Способ обработки литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов

Изобретение относится к обработке литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов, в том числе лопаток газотурбинных двигателей и/или других отливок. Способ включает горячее изостатическое прессование и термическую обработку. Горячее изостатическое прессование осуществляют по двухступенчатому режиму. На первой ступени проводят нагрев детали от комнатной температуры до 1000-1100°С и выдержку при этой температуре и давлении аргона 130-150 МПа в течение 0,5-1,5 часа. На второй ступени проводят дальнейший нагрев детали до температуры нагрева сплава под закалку и увеличение давления аргона до 150-170 МПа и выдержку в течение 1,5-2 часов с последующим охлаждением в газостате. Способ позволяет увеличить механические свойства, в частности прочность деталей, предел выносливости за счет устранения усадочных пор и создания благоприятной структуры. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к уплотнению литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов путем горячего изостатического прессования (ГИП).

Литые детали, в частности лопатки из жаропрочных никелевых сплавов для газотурбинных двигателей, характеризуются присутствием в них пор усадочного происхождения размером от 5-10 до 100-300 мкм. Основной причиной образования таких дефектов является разница объемов жидкого и затвердевшего сплава, а также недостаток количества жидкой фазы у фронта кристаллизации отливки. Количество и размер усадочных пор можно в значительной мере уменьшить различными технологическими приемами литья, например направленной кристаллизацией, но полностью устранить их не удается.

Наличие в лопатках усадочных пор снижает механические свойства (длительную прочность, предел выносливости, пластичность и др.) материала лопаток и уменьшает служебные характеристики лопаток (малоцикловую усталость, термическую усталость и т.п.).

Известен эффективный способ устранения усадочных пор в отливках из разнообразных сплавов применением ГИП. При газоетатическом прессовании, которое заключается во всестороннем сжатии в специальных установках - газостатах рабочей средой нагретых отливок, происходит их уплотнение в результате диффузионных процессов и пластической деформации материала отливок в районе расположения внутренних и не сообщающихся с поверхностью пустот (раковин и пор). При этом температура нагрева отливок должна быть достаточной высокой для обеспечения диффузии и приведения их материала в пластическое состояние, но не вызывать оплавления легкоплавких структурных составляющих (например, эвтектик) и потери формы отливок под собственным весом или весом других отливок. Величина давления рабочей среды (инертный газ, чаще всего аргон, или жидкость) должна быть достаточной для обеспечения пластической деформации материала отливок. При этом рабочая среда не должна термохимически взаимодействовать с обрабатываемыми отливками.

В процессе ГИП происходит постепенное сближение стенок внутренней пустоты, их смыкание и диффузионное сращивание. В итоге отливка приобретает плотность, сопоставимую с плотностью поковки или штамповки.

Обычно ГИП лопаток из жаропрочных никелевых сплавов осуществляют при температуре, соответствующей температуре нагрева лопаток под закалку, т.е. при температуре полного растворения в γ-матрице сплава частиц γ'-фазы, образовавшихся при кристаллизации и при охлаждении сплава ниже температуры линии «сольвус» диаграммы состояния, а также эвтектических прослоек γ-γ'.

Такое структурное состояние сплава вследствие отсутствия упрочняющих фаз характеризуется более высокой пластичностью, обеспечивающей при ГИП устранение усадочных пор.

В частности, в патенте РФ №2235798 С2, С22С 19/05, C22F 1/10, B22D 17/00, 21/00 от 22.12.1999 г. описано применение ГИП для устранения пористости в литых под давлением лопатках газотурбинных установок из сплава IN 718 (мас.%: 13-25 хрома; 2,5-3,5 молибдена; 5,0-5,75 ниобия и тантала в сумме; 0,5-1,25 титана; 0,25-1,0 алюминия; до 21 железа; остальное - никель). Литые лопатки из данного сплава подвергались ГИП при температуре 982-1121°С (предпочтительно при 982-1023°С), соответствующей температуре термической обработки, давлении аргона 105-175 МПа в течение 1-24 часов (предпочтительно не менее 4 часов).

Однако данный режим ГИП не может быть использован для обработки лопаток из жаропрочных никелевых сплавов Российской Федерации, таких как ЖС6У-ВИ, ЧС70-ВИ, ЧС104-ВИ, ЦНК7-ВИ и др. Эти сплавы имеют более сложный по сравнению со сплавом IN 718 химический состав и требуют более высокую температуру нагрева под закалку. В зависимости от марки сплава температура нагрева под закалку находится в пределах от 1160 до 1220°С (ОСТ 1.90126 «Сплавы жаропрочные литейные»).

Кроме того, нагрев и выдержка в районе температуры 980°С приводит к превращению карбидов типа МС компонентов сплава Cr, W, Мо и др. в карбиды типа М₂₃С₆ и М₆С, вблизи которых в условиях эксплуатации могут образовываться нежелательные хрупкие ТПУ-фазы (Суперсплавы II. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Под ред. Ч.Т.Симса. М. «Металлургия». 1995).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ повышения путем ГИП качества и эксплутационной надежности лопаток турбины из сплава ЖС6У-ВИ - патент РФ №2184178 С2, C23F 17/00, С23С 10/06, F01D 5/28 от 07.02.2000 г., принятый за прототип. По данному патенту ГИП лопаток из сплава ЖС6У-ВИ, содержащего в мас.%: 0,13-0,2 углерода; 8,0-9,5 хрома; 9,0-10,5 кобальта; 9,5-11,0 вольфрама; 1,2-2,4 молибдена; 5,1-6,0 алюминия; 2,0-2,9 титана; 0,8-1,2 ниобия; до 0,01 иттрия; до 0,04 циркония; до 0,035 бора; до 0,02 церия; до 1,0 железа; остальное - никель, проводился при температуре 1220°С, давлении аргона 1940 атм и продолжительностью 3 часа.

