Способ получения изделий из гранулированных жаропрочных никелевых сплавов
Владельцы патента RU 2556848:
Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС") (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов и может быть использовано для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, работающих при повышенных температурах. Способ получения изделия из гранулированного жаропрочного никелевого сплава включает заполнение, уплотнение и герметизацию гранул с их дегазацией в капсуле, формование изделия путем горячего изостатического прессования (ГИП) капсулы в готовое изделие и термическую обработку изделия. Используют капсулу сферической формы, а перед ГИП капсулу нагревают до приобретения материалом капсулы наибольшей пластичности и осуществляют ее осадку прессованием на размеры с припусками на ГИП. Обеспечивается повышение механических свойств материала изделия. 2 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей, работающих при повышенных температурах.
Известен способ получения изделий из сложнолегированных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, включающий заполнение ими капсулы (контейнера), горячее изостатическое прессование (ГИП) капсулы с гранулами с получением компакта (патент RU №2038193).
Недостатком этого способа является низкий выход годного при получении изделий сложной конфигурации за счет значительных припусков, вынужденно закладываемых в геометрические размеры капсул. Необходимость их обусловлена значительными искажениями формы при ГИП, связанными с неоднородностью процесса уплотнения засыпки в объеме с капсулой сложной конфигурации.
Известен способ изготовления изделий из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, раскрытый в патенте RU 2477670 от 20.03.2013 г. - прототип, включающий заполнение гранулами капсулы, горячее изостатическое прессование с получением заготовки в оболочке, механическую обработку полуфабриката и последующую его термическую обработку.
К недостаткам данного способа относятся значительные припуски на размеры полуфабриката по отношению к готовому изделию, связанные с неоднородностью процесса уплотнения засыпки в объеме капсулы сложной конфигурации, например типа «диск» с переменным сечением (разнотолщинными элементами) его полотна, и, дополнительно, пониженное качество металла компакта, связанное с природой формирования неоднородной структуры и плотности засыпки в капсуле при ее заполнении.
Неоднородность структуры засыпки по плотности при заполнении капсулы гранулами формируется в связи с полидисперсностью гранул, получаемых методом «PREP», и индивидуальными особенностями геометрической формы капсулы.
Засыпку, как следует из описания прототипа, ведут падающим потоком гранул через отверстие (или штуцер) в капсуле. При этом в объеме капсулы происходит закономерное разделение гранул по крупности. Наиболее мелкие частицы скапливаются по оси падающего потока гранул, а крупные - по периметру (статья: Влияние плотности засыпки гранул жаропрочных никелевых сплавов на формоизменение капсул при горячем изостатическом прессовании, журнал Технология легких сплавов, т. 1, 2013 г., стр. 27-33). Виброуплотнение частично выравнивает состав и плотность засыпки по объему, но проблему не решает полностью. В результате в капсуле, подготовленной для ГИП, остаются области с крупными и мелкими гранулами и даже пустоты.
При горячем изостатическом уплотнении капсула подвергается всестороннему сжатию, что, однако, не гарантирует равномерного уплотнения засыпки и получения компактного изделия, подобного капсуле по форме.
На искажение формы капсулы при ГИП решающее влияние оказывают факторы неоднородности, охарактеризованные выше.
В дополнение к недостаткам искажения формы при ГИП, влекущие за собой в последующем большой объем съема металла при механической обработке и, соответственно, большие припуски на размеры компактной заготовки, не достигается также и равномерная структура и свойства металла заготовки, что приводит к необходимости снижать уровень гарантированных механических свойств на конечном изделии.
С целью устранения указанных выше недостатков предлагается способ получения изделий из гранулированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий заполнение, уплотнение и герметизацию гранул с их дегазацией в капсуле, формирование изделия путем горячего изостатического прессования (ГИП) капсулы в готовое изделие и термическую обработку изделия.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что используют капсулу сферической формы, а перед ГИП капсулу нагревают до приобретения материалом капсулы наибольшей пластичности и осуществляют ее осадку прессованием на размеры с припусками на ГИП.
Технический результат - более высокие значения выходов годного на готовом изделии, повышение уровня механических свойств материала изделия.
