (Тп.р.γ'+10°) со степенью деформации 25%;

5) отжиг при температуре 1090°С (Тп.р.γ'-50°);

6) свободная осадка при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) со степенью деформации 25% в нагретом штамповом инструменте (в изотермических условиях);

7) отжиг при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°);

8) окончательная деформация в штампе при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°) в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

9) отжиг при температуре 1100°С (Тп.р.γ'-40°);

10) термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С (Тп.р.γ'+15°);

11) старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

В таблице показано, что предлагаемый способ можно реализовать как на слитках, получаемых традиционным методом (ВИ+ВД), так и на слитках (ВИ+НК). При получении деталей по предлагаемому способу замена операции осадки в закрытом контейнере на операцию свободной осадки с технологическим кольцом позволяет снизить стоимость штамповой оснастки на 30%. Кроме того, за счет происходящего при этом упрощения процесса трудоемкость изготовления детали снижается на 10%. Предлагаемый способ также позволяет в большей степени проработать (измельчить) структуру в торцевых зонах заготовки. При этом обеспечивается равномерность структуры при дальнейшей окончательной штамповке и термообработке, и, в конечном итоге, стабильность свойств изделия.

№ прим ера	Способ выплавки и переплава	H/D исх. за-ки	Параметры используемого технологического кольца	Размер зерна в торцевой зоне заготовки, мкм	Трудоемкость процесса получения диска н/ч	Стоимость штамповой оснастки, руб.
Температура, °С	Высота, Нк., мм	Наружный диаметр, Dнap.к., мм
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	Предла гаемый	ВИ+ВД	6:1	23	175	145	75	1620	1250000
2	ВИ+ВД	5:1	23	112	144	75	1620	1250000
3	способ	ВИ+НК	4,5:1	285	188	170	85	1620	1250000
ВИ+НК	3:1	545	225	204	90	1620	1250000
4	Способ-прототип	ВИ+НК	4:1	Технологическое кольцо не применяется	110	1800	1750000

1. Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий предварительную деформацию заготовки путем осадки за два или более раза, окончательную деформацию и термическую обработку, отличающийся тем, что при предварительной деформации заготовки первую осадку осуществляют в закрытом контейнере, а при следующей осадке на нагретую до температуры деформации Тдеф. заготовку устанавливают технологическое металлическое кольцо, имеющее температуру (0,02-0,5)Тдеф., и осуществляют свободную осадку в штамповом инструменте, нагретом до температуры деформации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что геометрические параметры технологического металлического кольца выбирают из следующих соотношений:

Нк=(0,25-0,75)Нз,

Dнар.к=(1,2-1,7)Dз,

где Нк - высота кольца,

Dнар.к - наружный диаметр кольца,

Dз - диаметр цилиндрической заготовки, полученной после предварительной деформации,

Нз - высота заготовки, полученной после предварительной деформации.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную деформацию заготовки осуществляют с промежуточными отжигами.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение высоты и диаметра исходной заготовки под предварительную деформацию составляет не менее 3:1.