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



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

 


Владельцы патента RU 2485204:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

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. Для повышения механических свойств изделий отливки из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов с монокристаллической структурой после гомогенизации и двухступенчатого старения подвергают дополнительной обработке путем нагрева до температуры 1100±10°С≤Тто≤(Тир γ' - 10°С), где Тир γ'- температура интенсивного растворения γ' -фазы в сплаве, выдержки при данной температуре и охлаждения со скоростью не менее 50 град/мин. 3 ил., 1 табл., 1 пр.

 

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.

Термическая обработка отливок монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС) является финишным этапом формирования микроструктуры, обеспечивающей в дальнейшем максимальную жаропрочность. Поэтому наряду с поиском новых составов сплавов не меньшее внимание уделяется разработке режимов термической обработки, которая в данном случае имеет большее значение, чем для сплавов традиционного легирования. Как правило, такая термическая обработка является многостадийной и состоит из гомогенизации и двух этапов старения.

Известен способ термической обработки, применяющийся для монокристаллических отливок ЖНС, включающий три этапа - на первом этапе детали нагревают до температур в интервале от температуры полного растворения γ'-фазы до температуры плавления эвтектики (1300…1320°С), выдерживают от нескольких минут до нескольких часов и охлаждают со скоростью более 100 град/мин; на втором производят нагрев детали до температуры, близкой к рабочей температуре 1030…1050°С (старение 1), выдерживают и охлаждают со скоростью более 100 град/мин; на третьем этапе детали нагревают до температуры 870…900°С (старение 2), выдерживают и охлаждают (Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов/ Р.Е.Шалин, И.Л.Светлов, Е.Б.Качанов и др. - М.: Машиностроение, 1997, с.51-52) - аналог.

Недостатком этого способа является увеличение размера литейных микропор и суммарного количества микропор в результате термической обработки, что приводит к снижению прочностных характеристик сплава, например, таких, как временное сопротивление разрыву (σв), условный предел текучести (σ0,2) и пластичность (δ).

Известны способы термической обработки ЖНС, включающие многоступенчатые нагревы и изотермические выдержки (Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технологии, покрытия). М.: МИСиС, 2001 г., с.108-116; патент RU №2230821 С1, 21.03.2003) - аналог.

Недостатками этих способов является большая длительность процесса термической обработки, а также не устраняемая в процессе обработки дендритная ликвация, что может приводить к уменьшению прочностных свойств ЖНС (σ0,2; σв; δ).

Наиболее близким по технической сущности и назначению является способ обработки отливок из жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья, включающий термическую обработку отливок, а в качестве термической обработки использует гомогенизацию и старение, причем гомогенизацию проводят путем нагрева до температуры (Тпр-15°С)≤Тгом≥(Тпр+10оС), где Тпр - температура полного растворения γ' -фазы в сплаве, выдержки при данной температуре и охлаждения со скоростью 50-100 град/мин (патент RU №2361012 С1, 10.07.2009), принятым за прототип.

Недостатком данного решения является то, что даже после оптимальной термообработки монокристаллические ЖНС не обладают высокими механическими свойствами, например σ0,2; σв; δ.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа термической обработки отливок из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья, который бы обеспечил повышение механических свойств изделий, изготовленных из этих сплавов.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе термической обработки отливок из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья отливки после гомогенизации и двухступенчатого старения подвергают дополнительной термической обработке путем нагрева до температуры 1100±10°С≤Тто≤(Тир γ' - 10°С), где Тир γ' - температура интенсивного растворения γ' -фазы в сплаве, выдержки при данной температуре и охлаждения со скоростью не менее 50 град/мин.

Проведены экспериментальные исследования тонкой структуры, химического и фазового состава монокристаллического ЖНС ЖС36-ВИ, размера и состава γ - и γ' - фаз в сплаве после различных термических обработок (Кузнецов В.П., Лесников В.П. и др. Структурные и фазовые превращения в монокристаллическом сплаве ЖС36-ВИ [001] после выдержек в интервале температур 1050-1300°С // МиТОМ. 2012. №2. С.38-44).

Получение монокристаллических образцов с кристаллографической ориентацией (КГО) [001] осуществляли в промышленных условиях на установках типа УВНК-8П без жидкометаллического охладителя со скоростью кристаллизации 3 мм/мин. КГО задавали затравками из Ni-W -сплава. Отклонение ростовой структуры от КГО [001] не превышало 4°.

Термическая обработка сплава ЖС36-ВИ состояла из гомогенизирующей выдержки при 1310±10°С в течение 4 ч, последующей закалки со скоростью охлаждения не ниже 100°С/мин и двухступенчатого старения при 1030±10°С, τ=4 часа и 870±10°С, τ=32 часа.

