Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из жаропрочных никелевых сплавов, работающих при температурах выше 600°С, в частности дисков ГТД. Предложен способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки направленной кристаллизацией, ее гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию с промежуточным(ми) отжигом(ми), окончательную деформацию и термическую обработку, при этом гомогенизирующий отжиг проводят в пять ступеней, а предварительную деформацию осуществляют при температуре на 55-95°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью =1÷5×10^-2 с^-1. Технический результат - обеспечение стабильного и однородного уровня свойств изделий горячего тракта ГТД и значительного снижения усилия деформирования. 3 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из жаропрочных деформируемых дисперсионнотвердеющих никелевых сплавов, работающих при температурах выше 600° С, в частности дисков ГТД.

В настоящее время известны способы производства изделий из жаропрочных никелевых сплавов, позволяющие добиться высокого уровня их свойств и надежности. Для производства дисков ГТД используют технологии с применением слитка или заготовки, полученные гранульной металлургией (Г.Гарибов, А.Казберович "ВИЛС: технологии XXI века", АВИА панорама, 2001, №5-6, с.38-39).

Известны способы получения дисков из никелевых жаропрочных сплавов, в которых для деформации используется слиток вакуумной индукционной выплавки с последующим вакуумным дуговым переплавом (ВИ+ВДП). Для разработки технологического процесса определяется процент содержания γ ' фазы в сплаве, температура ее полного растворения (Тпрγ '), температура неравновесного солидуса, температура солидуса (Ts). Для того чтобы получить заготовку с равномерным рекристаллизованным зерном, обладающую повышенной пластичностью, слиток гомогенизируют, многократно деформируют с использованием промежуточных отжигов и подогревов, уменьшают его поперечные размеры прессованием или ротационной ковкой. Далее проводят многократную деформацию для увеличения диаметра заготовки (патенты ЕР №№0248757, США №№5120373, 5693159).

Недостатками известных способов являются необходимость применения крупногабаритного и энергоемкого оборудования для выплавки слитков большого диаметра и их деформации. При производстве дисков большого размера использование прессованной заготовки затруднено в связи с ее малым диаметром по отношению к массе, что приводит к появлению дополнительных операций подпрессовки.

Известен способ изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, который включает:

- вакуумно-индукционную выплавку;

- получение заготовки под деформацию диаметром 320 мм вакуумным дуговым переплавом;

- гомогенизирующий отжиг при температуре на 20÷ 30° С выше полного растворения γ ' фазы (Тпрγ ') в течение 4-8 часов, с охлаждением с печью до температуры максимальной коагуляции γ ' фазы, далее на воздухе;

- предварительную деформацию прессованием на пруток со степенью 65÷ 75% при температуре ниже Тп.р.γ ' на 40÷ 60° С с последующей подпрессовкой в закрытом контейнере со степенью 35÷ 50% при температуре ниже Тп.р.γ ' на 60÷ 80° С;

- окончательную деформацию совмещением осадки и штамповки при температуре ниже Тп.р.γ ' на 40÷ 60° С со степенью 75÷ 85%;

- термическую обработку, состоящую из предварительного отжига при температуре ниже Тп.р.γ ' на 100÷ 130° С, обработки на твердый раствор при температуре Тп.р.γ '±10° С с регламентированным охлаждением и последующего старения (а.с. СССР 1637360).

Недостатками способа является невозможность обеспечения требуемой однородности и уровня свойств изделия, низкий коэффициент использования металла и высокая трудоемкость получения изделий из-за применения метода выплавки (ВИ+ВДП), не обеспечивающего достаточной однородности структуры и химического состава сплава, что является причиной появления дополнительной операции для проработки заготовки - прессования.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, взятый в качестве прототипа.

Способ включает:

- вакуумно-индукционную выплавку;

-получение заготовки под деформацию направленной кристаллизацией в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200° С/см;

- гомогенизирующий отжиг в интервале температур Tп.p.γ '-10° C-Tsol с последующим охлаждением до 900-1000° С со скоростью ≤ 55° С/час;

- предварительную деформацию осадкой в изотермических условиях за 2 и более раза в интервале температур Tп.pγ '-80° C-Tп.pγ '+10*C, с суммарной степенью деформации более 55% и промежуточным отжигом в этом же интервале температур;

- окончательную деформацию в изотермических условиях в интервале температур Tn.pγ '-20÷ 100° C;

- термическую обработку, состоящую из предварительного отжига в интервале температур 900÷ 1100° С, обработки на твердый раствор с регламентированным охлаждением и старения в интервале температур 650-1050° С (патент РФ 2215059).

