Способ поэтапной закалки заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термической обработки заготовок из высоколегированных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве деталей газотурбинных двигателей. Способ поэтапной закалки заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов включает нагрев, выдержку и охлаждение. Закалку проводят в два этапа, на первом из которых нагрев заготовок в капсуле осуществляют до температуры -10+35°С относительно температуры сольвуса сплава, но ниже температуры солидуса, выдержку в вакууме при этой температуре в течение 0,25…12 ч и закалочное охлаждение заготовки в капсуле в две стадии, на первой из которых охлаждение проводят в вакууме, а на второй - в газообразном гелии под давлением не менее 2 атм., а на втором этапе закалки нагревают заготовки в капсуле или с частичным/полным удалением капсулы до температуры -10+10°С относительно температуры сольвуса с выдержкой при этой температуре в вакууме в течение 0,1…1 ч с последующим охлаждением сначала в вакууме, а затем – в газообразном гелии под давлением не менее 2 атм. Обеспечивается увеличение длительной прочности и предела текучести. 2 табл., 2 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности, к способу термической обработки (закалки) заготовок (дисков, валов и др.) из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов.

Известен способ закалки заготовок из гранулируемого жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП (патент РФ №2455383), включающий нагрев до температуры на 5-25°С выше температуры сольвуса, выдержку при этой температуре в течение 3-4 часов, закалочное охлаждение со скоростью выше 20°С/мин и последующее трехступенчатое старение (910°С, 3 ч + 750°С, 8 ч + 700°С, 8 ч + 700°С, 17 ч). Известен также способ закалки заготовок из гранулируемого жаропрочного никелевого сплава ВВ751П (патент РФ №2453398), включающий нагрев до температуры на 5-20°С выше температуры сольвуса, выдержку при этой температуре в течение 2-6 часов, закалочное охлаждение со скоростью выше 25°С/мин и последующее двухступенчатое старение (780°С, 16 ч + 700°С, 16 ч). Нагрев до заданной температуры, выдержка заготовок в печи, а также закалочное охлаждение заготовок в соответствии с описываемыми в патентах способами проводятся на воздухе.

Общим недостатком указанных способов закалки заготовок является то, что закалочное охлаждение на воздухе не может быть осуществлено с требуемой для обеспечения нужных прочностных свойств высокой скоростью. Так, в соответствии с экспериментальными данными по замеру скоростей охлаждения поверхности обточенных заготовок (без капсулы) из жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП в диапазоне температур 1100-800°С на спокойном воздухе скорость охлаждения составляет ~ 10-20°С/мин. В случае охлаждения заготовок вентилятором с двух сторон скорость охлаждения несколько выше - ~ 20-40°С/мин.

Из-за низкой скорости закалочного охлаждения прочностные свойства материала заготовок при комнатной температуре (σВ и σ0.2) недостаточно высоки. Причиной пониженных прочностных свойств является повышенный средний размер частиц упрочняющей γ'-фазы в объеме зерен. В сплаве ЭП741НП этот размер составляет ≥0.5 мкм, а в сплаве ВВ751П - ≥0.3 мкм.

Прототипом, наиболее близким к предлагаемому способу, является способ закалки заготовок из никелевых сплавов по патенту РФ №2432415. Этим способом заготовку нагревают до температуры ~ 1200°С, дают выдержку и осуществляют закалочное охлаждение в две стадии. На первой стадии проводят закалочное охлаждение заготовки в среде инертного газа (азота) до температуры 500-860°С. Скорость закалочного охлаждения поверхности заготовок на этой стадии по оценке авторов больше или равна 200°С/мин.

На второй стадии закалочного охлаждения по способу-прототипу заготовку охлаждают в атмосфере инертного газа (азота) или в вакууме до температуры ниже 200°C с пониженной скоростью. После окончания второй стадии закалочного охлаждения заготовку извлекают из установки.

Недостатком данного способа закалки является слишком большая скорость закалочного охлаждения на первой стадии, что вызывает высокие термические напряжения, и недостаточная скорость закалочного охлаждения на второй стадии, что приводит к снижению прочностных характеристик материала.