Это достигается тем, что под заполнение, уплотнение и герметизацию используют капсулу сферической формы. При этом обеспечивают заполнение ее объема без образования пустот, т.к. шар, например, не имеет застойных зон для затекания засыпки гранул. Последующей формовкой капсулы, путем ее нагрева до приобретения материалом капсулы наибольшей пластичности и прессованием в прессе, придают ей форму готового изделия с припусками на деформацию при последующем горячем изостатическом уплотнении капсулы.
В результате этих операций достигается, во-первых, равномерная по объему капсулы плотность засыпки за счет перераспределения и дополнительного уплотнения ее под действием усилия прессования, во-вторых, в результате сдвиговых деформаций между частицами при их «течении» под действием усилий прессования происходит перераспределение фракций по объему капсулы и активация поверхности гранул. В результате при ГИП обеспечивается более благоприятное протекание процессов диффузионного сращивания гранул между собой. Это, в конечном итоге, способствует формированию более совершенной структуры металла компакта и повышенных механических свойств изделия. Предлагаемый способ был реализован при изготовлении трех типоразмеров дисков из жаропрочного сплава ВВ750П для газотурбинных двигателей. В соответствии с предлагаемым способом технологический маршрут изготовления заготовок дисков типа ДП517, ДП583, ДП584 включал следующие операции:
- получение гранул из сплава ВВ750П методом плазменной плавки и центробежного распыления заготовок ⌀ 80 мм, длиной 700 мм, с частотой вращения при распылении 16000 мин-1;
- рассев полученных гранул на фракции - 100 мкм;
- дегазацию, заполнение, уплотнение гранул в капсулах сферической формы с диаметром внутренней полости сферы, соответственно, для изделия:
- ДП517, составившим ⌀ 303 мм;
- ДП583 - ⌀ 327 мм;
- ДП584 - ⌀ 251 мм;
- герметизацию указанных капсул в вакууме при Рост ~10-4 путем заварки электронным лучом горловин капсул, через которые они заполнялись гранулами;
- нагрев капсул до температуры 950°С и осадка их на прессе в шайбы с размерами под заготовки:
- ДП517 диаметром ⌀ 592 мм; толщиной 43 мм;
- ДП583 - ⌀ 501 мм; - 75 мм;
- ДП584 - ⌀ 399 мм; - 54 мм;
- горячее изостатическое прессование шайб с получением компактов с размерами:
- ДП517 диаметром ⌀ 550 мм; толщиной 40 мм;
- ДП583 - ⌀ 465 мм; - 70 мм;
- ДП584 - ⌀ 370 мм; - 50 мм;
- механическая обработка компактов до готового изделия с габаритами размеров:
- ДП517 диаметром ⌀ 545 мм; высотой 37,2 мм;
- ДП583 - ⌀ 454 мм; - 66 мм;
- ДП584 - ⌀ 367 мм; - 46,5 мм;
- термическая обработка, включающая закалку и старение по стандартным регламентам для сплава ВВ750П.
В таблице 1 представлены сравнительные данные по выходам годного на изделиях, полученных как по предлагаемой технологии, так и по известному способу, в котором использовались стандартные по конфигурации капсулы под данные типоразмеры дисков.
Как видно из данных, приведенных в таблице 1, выход годного по предлагаемому способу на 5-20% оказывается выше, чем по известному в зависимости от конфигурации (типоразмера) готового изделия.
В таблице 2 приведены сравнительные данные по механическим свойствам, полученным на заготовках по предлагаемому способу и известному способу-прототипу из гранул сплава ВВ-750П.
Данные таблицы 2 указывают на существенное повышение наиболее важных механических свойств материала заготовок, полученных предлагаемым способом.
Способ получения изделий из гранулированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий заполнение, уплотнение и герметизацию гранул с их дегазацией в капсуле, формование изделия путем горячего изостатического прессования (ГИП) капсулы в готовое изделие и термическую обработку изделия, отличающийся тем, что используют капсулу сферической формы, а перед ГИП капсулу нагревают до приобретения материалом капсулы наибольшей пластичности и осуществляют ее осадку прессованием на размеры с припусками на ГИП.
