Способ термомеханической обработки заготовок из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе
Владельцы патента RU 2388844:
Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)
Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении заготовок дисков для газотурбинных двигателей из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе. Предложен способ термомеханической обработки заготовок из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе, содержащих 55-60% упрочняющей γ/-фазы. Способ включает горячее изостатическое прессование, высокотемпературный отжиг компактированной заготовки и ее охлаждение с регламентированной скоростью 2-5°С/ч до температуры на 90-200°С ниже температуры отжига с последующим охлаждением до комнатной температуры, нагрев заготовки до температуры деформации и ее многостадийную деформацию с общей степенью деформации 45-80%, включая степень деформации на заключительной стадии 27-45%, с промежуточными рекристаллизационными отжигами между стадиями и термическую обработку, состоящую из закалки и старения. Нагрев под закалку выполняют до температуры на 15-35°С ниже температуры перехода в однофазную область. Повышаются механические и эксплуатационные свойства заготовок. 1 табл.
Предполагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении заготовок дисков для газотурбинных двигателей из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе.
Известен способ термической обработки изделий из жаропрочных деформируемых дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе, включающий закалку, которую проводят при температуре на 30-100°С выше Тп.р. γ'-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 5 мин и последующим охлаждением на воздухе, и ступенчатое старение, которое осуществляют в три ступени, где первая ступень включает нагрев до температуры на 50-100°С ниже Тп.р. γ'-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 2 ч и последующее охлаждение на воздухе, вторая ступень - нагрев до температуры 770-860°С с выдержкой при этой температуре не менее 5 ч и последующее охлаждение на воздухе, а третья ступень - нагрев до температуры 660-750°С с выдержкой при этой температуре не менее 10 ч и последующее охлаждение на воздухе, где Тп.р. γ'-фазы - температура полного растворения γ'-фазы (Патент РФ №2256723, C22F 1/10, 24.05.2004 г.).
Недостатками этого способа является получение низкого уровня механических и эксплуатационных характеристик.
Известен способ термомеханической обработки заготовок из гранулируемых высоколегированных никелевых сплавов, включающий горячее изостатическое прессование, отжиг, двустадийную деформацию с регламентированной степенью деформации 20-25% на каждой стадии при суммарной степени деформации 35-40% с промежуточным рекристаллизационным отжигом, осуществляемым при температуре на 40-50°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы и термическую обработку (Патент РФ №2259902, C22F 1/10, 10.09.2005 г.), прототип.
Недостатками этого способа является получение низкого уровня механических и эксплуатационных свойств заготовок из гранул высоколегированных никелевых сплавов, содержащих 55-60% упрочняющей γ'-фазы, а именно показателя временного сопротивления разрыву, длительной прочности, пластичности и сопротивления малоцикловой усталости при 650°С, что приводит к уменьшению длительности ресурсных характеристик и увеличению расхода дефицитных дорогостоящих материалов.
Предлагается способ термомеханической обработки заготовок из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий горячее изостатическое прессование, высокотемпературный отжиг компактированной заготовки с регламентированной скоростью охлаждения 2-5°С/ч до температуры на 90-200°С ниже температуры отжига, многостадийную деформацию с общей степенью деформации 45-80%, включая регламентированную степень на заключительной стадии 27-45%, промежуточным рекристаллизационным отжигом между стадиями и термическую обработку, состоящую из закалки и старения, при этом нагрев под закалку выполняют при температуре на 15-35°С ниже температуры перехода в однофазную область.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что охлаждение от температуры высокотемпературного отжига ведут с регламентированной скоростью 2-5°С/ч до температуры на 90-200°С ниже температуры отжига, многостадийную деформацию осуществляют с общей степенью деформации 45-80%, включая регламентированную степень деформации на заключительной стадии 27-45%, а закалку выполняют при температуре на 15-35°С ниже температуры перехода в однофазную область.
Технический результат - повышение механических и эксплуатационных свойств заготовок из гранул высоколегированных никелевых сплавов, содержащих 55-60% упрочняющей γ'-фазы, а именно показателя временного сопротивления разрыву, длительной прочности, пластичности и сопротивления малоцикловой усталости при 650°С, что позволяет увеличить длительность ресурсных характеристик получаемых дисков и уменьшить расход дефицитных дорогостоящих материалов изготавливаемых деталей.