Охлаждение со скоростью от 50 до 100 град/мин обусловлено тем, что при такой регламентации скорости охлаждения, с одной стороны, удается зафиксировать при комнатной температуре микроструктуру сплава, сформировавшуюся при термической обработке.

После стандартной термической обработки для сплава ЖС36-ВИ типична структура, представленная на рис.1. Видно, что в результате такой обработки получена однородная, дисперсная (γ+γ') -структура с высокой объемной долей упрочняющей γ' -фазы (75%) размером 0,3-0,4 мкм (Рис 1).

Частицы γ' -фазы имеют характерную кубоидную форму. Электронографический и микродифракционный анализ показывают, что частицы γ' -фазы выстроены в направлениях типа [100]γ монокристалла.

На специальных образцах из сплава ЖС36-ВИ были исследованы калориметрические эффекты (ДСК) при нагреве со скоростью 20°С/мин в термоанализаторе. На кривых ДСК наблюдаются экзо - и эндотермические пики реакций в образце. По кривым ДСК и их производных (dДСК) были определены температуры фазовых переходов в сплаве: начальная, пиковая и конечная.

Пик ДСК при 874°С в процессе нагрева соответствует начальным процессам растворения γ' -фазы в твердом растворе, а в интервале до 1000°С происходит растворение γ' -частиц, имеющих бимодальное распределение по размерам. При 1245°С γ' -фаза начинает интенсивно растворяться, а при 1312°С происходит полное растворение γ' -фазы и остатков неравновесной эвтектики (γ+γ'), а сплав переходит в однофазное состояние γ -твердого раствора.

В процессе длительных выдержек в интервале температур 1100…1200°С первичная γ' -фаза сплава ЖС36-ВИ [001] теряет свою кубоидную огранку, происходит ее сращивание и рост размера. Движущей силой такого изменения морфологии γ/γ' -структуры сплава под влиянием температуры является несоответствие параметров решеток и модулей упругости γ - и γ' -фаз. При высокотемпературных выдержках в γ' -фазе значительно возрастает концентрация Al, Ti, Nb и резко уменьшается содержание тугоплавких элементов W, Re, Mo, Cr, а также происходит рост прослоек γ - фазы и изменение ее химического состава: обогащение тугоплавкими элементами сплава.

При охлаждении после высокотемпературных выдержек в прослойках γ -фазы образуется ультрамелкодисперсная смесь фаз (γн+γ'н). Мелкие частицы γ'н имеют размеры 20-60 нм, а прослойки γн - фазы между частицами γ'н имеют толщину порядка 5-10 нм и также относятся к наноразмерным, что показано на рис.2.

Таким образом сплав ЖС36-ВИ после высокотемпературных выдержек в 1100…1200°С и охлаждения имеет следующее структурное состояние: крупная γ'первичная + мелкодисперсная смесь γн/γ'н наноразмерного уровня, как показано на рис.3.

Изменение химического состава γ' - и γ -фаз приводит к значительному изменению параметров кристаллических решеток γ' - и γ -фаз и возникновению напряжений на межфазных границах. При релаксации этих напряжений возникают дислокации на границе γ/γ' -фаз, а также парные дислокации в крупной γ' -фазе. Частицы наноразмерного уровня γ'н формируются практически без дислокационных сеток, поэтому они находятся в более напряженном состоянии, чем частицы первичной γ' -фазы. Частицы γ'н -фазы заполняют каналы γ -фазы в (γ+γ') структуре сплава и обеспечивают сохранение высокой прочности при высоких температурах.

В случае, если температура выдержки ниже 1100°С (≤Тир γ' - 150°С), то в сплаве происходит значительное образование ТПУ - фаз (µ - фазы), вызывающих ухудшение эксплуатационных характеристик. Если температура выдержек выше 1200°С (≥Тир γ' - 50°С), то происходит ускоренное растворение γ' -фазы в сплаве, а при охлаждении образуется регулярная γ/γ' -структура без упрочняющих частиц наноразмерного уровня, что не обеспечивает высоких прочностных свойств сплава.

Как известно, деформационное поведение и характеристики прочностных и пластических свойств безуглеродистых монокристаллических никелевых сплавов с (γ+γ') структурой, в т.ч. и сплава ЖС36-ВИ, являются структурно-чувствительными. Это подтверждают результаты определения кратковременных механических свойств (σ0,2; σв; δ) сплава ЖС36-ВИ после длительных высокотемпературных выдержек. Сопротивление деформированию монокристалла ЖС36-ВИ после температурных выдержек растет с изменением состава γ' -фазы, увеличением энергии и плотности границ γ/γ', за счет образования смеси (γ+γ') наноразмерного уровня и повышения величины внутренних напряжений.

