Способ получения поковок из жаропрочных гранулированных сплавов


 


Владельцы патента RU 2583564:

Акционерное общество "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (АО НПЦ газотурбостроения "Салют") (RU)

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при изготовлении заготовок и деталей из гранулированных жаропрочных сплавов, например дисков роторов газотурбинных двигателей со смешанной наномикрокристаллической структурой. Способ получения поковок из жаропрочных гранулированных сплавов включает компактирование заготовки из гранул, горячее изостатическое прессование и поэтапную термомеханическую обработку. Перед проведением горячего изостатического прессования гранулы помещают в капсулу, полость которой вакуумируют для дегазации помещенных в нее гранул. Горячее изостатическое прессование гранул осуществляют вместе с капсулой, а термомеханическую обработку компактированной заготовки осуществляют в два этапа: на первом осуществляют предварительную горячую деформацию заготовки с относительной деформацией ε не менее 0,7 и при температуре на 10-50°C ниже температуры ликвидуса сплава, а на втором осуществляют окончательную горячую деформацию с относительной деформацией 0,9< ε <1,0 при температуре на 10-100°C выше температуры сольвуса сплава. Поковки с нанокристаллической структурой характеризуются высокими характеристиками прочности и пластичности. 1 табл.

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в металлургической и машиностроительной отраслях промышленности при изготовлении заготовок и деталей из гранулированных жаропрочных сплавов, например,дисков роторов газотурбинных двигателей со смешанной наномикрокристаллической структурой.

Необходимость получения поковок с наномикрокристаллической структурой обусловлена тем, что именно такая структура обеспечивает одновременное повышение прочностных и пластических характеристик сплавов (см. Чувильдеев В.Н., Нохрин А.В., Лопатин Ю.Г. и др. «О предельной прочности и пластичности при комнатной температуре нано- и микрокристаллических металлов, полученных методами интенсивного пластического деформирования. Эффект одновременного повышения прочности и пластичности» «Тяжелое машиностроение», 2011 г., №1, стр. 2.).

Известно, что наноструктуры металлов, обладая повышенной прочностью, имеют низкую пластичность и вязкость. Кроме того, они не являются термически устойчивыми, так как границы зерен в них неравновесные и при повышенных температурах эти структуры укрупняются за счет рекристаллизации. Микрокристаллические структуры жаропрочных сплавов, обладая термической устойчивостью, также имеют пониженные характеристики пластичности и вязкости (см. Бурлаков И.А., Самойлов О.И., Поклад В.А. «Современные методы изготовления дисков газотурбинных двигателей из поковок с гранульной и ультрамелкозернистой структурой». Монография. Москва, Типография ММПП № Салют» 2008 г., 108 стр.).

Известен способ изготовления нанокристаллического сплава на основе никелида титана, включающий многократное обжатие нагретой заготовки из сплава никелида титана при температуре 150-250°C и степени обжатия 15-25% волочением через фильеру или прокаткой между валками (см. патент РФ №2334825, кл. C22F 1/18, 2008 г.).

Для данного способа характерны ограниченная применимость и нестабильность получения структуры сплава в связи с низкими температурами нагрева и получением термически нестабильной структуры.

Известен способ получения многослойного металлического листа со стабильной субмикро- или наноразмерной структурой слоев, включающий мерную резку листовых заготовок, обработку их поверхности, сборку нарезанных заготовок в пакет, вакуумирование, горячую обработку давлением пакета путем его нагрева и пластического деформирования по высоте с получением многослойного листа, причем в качестве исходных заготовок используют листы из сплавов на основе одного металла, имеющих разное строение кристаллических решеток в интервале температур горячей обработки давлением, и которые при сборке пакета попеременно чередуют (см. патент РФ №2380234, кл. В82В 3/00, 2010 г.).

Недостатком способа является высокая трудоемкость подготовки пакета из листов под прокатку, а также необходимость их тщательной обработки под сборку.

