Способ термической обработки отливки из жаропрочного монокристаллического никелевого сплава

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке отливок из многокомпонентных жаропрочных сплавов на никелевой основе с монокристаллической структурой, предназначенных преимущественно для производства лопаток ГТД и ГТУ в авиационной и энергетической промышленностях. Предложен способ термической обработки отливки из жаропрочного монокристаллического никелевого сплава, включающий нагрев до температуры ниже температуры солидуса, выдержку и последующее охлаждение со скоростью не менее 50°С в минуту, при этом перед термической обработкой наносят слой керамики на отливку и проводят предварительную термическую обработку путем нагрева и выдержки при температуре на 5-15°С выше температуры солидуса и охлаждения с последующим удалением слоя керамики. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке отливок из многокомпонентных жаропрочных сплавов на никелевой основе с монокристаллической структурой, предназначенных преимущественно для производства лопаток ГТД и ГТУ в авиационной и энергетической промышленности.

Термическая обработка отливок из многокомпонентных литейных жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой в большой степени определяет уровень механических свойств сплавов. Сложность проведения термической обработки таких сплавов заключается в том, что в процессе неравновесной кристаллизации, которая имеет место практически во всех случаях производства отливок, отмечается сильно развитая химическая микронеоднородность, связанная с дендритной ликвацией.

Высокотемпературная термическая обработка монокристаллических сплавов должна обеспечить растворение первичной эвтектической γ/γ'-фазы, полную перекристаллизацию упрочняющей γ'-фазы и максимально устранить дендритную ликвацию. В современных жаропрочных сплавах возможна ситуация, когда температура плавления эвтектических фазовых составляющих ниже температуры растворения упрочняющей γ'-фазы, а растворение упрочняющей γ'-фазы не всегда сопровождается устранением дендритной химической неоднородности.

Начальные оплавления недопустимы в отливках из монокристаллических жаропрочных сплавов, т.к. приводят к разупрочнению и потере пластичности. Неустраняемая в процессе термической обработки дендритная ликвация при последующих эксплуатационных нагревах может приводить к появлению выделений топологически плотно упакованных фаз и дополнительному разупрочнению сплавов.

Известны способы термической обработки многокомпонентных жаропрочных сплавов, предназначенных для получения лопаток ГТД, включающие многоступенчатые нагревы с продолжительными изотермическими выдержками при каждой ступени нагрева. При этом скорость нагрева между ступенями может не превышать 5° в час [Патент США №5151249].

Первая ступень изотермического отжига проводится, как правило, на ≈10-15°С ниже температуры начального плавления наиболее легкоплавкой эвтектической составляющей сплава или сегрегации; последняя ступень, при температуре, обеспечивающей максимальное устранение дендритной химической микронеоднородности [Патент США №5270123]. Каждая изотермическая выдержка за счет диффузионных процессов приводит к локальному выравниванию химического состава или фазовым превращениям, которые повышают температуру начального плавления.

Типичный режим высокотемпературной термической обработки для отливок наиболее жаропрочного ренийсодержащего монокристаллического сплава CMSX-10 включает:

нагрев до 1316°С - выдержка 1 ч, далее

нагрев до 1329°С - выдержка 2 ч, далее

нагрев до 1335°С - выдержка 2 ч, далее

нагрев до 1340°С - выдержка 2 ч, далее

нагрев до 1346°С - выдержка 2 ч, далее

нагрев до 1352°С - выдержка 3 ч, далее

нагрев до 1357°С - выдержка 3 ч, далее

нагрев до 1360°С - выдержка 5 ч, далее

нагрев до 1363°С - выдержка 10 ч, далее

нагрев до 1365°C - выдержка 15 ч,

далее принудительное охлаждение в аргоне.

Суммарная выдержка при гомогенизации для сплава CMSX-10 в температурном интервале 1316-1365°С составляет 45 ч. [G.E. Fuchs /Solution heart treatment response of a third generation single crystal Ni-base supperalloy // Materials Science and Engineering, Univesity of Florida, P/ Box 116400 /Rhines hall, Gainesville, FL 32611-64000,USA/].

Аналогичные схемы ступенчатых нагревов и изотермических выдержек, широко применяемые для других жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурами, описаны в ряде патентов на сплавы и отличаются между собой температурными интервалами нагревов и временами изотермических выдержек.

Все эти режимы отличает большая длительность процесса термической обработки, необходимость строгого контроля выполнения заданного режима нагрева и высокая энергоемкость процесса, что удорожает стоимость изделий, полученных по этим режимам.

