Способ производства заготовок из порошковых сплавов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству заготовок из порошковых жаропрочных никелевых сплавов. Может использоваться для изготовления деталей, стойких к окислению при повышенных температурах и работающих в условиях тяжелого нагружения. Порошковый материал засыпают в капсулу и подвергают утряске. Проводят жидкофазное спекание в печи по режиму: нагрев до Ts±10°C с выдержкой 10-20 мин, где Ts - температура солидуса, затем до Ts+(10÷25)°C с выдержкой 10-20 мин и последующий нагрев до Т₁-(5÷25)°С, где T₁ - температура ликвидуса с выдержкой 10-30 минут. Далее заготовку охлаждают на 10-40°С ниже температуры солидуса (Ts) с выдержкой при ней 15-30 мин, затем охлаждают до 1000±10°С с выдержкой 15-30 минут, после чего окончательно охлаждают с печью. До или после жидкофазного спекания осуществляют горячее изостатическое прессование (ГИП). Способ обеспечивает лучшую макро- и микроструктуру заготовки и позволяет сократить время цикла получения заготовки. 8 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области производства заготовок из порошков жаропрочных никелевых сплавов, стойких к окислению при повышенных температурах и работающих в условиях тяжелого нагружения.

Известен способ производства заготовок из порошковых жаропрочных сплавов, включающий обработку порошкового материала аммонийными солями комплексонов, засыпку материала в форму, нагрев его в вакууме от 20 до 300°С со скоростью 2-4 град/мин, выдержку при этой температуре в течение 0,5-1 час и последующее охлаждение (SU, пат. №1593042 кл. B22F 3/10).

При реализации данного способа спекание порошкового материала происходит без применения защитно-восстановительной атмосферы и в негерметичной форме, из-за чего в структуре спеченных заготовок могут образовываться поры.

Известен способ производства заготовок из порошковых сплавов, включающий засыпку порошкового материала в капсулу, утряску, ступенчатый нагрев и жидкофазное спекание (компактирование) (RU пат. №2224622, 2002, кл. B22F 3/24). Недостатком этого способа является то, что соблюдение предложенного режима нагрева требует значительных энергозатрат и времени, а осадка заготовки требует использования дорогостоящего прессового оборудования с усилием прессования порядка 12 тыс.тн и изотермических блоков. В противном случае, на поверхности осажденной заготовки появляются трещины.

Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, выражающегося в обеспечении макро- и микроструктуры заготовок из порошковых сплавов, сокращении цикла получения заготовок во времени и создании изотермических условий при компактировании порошкового материала в газостате.

Технический результат достигается тем, что в способе производства заготовок из порошковых сплавов, включающем засыпку порошкового материала в капсулу, утряску и жидкофазное спекание, до или после жидкофазного спекания осуществляют горячее изостатическое прессование (ГИП), а жидкофазное спекание осуществляют при следующих режимах: сначала осуществляют нагрев порошкового материала до температуры Ts±10°C с выдержкой в течение 10-20 мин, где Ts - температура солидуса, затем поднимают температуру до Ts+(10-25)°C с выдержкой в течение 10-20 мин и осуществляют нагрев до температуры T₁-(5÷25)°C, где T₁ - температура ликвидуса с выдержкой в течение 10-30 минут, далее заготовку сначала охлаждают на 10-40°С ниже температуры солидуса (Ts) с выдержкой при ней 15-30 мин, затем охлаждают до 1000±10°С с выдержкой 15-30 минут, после чего проводят окончательное охлаждение заготовки с печью.

В предпочтительном варианте после компактирования заготовку подвергают горячему деформированию, в качестве которого применяют, например, изотермическую раскатку, при этом суммарная степень деформации заготовки при раскатке не превышает: где К - коэффициент больше 0,3, h₀ - высота заготовки до деформирования, h₁ - высота заготовки после деформирования. В предпочтительном варианте жидкофазное спекание порошкового материала, находящегося в капсуле, осуществляют в инертной атмосфере, в вакууме, либо в сочетании вакуума с заполнением рабочей камеры газом. При этом жидкофазное спекание осуществляют либо до его горячего изостатического прессования, либо после. Кроме того, жидкофазное спекание порошкового материала и горячее изостатическое прессование спеченной заготовки осуществляют как в одном аппарате (газостате), так и в разных, варьируя технологическими параметрами процессов, а после горячего изостатического прессования заготовку подвергают изотермической раскатке, не извлекая ее из капсулы. При этом горячее изостатическое прессование заготовки осуществляют под давлением 120-150 МПа при температуре не ниже Ts-(10÷30°C) и выдержкой этой температуры не менее 2-х часов, а перед деформированием заготовку выдерживают 4 часа при температуре не ниже Ts-(60÷100°C), затем охлаждают ее до температуры раскатки.

