Способ обработки деталей из сплава на основе никеля

Авторы патента:

Аргинбаева Эльвира Гайсаевна (RU)

Нефедов Дмитрий Геннадиевич (RU)

Базылева Ольга Анатольевна (RU)

Каблов Евгений Николаевич (RU)

Евгенов Александр Геннадьевич (RU)

Бондаренко Юрий Александрович (RU)

C22F1/10 - никеля, кобальта или их сплавов

Владельцы патента RU 2451767:

Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам горячего изостатического прессования (ГИП) деталей, выполненных из интерметаллидного сплава на основе никеля для изготовления деталей горячего тракта ГТД. Технический результат - повышение многоцикловой и малоцикловой усталости при температуре 900°C и снижение микропористости деталей. Предложен способ обработки деталей из сплава на основе никеля. Способ включает проведение горячего изостатического прессования в две стадии и последующее охлаждение. В качестве сплава на основе никеля используют интерметаллидный сплав, при этом на первой ступени осуществляют нагрев до температуры Тпл - (80-100)°C и выдержку в течение 2,5-3,5 часов при давлении 170-185 МПа, на второй ступени - нагрев до температуры Тпл - (20-40)°C и выдержку в течение 0,5-1,5 часов при давлении 180-195 МПа, а последующее охлаждение проводят до температуры Тпл - (510-540)°C со скоростью 8-10°C/мин, где Тпл - температура плавления сплава. 2 табл., 4 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки деталей из сплава на основе никеля для изготовления деталей горячего тракта ГТД.

Известен способ горячей обработки деталей из высокотемпературных жаропрочных сплавов на основе никеля. Способ включает нагрев до температуры 70-95% температуры плавления сплава (Тпл), выдержку при давлении - 34,47-344,7 МПа (5000-50000 psig) (Патент США №4302256).

Недостатком способа является незначительное повышение ресурса деталей при температуре 982°C (1800°F).

Известен способ обработки деталей, повышающий качество и эксплуатационную надежность лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов. Способ заключается в выдержке деталей при температуре 1220°C и давлении 194 МПа в течение 3 часов (Патент РФ №2184178).

Недостаток этого способа заключается в недостаточно высоком пределе выносливости и низком выходе годных лопаток.

Известен способ обработки деталей из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов. ГИП проводят при температуре, на 5-20°С превышающей температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы, и давлении 120-210 МПа не менее 1,5 часов. Способ может быть одно-, двух-, трехступенчатым (Патент РФ №2353701).

Недостатками являются низкий выход годного и большая продолжительность технологического процесса, требующего значительных энергозатрат.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ обработки деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включающий проведение горячего изостатического прессования и последующее охлаждение, отличающийся тем, что процесс осуществляется в две ступени. На первой ступени проводят нагрев детали от комнатной температуры до 1100-1200°C и выдержку при этой температуре и давлении аргона 150-170 МПа в течение 0,5-1,5 часа. На второй ступени проводят нагрев до температуры сплава под закалку и давлении 130-150 МПа в течение 1,5-2 часов с последующим охлаждением в газостате (Патент РФ №2309191).

Недостатком способа-прототипа является то, что он не обеспечивает повышения предела выносливости деталей и снижения микропористости.

Технической задачей изобретения является разработка способа обработки деталей из интерметаллидного сплава на основе никеля, обеспечивающего повышение многоцикловой и малоцикловой усталости при температуре 900°C и снижение микропористости.

Для достижения поставленной технической задачи предложен способ обработки деталей из сплава на основе никеля, включающий проведение горячего изостатического прессования в две ступени и последующее охлаждение, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе никеля используют интерметаллидный сплав, при этом на первой ступени осуществляют нагрев до температуры Тпл - (80-100)°C и выдержку в течение 2,5-3,5 часов при давлении 170-185 МПа, на второй ступени - нагрев до температуры Тпл - (20-40)°С и выдержку в течение 0,5-1,5 часа при давлении 180-195 МПа, а последующее охлаждение проводят до температуры Тпл - (510-540)°С со скоростью 8-10°С/мин, где Тпл - температура плавления сплава.