Известен также способ получения многослойного металлического листа ультрамелкозернистой структуры в заготовках из металлов и сплавов, включающий многократное повторение операций осадки-протяжки с приложением к заготовке деформирующего усилия поочередно по трем осям ортогональной системы координат, при этом протяжку заготовок осуществляют через квадрат, а осадку - в штампе, имеющем гравюру в виде цилиндрической полости, ось симметрии которой совпадает с направлением прикладываемого усилия, обработку проводят в несколько циклов до достижения накопленной степени деформации e≥2 и таким образом, чтобы диагональ квадрата по окончании протяжки не превышала диаметра гравюры штампа, а на торцевых поверхностях заготовки формируют конические вытяжки (см. патент РФ №2456111, кл. В21В 3/00, 2012 г.).

Недостатком данного способа является его высокая трудоемкость и необходимость проведения обработки в изотермических условиях при наличии специальной дорогостоящей оснастки.

Известен способ термомеханической обработки заготовок из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий компактирование заготовки путем горячего изостатического прессования, высокотемпературный отжиг компактированной заготовки и ее охлаждение с регламентированной скоростью 2-5°C/ч до температуры на 90-200°C ниже температуры отжига с последующим охлаждением до комнатной температуры, последующий 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°C ниже температуры перехода в однофазную область (см. патент РФ №2388844, кл. C22F 1/10, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.

Недостатком данного способа является сложность его осуществления за счет необходимости строгой регламентации большого количества операций, а также режимов нагрева и охлаждения, а также невозможность получения поковок с высокими показателями прочности и пластичности.

Техническим результатом заявленного способа является обеспечение повышения качества получаемых поковок за счет обеспечения высоких показателей их прочности и пластичности, путем получения при реализации способа оптимальной наномикрокристаллической структуры поковок.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе получения поковок из жаропрочных гранулированных сплавов, включающем компактирование заготовки из гранул, которое осуществляют горячим изостатическим прессованием с ее последующей термомеханической обработкой, которую осуществляют поэтапно, новым является то, что для проведения горячего изостатического прессования гранулы помещают в капсулу, вакуумированием полости капсулы проводят дегазацию помещенных в нее гранул, горячее изостатическое прессование гранул осуществляют вместе с капсулой, в которую они помещены, а термомеханическую обработку компактированной заготовки осуществляют в два этапа, на первом из которых осуществляют предварительную горячую деформацию заготовки с относительной деформацией не менее 0,7 и температуре на 10-50°C ниже температуры ликвидуса сплава, а окончательную - с относительной деформацией 0,9<ε<1,0 при температуре на 10-100°C выше температуры сольвуса сплава.

Получение заготовок под деформацию из микрогранул, в отличие от традиционного - из слитка, позволяет без длительной предварительной обработки давлением получить заготовку с заданной микрозернистой структурой (величина гранул 50-150 мкм). Дегазация, герметизация и горячее изостатическое прессование в вакууме (в капсуле) позволяют при внутригранульной пористости заготовки (балл 3,0) достичь свойств, отвечающих требованиям технических условий на диски роторов газотурбинных двигателей (см. Катуков С.А., Дарьин В.В. «Исследование диска первой ступени турбины высокого давления двигателя ПС90А после наработки сверх назначенного ресурса». «Технология легких сплавов», 2002 г., №1, стр. 51-56). Однако наличие внутригранульной пористости в заготовках снижает их усталостные характеристики (предел выносливости сплава).

Предварительная деформация заготовки, прошедшей горячее изостатическое прессование с относительной деформацией не менее 0,7 и температуре на 10-50°C ниже температуры ликвидуса сплава необходима для полной ликвидации внутригранульной пористости и получения сплошной заготовки с разнородной по величине зерна микроструктурой.

Окончательная деформация с величиной относительной деформации 0,9<ε<1,0 при температуре на 10-100°C выше температуры сольвуса сплава позволяет достичь измельчения зерна до наноуровня (см. Онищенко А.К. «Интенсивная, мегапластическая и псевдомегапластическая деформации» «Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением», 2003 г., №2, стр. 16-21).

