Способ обработки отливок из жаропрочного сплава

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано, в частности, для изготовления рабочих лопаток газотурбинных двигателей и других узлов и деталей, работающих в диапазоне температур до 1000°С. Техническим результатом изобретения является повышение предела выносливости и прочностных характеристик изделий. Отливки из сплава, содержащего, мас.%: хром 3,0-7,0, кобальт 4,0-8,5, вольфрам 11,5-15,0, углерод 0,1-0,2, алюминий 4,8-5,8, ниобий 0,4-1,0, титан 2,0-3,0, молибден 0,5-1,0, бор ≤0,025, лантан ≤0,02, иттрий ≤0,02, церий ≤0,02, никель - остальное, подвергают термообработке или термообработке после газостатического прессования. Термообработку осуществляют по режиму - нагрев до температуры полного растворения γ'-фазы ±25°С, выдержка и охлаждение. 8 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе никеля и изделиям, выполняемым из этих сплавов для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства, и может быть использовано, в частности, для изготовления рабочих лопаток газотурбинных двигателей, а также других узлов и деталей, работающих в диапазоне температур до 1000°С.

Известен способ обработки отливок из жаропрочных дисперсионно-твердеющих сплавов на основе никеля, заключающийся в том, что изделия нагревают до 1175°С±10°С, выдерживают при этой температуре 30-35 мин, подвергают последующей горячей прокатке с температурой конца не ниже 1050°С, выдерживают при указанной температуре 5 часов, охлаждают на воздухе и подвергают одинарному старению при 800°С в течение 16 часов (А.с. СССР №1744143, МПК5: C22F 1/10, БИ №24 за 1992 год) - аналог.

Недостатком известного решения является нестабильность механических свойств из-за склонности жаропрочных сплавов на никелевой основе вакуумно-дугового способа выплавки к росту зерна и укрупнению карбидных выделений по границам зерен при длительных выдержках в процессе высокотемпературных нагревов.

Известен способ обработки жаропрочного сплава на основе никеля со следующим химическим составом, мас.%: хром - 11,0-13,0, кобальт - 8,0-17,0, молибден - 6,0-8,0, титан - 4,0-5,0, алюминий - 4,0-5,0, ниобий - 1,5, гафний - 1,0, углерод, бор и церий - каждый - 5×10^-4, никель - остальное до 100, заключающийся в том, что сплав подвергают горячей ковке при температуре между температурой точки солидуса минус 45°С при скорости деформации от 5×10^-5 до 2×10^-2 с^-1 и при степени деформации выше 0,1, после которой следует охлаждение детали, последующая промежуточная термообработка в диапазоне температур от (Тсолидуса γ' - 95°)С до (Тсолидуса γ' - 30°)С в течение 1-24 ч и термообработка, осуществляемая при температуре между температурой точки солидуса γ'-фазы суперсплава плюс 5°С и температурой точки солидуса γ'-фазы суперсплава плюс 25°С в течение 1-4 часов (патент РФ №2133784, МПК6: C22F 1/10, С22С 19/05, публикация 1999.07.27) - аналог.

Недостатком известного решения является недостаточная жаропрочность сплава, так как в его составе отсутствует вольфрам, а как известно из уровня техники, вольфрам вводят в сплавы для повышения жаропрочности твердого раствора, он повышает температуру плавления сплавов, входит в твердый раствор в γ'-фазу и в карбиды.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение по второму варианту, является повышение предела выносливости и прочностных характеристик изделий, изготовленных из заявляемого сплава заявляемым способом, например, таких как длительная прочность (сточасовая прочность), трещиностойкость и стабильность никелевого жаропрочного сплава при его работе при температурах до 1000°С.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки отливок из никелевого жаропрочного сплава, состав которого содержит (мас.%): - хром - 3,0-7,0, кобальт - 4,0-8,5, вольфрам - 11,5-15,0, углерод - 0,1-0,2, алюминий - 4,8-5,8, ниобий - 0,4-1,0, титан - 2,0-3,0, молибден - 0,5-1,0, бор - ≤0,025, лантан - ≤0,02, иттрий - ≤0,02, церий - ≤0,02, никель - остальное до 100%, отливки подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП) с последующей термообработкой по режиму - нагрев до температуры Тпр ±25°С, где Тпр - температура полного растворения γ'-фазы, выдержка и охлаждение.