Недостатками прототипа являются: появление недопустимого оплавления микроструктуры слитка при температуре ниже Тп.рγ ' в процессе непрерывного нагрева до температуры гомогенизации; невозможность полного растворения избыточных фазовых составляющих, таких как эвтектическая γ +γ '-фаза, фазы типа Ni₃Nb и неоднородной основной упрочняющей γ ' - фазы сплава в процессе гомогенизации; формирование при отжиге нестабильного твердого раствора с неоднородным выделением частиц γ ' фазы в осях и межосных промежутках при последующем непрерывном охлаждении; узкий температурный интервал, где в процессе деформирования проходит динамическая рекристаллизация, что приводит к необходимости проведения деформации только в изотермических условиях; формирование при деформации крупнозернистой микроструктуры, не обладающей способностью к сверхпластической деформации; высокий уровень напряжений деформирования при окончательной штамповке, неоднородность микроструктуры в штамповке после деформации перед термической обработкой.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения изделий из жаропрочного никелевого сплава, обеспечивающего стабильный и однородный уровень свойств изделий горячего тракта ГТД; предотвращение оплавления слитка в процессе непрерывного нагрева на температуру гомогенизации; обеспечение однородности твердого раствора в процессе гомогенизации; равномерное и однородное формирование крупных частиц γ ' фазы величиной не менее 1,0 мкм; формирование при предварительной деформации в заготовках однородной микроструктуры с размером зерна менее 10 мкм; использование эффекта сверхпластичности и значительное снижение усилия деформирования.

Для достижения поставленной цели предложен способ получения изделий из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки под деформацию направленной кристаллизацией, гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию, промежуточный(е) отжиг(и), окончательную деформацию и термическую обработку, отличающийся тем, что гомогенизирующий отжиг проводят в пять ступеней, где первая ступень включает нагрев до температуры на 25÷ 45° С ниже Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 3 часов, нагрев до температуры второй ступени, которая не более чем на 20° С выше Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 2 часов, нагрев до температуры третьей ступени, которая на 25-45° С выше Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 4 часов, охлаждение со скоростью 10-30° С/час до температуры четвертой ступени, которая на 15-35° С ниже Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 3 часов, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/час до температуры пятой ступени, которая на 45÷ 75° С ниже Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 3 часов, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/час до температуры на 150÷ 180° С ниже Тпрγ ', затем охлаждение на воздухе, предварительную деформацию проводят при температуре на 55÷ 95° С ниже Тпрγ ' со скоростью ε =1-5× 10^-2 c^-1. Промежуточный(е) отжиг(и) заготовки осуществляют при температуре на 55÷ 95° С ниже Тпрγ ' с выдержкой не менее 6 часов и охлаждением со скоростью 20÷ 60° С/час до температуры на 200-250° С ниже Тпрγ ' с последующим охлаждением заготовки на воздухе.

Проведение промежуточного(ых) отжига(ов) заготовки также можно осуществлять по режиму: нагрев до температуры на 50÷ 80° С ниже Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 3 часов, нагрев до температуры на 15÷ 45° С выше Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 2 часов, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/час до температуры на 15÷ 35° С ниже Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 3 часов, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/час до температуры на 45÷ 65° С ниже Тпрγ ' с выдержкой при этой температуре не менее 3 часов, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/час до температуры на 150÷ 180° С ниже Тпрγ ' с последующим охлаждением на воздухе.

Окончательную деформацию заготовок проводят в интервале температур Тпрγ '-55÷ 95° С в штампах с температурой Тпрγ '-150÷ 350° С со скоростью 10^-2÷10^-4 c^-1 и степенью не более 85%.

