Способ получения деталей газотурбинных двигателей с длительным ресурсом эксплуатации из порошковых никелевых сплавов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из жаропрочных никелевых сплавов. Может использоваться при изготовлении критических компонентов, таких как диски и валы, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях с длительным ресурсом эксплуатации. Заготовку для центробежного распыления изготавливают путем горячего изостатического прессования гранул, полученных методом газоструйного распыления Методом центробежного распыления вращающейся заготовки получают гранулы, осуществляют дегазацию и герметизацию гранул в капсулах, горячее изостатическое прессование и термическую обработку при температуре на 5-30°С выше температуры сольвуса используемого сплава. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в изготовлении критических компонентов, таких как диски и валы, работающих при повышенных температурах в газотурбинных двигателях с длительным ресурсом эксплуатации.

Известны способы (патенты РФ №2308354 и 2259902) получения изделий из жаропрочного никелевого сплава, включающие получение гранул путем центробежного плазменного распыления вращающейся литой заготовки, рассев и очистку массы гранул от включений, засыпку гранул в капсулу и горячее изостатическое прессование гранул в капсуле, как описано в патенте №2308354, и плюс дополнительную деформацию и термическую обработку, как описано в патенте №2259902.

Общим недостатком этих способов является наличие значительного количества неметаллических включений в конечном изделии, попадающих в металл из литой заготовки вместе с массой гранул и существенно снижающих общий уровень механических свойств. Кроме того, недостатком способа, описанного в патенте №2259902, является низкий уровень длительной прочности из-за низких (ниже температуры сольвуса) температур деформации и последующей закалки.

Известен также способ изготовления изделий из жаропрочных никелевых сплавов, включающий получение порошков из расплава, горячее компактирование путем экструзии или прессования, последующую экструзию и термическую обработку (патент US №3920489).

Недостатком этого способа является высокое содержание кислорода и наличие остаточной газовой пористости в гранулах, образующейся в процессе распыления расплава и проявляющейся в готовых изделиях при проведении термообработки при температуре выше температуры сольвуса, что приводит к снижению механических свойств.

Известен способ изготовления критических деталей двигателя из гранул жаропрочных никелевых сплавов, заключающийся в том, что вакуумно-индукционной плавкой выплавляют заготовки, которые методом центробежного распыления переводятся в гранулы, затем гранулы классифицируют, сепарируют, дегазируют, герметизируют в капсулах и подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП) и термической обработке («Металлургия гранул - путь повышения качества ГТД и эффективного использования металла». Авторы Г.Гарибов, В.Чепкин, Газотурбинные технологии, 2001, №4, стр.4 - прототип).

Недостатком этого способа является низкий уровень механических свойств чувствительных к концентраторам напряжений, таких как сопротивление малоцикловой усталости (МЦУ), скорость распространения усталостной трещины (СРТУ) и жаропрочность образцов с надрезом (σ^н ₁₀₀) из-за наличия в материале конечной детали неметаллических включений.

С целью устранения перечисленных недостатков предлагается способ получения деталей газотурбинных двигателей из гранул, получаемых путем центробежного распыления заготовки, компактированной из предварительно полученных гранул, с последующим применением горячего изостатического прессования и термической обработки конечной детали в однофазной области (выше температуры сольвуса).

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что заготовки для центробежного распыления изготавливают путем горячего изостатического прессования гранул, полученных методом газоструйного распыления. При этом ГИП и термическую обработку детали проводят при температуре на 5-30°С выше температуры сольвуса используемого сплава.

Технический результат - более высокие сопротивление МЦУ и жаропрочность образцов с надрезом и более низкая скорость распространения усталостной трещины и, как следствие, увеличение ресурса и надежности детали, работающей в условиях тяжелого длительного нагружения.

Это достигается тем, что используются гранулы, полученные не из литой, а из компактированной заготовки, свободной от неметаллических включений. Последующее центробежное распыление компактированной заготовки обеспечивает получение гранул свободных и от газовой пористости.

Устранение таких дефектов, как неметаллические включения и газовая пористость, а также проведение ГИП и термообработки конечной детали в однофазной области (выше температуры сольвуса) позволяют получать готовое изделие с высокой химической и структурной однородностью, с мелким зерном и мелкими монодисперсными выделениями упрочняющей γ'-фазы, что, в свою очередь, обеспечивает получение высоких механических и служебных характеристик. Все это существенно увеличивает ресурс и надежность детали, работающей в условиях тяжелого длительного нагружения.

Предлагаемым способом из гранул жаропрочного никелевого сплава ВВ750П была изготовлена заготовка диска газотурбинного двигателя. При заполнении капсулы использовали гранулы фракции -100 мкм, полученные центробежным распылением компактированной заготовки, полученной, в свою очередь, из гранул, распыленных из расплава. Горячее изостатическое прессование капсулы с гранулами и последующую закалку компактированной детали проводили в однофазной области при температуре 1210°С, что на 10°С выше температуры сольвуса.

По способу-прототипу также была изготовлена аналогичная заготовка диска из гранул того же жаропрочного сплава ВВ750П.

Результаты испытания механические свойства заготовок, изготовленных предлагаемым способом и способом-прототипом при рабочей температуре 650°С, проведенные по стандартным методикам испытания, представлены в таблице.

Таким образом, предлагаемый способ, при полном отсутствии неметаллических включений в материале, обеспечивает по сравнению с прототипом получение повышенного на 6-8% сопротивления МЦУ, повышенной на 13-15% жаропрочности на образцах с надрезом и в 3-5 раз более низкой скорости распространения усталостной трещины при высоких характеристиках прочности.

В результате этого применение предлагаемого способа для изготовления критических компонентов газотурбинных двигателей позволит за счет высокого сопротивления МЦУ, низкой СРТУ и нечувствительности к надрезу повысить их эксплуатационную надежность и увеличить ресурс эксплуатации не менее чем в 2 раза.

Способ получения деталей газотурбинных двигателей с длительным ресурсом эксплуатации из порошковых никелевых сплавов, включающий получение гранул методом центробежного распыления вращающейся заготовки, дегазацию и герметизацию гранул в капсулах, горячее изостатическое прессование и термическую обработку, отличающийся тем, что заготовку для центробежного распыления изготавливают путем горячего изостатического прессования гранул, полученных методом газоструйного распыления, а горячее изостатическое прессование и термическую обработку детали проводят при температуре на 5-30°С выше температуры сольвуса никелевого сплава.