Предлагается способ поэтапной закалки заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов. Основным отличием предлагаемого способа закалки от известных способов, в том числе от способа-прототипа, является то, что она проводится в два этапа. На первом этапе закалки проводится нагрев заготовки в капсуле до температуры -10+35°С относительно температуры сольвуса сплава, но ниже температуры солидуса. Затем заготовку выдерживают при этой температуре в вакууме в течение 0.25…12 часов. Закалочное охлаждение заготовки проводят в две стадии. Предлагаемый способ отличается от аналогов и прототипа тем, что на первой стадии заготовка охлаждается до некоторой промежуточной температуры в вакууме, а на второй стадии заготовка охлаждается с промежуточной температуры до температур, близких к комнатной, газообразным гелием под давлением не менее 2 атмосфер. На первой стадии закалочного охлаждения вакуум замедляет охлаждение заготовки по сравнению с ее охлаждением на воздухе. На второй стадии закалочного охлаждения газообразный гелий, наоборот, значительно ускоряет закалочное охлаждение заготовки по сравнению с ее охлаждением на воздухе. Это связано с тем, что коэффициент теплоотдачи при охлаждении заготовок газообразным гелием на 25-30% выше, чем коэффициент теплоотдачи при охлаждении заготовок азотом, аргоном или воздухом. Повышенная скорость закалочного охлаждения измельчает размер частиц упрочняющей γ'-фазы в объеме зерен и повышает значения предела прочности, σВ, и предела текучести, σ0.2, материала заготовок при комнатной температуре. В то же время увеличение скорости закалочного охлаждения приводит к росту термических напряжений, которые могут вызвать появление на поверхности заготовок закалочных трещин, а также недопустимое коробление заготовок. В связи с этим закалку заготовок на первом этапе проводят в капсуле, что позволяет локализовать максимальные растягивающие напряжения на начальной стадии закалочного охлаждения на поверхности заготовки, то есть сосредоточить их в материале стальной капсулы. Так как предел текучести материала капсулы (стали) при температурах 1150-1200°С очень низок (менее 1 кгс/мм), высокие растягивающие напряжения в капсуле релаксируют, капсула слегка деформируется, а появление трещин в заготовке, практически, исключается. Первый этап закалки завершается охлаждением заготовки до температур, близких к комнатной температуре.

На втором этапе закалки заготовку нагревают до более низкой температуры, чем температура нагрева на первом этапе закалки. Температура нагрева на втором этапе закалки составляет -10+10°С относительно температуры сольвуса. Выдержка в вакууме на втором этапе закалки также меньше, чем на первом этапе закалки. Она составляет 0.1…1 час. После этого следует закалочное охлаждение, которое, как и на первом этапе закалки, проводят в две стадии. На первой стадии заготовка охлаждается в вакууме, на второй стадии заготовка охлаждается газообразным гелием под давлением не менее 2 атмосфер. Поскольку закалка заготовок на втором этапе проводится с более низкой температуры, чем закалка на первом этапе, закалочные напряжения при ней уменьшаются. Поэтому закалка на втором этапе допускается как в капсуле, так и с частично снятой или с полностью удаленной капсулой.

Температура нагрева и выдержка на втором этапе закалки меньше, чем температура нагрева и выдержка на первом этапе закалки. Такой выбор температуры и выдержки объясняется тем, что все основные процессы, необходимые для формирования стабильной зеренной структуры, а также для получения однородного распределения легирующих компонентов в объеме зерна (обработка на твердый раствор) проходят на первом этапе закалки. Чем ниже температура нагрева и выдержка на втором этапе закалки, тем мельче зерно и выше прочностные свойства заготовок.

Двухэтапная закалка заготовок по предлагаемому режиму со ступенчатым охлаждением приводит к формированию структуры заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, которая позволяет:

(1) Стабилизировать и повысить значения длительной прочности при 600-800°С после закалки на втором этапе и упрочняющего старения по сравнению с длительной прочностью заготовок после одноэтапной закалки и одинакового упрочняющего старения, при этом длительная прочность возрастает при определении ее, как на гладких образцах, так и на образцах с надрезом.

(2) Увеличить прочностные свойства при комнатной температуре по сравнению с прочностными свойствами сплава после одноэтапной закалки и аналогичного старения. Исследования показали, что величина временного сопротивления разрыву σВ растет в среднем на 1-3 кгс/мм2, а условного предела текучести σ0.2 - на 2-5 кгс/мм2.

Рост длительной прочности при температуре испытаний и прочностных характеристик при комнатной температуре объясняется тем, что в результате закалки заготовок на первом этапе под действием термических напряжений заготовки подвергаются небольшой деформации (менее 0.5%). Для высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов выдержка после нагрева под закалку на втором этапе закалки происходит в присутствии повышенной плотности дислокаций. Это приводит к изменению структуры границ зерен γ-фазы и увеличивает сопротивление ползучести при испытаниях на длительную прочность при 600-800°С. Увеличение плотности дислокаций в материале заготовок после закалки на втором этапе и упрочняющего старения вызывает рост прочностных характеристик при комнатной температуре по сравнению со свойствами заготовок после закалки на первом этапе и аналогичного упрочняющего старения

Техническим результатом изобретения является повышение (по сравнению с аналогами и прототипом) прочностных свойств, длительной прочности гладких образцов и образцов с надрезом, а также сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ) материала заготовок из высоколегированных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов при отсутствии закалочных трещин, недопустимых поводок и высоких остаточных напряжений.