При этом в зависимости от конструкции газостата продолжительность подъема температуры от комнатной до рабочей величины может составлять от 30-45 минут (лабораторные газостаты) до 1,5-2 часов (промышленные газостаты). При таком довольно быстром нагреве в γ-матрице лопаток не успевают раствориться прослойки эвтектики γ-γ' и частицы γ'-фазы, которые образовались при кристаллизации и охлаждении отливки. Кроме того, при быстром нагреве в структуре сплава может сохраниться ликвационная неоднородность зерен γ-матрицы.

Наличие в структуре лопаток прослоек эвтектики, частиц упрочняющих фаз и ликвационной неоднородности затрудняет пластическую деформацию при устранении пор в начале процесса ГИП. В связи с этим в литых лопатках после ГИП могут оставаться мелкие поры размером: от 1,7 до 4,0 мкм (А.В.Логунов, В.И.Голованов и др. Газостатическое прессование - эффективный способ устранения несплошностей в лопатках ГТД. Перспективные материалы. - 2004. №3. с.12-16).

Таким образом, недостатком режима ГИП прототипа является то, что он осуществляется при таком структурном состоянии материала лопаток, которое не может обеспечить его повышенную пластичность и полное устранение пор.

Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа ГИП, обеспечивающего получение благоприятного состояния структуры и полное устранение усадочных пор в лопатках газотурбинных двигателей и/или других отливках и, как следствие этого, повышение качества и механических свойств литых лопаток и/или других отливок из жаропрочных никелевых сплавов и их служебных характеристик после применения стандартной термической обработки.

Для решения поставленной задачи горячее изостатическое прессование осуществляют по двухступенчатому по температуре режиму, состоящему из нагрева лопаток и/или других отливок из жаропрочных никелевых сплавов от комнатной температуры до температуры 1000-1100°С и выдержке отливок при этой температуре и давлении 130-150 МПа в течение 0,5-1,5 часа - 1-я ступень, увеличения температуры до температуры нагрева сплава под закалку и давления до 150-170 МПа и выдержки отливок в течение 1,5-2 часов - 2-я ступень, затем охлаждение лопаток и/или других отливок в газостате и извлечение их из газостата. После ГИП лопатки и/или отливки подвергаются стандартной термической обработке.

Пример конкретного выполнения

Практическая проверка предлагаемого изобретения осуществлялась на партии заготовок для образцов и лопаток газотурбинного двигателя, отлитых из сплава ЖС6У-ВИ по выплавляемым моделям в вакууме. Одна часть партии заготовок и лопаток подвергалась ГИП в промышленном газостате HIRP 70/150 по режиму, указанному в прототипе, а другая часть партии обрабатывалась по предлагаемому режиму:

- нагрев до температуры 1050±10°С, выдержка 1 час при давлении аргона 140±5 МПа;

- подъем температуры до 1210±10°С, выдержка 2 часа при давлении аргона 160±5 МПа;

- охлаждение в газостате.

После газостатирования все лопатки и заготовки для образцов были термически обработаны в вакууме по стандартному режиму: нагрев при температуре 1210±10°С, выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе (ОСТ 1.90126 «Сплавы жаропрочные литейные»).

Результаты испытания механических свойств стандартных образцов, вырезанных из заготовок, и испытание предела выносливости лопаток, обработанных по предложенному режиму и режиму прототипа приведены в табл.1.

Таблица 1
Результаты испытания механических свойств образцов и лопаток из сплава ЖС6У-ВИ
Наименование свойств	Температура испытания, °С	Показатели свойств
Предложенный режим ГИП	Режим ГИП по прототипу
Временное сопротивление образцов, σВ, МПа	20	936-988	873-937
Относительное удлинение образцов, δ5, %	20	4,8-7,2	3,0-6,0
Длительная прочность образцов.
Время до разрушения (час)
при σ=524 МПа	800	192-370	173-353
σ=329 МПа	900	131-246	120-234
σ=226 МПа	975	63-102	55-96
Предел выносливости лопаток 2×107 циклов, σ-1, МПа	20	193-245	183-236
Примечание: на каждый показатель свойств испытывалось 10 образцов или лопаток.

Данные таблицы 1 свидетельствуют о том, что применение предлагаемого режима ГИП обеспечило по сравнению с известным режимом ГИП повышение качества и механических свойств образцов и лопаток для газотурбинных турбин из сплава ЖС6У-ВИ. Прочность материала лопаток (сплав ЖС6У-ВИ) увеличилась с 873-937 до 936-988 МПа, а предел выносливости газотурбинных лопаток повысился с 183-236 до 193-245 МПа.

Кроме того, в структуре лопаток не было замечено наличия остаточных пор и образований карбидов типа МС₆ и М₂₃С₆.

Способ обработки литых деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включающий горячее изостатическое прессование и термическую обработку, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование осуществляют по двухступенчатому режиму: на первой ступени проводят нагрев детали от комнатной температуры до 1000-1100°С и выдержку при этой температуре и давлении аргона 130-150 МПа в течение 0,5-1,5 ч, на второй ступени проводят дальнейший нагрев детали до температуры нагрева сплава под закалку и увеличение давления аргона до 150-170 МПа и выдержку в течение 1,5-2 ч с последующим охлаждением в газостате.