Поэтапное проведение предварительной и окончательной горячих деформаций обусловлено их разными задачами, оказывающими непосредственное влияние на указанный технический результат. За счет проведения предварительной деформации обеспечивается максимальная плотность заготовки за счет заварки пор в заготовке при верхней температуре деформации. За счет окончательной деформации формируется наномикрокристаллическая структура в нижнем интервале температур деформации. При этом, чем выше температура предварительной деформации, тем при меньшей величине относительной деформации происходит заварка пористости (0,5-0,7). Соответственно, чем ниже температура окончательной деформации, тем мельче конечное зерно в получаемой поковке.

Однако для получения термически устойчивой наномикрокристаллической структуры в поковке величина относительной деформации на последнем этапе окончательной деформации должна быть не менее величины деформации, соответствующей началу метадинамической рекристаллизации сплава при температуре деформации. В этом случае процесс рекристаллизации зерна происходит непосредственно при горячей обработке, именно поэтому эта структура является термически устойчивой при последующих нагревах детали.

Величину относительной деформации на последнем этапе окончательной деформации (εр) определяют путем испытания на растяжение образцов сплава (в состоянии после предварительной деформации) при температурах горячей деформации и скорости деформации не менее 10-2 с-1 по «зубу» текучести на диаграмме «напряжение - деформация» (см. Онищенко А.К. «Масштабные уровни пластической деформации и оптимальные параметры ковки крупных поковок», «Тяжелое машиностроение», 2007 г., №6, стр. 13-18).

Сущность заявленного изобретения поясняется таблицей, в которой представлены механические свойства изделия из сплава ВТ8 с мелкозернистой и нанокристаллической структурами полученного при использовании заявленного способа, а также указанные в технических условиях (ТУ).

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

Для получения поковки в капсулу, имеющую форму цилиндра с дном с соотношением наружного его диаметра к высоте не более 2,5, засыпают гранулы сплава, производят их утряску-уплотнение и закрывают крышкой с отверстием, приваривают крышку к цилиндру, обеспечивая герметичность полости капсулы и вакуумным насосом через отверстие крышки производят откачку воздуха из капсулы, проводя дегазацию гранул, после чего отверстие герметизируют, например заваривают.

Капсулу с гранулами сплава помещают в печь и нагревают до температуры на 10-50°C ниже температуры ликвидуса сплава. Выдерживают при этой температуре «n» часов (1 минута выдержки на 1 миллиметр диаметра капсулы), обеспечивая равномерный нагрев содержимого капсулы, после чего изостатическим прессованием осуществляют компактирование помещенных в капсулу гранул, для чего нагретую капсулу подают на бойки пресса и осуществляют ее осадку по высоте.

Далее осуществляют термомеханическую обработку компактированной заготовки, которую проводят в два этапа.

На первом этапе (предварительном) осуществляют повторный нагрев капсулы с заготовкой до температуры на 10-50°C ниже температуры ликвидуса сплава и проводят ее деформацию повторной осадкой на прессе до 0,1 начальной высоты цилиндра (величина относительной деформации 0,9). В результате получаем равномерную микрокристаллическую структуру во всем объеме материала капсулы. После проведения первого этапа деформации сплав становится деформируемым. После проведения первого этапа деформации капсулу срезают с заготовки

Для осуществления второго этапа термомеханической обработки (окончательного) заготовку помещают в печь, где ее подогревают до температуры на 10-100°C выше температуры сольвуса (температуры полного растворения Y-фазы), выдерживают при этой температуре в печи в течение времени из расчета 2 минуты выдержки на 1 миллиметр диаметра капсулы, после чего выдают заготовку из печи и устанавливают на нижнюю поворотную плиту пресса.