Пример 1.

Предлагаемым способом из гранул жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП были изготовлены заготовки дисков газотурбинного двигателя. Для осуществления технического решения, описанного в изобретении, капсулы с гранулами сплава ЭП741НП нагревали до температуры на 5-35°С выше температуры сольвуса, но ниже температуры солидуса, и давали выдержку в вакууме при указанной температуре в течение 4…8 ч. На 1й стадии закалочного охлаждения заготовки охлаждали в вакууме, а затем - газообразным гелием под давлением более 2 атмосфер. После охлаждения заготовок на первом этапе закалки до комнатной температуры заготовки подвергали закалке на втором этапе и трехступенчатому старению. Выдержку на втором этапе закалки давали в вакууме при температуре -10+10°С относительно температуры сольвуса.

В таблице 1 представлены значения механических свойств при комнатной и рабочей температуре. Для сравнения в той же таблице представлен уровень свойств аналогичной заготовки после одноэтапной закалки в воздушной печи и аналогичного старения.

Предлагаемый способ термической обработки обеспечивает получение более высоких и стабильных характеристик длительной прочности, τгл и τн, характеристик прочности σВ и σ0.2, а также сопротивления МЦУ, чем по известному способу.

Пример 2.

Предлагаемым способом из гранул высокопрочного никелевого сплава ВВ751П были изготовлены заготовки дисков газотурбинного двигателя. Для осуществления изобретения капсулы с засыпанными гранулами сплава ВВ751П подвергали ГИП. Далее заготовки на первом этапе закалки в капсулах нагревалидо температуры на 3-35°С выше температуры сольвуса, но ниже температуры солидуса. После выдержки в вакууме в течение 4-8 ч проводили закалочное охлаждение в вакууме на 1й стадии, а затем закалочное охлаждение на 2й стадии газообразным гелием под давлением более 2 бар и охлаждение до комнатной температуры. После этого заготовку в капсуле подвергали закалке на втором этапе по режиму: нагрев до температуры -10+10°С относительно температуры сольвуса, выдержка в вакууме при этой температуре в течение 0,1…1 час. Затем заготовки охлаждали до комнатной температуры сначала на 1й стадии закалочного охлаждения в вакууме, затем - на 2й стадии закалочного охлаждения газообразным гелием под давлением более 2 бар.

Комплекс свойств заготовок представлен в таблице 2.

Для сравнения в той же таблице представлены результаты испытаний материала аналогичной заготовки после закалки известным способом (по патенту РФ №2453398). Заготовку без капсулы обрабатывали на твердый раствор в воздушной печи при 1200°С 8 ч. Закалочное охлаждение осуществляли путем обдува заготовки двумя вентиляторами с разных сторон. После закалки проводили двухступенчатое старение по серийному режиму. Видно, что термическая обработка по предлагаемому>способу обеспечивает существенное увеличение длительной прочности, особенно, для образцов с надрезом и рост значений предела текучести материала.

Способ поэтапной закалки заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, включающий нагрев, выдержку и охлаждение, отличающийся тем, что закалку проводят в два этапа, на первом из которых нагрев заготовок в капсуле осуществляют до температуры -10+35°С относительно температуры сольвуса сплава, но ниже температуры солидуса, выдержку в вакууме при этой температуре в течение 0,25…12 ч и закалочное охлаждение заготовки в капсуле в две стадии, на первой из которых охлаждение проводят в вакууме, а на второй - в газообразном гелии под давлением не менее 2 атм., а на втором этапе закалки нагревают заготовки в капсуле или с частичным/полным удалением капсулы до температуры -10+10°С относительно температуры сольвуса с выдержкой при этой температуре в вакууме в течение 0,1…1 ч с последующим охлаждением сначала в вакууме, а затем – в газообразном гелии под давлением не менее 2 атм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии термической обработки контакт-деталей герконов и может быть использовано в их серийном производстве. Способ включает очищающий отжиг в течение 15-25 мин контакт-деталей в сухом водороде при максимальной температуре 700-780°С и окислительный отжиг в воздушной атмосфере при максимальной температуре 550-650°С, а затем в течение 5-15 мин восстановительный отжиг в сухом водороде при максимальной температуре 800-850°С.