В заявляемом способе после охлаждения отливок могут осуществлять их старение по режиму - нагрев до температуры (Тпр -50°С), выдержка и охлаждение.

В заявляемом способе нагрев могут осуществлять в соответствии с заявляемым способом, а охлаждение могут осуществлять со скоростью не ниже 50°С/мин.

В соответствии с заявляемым способом время выдержки могут выбирать из условия достижения, по меньшей мере, 85% отливки структуры гомогенного состояния.

В заявляемом способе газостатическое прессование возможно осуществлять за два этапа.

В заявляемом способе на первом этапе газостатического прессования возможно осуществление низкотемпературного газостатического прессования, а на втором - высокотемпературного.

В заявляемом способе низкотемпературное газостатическое прессование могут осуществлять при температуре 950°С≤Т≤1150°С и давлении 100-170 МПа.

В заявляемом способе высокотемпературное газостатическое прессование могут осуществлять при температуре Тпр ±25°С, где Тпр - температура полного растворения γ'-фазы, и давлении 100-170 МПа.

В заявляемом способе охлаждение отливки могут проводить на воздухе при температуре окружающей среды (комнатной температуре).

На чертеже приведен график зависимости предела сточасовой прочности в зависимости от температуры для отливки из заявляемого сплава (ЖС6У-ПК) и из известного сплава ЖС-6У, которые подвергнуты обработке в соответствии с заявляемым изобретением.

В заявляемом изобретении технический результат по обоим вариантам достигается путем использования в совокупности как заявляемого состава сплава на основе никеля, так и условий обработки отливок, изготовленных из данного сплава и предназначенных, например, для производства деталей газотурбинного двигателя, в частности рабочих лопаток турбин.

Из анализа результатов эксплуатации газотурбинной техники известна важная роль границ зерен в процессе разрушения образцов из поликристаллических сплавов при их испытаниях на долговечность и усталость при температурах не выше 1000°С. Установлено, что при всех исследованных температурах зарождение статических и усталостных трещин происходит на границах зерен, причем при температурах до 800°С трещины распространяются только вдоль границ зерен. При температурах 900°С трещины развиваются еще и по телу зерен, а при дальнейшем повышении температуры трещины зарождаются в основном на окисленных карбидах на поверхности образцов.

Для уменьшения возможности зарождения усталостных трещин важное значение имеет состав жаропрочного сплава, в частности его основа и система легирования, причем при выборе системы легирования поликристаллических жаропрочных никелевых сплавов особое внимание следует уделять состоянию границ зерен, а для этого целесообразно использовать никелевые жаропрочные сплавы и включать в систему легирования карбидообразующие и другие элементы, стабилизирующие границы зерен, кроме того, необходима система поверхностно-активных элементов - микролегирующих добавок, образующих равновесные сегрегации на структурных дефектах и тем самым снижающих энергию границ зерен при их сочетании с остальными элементами, входящими в состав сплава.

Количество и состав микролегирующих добавок влияет не только на границы зерен в сплаве, но оказывает благоприятное воздействие и на другие дефекты кристаллической структуры, например на антифазные границы в упорядоченной структуре γ'-фазы, возникающие при перерезании частиц упрочняющей γ'-фазы дислокациями в процессе ползучести, и, следовательно, сплав должен быть сбалансирован как по составу микролегирующих элементов, так и по характеру их взаимодействия с остальными компонентами сплава. Количество и состав микролегирующих добавок зависит от состава и количества других компонентов, входящих в состав сплава, и определяется, например, расчетным путем. Количество вводимых в сплав углерода и карбидообразующих компонентов также должно быть сбалансировано, так как углерод является обязательным карбидообразующим элементом, а на карбидах возможно зарождение трещин, приводящих к разрушению сплавов.