Предлагаемый способ позволяет создать мелкозернистую (γ+γ') структуру типа «дуплекс» с размером γ-зерен - (5-20) мкм в сочетании с размером γ'-зерен - (2-10) мкм и выделение вторичных карбидов внутри и по границам γ- и γ'-зерен, что укрепляет устойчивость всех границ и внутризеренной структуры, обеспечивает затрудненность проскальзывания по границам γ- и γ'-зерен при повышенных напряжениях в процессе эксплуатации и увеличивает значения показателей - временное сопротивление разрыву, сопротивление малоцикловой усталости, а также исключает чувствительность материала к концентраторам напряжений при испытаниях на длительную прочность.
Кроме того, формирование γ'-зерен размером (2-10) мкм, располагающихся по границам γ-зерен, обеспечивает стабильность размеров γ-зерен, сохраняя их в пределах (5-20) мкм и обусловливает повышение уровня показателей пластичности за счет уменьшения объемной доли дисперсных упрочняющих частиц вторичной внутризеренной γ'-фазы.
Все это позволяет увеличить длительность ресурсных характеристик получаемых дисков и уменьшить расход дефицитных дорогостоящих материалов изготавливаемых деталей.
Пример
Цилиндрические капсулы из стали 20 размером 520×240 мм засыпали гранулами сплава ВВ750, имеющими 60% упрочняющей γ1-фазы и температуру полного ее растворения, равную 1205°C.
Капсулы с засыпанными гранулами подвергали горячему изостатическому прессованию и последующему высокотемпературному отжигу. Высокотемпературный отжиг проводили по режиму: нагрев до температуры 1210°C, выдержка 4 часа, далее осуществляли охлаждение заготовок до 1050°С, что на 160°С ниже температуры отжига, по следующей схеме: сначала до 1180°C, далее последовательно до 1160°C, 1140°C, 1120°C, 1100°C, 1050°С с длительностью охлаждения от температуры предыдущей ступени до температуры выдержки и с выдержкой на каждой ступени 6 часов, что обеспечило скорость охлаждения - 4,4°С/ч, и с 1050°C охлаждение проводили на воздухе до комнатной температуры.
Далее заготовки нагревали до температуры деформации и осуществляли первую стадию деформации с регламентированной степенью 38%. После первой стадии деформации высота заготовки соответствовала 130 мм. Далее заготовку подвергали рекристаллизационному отжигу. Заключительную стадию деформации осуществляли при температуре, соответствующей температуре отжига с регламентированной степенью 38%. Высота полученной заготовки после двух стадий деформации соответствовала 80 мм. При этом суммарная степень деформации была равна 62%.
Деформированную заготовку подвергали термической обработке по режиму: закалка с температуры двухфазного состояния сплава при температуре 1180°C, что на 25°C ниже температуры перехода в однофазную область, выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе и старение.
Реализация способа обеспечила получение структуры с размером γ зерен (7-12) мкм, γ1 зерен (2-8) мкм и выделение вторичных карбидов внутри и на границах γ- и γ'-зерен.
В таблице представлены механические и эксплуатационные свойства деформированных заготовок из нового сплава ВВ750, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом в сравнении с заготовками, изготовленными в соответствии со способом-прототипом.
| Таблица | |||||
| Технология | Механические свойства | Длительная прочность образцов с надрезом при 650°C в течение 100 часов, кгс/мм2 | МЦУ при Т=650°С при N=104ц, σ0, кгс/мм2 |
||
| Предел прочности, кгс/мм2 | Предел текучести, кгс/мм2 | Относительн. удлинение, % | |||
| Предлагаемый способ | 170 | 118 | 24 | 112 | 118 |
| Способ -прототип | 160 | 110 | 17 | 105 | 110 |
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение показателей прочности на 8-10 кгс/мм2, пластичности на 7%, длительной прочности образцов с концентратором напряжений на 5-7 кгс/мм2, сопротивление малоцикловой усталости на 6-8 кгс/мм2.
Повышение механических и эксплуатационных свойств заготовок дисков, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом, позволяет более чем в 3 раза увеличить длительность ресурсных характеристик и снизить расход дефицитных материалов на 15-20%.
Способ термомеханической обработки заготовок из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе, содержащих 55-60% упрочняющей γ/-фазы, включающий горячее изостатическое прессование, высокотемпературный отжиг компактированной заготовки и ее охлаждение с регламентированной скоростью 2-5°С/ч до температуры на 90-200°С ниже температуры отжига с последующим охлаждением до комнатной температуры, нагрев заготовки до температуры деформации и ее многостадийную деформацию с общей степенью деформации 45-80%, включая степень деформации на заключительной стадии 27-45%, с промежуточными рекристаллизационными отжигами между стадиями и термическую обработку, состоящую из закалки и старения, при этом нагрев под закалку выполняют до температуры на 15-35°С ниже температуры перехода в однофазную область.
