Способ термической обработки жаропрочных никелевых сплавов и изделие, полученное этим способом

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке жаропрочных высоколегированных деформируемых сплавов на никелевой основе и изделий из них - высоконагруженных деталей, работающих при температурах выше 650^oС, в частности дисков ГТД. Способ включает предварительный отжиг, отжиг на твердый раствор с регламентированным охлаждением и последующее 2-ступенчатое старение - сначала при температуре 450 - 550^oС в течение 6-24 ч, а затем при температуре 860 - 950^oС в течение 16-24 ч. Предварительный отжиг осуществляют при 900 - 1120^oС в течение 4-6 ч. Отжиг на твердый раствор проводят при температурах от полного растворения γʹ фазы T_прγʹ+5^oС до T_прγʹ+30^oС в течение 4-12 ч. Охлаждение после отжига на твердый раствор осуществляют сначала со скоростью 1-5^oС/мин до температуры в интервале от T_прγʹ-45^oС до T_прγʹ-55^oС c выдержкой 15-45 мин, затем со скоростью 30-90^oС/мин до температуры не выше 450^oС. Техническим результатом изобретения является повышение жаропрочности никелевых высоколегированных дисковых сплавов и изделий из них при сохранении остальных эксплуатационных характеристик на прежнем уровне, а также упрощение процесса термической обработки изделий и снижение энергетических затрат при его проведении. 2 c. и 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке жаропрочных высоколегированных деформируемых сплавов на никелевой основе и изделий из них - высоконагруженных деталей, работающих при температурах выше 650^oС, в частности дисков ГТД.

Одной из важнейших задач авиационного металловедения является повышение жаропрочности дисковых сплавов, что позволит улучшить характеристики и надежность двигателей летательных аппаратов.

Сплавы, для которых может применяться предлагаемое изобретение, упрочняются более 50% γʹ фазы (Ni₃Al, Ti).

Определяющее влияние термической обработки на свойства жаропрочных деформируемых никелевых сплавов, состоящей обычно из закалки и старения, объясняется кардинальными изменениями структурных составляющих - зерен кристаллов матрицы, выделений упрочняющих фаз внутри зерна, геометрии границ зерен после обязательной для заготовок дисков обработки давлением. Последовательность и режимы этапов термообработки выбирают таким образом, чтобы наиболее полно удовлетворить требования, предъявляемые к материалу и изделию из него.

В настоящее время известны способы термической обработки, позволяющие добиться высокого уровня характеристик дисковых никелевых сплавов.

Например, известен метод термообработки, применяемый для повышения трещиностойкости жаропрочных никелевых сплавов. Он заключается в отжиге при температуре между растворением γʹ фазы и плавлением материала, охлаждении со скоростью 0,06-8,3^oС/мин до температуры на 28-83^oС ниже растворения γʹ фазы и далее со скоростью более 56^oС/мин до менее 538^oС, отжига при 1079-1093^oС с выдержкой 4-6 часов и старением при 871±14^oС в течение 24-32 часов [Патент США 5900084].

Такая термическая обработка не обеспечивает уровень механических свойств, требуемый для дисковых материалов. Изделия, термообработанные этим способом, обладают недостаточной прочностью и жаропрочностью.

Авторы (H.Loyer Danflou, M.Marty, A.Walder в работе "Формирование извилистых границ зерен и их влияние на механические свойства порошковых никелевых жаропрочных сплавов", Superalloys 92, TMS, 1992, стр. 63-72) для высокой стойкости к распространению усталостных трещин предлагают обрабатывать гранулированый и прессованый сплав Astroloy по режиму: - отжиг на твердый раствор при T_прγʹ (температура полного растворения γʹ фазы) + 10^o с выдержкой 1,5 часа; - охлаждение со скоростью менее 5^oС/мин до температуры ниже T_прγʹ-50^o(1100-1050^oC); - двойное старение - 700^oС, 24 часа и 800^oС, 4 часа.

Применение такой обработки не обеспечивает высокой жаропрочности дисковых сплавов и изделий из них при температурах более 800^oС из-за низкой температуры старения. Отсутствие отжига перед обработкой на твердый раствор приводит к разнозернистости, что снижает уровень и стабильность характеристик сплава.