Карбидообразующими элементами в заявляемом составе жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой являются: углерод, хром, вольфрам, ниобий, титан и молибден.

Микролегирующие элементы: бор, лантан, иттрий и церий.

Жаропрочный никелевый сплав с поликристаллической структурой получают смешиванием компонентов состава сплава в указанных в формуле изобретения количествах в соответствии с известными методами изготовления никелевых жаропрочных сплавов. Состав заявляемого жаропрочного никелевого сплава с поликристаллической структурой, с заявляемым составом компонентов и в указанных количественных диапазонах их содержания сбалансирован в соответствии с изложенным выше.

Как известно, хром повышает жаростойкость и жаропрочность твердого раствора, снижает температуру плавления сплава. В эвтектической системе Ni-Cr образуются широкие области твердых растворов, так как растворимость хрома в никеле более 30%. Хром улучшает свариваемость сплавов и образует карбиды, упрочняющие границы зерен, однако высокое содержание хрома стабилизирует пластинчатые хрупкие σ и μ-фазы, которые охрупчивают сплавы. Введение в состав сплава хрома на нижнем пределе (3%) обеспечивает минимальный приемлемый уровень жаростойкости сплава, работающего в условиях температуры до 1000°С, а увеличение содержания хрома выше 7% приводит к неконтролируемому образованию σ-фазы, особенно при длительной наработке, что вызывает его преждевременное разрушение.

Вольфрам и молибден вводят в сплавы для повышения жаропрочности твердого раствора. Вольфрам повышает температуру плавления сплавов, оба элемента входят в твердый раствор, в γ'-фазу и в карбиды. Их введение повышает температуру полного растворения γ'-фазы при нагреве. Чрезмерное увеличение содержания вольфрама в современных жаропрочных сплавах приводит к интенсификации протекания карбидных реакций и образованию Ме6С. Содержание вольфрама до 11,5-15,0% приводит к повышению характеристик жаропрочности и структурной стабильности сплава. При уменьшении количества вольфрама менее 11,5% данный эффект заметно снижается, при содержании в сплаве вольфрама в количестве более 15% возможно образование фаз α-вольфрам и карбидов типа Ni3W3C, т.е. введение дополнительного к верхнему пределу количества вольфрама не только не упрочняет сплав, но и приводит к его разрушению.

Ниобий и молибден обеспечивают повышение долговечности материала в области температур до 1000°С. Углерод вводится в состав сплава для образования второй упрочняющей фазы жаропрочных сплавов - карбидов. Ниобий стабилизирует γ'-фазу, образует с никелем соединения типа Ni3Nb и увеличивает объемную долю упрочняющей γ'-фазы, входит в твердый раствор, повышая его жаропрочность, и в карбиды МеС. Пластинчатые выделения фаз типа Ni3Nb образуются при чрезмерно высоком содержании ниобия и охрупчивают сплавы.

Алюминий и титан - это основные γ'-образующие элементы, количество которых, с одной стороны, обеспечивает образование необходимого содержания упрочняющей γ' - фазы, а с другой стороны, ограничивает объем избыточной эвтектики (γ'+γ). Титан является одним из наиболее важных легирующих элементов в жаропрочных сплавах и входит в упрочняющую γ'-фазу Ni3AlTi. Увеличение содержания титана повышает количество и стабильность γ'-фазы, но снижает жаропрочность и стабильность сплава.

Введение в состав сплава кобальта в заявляемых количествах 4,0-8,5% улучшает пластичность, литейные свойства сплава, а также его стойкость в условиях воздействия солевого тумана. Если кобальта менее 4% - данный эффект практически отсутствует, если кобальта более 8,5% - улучшения свойств не происходит.

Микролегирующие элементы бор, церий, лантан и иттрий являются поверхностно-активными веществами, которые распределяются на дефектах структуры, в частности на границах зерен, снижают поверхностную энергию границ и тем самым повышают структурную стабильность сплавов. Одновременно они оказывают модифицирующее действие на сплавы - измельчают микрозерно, уменьшают размер дендритной ячейки, изменяют морфологию и распределение неметаллических включений. Они очень мало растворимы в никеле и весьма эффективно очищают границы зерен от серы, кислорода и других примесей, задерживают процессы разупрочнения литейных никелевых сплавов и тем самым повышают их структурную стабильность, кроме того, они повышают жаростойкость и улучшают защитные свойства оксидных пленок на сплавах.