Пример конкретного выполнения

Для осуществления предлагаемого изобретения отливались монокристаллические образцы с КТО [100] из жаропрочного никелевого сплава ЖС36-ВИ, которые подвергали следующей термической обработке:

а) гомогенизации при температуре 1315°С в течение 4 часов, охлаждению со скоростью ≤100°С/мин и двухступенчатому старению

1 ступень - 1030°С в течение 4 часов,

2 ступень - 870°С в течение 32 часов (прототип);

б) гомогенизации при температуре 1315°С в течение 4 часов охлаждение со скоростью ≤100°С/мин, двухступенчатому старению при Т=1030°С в течение 4 часов и при Т=870°С в течение 32 часов, а затем дополнительной термической обработке при температуре 1200°С в течение 20 часов, охлаждение со скоростью ≥60°С/мин (предлагаемый способ).

Из образцов сплава ЖС36-ВИ после различных видов термической обработки изготовлялись стандартные образцы и определялись кратковременные механические свойства сплава при Т=25°С (ГОСТ 1497-84) и Т=975°С (ГОСТ 9651-81) в условиях растяжения на установке INSTRON-3382: σв, δ.

В таблице 1 приведены средние значения кратковременных механических свойств сплава ЖС36-ВИ с КГО [100].

Таблица 1
Способ термической обработки Предварительная термическая обработка Дополнительная термическая обработка σв, МПа δ, %
При Т=25°С При Т=975°С При Т=25°С При Т=975°С
Предлагаемый Гомогенизация при температуре 1315°С в течение 4 часов, охлаждение со скоростью ≤100°С/мин, двухступенчатое старение при 1030°С в течение 4 часов и при -870°С в течение 32 часов. Выдержка при Т=1200°С в течение 20 часов, охлаждение со скоростью ≥60°С/мин. 1300 1160 20,5 22,0
Прототип Гомогенизация при температуре 1315°С в течение 4 часов, охлаждение со скоростью ≤100°С/мин, двухступенчатое старение при 1030°С в течение 4 часов и при -870°С в течение 32 часов. нет 1080 890 16,0 21,0

Из сопоставления результатов кратковременных механических свойств при Т=25°С и Т=975°С следует, что заявляемый способ обеспечивает увеличение предела прочности и пластичности монокристаллического жаропрочного никелевого сплава на 20…30%.

Способ термической обработки отливок из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья, включающий гомогенизацию и последующее двухступенчатое старение, отличающийся тем, что после старения отливку подвергают дополнительной обработке путем нагрева до температуры (1100±10)°C≤Tто≤(Tирγ' - 10°C), где Тирγ' - температура интенсивного растворения γ'-фазы в сплаве, выдержки при данной температуре и охлаждения со скоростью не менее 50 град/мин.



 

Похожие патенты:

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

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.
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.
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.
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.

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.
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.

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

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

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.

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.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано при изготовлении заготовок дисков для газотурбинных двигателей. Способ термической обработки заготовок дисков газотурбинных двигателей из жаропрочных сплавов на основе никеля включает старение заготовок с последующим охлаждением на воздухе. Затем осуществляют повторное старение в три стадии с нагревом на первой стадии до температуры на 250-270°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, а на второй и третьей стадиях до температур 750 и 700°C соответственно, при этом на каждой из трех стадий заготовки выдерживают от 2 до 17 ч и охлаждают на воздухе. Способ позволяет повысить показатели длительной прочности, а также стабилизировать механические свойства сплавов на основе никеля. 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитного сплава нового состава Fe-Ni-Co-Al-Ti, и может быть использовано для создания исполнительных механизмов, датчиков, актюаторов, демпфирующих элементов. Способ термической обработки монокристаллов ферромагнитного сплава Fe-Ni-Co-Al-Ti с эффектом памяти формы и сверхэластичностью, ориентированных вдоль [001] направления при деформации растяжением, включает гомогенизационный отжиг монокристаллов ферромагнитного сплава, содержащего, мас.%: Fe-42,8, Ni-30,7, Со-18,4, А1-5,8, Ti-2,3, в атмосфере инертного газа He при температуре 1250°C в течение 10 часов, нагрев и выдержку при температуре 1280°C в течение 1 ч с последующей закалкой в воду комнатной температуры и старение в атмосфере инертного газа He при температуре 600-700°C в течение 1-7 часов с последующим охлаждением в воде. Сплавы обладают эффектом памяти формы и сверхэластичностью. 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к сплавам аккумуляторов водорода. Сплав Ni-B с дефектами структуры, который получен путем кристаллизации расплава Ni-B под воздействием импульсного электрического тока, предложено применять в качестве аккумулятора водорода. Обеспечивается образование большого количества дефектов структуры сплава, которые являются центрами насыщения сплава водородом, что позволяет использовать полученный аккумулятор водорода в производстве энергетических машин для транспорта.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению жаропрочных сплавов на основе никеля, обладающих высоким сопротивлением ползучести и растяжению. Способ изготовления заготовки детали из суперсплава на основе Ni, содержащего, по меньшей мере, 50 мас.% Ni и в сумме, по меньшей мере, 2,5 мас.% Nb и Ta, включает получение указанного суперсплава и осуществление термической обработки указанного суперсплава. Термическую обработку указанного суперсплава осуществляют в несколько стадий. Первую стадию осуществляют при температуре 900-1000°C в течение по меньшей мере 30 минут, а вторую стадию - при температуре 940-1020°C в течение от 5 до 90 минут, при этом разность температур между указанными двумя стадиями составляет по меньшей мере 20°C. Сплав на основе никеля обладает высокими значениями стойкости к ползучести и сопротивления растяжению. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 табл.