Наиболее близким по технической сущности и назначению является способ термической обработки монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов, включающий:

1) нагрев отливок до температуры примерно на 10-15°С ниже температуры начального плавления (Т_{солидус}), выдержку при этой температуре в течение времени, достаточного для гомогенизации;

2) повышение температуры отливки до температуры по крайней мере на 3°С выше температуры начального плавления и, в связи с этим, вызывающего начальное плавление некоторых отливок;

3) выдержку отливок при температуре начального плавления в течение времени, достаточного для существенного восстановления участков начального плавления;

4) охлаждение со скоростью более 50°С в мин до температуры 1093°С [Патент США №4583608].

Однако предлагаемый способ термической обработки, имеет следующие недостатки:

а) термическая обработка в области температур, при которых происходит частичное плавление сплава, может приводить к изменению формы отливки,

б) интенсивное поверхностное испарение легирующих элементов в процессе выдержки из расплавленных областей отливки, главным образом, в междендритных участках, при температуре выше начального плавления (Т_{солидус}) приводит к поверхностному изменению химического состава и растраву отливок лопаток. Удалить местный поверхностный растрав возможно только механической обработкой, что часто является недопустимым для тонкостенных отливок охлаждаемых лопаток. Таким образом, предлагаемый способ снижает выход годных изделий.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа термической отработки отливки из жаропрочного монокристаллического никелевого сплава, который бы обеспечивал растворение первичной эвтектической γ/γ'-фазы, отсутствие поверхностного вакуумного растрава отливок и повышение механических свойств при сокращении цикла термической обработки.

Для достижения поставленной задачи предлагается способ термической обработки отливок из жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов, состоящий в том, что перед термической обработкой наносят слой керамики на отливку и проводят предварительную термическую обработку отливки путем нагрева, выдержки при температуре на 5-15°С выше температуры солидуса и охлаждения с последующим удалением слоя керамики, и проводят повторный нагрев при температуре ниже температуры солидуса, обеспечивающей полное растворение упрочняющей γ'-фазы. После выдержки при повторном нагреве отливку охлаждают со скоростью не менее 50°С в минуту. Где Т_{солидуса} - температура начального плавления сплава.

Наряду с нанесением плотного слоя керамики на поверхность отливки, возможно применение керамической засыпки отливок в контейнере.

Основные отличия предлагаемого способа термической обработки от прототипа заключается в том, что:

- высокотемпературная термическая обработка отливок проводится в защитном слое керамики или в керамической засыпке, что устраняет процессы формоизменения отливки и изменение поверхностного слоя отливки при проведении термообработки;

- нагрев отливок производится непосредственно при температуре выше температуры начального плавления сплава Т_{солидус} на (5-15°С). Вблизи точки плавления или в присутствии небольшого количества жидкой фазы коэффициенты диффузии возрастают примерно на порядки, что приводит к уменьшению времени термической обработки;

- формирование мелкодисперсных выделений упрочняющей γ'-фазы осуществляется за счет второго кратковременного нагрева при температуре ниже Т_{солидус}, обеспечивающей полное растворение упрочняющей γ'-фазы, и быстрого охлаждения отливок со скоростью ≥50°С в минуту.

Таким образом, совокупность представленных отличий позволяет решать поставленную техническую задачу, а именно получить качество поверхности и микроструктуру отливок, обеспечивающих высокие механические свойства.

Примеры осуществления

Для осуществления предлагаемого изобретения использовались отливки из высокорениевого монокристаллического жаропрочного никелевого сплава ЖС55, которые подвергали термической обработке по предлагаемому способу (примеры 1-3) и по способу прототипа (пример 4).

Монокристаллические отливки из сплава ЖС55 кристаллографической ориентации [001] получали методом направленной кристаллизации на установке с жидкометаллическим охлаждением. Методом дифференциального термического анализа определяли Т_{солидус}, которая для исследованного сплава составляла 1340-1345°С.

Термообработка по предлагаемому способу проводилась следующим образом.

Пример 1

На отливки методом погружения в жидкую керамическую массу на основе электрокорунда и этил-силиката наносились слои керамики. После просушки керамической массы отливки помещались в вакуумную печь, в которой проводили предварительную термическую обработку по режиму, представленному в таблице: нагрев в вакуумной печи до температуры Т_{солидус}+5°С (температура нагрева составляла 1350°С), выдержка в печи в течение 25 ч, далее охлаждение отливок с печью. После охлаждения печь разгружали; с отливок удаляли керамику и далее нагревали в печи до температуры ниже Т_{солидус}, обеспечивающей полное растворение упрочняющей γ'-фазы, после прогрева выдерживали в течение 30 мин и затем охлаждали со скоростью более 50°С в минуту с напуском в печь аргона.