Другим неотъемлемым условием достижения заявляемого технического результата по обоим вариантам являются условия обработки отливок из никелевого жаропрочного сплава заявляемого состава, для этого в заявляемом способе отливки подвергают либо только термообработке по режиму - нагрев, выдержка и охлаждение, либо газостатическому прессованию с последующей термообработкой по режиму - нагрев, выдержка и охлаждение, как и для процесса без газостатической обработки, параметры газостатического прессования и режим термообработки выбирают для каждого конкретного случая, и они зависят от целого ряда параметров, например содержания элементов в конкретном составе сплава, от размеров отливки и т.д.

Проведение операции газостатического прессования приводит к уплотнению отливок, в частности литых лопаток газотурбинного двигателя, в результате залечивания литейной пористости.

Для обоих заявляемых вариантов термообработка по режиму - нагрев Тпр ±25°С, выдержка и охлаждение - позволяет сформировать оптимальную микроструктуру сплава, состоящую из γ-матрицы (твердый раствор на основе никеля) и частиц упрочняющей γ'-фазы (обычно это кубоиды размером до 0,5 мкм).

Нагрев до температуры Тпр ±25°С необходим для того, чтобы обеспечить растворение в матрице частиц упрочняющей γ'-фазы, образовавшихся после охлаждения при литье. Такие частицы, как правило, не имеют оптимальных размера, формы и других параметров. Оптимальная микроструктура формируется при последующем регламентируемом охлаждении от Тпр ±25°С. После нагрева до Тпр ±25°С осуществляется выдержка, необходимая для диффузионного растворения части γ'-фазы, уменьшения ликвации легирующих элементов, связанной, например, с наличием дендритной структуры. Время выдержки зависит от размера обрабатываемой детали, характера микроструктуры и выбирается на основании металлографического изучения микроструктуры контрольных образцов.

Для получения заявляемого технического результата по второму варианту в случае обработки отливок рабочих лопаток газотурбинного двигателя из заявляемого жаропрочного сплава на основе никеля газостатическое прессование могут осуществлять за два этапа - сначала низкотемпературное газостатическое прессование при температуре 950°С≤Т≤1150°С и давлении 100-170 МПа, а потом высокотемпературное газостатическое прессование при режимах - Тпр ±25°С, где Тпр - температура полного растворения γ'-фазы, и давлении 100-170 МПа, а условия термообработки выбирают следующими - нагрев при температуре Тпр ±25°С, выдержка в течение времени, которое выбирают из условия достижения, по меньшей мере, 85% отливки структуры гомогенного состояния (определяется по результатам металлографического изучения микроструктуры контрольных образцов), а охлаждение - со скоростью не ниже 50°С/мин, где Тпр - температура полного растворения γ'-фазы.

Пример конкретного выполнения.

Для практического осуществления изобретения были выплавлены три сплава - два сплава (ЖС6У-ПК) заявляемого состава и один состава сплава ЖС-6У, который по свойствам наиболее близок к заявляемому (таблица 1).

Таблица 1
№ плавки	Химический состав, в мас.%
Cr	Со	С	W	Al	Ni	Ti	Mo	B	La	Y	Се
1	5,90	5,34	0,14	12,9	5,40	Осн	2,9	0,8	0,02	0,02	0,02	0,02
2	5,62	5,11	0,13	12,7	5,46	Осн	2,6	1,0	0,02	0,02	0,02	0,02
ЖС-6У	8,60	9,90	0,18	10,20	5,60	Осн	2,4	1,3	0,035	Zr - 0,04	0,01	0,025

Сплавы готовились в вакуумных индукционных печах с разрежением 10^-2-10^-3 мм рт.ст. и емкостью 160 кг (ИСВ-06). Порядок загрузки: смешивают никель, кобальт, хром, вольфрам, молибден, ниобий и углерод, осуществляют их плавление и раскисление углеродом, после чего осуществляют продувку ванны аргоном, вводят титан и алюминий, микролегирующие добавки - бор, иттрий, лантан, церий и осуществляют плавку при температуре 1000-1050°С, а расплав охлаждают со скоростью 750-800°С и получают отливки с поликристаллической структурой.