Производят разгонку заготовки узким верхним бойком пресса с относительной деформацией 0,9<ε<1,0. При этом величина относительной деформации при разгонке не должна быть менее εр (для жаропрочных сплавов εр=0,03). В результате получаем поковку с наномикрокристаллической структурой.

В случае использования предлагаемого технического решения при протяжке, прокатке или выдавливании (используются для получения поковок типа вала, профиля, трубы и др.) получение поковки с наномикрокристаллической структурой возможно при укове гранульной заготовки более 100.

Сущность заявленного способа будет более понятна из приведенного ниже примера изготовления поковки диска ротора турбины газотурбинного двигателя.

В цилиндрическую капсулу с наружным диаметром 200 мм и высотой 500 мм, изготовленную из листовой стали 20 толщиной стенки 6 мм, засыпали гранулы крупностью 50-150 мм сплава ЭИ741НП, произвели их утряску. Загруженную гранулами капсулу закрыли крышкой, в которой выполнено отверстие, приварили крышку к цилиндру, провели вакуумирование полости капсулы до 10-3 тор, закрыли и заварили отверстие. Загруженную капсулу передали в кузнечно-прессовый цех, где ее поместили в электрическую нагревательную печь, произвели нагрев гранул вместе с капсулой до 1200°C (температура ликвидуса сплава ЭИ741НП составляет 1231°C) и выдержали при данной температуре 3,5 часа.

Нижний боек гидравлического пресса 16МН накрыли листом асбеста толщиной 8 мм, после чего на него установили нагретую капсулу с гранулами, которую также сверху накрыли листом асбеста. Осадили капсулу с гранулами до высоты 100 мм (ε=0,5), компактируя заготовку.

Для проведения термомеханической обработки капсулу с компактированной заготовкой поместили в печь на нагрев. Выдержали заготовку в печи при температуре 1200°C в течение 1,5 часов и провели ее осадку до высоты 50 мм (ε=0,9). После предварительной деформации капсулы получили деформируемую заготовку диаметром 600 мм и высотой 50 мм. Срезали капсулу с заготовки.

Экспериментально установлено, что в состоянии после горячего изостатического прессования сплав ЭИ741НП является недеформируемым в интервале температур 1150-850°C. Его ковкость даже при температуре 1150°C и необходимом минимуме показателя ковкости 0,003 МПа-1 не превышает 0, 0009 МПа-1. При нагреве до 1200°C его ковкость приближается к нулю (0,00002-1 МПа). Только после горячего изостатического прессования и горячей осадки на прессе с деформацией 0,6-0,7 сплав становится деформируемым, приобретая удовлетворительную ковкость (0,0065 МПа-1) при температуре 1100°C (см. Онищенко А.К. «О критерии ковкости металлов и сплавов». «Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением», 2009 г., №11, стр. 14-17).

Руководствуясь указанными данными, полученную после предварительной деформации заготовку загрузили в печь, нагрели до температуры 1100°C (температура сольвуса материала заготовки составляет 1020°C) и выдержали при этой температуре 1 час, после чего нагретую заготовку установили на нижнюю поворотную плиту пресса и верхним бойком шириной 60 мм разогнали заготовку при относительной деформации 0,95.

В результате была получена поковка диска газотурбинного двигателя диаметром 650 мм из сплава ЭИ741НП со смешанной наномикрокристаллическлой структурой, с пределом прочности 1470 МПа и относительным удлинением 29,0%.

По сравнению с известными способами улучшения характеристик материалов дисков перспективных газотурбинных двигателей (см. Гарибов Г.С., Гриц И.М. «Улучшение характеристик гранулированных материалов для турбинных дисков перспективных авиационных двигателей». «Заготовительные производства в машиностроении», 2003, №1, стр. 43-48), предлагаемое решение является менее трудоемким и позволяет существенно повысить характеристики применяемых в газотурбинных двигателях жаропрочных материалов.