Установлено, что при выбранном режиме горячего изостатического прессования интерметаллидного сплава на основе никеля происходит снижение объемной доли микропористости в лопатках и деталях ГТД не менее чем в 6 раз, а максимального размера пор - более чем в 5 раз по сравнению с литым состоянием, а также обеспечивается формирование оптимальной лабиринтовой микроструктуры, состоящей из частиц первичной (размером 2-5 мкм) и вторичной (размером 0,2-1 мкм) γ'-фаз, равномерно расположенных в γ-твердом растворе, что обеспечивает повышение многоцикловой (МнЦУ) и малоцикловой (МЦУ) усталости при температуре 900°C, а применение высокого давления способствует ускорению протекания диффузионных процессов и снижению общего времени термообработки более чем в 3 раза.

Примеры осуществления

Для осуществления предлагаемого способа были изготовлены детали из интерметаллидных сплавов на основе никеля марок ВКНА-1B и ВКНА-4У. Исходные прутковые (шихтовые) заготовки сплавов изготавливали в вакуумной индукционной плавильной установке ВИАМ-2002, далее детали с монокристаллической структурой ориентации [111] отливали на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНС-5. Интерметаллидный сплав марки ВКНА-1В имеет температуру плавления 1334°C, ВКНА-4У - 1315°C.

Пример 1.

Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля марки ВКНА-1В, без предварительной термической обработки, подвергали горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в три ступени за один прием: I ступень - нагрев в контейнере до температуры 1334-80=1254°C, выдержка 3 часа при давлении 170 МПа, II ступень - нагрев до температуры 1334-20=1314°С, выдержка 1 час при давлении 180 МПа, III ступень - охлаждение до температуры 1334-510=824°C со скоростью 8-10°С/мин, далее охлаждение за счет остывания газа.

Определение динамических характеристик, таких как многоцикловой и малоцикловой усталости при температуре 900°C, проводили на образцах по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 25.502-79 на испытательной машине Instron 8801-A1/A2. Режимы горячего изостатического прессования и полученные механические свойства интерметаллидного сплава на основе никеля приведены в таблице 1.

Пример 2, 3 осуществляли аналогично.

Пример 4 (прототип)

Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля ВКНА-1В, без предварительной термической и механической обработки подвергали горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в две ступени за один прием: I ступень - нагрев до температуры 1050°C, выдержка при давлении аргона 140 МПа в течение 1 часа, II ступень - нагрев до температуры 1210°C, выдержка в течение 2 часов при давлении 160 МПа, с последующим охлаждением в газостате. Гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе.

Пример 5

Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля марки ВКНА-4У, без предварительной термической обработки, подвергали горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в три ступени: I ступень - нагрев в контейнере до температуры 1315-80=1235°С, выдержка 2,5 часа при давлении 170 МПа, II ступень - нагрев до температуры 1315-20=1295°C, выдержка 1,5 часа при давлении 180 МПа, III ступень - охлаждение до температуры 1315-510=805°C со скоростью 8-10°С/мин, далее охлаждение за счет остывания газа.

Пример 6, 7 осуществляли аналогично.

Пример 8 (прототип)

Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля ВКНА-4У, без предварительной термической обработки, подвергались горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в две ступени за один прием: первая ступень - нагрев до температуры 1050°C, выдержка при давлении аргона 140 МПа в течение 1 часа, вторая ступень - нагрев до температуры 1210°C, выдержка в течение 2 часов при давлении 160 МПа, с последующим охлаждением в газостате. Гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе.

Из таблицы 1 видно, что применение предлагаемого способа обработки деталей из сплава на основе никеля обеспечивает повышение многоцикловой усталости при температуре 900°C на ~25%, малоцикловой усталости при температуре 900°С на 22-25%, снижение микропористости в 5 раз.

Применение предлагаемого способа обработки деталей из сплава на основе никеля позволит повысить ресурсные и эксплуатационные характеристики (более длительный ресурс работы деталей).