Согласно способу изготавливают (плавки №1 и №2) отливки из заявляемого сплава с Тпр=1240°С и из известного сплава ЖС-6У по форме рабочей лопатки газотурбинного двигателя, после чего очищают их от окалины. Размеры отливок - длина 160 мм, размер поперечного сечения 40 мм, вес 250 граммов. Затем отливки плавки №1 подвергают обработке газостатическим прессованием с последующей термообработкой. Отливку №1 помещают в газостат и подвергают газостатическому прессованию в две ступени: низкотемпературная - при температуре 1050°С и давлении 130 МПа в течение 2 часов, а потом высокотемпературная - при температуре Т=1230°С и давлении 140 МПа в течение 2 часов. После чего осуществляют термообработку - нагрев до температуры 1230°С, выдержку в течение 3 часов и последующее охлаждение со скоростью 70°С/мин. Другую отливку (плавка №2) подвергали только термообработке без предварительного газостатического прессования, причем отливку обрабатывали при следующих режимах - нагрев до температуры 1230°С, выдержку в течение 3 часов и охлаждение со скоростью 80°С/мин.

Результаты испытаний приведены в таблице 2, где сравниваются свойства заявляемого сплава ЖС6У-ПК (плавка №1 - ГИП + термообработка по заявляемому режиму; плавка №2 - термообработка по заявляемому режиму) и известного сплава ЖС-6У.

Таблица 2.
Номер плавки	100-часовая прочность (МПа) при Т=1012°С	100-часовая прочность (МПа) при Т=1000°С	100-часовая прочность (МПа) при Т=900°С	100-часовая прочность (МПа) при Т=850°С	100-часовая прочность (МПа) при Т=800°С
1	168	184	386	546	682
2	164	180	372	532	675
ЖС-6У	170	175	352	455	562

Приведенные на чертеже средние результаты испытаний для плавок №1 и №2 показывают, что по сравнению с известным сплавом ЖС-6У заявляемый способ обработки отливок (по обоим вариантам) обеспечивает достижение заявляемого технического результата, а именно - повышение прочностных характеристик никелевых жаропрочных поликристаллических сплавов на основе никеля, таких как предел сточасовой прочности при температурах не выше 1000°С.

1. Способ обработки отливок из жаропрочного сплава на основе никеля, имеющего состав, мас.%: хром 3,0-7,0, кобальт 4,0-8,5, вольфрам 11,5-15,0, углерод 0,1-0,2, алюминий 4,8-5,8, ниобий 0,4-1,0, титан 2,0-3,0, молибден 0,5-1,0, бор - ≤0,025, лантан ≤0,02, иттрий ≤0,02, церий ≤0,02, никель - остальное, включающий термообработку отливок или термообработку отливок после газостатического прессования, которую осуществляют по режиму - нагрев до температуры Тпр ±25°С, выдержка и охлаждение, где Тпр - температура полного растворения γ'-фазы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что время выдержки выбирают из условия достижения по меньшей мере 85% отливки структуры гомогенного состояния.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газостатическое прессование осуществляют за два этапа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что после охлаждения отливок осуществляют их старение.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что старение осуществляют по режиму - нагрев до температуры меньше Тпр -50°С, выдержка и охлаждение.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что на первом этапе газостатического прессования осуществляют низкотемпературное газостатическое прессование, а на втором - высокотемпературное.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что низкотемпературное газостатическое прессование осуществляют при температуре 950°С≤Т≤1150°С и давлении 100-170 МПа.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что высокотемпературное газостатическое прессование осуществляют при температуре Тпр ±25°С и давлении 100-170 МПа.

9. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что охлаждение производят со скоростью не ниже 50°С/мин.