Ниже приведены примеры реализации заявленного способа.

Пример 1.

Капсулу с порошковым жаропрочным никелевым сплавом ЭП741НП подвергали горячему изостатическому прессованию и жидкофазному спеканию. На первой стадии (ГИП) давление составляло 150 МПа, температура - 1200±10°С, время выдержки - 2,5 часа. После ГИП капсулу изымали из газостата и помещали в печь, работающую как в режиме вакуумирования, так и под давлением рабочего газа и спекали с жидкой фазой. Время выдержки при спекании - 20 минут, температура жидкофазного спекания - 1285±5°. Исследования показали, что, по сравнению с заготовкой, полученной одним ГИП, после ГИП и жидкофазного спекания образцов временное сопротивление разрыву образцов (σ_в) увеличилось на 30 МПа, а структура материала (пористость и размер зерна) соответствовала действующим техническим условиям. Данную заготовку подвергали горячей деформации со степенью деформации до 60%. После жидкофазного спекания и ГИП плотность заготовки достигла 8,27 г/см³, что отвечает плотности монолитного металла. В данном случае не потребовались мощное прессовое оборудование с усилием прессования в 12 тыс. тн и пресс-инструмент из молибденового сплава, вес которого составляет порядка 0,5 тн, а также изотермический блок.

Пример 2.

В металлическую капсулу помещали порошковый никелевый сплав ЭП741НП и подвергали жидкофазному спеканию в печи в вакууме, а затем и под давлением аргона 0,1 МПа. Температурный режим спекания: нагрев порошкового сплава до 1240±10°С осуществляли без контроля его скорости. При этой температуре сплав выдерживали 15 минут, далее при температуре 1250°С - 15 минут. Окончательное спекание производили при температуре 1285°С и выдержке 20 минут. Спеченную заготовку охлаждали сначала до 1200°С с выдержкой 20 минут, затем до 1000°С и выдержкой 15 минут, а далее охлаждали с печью. В результате была получена заготовка с пористостью ˜ 7% (определено предварительными исследованиями). В капсуле заготовку помещали в газостат. Там производили ГИП при Р=140 МПа, t° = 1215°С, и выдержке - 2,5 часа (без жидкофазного спекания). При степени деформации 5-6% такие заготовки, полученные одним ГИП, обычно разрушаются. В нашем же случае последующей деформацией со степенью до 30% (горячей раскаткой) получают заготовку - деталь с заданными размерами и при минимальной механической обработке. При этом коэффициент использования металла возрастает с 0,2 до 0,8.

1. Способ производства заготовок из порошковых жаропрочных никелевых сплавов, включающий засыпку порошкового материала в капсулу, утряску и жидкофазное спекание в печи, отличающийся тем, что до или после жидкофазного спекания осуществляют горячее изостатическое прессование (ГИП), а жидкофазное спекание осуществляют при следующих режимах: сначала осуществляют нагрев порошкового материала до температуры Ts±10°C с выдержкой в течение 10-20 мин, где Ts -температура солидуса, затем поднимают температуру до Ts+(10÷25)°C с выдержкой в течение 10-20 мин и осуществляют нагрев до температуры Т₁-(5÷25)°С, где T₁ - температура ликвидуса, с выдержкой в течение 10-30 мин, далее заготовку сначала охлаждают на 10-40°С ниже температуры солидуса (Ts) с выдержкой при ней 15-30 мин, затем охлаждают до (1000±10)°С с выдержкой 15-30 мин, после чего проводят окончательное охлаждение заготовки с печью.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученную заготовку подвергают горячему деформированию, например изотермической раскатке.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что раскатку проводят с суммарной степенью деформации, не превышающей

где К - коэффициент больше 0,3;

h₀ - высота заготовки до деформирования;

h₁ - высота заготовки после деформирования.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкофазное спекание осуществляют в инертной атмосфере, в вакууме либо в сочетании вакуума с заполнением рабочей камеры газом.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование осуществляют до жидкофазного спекания.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование осуществляют после жидкофазного спекания.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что после горячего изостатического прессования заготовку подвергают изотермической раскатке, не извлекая ее из капсулы.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что горячее изостатическое прессование заготовки осуществляют под давлением 120-150 МПа при температуре не ниже Ts-(10÷30°C) и выдержкой этой температуры не менее 2 ч.

9. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед деформированием заготовку выдерживают 4 ч при температуре не ниже Ts-(60÷100)°C, a затем охлаждают до температуры раскатки.