Выдержка заготовки при первых двух стадиях отжига позволяет повысить температуру плавления легкоплавких эвтектических фаз в современных сложнолегированных деформируемых сплавах с более 40% γ ' фазы до Ts и избежать оплавления металла при нагреве до температуры гомогенизации. Выдержка заготовок при Тпрγ '+25÷ 45° С позволяет сформировать однородный γ твердый раствор с полным растворением нежелательных избыточных фазовых составляющих. Дальнейшее охлаждение с регламентированной скоростью 10÷ 30° С/час до Тпрγ '-150÷ 180° С и выдержками при Тпрγ '-15÷ 35° С и Тпрγ '-45÷ 75° С приводит к формированию гетерогенной структуры с достаточно однородным выделением частиц γ ' фазы размером более 1,0 мкм в осях и межосных промежутках. Такой отжиг обеспечивает прохождение динамической рекристаллизации структуры слитка в широком температурном интервале двухфазной γ +γ '-области - на 165° С ниже Тпрγ ' уже при однократной деформации со степенью 20÷ 25% и скоростью 1-5× 10^-2 с^-1. Формирование зерна величиной менее 10 мкм происходит в процессе контролируемой динамической рекристаллизации в более узком температурном интервале Тпрγ '-55÷ 165° С, однако более предпочтительным интервалом деформации является Тпрγ '-55÷ 95° С. Предварительная деформация осадкой в интервале температур Тпрγ '-55÷ 95° С за два и более перехода с суммарной степенью деформации не менее 55% и промежуточным(и) отжигом(и) приводит к интенсивному дроблению исходной дендритной микроструктуры и ее рекристаллизации по всему объему заготовки с формированием зерен γ фазы размером менее 10 мкм.

После предварительной деформации осадкой со степенью 25-45% производится промежуточный(е) отжиг(и) по режиму: нагрев до Тпрγ '-55÷ 95° С, выдержка не менее 6 часов, охлаждение со скоростью 20-60° С/час до Тпрγ '-200÷ 250° С, затем охлаждение на воздухе.

Отжиг приводит к формированию микроструктуры с размером зерна γ фазы менее 10 мкм и обеспечивает достижение больших показателей сверхпластичности в заготовках после деформации. Применение этого режима отжига предпочтительно при использовании слитков с монокристаллической структурой, где не требуется измельчения макроструктуры при последующей термической обработке с закалкой из двухфазной области, а также когда закалка при окончательной термообработке производится из однофазной γ -области.

Деформация осадкой после промежуточного отжига обеспечивает формирование мелкозернистой структуры с размером зерна менее 10 мкм.

Для дисков, работающих при температурах ниже 700° С и использовании закалки от температур ниже Тпрγ ' при окончательной термообработке, промежуточный(е) отжиг(и) производят по режиму: нагрев до Тпрγ '-50÷ 80° С, выдержка не менее 3 часов, нагрев до температуры Тпрγ '+15÷ 45° С, выдержка не менее 2 часов, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/час до Тпрγ '-15÷ 35° С, выдержка не менее 3 часов, охлаждение до Тпрγ '-45÷ 65° С со скоростью 10÷ 30° С/час, выдержка не менее 3 часов, охлаждение до Тпрγ '-150÷ 180° С со скоростью 10÷ 30° С/час, с последующим охлаждением на воздухе.

Отжиг обеспечивает формирование однородной рекристаллизованной макроструктуры заготовок с величиной зерна менее 1,0 мм, эффективную гомогенизацию сплава, устраняет ликвационную неоднородность, формирует перестаренную структуру с однородным выделением частиц γ '-фазы размером более 1,0 мкм и широкий температурный интервал динамической рекристаллизации Тпрγ '-55÷ 165° С для формирования микрозерна величиной менее 10 мкм в процессе контролируемой динамической рекристаллизации при последующей деформации в двухфазной области.

Деформация заготовок осадкой после этого режима отжига приводит к формированию однородной мелкозернистой структуры с размером зерна менее 10 мкм.

Сформированная при предварительной деформации мелкозернистая структура позволяет использовать эффект сверхпластичности и значительно снизить усилие деформирования.

Окончательная деформация при температурах выше Тпрγ '-55° С приводит к укрупнению структуры, а при деформации ниже Тпрγ '-95° С растет усилие деформирования и снижается пластичность сплава.

Использование штампов с температурой Тпрγ '-150÷ 350° С значительно повышает их стойкость.

Окончательная термообработка изделий, работающих при температурах ниже 700° С, состоит из отжига, закалки из двухфазной области и старения.

Термообработка изделий, работающих при температурах выше 650° С, состоит из отжига, обработки на твердый раствор из γ области и старения.

Полученное по предлагаемому способу изделие имеет после окончательной деформации однородную мелкозернистую структуру, не склонную к аномальному росту зерен при обработке сплава на твердый раствор, что исключает необходимость проведения отжига перед окончательной термообработкой.

