Способ получения изделий из сложнолегированных порошковых жаропрочных никелевых сплавов

Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов. Может использоваться в газотурбинных двигателях (ГТД) для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах. Гранулы крупностью менее 100 мкм получают методом плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся литой заготовки при скорости вращения более 15000 об/мин. Дегазацию гранул проводят в движущемся потоке при массовой подаче 10-50 кг/ч с одновременным заполнением, виброуплотнением и герметизацией капсул. Горячее изостатическое прессование и закалку проводят в течение 2-8 часов в однофазной области на 2-30°C выше температуры сольвуса, скорость охлаждения при закалке поддерживают выше 25°C/мин. Старение проводят в две стадии: для высокожаропрочных сплавов - при 850-890°C и 740-780°C, а для высокопрочных - при 800-760°C и 680-720°C. Повышается ресурс и надежность изделий, работающих в условиях жесткого нагружения в ГТД, за счет более высоких характеристик прочности, жаропрочности и трещиностойкости при рабочих температурах. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в газотурбинных двигателях для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при повышенных температурах.

Известны способы (патенты РФ №2371512 и №2285736) получения изделий из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов, основанные на многостадийных операциях отжига и деформации слитка и последующей термической обработке при температуре ниже температуры полного растворения γ'-фазы (сольвуса).

Общим недостатком этих способов является то, что из-за неоднородности слитка и проведения термической обработки ниже сольвуса изделия имеют низкий и неоднородный по сечению уровень всех механических свойств, особенно длительной прочности (жаропрочности).

Известен способ получения заготовок из порошков сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов. Способ заключается в получении порошков, их последующей классификации, дегазации и герметизации в контейнере, который подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП) и последующей термической обработке (патент WO 9100159 - прототип).

Недостатком этого способа является то, что получение порошков методом газоструйного распыления расплава, дегазация порошков в контейнере и проведение ГИП при высокой температуре, выше солидуса сплава, приводит к формированию остаточной газовой пористости и литой структуры, а также к существенному росту зерна и в результате этого к значительному снижению прочности, жаропрочности и трещиностойкости.

С целью устранения указанных недостатков предлагается способ получения изделия из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий получение порошков (гранул), их классификацию, дегазацию, герметизацию, ГИП и термическую обработку полученного материала.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что используют гранулы крупностью менее 100 мкм, гранулы получают методом плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся литой заготовки при скорости вращения более 15000 об/мин, дегазацию гранул проводят в движущемся потоке при массовой подаче 10-50 кг/ч с одновременным заполнением, виброуплотнением и герметизацией капсул, ГИП и закалку проводят в течение 2-8 часов в однофазной области на 2-30°C выше температуры сольвуса, скорость охлаждения при закалке поддерживают выше 25°C/мин и старение проводят в две стадии: для высокожаропрочных сплавов (типа ВВ750П) при температурах 850-890°C и 740-780°C, а для высокопрочных (типа ВВ751П) при температурах 800-760°C и 680-720°C.

Технический результат - более высокие значения прочности, жаропрочности и трещиностойкости при рабочих температурах, и, как следствие, повышение рабочей температуры, увеличение ресурса и надежности деталей, работающих в условиях жесткого нагружения.

Это достигается тем, что получение гранул распылением вращающейся со скоростью более 15000 об/мин заготовки и дегазация гранул в движущемся потоке с одновременным заполнением и герметизацией капсул исключает образование остаточной газовой пористости, а использование гранул мелкой фракции менее 100 мкм и применение ГИП и закалки в однофазной области на 2-30°C выше температуры сольвуса позволяет сформировать в сложнолегированных сплавах однородное рекристаллизованное зерно размером 15-40 мкм. Кроме того, высокие скорости охлаждения при закалке выше 25°C/мин и две ступени старения формируют мелкие равномерно распределенные частицы упрочняющей γ'-фазы размером 0,15-0,30 мкм.