Группа изобретений относится к технике производства тонких прутков и проволоки, обладающих эффектом «памяти» формы и сверхупругостью из сплавов системы никель-титан с эффектом «памяти» формы, используемых в авиации, радиоэлектронике, медицине, космической технике, машиностроении и других областях техники. Способ получения прутка из сплава системы никель-титан с эффектом памяти формы заключается в том, что создают сплав с эффектом памяти формы, изготавливают из сплава прессованием или поперечно-винтовой прокаткой заготовку в виде прутка, нагревают ее и изготавливают из заготовки пруток ротационной ковкой в несколько стадий до нужного размера с промежуточным нагревом заготовки между стадиями ковки, причем нагрев заготовки перед ротационной ковкой и промежуточный нагрев осуществляют до температуры 300-500°C. Способ получения проволоки из сплава системы никель-титан с эффектом памяти формы характеризуется тем, что из полученного прутка изготавливают проволоку теплым или холодным волочением. Способ получения сплава системы никель-титан с эффектом «памяти» формы для дальнейшего получения прутка и проволоки заключается в том, что обкладывают стенки и дно тигля из высокопрочного графита никелевыми пластинами, закладывают остальную шихту внутрь тигля, расплавляют ее в вакуумной индукционной печи, выдерживают расплав, разливают его в вакууме в изложницы и охлаждают с получением слитков, после чего изготавливают электрод из полученных слитков или из прутков, полученных из этих слитков, осуществляют электронно-лучевой переплав материала электрода в вакууме не менее 5×10-3 мм рт.ст. и формируют слиток в медном кристаллизаторе. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах. Жаропрочный сплав на основе никеля содержит, мас.%: углерод 0,05-0,09; хром 15,4-15,8; кобальт 10,0-10,4; вольфрам 5,0-5,3; молибден 1,6-1,8; титан 4,3-4,5; алюминий 3,0-3,2; бор 0,06-0,09; цирконий <0,015; гафний 0,2-0,3; кремний <0,1; железо <0,1; медь <0,05; сера <0,005; азот <20 ppm; кислород <15 ppm, церий <0,015; ниобий 0,1-0,2; иттрий <0,03; марганец <0,1; фосфор <0,005 и никель - остальное. Способ изготовления лопаток газотурбинных установок из жаропрочного сплава на основе никеля, характеризующийся тем, что проводят термическую обработку путем гомогенизирующего отжига и старения. Гомогенизирующий отжиг ведут в инертной атмосфере с нагревом со скоростью 5-10°C/мин до температуры 1060±10°C, выдержкой в течение 3-4 часов и охлаждением со скоростью 30-50°C/мин до температуры 600-700°С и далее до комнатной температуры. Старение проводят при температуре 850±10°C в течение 16 часов с последующим охлаждением на воздухе до комнатной температуры. Повышаются прочность, пластичность и коррозионная стойкость сплава с равноосной структурой в сочетании с высокой структурной стабильностью на ресурс и пониженным уровнем газоусадочной пористости. 2 н.з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к дисперсионно-упрочненным жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано в качестве материала для трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента реакторов на быстрых нейтронах. Дисперсионно-упрочненный жаропрочный сплав на основе Ni содержит, мас.%: 0,01 или менее C, 0,5 или менее Mn, 0,01 или менее P, 0,01 или менее S, 2,0-3,0 Si, 23-30 Cr, 7,0-14,0 W, 10-20 Fe и 40-60 Ni. Общее содержание C, N, О, P и S составляет 0,01 мас.% или менее. Диспергируется и выделяется силицид, а размер зерен матричного аустенита регулируется путем термомеханической обработки. Жаропрочный сплав обладает высокой стойкостью к облучению и коррозионной стойкостью. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил., 4 табл.
Наверх