Подтверждением получения наномикрокристаллических структур в поковках и повышения характеристик жаропрочных сплавов нашло подтверждение и на широко применяемом в газотурбинных двигателях жаропрочном титановом сплаве ВТ8.

Было проведено исследование влияния деформации более 0,8 на структуру и механические свойства сплава ВТ8. С этой целью заготовки сечением 60×60 мм из штанги диаметром 190 мм (У=8,8) поставки АВИСМА-ВСМПО были прокованы протяжкой (при температурах 1150-950°C) на размер 20×20 мм - прутки под штамповку лопаток (У=13,0). То есть общий уков изготовленных прутков составил 114,4 (ε=0,907).

При такой величине деформации структура поковки должна быть наномикрокристаллического уровня. Подтверждением этого факта явилось одновременное повышение прочности и пластичности сплава ВТ8 после ковки (см. таблицу, в которой приведены механические свойства сплава ВТ8 с мелкозернистой и наномикрокристаллической структурами.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что после ковки со степенью деформации 0,9 и достижения наномикрокристаллической структуры прочностные свойства сплава ВТ8 повышаются более чем на 27%, а удлинение - более чем в два раза. Высокие результаты были получены и при горячих испытаниях.

Так, при испытаниях на растяжение при температуре 500°C предел прочности образца с мелкозернистой структурой составил 598,9 МПа, а нанокристаллической - 897,2 МПа при требованиях технических условий - не менее 620 МПа.

Испытания на длительную прочность при температуре 500°C показали высокие результаты. При требованиях технических условий по стойкости не менее 50 часов под рабочим напряжением 490 МПа получены результаты, значительно их превышающие. Если образец с мелкозернистой структурой сломался через 370 часов 53 минуты, то с нанокристаллической - не сломался и был снят через 795 часов 46 минут ввиду производственной необходимости освобождения испытательного оборудования, то есть, требования технических условий были уже превышены более чем в 15 раз.

Представленные результаты подтверждают применимость и эффективность предлагаемого технического решения не только к гранульным сплавам, но и слитковым, получаемым по традиционной металлургической технологии.

Способ получения поковок из жаропрочных гранулированных сплавов, включающий компактирование заготовки из гранул, горячее изостатическое прессование и поэтапную термомеханическую обработку, отличающийся тем, что перед проведением горячего изостатического прессования гранулы помещают в капсулу, полость которой вакуумируют для дегазации помещенных в нее гранул, горячее изостатическое прессование гранул осуществляют вместе с капсулой, а термомеханическую обработку компактированной заготовки осуществляют в два этапа: на первом осуществляют предварительную горячую деформацию заготовки с относительной деформацией ε не менее 0,7 и при температуре на 10-50°C ниже температуры ликвидуса сплава, а на втором осуществляют окончательнуюную горячую деформацию с относительной деформацией 0,9< ε <1,0 при температуре на 10-100°C выше температуры сольвуса сплава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитных сплавов Ni-Fe-Ga-Co. Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава Ni49Fe18Ga27Co6 включает отжиг монокристалла в атмосфере инертного газа с последующей закалкой в воду и старение под нагрузкой при 673 K в вакууме.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля, и может быть использовано для изготовления литьем деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах природного газа при температурах 600-900°C.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению высокопрочных углеродсодержащих инварных сплавов. Способ обработки углеродсодержащего инварного сплава включает закалку и деформационно-термическую упрочняющую обработку.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке отливок из жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для производства деталей газотурбинных двигателей и газотурбинных установок, и может быть использовано в авиационной и энергетической промышленности.

Изобретение относится к области изготовления ротора турбины газотурбинного двигателя, состоящего из двух и более деталей, изготовленных преимущественно из никелевого жаропрочного сплава с применением электронно-лучевой сварки.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу изготовления никелевого суперсплава типа INCONEL 718. При изготовлении никелевого суперсплава типа INCONEL 718 последний этап ковки осуществляют при температуре Т ниже, чем температура δ-растворимости, с обеспечением во всех точках М в никелевом суперсплаве локальной степени D деформации, которая не меньше, чем минимальная величина Dm, обеспечивающая рекристаллизацию разорванных зерен в мелкие зерна.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению пористых металлических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может использоваться в медицинской имплантологии.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине, при низкотемпературном формировании исходной формы изделий из материалов с термоупругими мартенситными превращениями.