Пример 2

На поверхности отливок методом погружения в жидкую керамическую массу на основе электрокорунда и этил-силиката наносились слои керамики; после просушки отливки помещались в вакуумную печь, в которой проводили термическую обработку по режиму: нагрев в вакуумной печи до температуры Т_{солидус}+15°С (температура нагрева составляла 1360°С), выдержка в печи в течение 15 ч, с последующим охлаждением отливок с печью. После охлаждения печь разгружали; с отливок удаляли керамику. Далее отливки нагревали в печи до температуры ниже Т_{солидус}, обеспечивающей полное растворение упрочняющей γ'-фазы, после прогрева отливки выдерживали в течение 45 мин и затем охлаждали со скоростью более 60°С в минуту с напуском в печь аргона.

Пример 3

Монокристаллические отливки укладывались в контейнер и засыпались порошком электоркорунда. Укладку отливок и заполнение контейнера электрокорундом осуществляли таким образом, чтобы была исключена возможность контакта монокристаллических отливок между собой. После заполнения контейнер закрывался керамической крышкой и отливки обрабатывались по режиму: нагрев в вакуумной печи до температуры плавления Т_{солидус}+10°С (1355°С), выдержка в печи в течение 20 ч, далее охлаждение. После охлаждения печь разгружали, удаляли керамическую засыпку и далее отливки нагревали в печи до температуры ниже Т_{солидус}, обеспечивающей полное растворение упрочняющей γ'-фазы, после прогрева отливки выдерживали в течение 60 мин и затем охлаждали со скоростью 70°С в минуту с напуском в печь аргона.

Пример 4

Термическая обработка по режиму прототипа.

Отливки изделия без поверхностной защиты нагревали в вакуумной печи до температуры на 10-15°С ниже температуры начального плавления сплава (1330-1335°С), выдерживали в течение 10 ч, далее медленно в течение 1 ч, отливки нагревали до температуры превышающей температуру начального плавления сплава Т_{солидус} на 5-10°С (1343-1350°С) и выдерживали в течение 20 ч, после чего заготовки охлаждали со скоростью более 60°С в минуту с напуском в печь аргона.

В таблице и на фиг.1 приведены результаты испытаний и структура монокристаллических образцов, прошедших термическую обработку по способам предлагаемого изобретения.

Как видно из сопоставительного анализа результатов испытаний на длительную прочность, приведенных в таблице, предлагаемый способ термической обработки позволяет повысить жаропрочность отливок на 30-40% при повышении качества поверхности отливок. Отсутствует поверхностный растрав и сохраняется форма отливом.

Фиг.1 демонстрирует микроструктуру монокристалла сплава в литом состоянии. Микроструктура характеризуется наличием заметного количества эвтектической γ/γ'-γ-фазы в междендритных участках.

Фиг.2, 3 демонстрируют типичные микроструктуры отливок, термически обработанных по предлагаемому в изобретении способу (примеры 1-3). Структура отливок характеризуется полным растворением первичной эвтектики (фиг.2) и отсутствием поверхностного растрава и измененного слоя (фиг.3).

Аналогичные структурные изменения отмечаются и в случае проведения термической обработки по предлагаемому изобретению с применением керамической засыпки.

Фиг.4, 5 демонстрируют микроструктуру монокристалла сплава после термической обработки по режиму, заявленному в патенте-прототипе (режим 4) Микроструктура характеризуется неполным растворением первичной эвтектической γ/γ'-γ-фазы (фиг.4).

Отмечается выраженный измененный поверхностный слой фиг.5.

Из сопоставления результатов оценки длительной прочности и структурных изменений следует, что предлагаемое изобретение обеспечивает получение более качественной структуры отливки изделия и увеличение прочностных свойств, позволяющее применить его для лопаток двигателей нового поколения ГТД и ГТУ с повышенным ресурсом и повысить выход годного.

Формула изобретения

Способ термической обработки отливки из жаропрочного монокристаллического никелевого сплава, включающий нагрев до температуры ниже температуры солидуса, выдержку и последующее охлаждение со скоростью не менее 50°С в минуту, отличающийся тем, что перед термической обработкой на отливку наносят слой керамики и проводят предварительную термическую обработку путем нагрева, выдержки при температуре на 5-15°С выше температуры солидуса и охлаждения с последующим удалением слоя керамики.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6