Пример осуществления

Для практического осуществления изобретения был выбран сплав для дисков ЭК151, содержащий 48% γ ' фазы с Тпрγ '=1165° С, температурой неравновесного солидуса 1150° С и Ts=1250° C. Слитки сплава ЭК151 выплавляли в вакуумной индукционной печи. Заготовки под деформацию получали методом направленной кристаллизации. Из заготовок получали изделия - штамповки дисков.

Параметры технологии изготовления штамповок дисков, результаты испытаний и исследований представлены в таблицах 1÷ 3, где п.п.1-4 - предлагаемый способ для сплава ЭК151, а п.5 - способ прототипа, содержащего 45% γ ' фазы с температурой полного ее растворения 1140° С и температурой неравновесного солидуса 1280° С.

Из слитков изготавливались образцы, на которых определялись критические температуры, размеры частиц γ ' фазы, температуры начала динамической рекристаллизации после отжигов и разовой деформации. Из заготовок дисков изготавливались образцы для испытания на растяжение при температуре 1080° С, образцы и шлифы для определения температуры начала динамической рекристаллизации и структуры штамповок.

Предлагаемый способ позволяет получать в заготовках однородную мелкозернистую структуру с размером зерна γ фазы менее 10 мкм, использовать эффект сверхпластичности при окончательной штамповке, что дает возможность изготавливать изделия большего диаметра на менее энергоемком оборудовании, повысить КИМ, изготавливать штамповки сложной конфигурации, устранить проведение отжига при окончательной термической обработке, изготавливать изделия горячего тракта ГТД, работающие при температурах до 700° С, с высоким пределом выносливости и механическими свойствами или высокой жаропрочностью для работы при температурах выше 700° С в зависимости от режимов окончательной обработки.

Таблица 3 Технологические характеристики и структура штамповок дисков из сплава ЭК 151
Операция	Параметры	Предлагаемый способ	Прототип
№п/п
Окончательная деформация	Напряжение течения, σ , МПа	1 180	2 150	3 200	4 150	5 350
	Размер зерна, мкм	5-10	5-8	5-8	5-8	20
	Температура начала динамической рекристаллизации,° С	1000	1000	950	1000	1100
Относительное удлинение при 1080° С, δ , %	410	480	512	260	70

1. Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки направленной кристаллизацией, ее гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию с промежуточным(ами) отжигом(ами), окончательную деформацию и термическую обработку, отличающийся тем, что гомогенизирующий отжиг проводят в пять ступеней, на первой ступени заготовку нагревают до температуры на 25÷ 45° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы, выдерживают при этой температуре не менее 3 ч и нагревают до температуры второй ступени, которая не более чем на 20° С выше температуры полного растворения γ '-фазы, выдерживают при этой температуре не менее 2 ч и нагревают до температуры третьей ступени, которая на 25÷ 45° С выше температуры полного растворения γ '-фазы, выдерживают при этой температуре не менее 4 ч и охлаждают со скоростью 10÷ 30° С/ч до температуры четвертой ступени, которая на 15÷ 35° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы, выдерживают при этой температуре не менее 3 ч и охлаждают до температуры пятой ступени, которая на 45÷ 75° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы, выдерживают при этой температуре не менее 3 ч и охлаждают со скоростью 10÷ 30° С/ч до температуры на 150÷ 180° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы и затем охлаждают на воздухе, а предварительную деформацию осуществляют при температуре на 55÷ 95° С ниже температуры полного растворения γ ’-фазы со скоростью =1÷ 5· 10^-2 с^-1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточный(е) отжиг(и) заготовки проводят при температуре на 55÷ 95° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы с выдержкой не менее 6 ч и охлаждением со скоростью 20÷ 60° С/ч до температуры на 200÷ 250° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы с последующим охлаждением заготовки на воздухе.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточный(е) отжиг(и) заготовки проводят по режиму: нагрев до температуры на 50÷ 80° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 3 ч, нагрев до температуры на 15÷ 45° С выше температуры полного растворения γ '-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 2 ч, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/ч до температуры на 15÷ 45° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 3 ч, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/ч до температуры на 45÷ 65° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 3 ч, охлаждение со скоростью 10÷ 30° С/ч до температуры на 150÷ 180° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы с последующим охлаждением заготовки на воздухе.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончательную деформацию проводят в интервале температур на 55÷ 95° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы в штампах с температурой на 150÷ 350° С ниже температуры полного растворения γ '-фазы со скоростью =10^-2÷10^-4 с^-1 со степенью деформации не более 85%.