Изобретение относится к металлургии, а именно к пружинам из никелида титана, и может быть использовано для управления деформационными свойствами обратимого формоизменения, такими как угловое (поворотное) и осевое (поступательное) перемещение витой пружины.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения никелевой полосы из нескольких, по меньшей мере, по существу цельных катодных листов. Способ получения никелевой полосы из катодных листов характеризуется тем, что полосу получают горячей прокаткой по отдельности листов, которые соединяют в полосу, или горячей прокаткой полосы после соединения отдельных листов.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к деформационно-термомеханической обработке монокристаллов ферромагнитных сплавов Ni-Fe-Ga-Co. Способ получения нанокомпозита с двойным эффектом памяти формы на основе монокристаллов ферромагнитного сплава Ni49Fe18Ga27Co6 включает отжиг монокристалла в атмосфере инертного газа с последующей закалкой в воду и старение под нагрузкой при 673 K в вакууме.

Изобретение может быть использовано в химии, биологии и медицине в целях визуализации и диагностики. Неорганические коллоидные полупроводниковые нанокристаллы переносят из органической в водную фазу, не смешивающуюся с органической фазой, с помощью катализатора межфазного переноса.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано при изготовлении спазеров, плазмонных нанолазеров, при флуоресцентном анализе нуклеиновых кислот, высокочувствительном обнаружении ДНК, фотометрическом определении метиламина.

Изобретение относится к получению наночастиц с ядром из ферромагнитного металла и диэлектрической оболочкой из оксида алюминия. В способе по варианту 1 проводят плазменную переконденсацию в токе инертного газа частиц порошка оксида алюминия с нанесенным на их поверхность покрытием из ферромагнитного металла с массовой долей от 25 до 75 мас.%, при этом обеспечивают послойное испарение упомянутых частиц и последующее образование наночастиц путем первичной конденсации кластеров из ферромагнитного металла и конденсации на них паров оксида алюминия.

Изобретение относится к плазменному синтезу наноматериалов. Эндоэдральные фуллерены получают в водоохлаждаемой металлической герметичной камере 1 в плазме высокочастотной дуги при атмосферном давлении с использованием переменного тока.

Изобретение относится к методикам измерения наноразмерных объектов и более конкретно к оптической измерительной системе и соответствующему способу измерения для определения критического размера (CD) для наноразмерных объектов.

Изобретение относится к способам обнаружения дефектов и трещин на поверхности металлического оборудования и трубопроводов. На поверхность контролируемого объекта последовательно наносят в направлении от большего к меньшему диаметру суспензию наночастиц металла, обладающих свойством фотолюминесценции, имеющих сферическую форму и разный условный диаметр.

Изобретение относится к области микроструктурных технологий. Способ включает нанесение множества наноструктурных областей с гидрофобными свойствами на поверхность 2 микроканала.

Изобретение предназначено для сельского хозяйства, пищевой промышленности, солнечной энергетики и электронной промышленности и может быть использовано при изготовлении пленочных укрывных материалов, упаковок, люминесцентных экранов и дисплеев.

Изобретение относится к технологии получения неорганических ультрадисперсных материалов и может быть использовано в химической, металлургической, нефтехимической, электронной и медицинской областях промышленности.

Изобретение относится к способу изготовления детали, в частности армирующего ребра крыльчатки турбомашины. Способ включает получение по меньшей мере одной волокнистой структуры путем трехмерного переплетения нитей и воздействие на волокнистую структуру горячим изостатическим прессованием с обеспечением агломерации указанных нитей и получением сплошной детали.
Наверх