Таблица 1
№№ п/п	Ступени	ГИП	Пределы выносливости при температуре 900°C	Микропористость, %
		Температура, °C	Давление, МПа		Выдержка, ч
Многоцикловая усталость, 2×10⁷, МПа	Малоцикловая усталость, 2×10⁴, МПа
Предлагаемый способ, интерметаллидный сплав ВКНА-1В	1	I	1254	170	2,5	415	507	0,026
		II	1314	180	1,5
		охлаждение до 824°C со скоростью 8-10°C/мин
	2	I	1244	185	3,5	420	515	0,025
		II	1304	190	0,5
		охлаждение до 809°C со скоростью 8-10°C/мин
	3	I	1234	180	3	425	503	0,028
		II	1294	195	1
	охлаждение до 794°C со скоростью 8-10°C/мин
Способ-прототип, интерметаллидный сплав ВКНА-1В	4	I	1050	140	1	340	412	0,160
		II	1210	160	2
	гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе

Таблица 2
№№ п/п	Ступени	ГИП	Пределы выносливости при температуре 900°C	Микропористость, %
		Температура, °C	Давление, МПа		Выдержка, ч
Многоцикловая усталость, 2×10⁷, МПа	Малоцикловая усталость, 2×10⁴, МПа
Предлагаемый способ, интерметаллидный сплав ВКНА-4У	5	I	1235	170	2,5	380	510	0,030
		II	1295	180	1,5
		охлаждение до 805°C со скоростью 8-10°C/мин
	6	I	1225	185	3,5	390	520	0,032
		II	1285	190	0,5
		охлаждение до 790°C со скоростью 8-10°C/мин
	7	I	1215	180	3	385	515	0,028
		II	1275	195	1
	охлаждение до 775°C со скоростью 8-10°C/мин
Способ-прототип, интерметаллидный сплав ВКНА-4У	8	I	1050	140	1	310	415	0,165
		II	1210	160	2
	гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе

Способ обработки деталей из сплава на основе никеля, включающий проведение горячего изостатического прессования в две стадии и последующее охлаждение, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе никеля используют интерметаллидный сплав, при этом на первой ступени осуществляют нагрев до температуры Тпл - (80-100)°C и выдержку в течение 2,5-3,5 ч при давлении 170-185 МПа, на второй ступени - нагрев до температуры Тпл - (20-40)°C и выдержку в течение 0,5-1,5 ч при давлении 180-195 МПа, а последующее охлаждение проводят до температуры Тпл - (510-540)°C со скоростью 8-10°C/мин, где Тпл - температура плавления сплава.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения биаксиально текстурированных подложек. .

Сплав на основе никеля для применения в газовых турбинах // 2443792

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, подходящим для литья конструктивных элементов газовой турбины. .

Способ термической обработки аустенитного дисперсионно-твердеющего сплава 68нхвктю-ви // 2434950

Изобретение относится к области металлургии и термической обработки сплавов и может быть использовано в точном приборостроении и машиностроении. .

Способ изготовления дисков газотурбинных двигателей из порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля // 2433205

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения изделий типа газотурбинных дисков из жаропрочных порошковых никелевых сплавов. .

Способ изготовления изделий в виде дисков или валов газотурбинных двигателей из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов // 2433204

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления изделий типа дисков и валов газотурбинных двигателей из порошковых жаропрочных никелевых сплавов.

Способ термической обработки порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля // 2433203

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термической обработки тяжелонагруженных деталей газовых турбин из порошковых сплавов на основе никеля.

Способ термической обработки деталей типа дисков газотурбинных двигателей из жаропрочных, порошковых никелевых сплавов // 2433202

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термической обработки заготовок типа дисков газотурбинных двигателей из жаропрочных, порошковых никелевых сплавов.

Способ термической обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе // 2433201

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термической обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе, в том числе изготовленных из гранул.

Способ закалки заготовок из никелевых сплавов // 2432415

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термической обработке сплавов на никелевой основе, и может быть использовано в авиадвигателестроении, машиностроении и других областях техники.