Наиболее близкий способ обработки, взятый в качестве прототипа, представлен в патенте РФ 1360232 "Способ термообработки дисков из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов" (МКИ C 22 F 1/10, в Б.И. 16-94).

Способ термообработки включает в себя предварительный отжиг при 1100-1180^oС с выдержкой 4-6 часов, отжиг на твердый раствор в интервале от T_прγʹ до T_прγʹ+10^o, регламентированное охлаждение сначала со скоростью 80-100 ^oС/ч до T_прγʹ-40^oС, далее 40-50^oС/мин с последующим 2-ступенчатым старением при 910-970^oС с выдержкой 6-24 часа и охлаждением 10-30^oС/ч до 800-850^oС с выдержкой 8-24 часа. По данным авторов, реализация способа обработки для сплавов ЭП975-ИД и ВЖ137-ИД позволяет получить изделие без чувствительности к надрезу со 100-часовой длительной прочностью при 750^oС, равной 800 и 750 МПа, и при 850^oС, равной 480-440 МПа, соответственно для двух сплавов.

Однако применение этого способа приводит к недостаточной жаропрочности обработанных сплавов и получаемых из них изделий для двигателей нового поколения. Кроме того, режим обработки длителен и сложен для осуществления в промышленных условиях.

Технической задачей данного изобретения является: - повышение жаропрочности никелевых высоколегированных дисковых сплавов и изделий из них при сохранении остальных эксплуатационных характеристик на прежнем уровне; - упрощение процесса термической обработки изделий и снижение энергетических затрат при его проведении.

Для достижения поставленной задачи предложен способ термической обработки сплавов и изделий, получаемых из них, в том числе дисков турбин, включающий предварительный отжиг, отжиг на твердый раствор с регламентированным охлаждением и последующее двухступенчатое старение. От прототипа способ отличается тем, что старение осуществляют сначала в интервале температур 450-550^oС в течение 6-24 часов, а затем в интервале температур 860-950^oС в течение 16-24 часов (точные параметры второго старения назначают в зависимости от требуемого комплекса свойств и рабочей температуры сплава и изделия из него).

Предварительный отжиг осуществляют при 900-1120^oС в течение 4-6 часов. Отжиг на твердый раствор проводят в интервале температур от T_прγʹ+5^oС до T_прγʹ+30^oС в течение 4-12 часов. Охлаждение после отжига на твердый раствор проводят регламентированное - сначала со скоростью 1-5^oС/мин до температуры (T_прγʹ-45^oС)-(T_прγʹ-55^oС) с выдержкой 15-45 минут, затем со скоростью 30-90^oС/мин до температуры не выше 450^oС.

Все этапы предлагаемой технологии термической обработки являются необходимыми.

Отжиг после деформации необходим для снижения и выравнивания внутренних напряжений и коагуляции упрочняющей γʹ фазы. Только температура ниже начала рекристаллизации - от 900 до 1120^oС, в зависимости от сплава, с выдержкой 4-6 часов обеспечивает равномерность роста зерен кристаллов матрицы по всему объему деформированной заготовки при последующей обработке.

Далее, в результате обработки на твердый раствор при T_прγʹ+5^oС - T_прγʹ+30^oС в течение 4-12 часов формируется равномерная микроструктура сплава и изделия из него с зернами размером 60-130 мкм. Выдержки при температурах менее T_прγʹ+5^oС и более T_прγʹ+30^oС не обеспечивают нужный размер и равномерность зерен и приводят к снижению свойств материала.

После отжига на твердый раствор при охлаждении до T_прγʹ-45^oС со скоростью 1-5^o/мин формируется 15-25% γʹ выделений размером 1-2 мкм округлой формы и извилистые границы зерен с лежащими на них частицами γʹ фазы. Такая структура придает материалу высокую пластичность и способность к релаксации напряжений. Проведенные электронно-микроскопические исследования тонких фольг, разрушенных после длительных испытаний образцов при 800^oС, показали, что при работе материала крупные округлые γʹ частицы огибаются дислокациями, а мелкие перерезаются.

Повышение или понижение температуры, до которой производится охлаждение, не позволяет получить нужную долю крупной округлой γʹ фазы, что приводит к снижению свойств сплава.

