Способ термической обработки дисков из высокопрочных сложнолегированных никелевых сплавов

 

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных сложнолегированных никелевых сплавов, а именно к способу термообработки жаропрочных дисков ГТД. Технический эффект - снижение уровня остаточных напряжений не менее чем на 30% при сохранении поликомплекса свойств. Термообработка включает предварительное термоциклирование (не менее 5 циклов) до температуры старения с выдержками при этой температуре 30 мин - 1 ч и охлаждением до комнатной со скоростью 150 - 180^oС/с. Затем осуществляют старение в течение 4 - 6 ч с последующим охлаждением с печь. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии жаропрочных сложнолегированных никелевых сплавов, а именно к способам термообработки жаропрочных дисков ГТД.

Повышение характеристики прочности дисков ГТД предусматривает исследования в направлении разработки режимов термообработки.

Для получения максимальных сочетаний прочности и жаропрочности для дисков из высокопрочных сплавов (в частности ЭП962ИД и ЭП962П) используют высокие скорости охлаждения после закалки, что приводит к возникновению значительных остаточных напряжений 1-ого рода, достигающих 60 кгс/мм². Высокий уровень остаточных напряжений приводит к поводкам дисков ГТД как в процессе изготовления, так и в процессе работы в составе изделия. Поэтому одновременно с повышением прочностных характеристик необходимо решение вопроса о снижении остаточных напряжений.

Примерами способов термической обработки сплавов данного класса, т.е. сплавов с интерметаллидным упрочнением, являются сплавы ЭИ437Б (Химушин Ф.Ф. Металлургия. -М. : 1964 г), температура последнего старения которого равна 700±10^oC, выдержка 16 ч, охлаждение на воздухе и сплав ЭИ617 (Химушин Ф.Ф. Металлургия. - М. , 1964 г), температура последнего старения которого 800±10^oC, выдержка 16 ч, охлаждение на воздухе.

Старение вызывает изменение структуры данного класса сплавов, связанное с выделением дисперсных фаз. Степень дисперсности фаз оказывает значительное влияние на комплекс свойств материала, и в первую очередь на жаропрочность и чувствительность к надрезу.

Использование данных режимов термической обработки для высокопрочных сплавов типа ЭП962П и ЭП962ИД невозможно из-за существенного повышения чувствительности к надрезу, из-за появления мелкодисперсных выделений j'-фазы в случае старения 700^oC и снижения жаропрочности из-за значительной коагуляции j'-фазы при 800^oC.

Известен способ термообработки для снятия остаточных напряжений сплавов данного класса, заключающийся в нагреве до температуры последнего старения, выдержки в течение 4-6 ч, охлаждения с печью до 20^oC.

Данный режим термообработки был выбран за прототип (ТУ 1-801-410-86). Способ по прототипу был разработан для дисковых жаропрочных сплавов на никелевой основе, работающих при температурах 650-750^oC и имеющих уровень прочности <150 кгс/мм².

При переходе к более высокопрочным композициям типа ЭП962П и ЭП962ИД с уровнем прочности >150 кгс/мм² данный режим термообработки не позволяет снизить остаточные напряжения более чем на 18%, что является недопустимым с точки зрения надежной эксплуатации изделия.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка режима термообработки дисков из высокопрочных сплавов с уровнем прочности >150 кгс/мм², работающих при температурах до 750^oC, позволяющего снизить уровень остаточных напряжений с 58-60 кгс/мм² в исходном состоянии на 30-46% при сохранении комплекса прочностных свойств.

Для достижения поставленной задачи предлагается следующий способ термообработки: перед окончательным нагревом при температуре последнего старения, выдержки при этой температуре 4-6 ч и охлаждением с печью до 20^oC проводят многократные циклические нагревы не менее 5 циклов до температуры последнего старения данного сплава, выдержки при этой температуре 30 мин - 1 ч и охлаждении со скоростью V=150-180^oC/с.

Введение термоциклирования позволило получить неожиданный эффект резкого снижения остаточных напряжений 1-ого рода. Очевидно, низкотемпературные нагревы с последующими высокими скоростями охлаждения создают дополнительные напряжения, но противоположного знака. Их взаимодействие приводит к аннигиляционным процессам, т.е. к общему снижению уровня остаточных напряжений. Кроме того, чередование нагревов с высокими скоростями охлаждения усиливает пластическое течение в микроучастках и этим также способствует более полному уменьшению остаточных напряжений.

Примеры осуществления Выбранные в работе температурные режимы термоциклирования соответствовали температурам старения сплава ЭП962П. Исследования проведены в сравнении со стандартным режимом нагрева для снятия остаточных напряжений, применяемым в промышленности.

Все испытания проведены на материале ЭП962П и ЭП962ИД с уровнем прочности 160 кгс/мм². Образцы вырезаны из диска после полной термообработки, включающей старение при 730^oC, 16 ч, воздух и нагрев до температуры последнего старения, выдержку 4-6 ч и охлаждение с печью до 20^oC.

Испытания образцов на релаксацию напряжений проводились по упрощенной методике Одинга: призматические образцы размером 100х15х2,5 мм из исследуемого сплава "заневоливаются" на определенную нагрузку в массивных скобах из высокопрочного сплава, после чего вся конструкция в сборе подвергается термообработке по проверяемому режиму. Степень релаксации напряжений контролируется по величине остаточного прогиба, осхранившегося в образце после отжига скобы с образцом и "разневоливания" последнего.

Как видно из таблицы, режим термоциклирования при температуре последнего старения в сочетании с последующим стандартным нагревом и охлаждением с печью обеспечивает значительное снижение уровня остаточных напряжений.

Минимальным числом циклов, позволяющим получить эффект снятия остаточных напряжений не менее 30%, является 5 циклов.

Дальнейшее повышение числа циклов до 10 целесообразно при увеличении габаритов дисков. По результатам данного исследования повышение числа циклов свыше 10 малоэффективно и неэкономично.

Таким образом, предлагаемый способ термообработки обеспечивает значительное снижение уровня остаточных напряжений при сохранении требуемого комплекса механических свойств, что позволяет избежать поводок дисков, а также повысить ресурс и надежность материала при эксплуатации.

Формула изобретения

Способ термической обработки дисков из высокопрочных, сложнолегированных никелевых сплавов, включающий нагрев до температуры старения, выдержку в течение 4 - 6 ч и охлаждение с печью, отличающийся тем, что перед старением проводят термоциклическую обработку с количество циклов не менее 5 путем нагрева до температуры старения, выдержки при этой температуре в течение 30 мин - 1 ч и охлаждения со скоростью 150 - 180 град./с.

РИСУНКИ

Рисунок 1