Отсутствие остаточной газовой пористости, мелкое рекристаллизованное зерно и мелкие выделения упрочняющей γ'-фазы обеспечивают получение высоких характеристик прочности, жаропрочности и трещиностойкости. Все это увеличивает ресурс и надежность детали, позволяет повысить рабочую температуру турбины и тем самым повысить ее КПД.

Предлагаемым способом из гранул двух сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов: ВВ750П (высокожаропрочный) и ВВ751П (высокопрочный) были изготовлены заготовки дисков газотурбинного двигателя.

Для осуществления изобретения гранулы фракции 1000 мкм, полученные методом плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся литой заготовки при скорости вращения 17000 об/мин, дегазировали в движущемся потоке при массовой подаче 35 кг/ч с одновременным заполнением, виброуплотнением и герметизацией капсул.

Капсулы с гранулами подвергали горячему изостатическому прессованию по следующим режимам:

для сплава ВВ750П - при температуре 1210°C, что на 5°C выше сольвуса, в течение 4 часов;

для сплава ВВ751П - при температуре 1195°C, что на 10°C выше сольвуса, в течение 2 часов.

Далее компактированные заготовки подвергали термической обработке по следующим режимам:

для сплава ВВ750П - закалка при температуре 1215°C, что на 10°C выше сольвуса, выдержка 8 часов, охлаждение со скоростью 30°C/мин и две стадии старения при температурах 870°C и 760°C в течение 16 часов;

для сплава ВВ751П - закалка при температуре 1190°C, что на 5°C выше сольвуса, выдержка 4 часа, охлаждение со скоростью 37°C/мин и две стадии старения при температурах 760°C и 700°C в течение 16 часов.

По способу-прототипу также были изготовлены аналогичные заготовки дисков из гранул сплава ВВ750П и ВВ751П.

Результаты испытаний механических свойств заготовок при температуре 650°C, изготовленных предлагаемым способом и способом-прототипом, проведенных по стандартным методикам испытания, представлены в таблице 1.

Таблица 1
Сплав	Способ	Механические свойства при 650°C
		Предел	Предел	Длительная	Скорость
		прочности,	теку-	прочность на	распространения
		σB	чести,	базе 100	усталостной
			σ0,2	ч., (жаро-	трещины (СРТУ)
				прочность),	при
				σ100	ΔK=31 МПа·м1/2
МПа	м/цикл
ВВ750П	предла-	1390	1021	1098	1,6·10-7
	гаемый
прототип	1276	911	971	6,3·10-7
ВВ751П	предла-	1525	1092	1084	3·10-7
	гаемый
прототип	1320	963	957	1,1·10-6

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает на заготовках дисков из сложнолегированных сплавов при рабочей температуре 650°C получение предела прочности и предела текучести на 9-15%, а жаропрочности на 12-14% выше по сравнению с прототипом при более низкой в 3-4 раза скорости распространения усталостной трещины.

В результате этого применение предлагаемого способа для изготовления дисков, валов и других деталей газотурбинных двигателей позволит повысить ресурс в 1,2-1,4 раза и рабочую температуру не менее чем на 40°C, что обеспечит более высокий КПД турбины.

Способ получения изделий из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий получение гранул, их классификацию, дегазацию, герметизацию, горячее изостатическое прессование (ГИП) и термическую обработку, отличающийся тем, что гранулы крупностью менее 100 мкм получают методом плазменной плавки и центробежного распыления вращающейся литой заготовки при скорости вращения более 15000 об/мин, дегазацию гранул проводят в движущемся потоке при массовой подаче 10-50 кг/ч с одновременным заполнением, виброуплотнением и герметизацией капсул, ГИП и закалку проводят в течение 2-8 часов в однофазной области на 2-30°C выше температуры сольвуса, скорость охлаждения при закалке поддерживают выше 25°C/мин, а старение проводят в две стадии, причем для высокожаропрочных сплавов - при температурах 850-890°C и 740-780°C, а для высокопрочных - при температурах 800-760°C и 680-720°C.