Выдержка 15-45 минут при T_прγʹ-45^oС необходима, т.к. позволяет выровнять температуру по объему изделия и произвести выгрузку партии изделий, одновременно проходящих термическую обработку в одной садке печи. При охлаждении со скоростью 30-90^oС/мин из твердого раствора между округлыми выделяются кубические γʹ частицы ~0,1 мкм.

Старение окончательно формирует структуру сплава и придает ему необходимые свойства. На первой ступени при 450-550^oС происходит упорядочение оставшегося γ твердого раствора с образованием предвыделений Ni₂Cr определенного размера и образование мелкодисперсной (менее 0,05 мкм) γʹ фазы. Исследование сплава типа ЭП975 показало преимущество предлагаемого режима. Среднее время до разрушения при 750^oС, δ = 800 МПа и одинаковой температуре второй ступени старения (910^oС) составило 88, 142 и 20 часов - без первого старения, с первым старением при 500^oС и при 600^oС соответственно.

При втором старении - от 850 до 950^oС выделяются карбиды и бориды по границам зерен, проходят процессы коагуляции частиц γʹ фазы. В результате сплав и изделие из него приобретают микроструктуру, обеспечивающую необходимые свойства.

Пример осуществления.

С целью практического осуществления изобретения были выплавлены два сплава для дисков турбин типа ХН53КВЮТБМР-ИД (ЭП975-ИД). Второй состав дополнительно содержал гафний и тантал. Их T_прγʹ-1210 и 1230^oС, содержание γʹ фазы - 55 и 65 вес. % для первого и второго сплава соответственно.

Сплавы выплавлялись в вакуумной индукционной печи с последующим вакуумно-дуговым переплавом. Слитки подвергались многостадийной обработке давлением. Полученные штамповки дисков термически обрабатывались по предлагаемому способу и по режиму прототипа.

После термической обработки из штамповок дисков изготавливались образцы и проводились испытания механических свойств при комнатной температуре и длительных при 750 и 850^oС. Результаты испытаний сведены в таблицу.

Результаты испытаний показывают, что предлагаемый режим термообработки по сравнению с прототипом повышает жаропрочность дисковых сплавов при 750 и 850^oС (от 30 до 130% по долговечности) при сохранении прочностных характеристик и чувствительности к надрезу. Технология проведения обработки упрощается.

Таким образом, предлагаемый способ термической обработки позволяет повысить жаропрочность деформируемых никелевых сплавов при сохранении высоких механических свойств и нечувствительности к надрезу, сократить (в среднем на 10%) и упростить процесс обработки, снизив на 20% энергетические затраты на его проведение. Изделия, полученные этим способом, имеют повышенный ресурс и надежность и могут быть использованы в перспективных газотурбинных двигателях 6^го поколения.

Формула изобретения

1. Способ термической обработки жаропрочных никелевых сплавов и изделий, выполненных из них, включающий предварительный отжиг, отжиг на твердый раствор с регламентированным охлаждением и последующее двухступенчатое старение, отличающийся тем, что старение осуществляют сначала при температуре 450-550^oС в течение 6-24 ч, а затем при температуре 860-950^oС в течение 16-24 ч.

2. Способ термической обработки жаропрочных никелевых сплавов по п. 1, отличающийся тем, что предварительный отжиг осуществляют при температуре 900^oС-1120^oС в течение 4-6 ч.

3. Способ термической обработки жаропрочных никелевых сплавов по п. 1, отличающийся тем, что отжиг на твердый раствор проводят при температурах от полного растворения γʹ фазы (T_прγʹ)+5^oС до T_прγʹ +30^oС в течение 4-12 ч.

4. Способ термической обработки жаропрочных никелевых сплавов по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение после отжига на твердый раствор осуществляют сначала со скоростью 1-5^oС/мин до температуры в интервале от T_прγʹ-45^oС до T_прγʹ-55^oС c выдержкой 15-45 мин, затем со скоростью 30-90^oС/мин до температуры не выше 450^oС.

5. Изделие из жаропрочного никелевого сплава, отличающееся тем, что оно обрабатывается по способу согласно пп. 1-4.

РИСУНКИ

Рисунок 1