Способ термической обработки заготовок дисков из гранулированных высоколегированных никелевых сплавов с исходной микрокристаллической структурой микродуплекс // 2419675

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении заготовок дисков для газотурбинных двигателей из гранулированных высоколегированных никелевых сплавов с исходной микрокристаллической структурой микродуплекс.

Способ получения изделия из сплава типа вв751п с высокой прочностью и жаропрочностью // 2453398

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях

Способ термообработки деталей из жаропрочных никелевых сплавов для повышения сопротивления малоцикловой усталости // 2455383

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термообработке жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве деталей газотурбинных двигателей (дисков, валов и др.), работающих в условиях жесткого циклического нагружения

Способ получения изделий из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов // 2457924

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в газотурбинных двигателях для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах

Способ восстановительной термической обработки изделий из жаропрочных никелевых сплавов // 2459885

Изобретение относится к металлургии, а именно к восстановительной термической обработке изделий из жаропрочных никелевых сплавов с равноосной структурой, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при ремонте рабочих и направляющих лопаток турбины

Способ получения листовых изделий из никелевых жаропрочных сплавов // 2460824

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из жаропрочных гетерофазных деформируемых никелевых сплавов, работающих в интервале температур 20-1000°С и предназначенных для изготовления корпусов, кожухов, экранов и других листовых изделий

Способ изготовления композитного материала из сплавов на основе никелида титана // 2465016

Изобретение относится к способу изготовления композитного материала из сплавов на основе никелида титана

Способ термической обработки отливок из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья // 2485204

Изобретение относится к области металлургии сплавов, а именно к термической обработке отливок из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой, предназначенных преимущественно для производства литых турбинных лопаток авиационных, транспортных и промышленных газотурбинных двигателей

Способ комплексной обработки высокопрочных аморфно-нанокристаллических сплавов // 2492249

Изобретение относится к области черной металлургии, конкретнее к обработке лент из аморфно-нанокристаллических сплавов, и может быть использовано, например, при изготовлении деталей в электронике и приборостроении

Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава co35ni35al30 // 2495947

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитных сплавов Со35Ni35Аl30. Для повышения механических и функциональных свойств, создания материала с двойным эффектом памяти формы и высокотемпературной сверхэластичностью в способе получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристалла ферромагнитного сплава Со35Ni35Аl30 первичный отжиг монокристалла проводят при температуре 1330-1340°С в течение 8,5 часов в атмосфере инертного газа. Далее осуществляют закалку в воду. Вторичный отжиг и проводят в два этапа, при этом монокристалл помещают в захваты испытательной машины, создают вакуум 10-2-10-3 Па и в свободном состоянии нагревают до промежуточной температуры 200°С, а далее прикладывают сжимающую нагрузку 100-120 МПа вдоль направления [011] в монокристалле и нагревают до 400°С со скоростью 10-20°С/мин, выдерживают при этой температуре 0,5 часа, охлаждают до 200°С, снимают нагрузку. Далее охлаждают до комнатной температуры со скоростью 10-20 °С/мин. 1 табл., 1 пр.

Сверхпрочный сплав на основе никеля и детали, изготовленные из этого суперсплава // 2499068

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сверхпрочным сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления деталей наземных или авиационных турбин. Сверхпрочный сплав имеет состав, мас.%: 1,3%≤Al≤2,8%, следовые количества ≤Со≤11%, 14%≤Cr≤17%, следовые количества ≤Fe≤12%, 2%≤Мо≤5%, 0,5%≤Nb+Ta≤2,5%, 2,5%≤Ti≤4,5%, 1%≤W≤4%, 0,0030%≤В≤0,030%, следовые количества ≤С≤0,1%, 0,01%≤Zr≤0,06%, никель и неизбежные примеси - остальное, причем содержание элементов выражено, ат.%: 8≤Al ат.%+Ti ат.%+Nb ат.%+Та ат.%≤11, 0,7≤(Ti ат.%+Nb ат.%+Та ат.%)/Al ат.%≤1,3. Раскрыта деталь из сверхпрочного сплава, которая представляет собой часть авиационной или наземной газовой турбины. Сплав обладает высокими механическими свойствами при высокой температуре, ковкостью. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл., 10 пр.