Изобретение относится к области металлургии. Способ получения полуфабрикатов из высокопрочного никелевого сплава системы Ni-Fe-Co включает выплавку слитка в вакуумно-дуговой печи, деформацию слитка, предварительную горячую прокатку и окончательную холодную прокатку.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления лопатки ротора турбины. Способ изготовления лопатки ротора турбины с использованием ковочного сплава на основе Ni содержит этап размягчения, включающий этап горячей ковки и этап охлаждения, заключающийся в обеспечении повышения содержания γ'-фазы, не когерентной с γ-фазой, которая представляет собой матричную фазу в ковочном сплаве на основе Ni; первый этап обработки, заключающийся в формировании по меньшей мере двух элементов конструкции, составляющих лопатку ротора, с использованием ковочного сплава на основе Ni, осуществляемый после этапа размягчения; второй этап обработки, заключающийся в формировании элементов охлаждающей структуры в каждом из элементов конструкции в виде канала прохождения охлаждающего потока; и третий этап обработки, заключающийся во взаимном соединении элементов конструкции при помощи сварки трением с перемешиванием; причем содержание γ'-фазы в ковочном сплаве на основе Ni составляет при температуре не ниже чем 1050°С не менее чем 10 мол.%, но не более чем 40 мол.%.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к восстановительной термической обработке бывшего в эксплуатации элемента конструкции турбины. Представлен способ восстановительной термической обработки бывшего в эксплуатации элемента конструкции турбины из сплава на основе никеля, представляющего собой литое изделие из сплава на основе никеля, содержащее γ-фазу в качестве матрицы и γ'-фазу в количестве 30 об.% или более, включающий термическую обработку для образования твердого раствора γ'-фазы в γ-фазе без рекристаллизации γ-фазы при температуре в интервале от температуры на 10°С выше температуры растворения γ'-фазы до температуры на 10°С ниже температуры плавления γ-фазы, и старящую термическую обработку.

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к металлургии цветных металлов и сплавов, предназначенных для изготовления заготовки из кобальта для производства изотопной продукции.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам аддитивного изготовления изделий. Способ аддитивного изготовления изделия из упрочненного γ′-фазой суперсплава на основе Ni, и/или Со, и/или Fe, или их сочетания включает обеспечение аддитивно изготовленного изделия и его термическую обработку.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термомеханической обработки супераустенитных нержавеющих сталей. Способ обработки супераустенитной нержавеющей стали включает нагрев стали до рабочего диапазона температур от температуры рекристаллизации до температуры ниже начальной температуры плавления стали, обработку стали давлением в рабочем диапазоне температур, нагрев стали до температуры в рабочем диапазоне температур, при этом супераустенитная нержавеющая сталь не охлаждается до температуры ниже рабочего диапазона температур в течение периода времени от упомянутой обработки стали давлением до нагрева по меньшей мере поверхностной области.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения изделий из высокожаропрочных деформируемых никелевых сплавов, и может найти применение в авиационной промышленности в качестве метода получения заготовок дисков газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к области металлургии. Для обеспечения одинаковых механических свойств и размера зерна в ленте переменной толщины по ее длине способ включает следующие последовательно проводимые этапы: подготовка исходной ленты одинаковой толщины, холодная равномерная прокатка исходной ленты по ее длине для получения промежуточной ленты одинаковой толщины в направлении прокатки, холодная гибкая прокатка промежуточной ленты по ее длине для получения ленты переменной толщины, содержащей по своей длине первые участки первой толщины (e+s) и вторые участки второй толщины (е), которая меньше первой толщины (e+s), отжиг ленты при ее протяжке.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения изделий из высокожаропрочных деформируемых никелевых сплавов, и может найти применение в авиационной промышленности, а также в энергетическом машиностроении в качестве способа получения заготовок дисков газотурбинных двигателей (ГТД).

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам термической обработки заготовок из высоколегированных гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве деталей газотурбинных двигателей. Способ поэтапной закалки заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов включает нагрев, выдержку и охлаждение. Закалку проводят в два этапа, на первом из которых нагрев заготовок в капсуле осуществляют до температуры -10+35°С относительно температуры сольвуса сплава, но ниже температуры солидуса, выдержку в вакууме при этой температуре в течение 0,25…12 ч и закалочное охлаждение заготовки в капсуле в две стадии, на первой из которых охлаждение проводят в вакууме, а на второй - в газообразном гелии под давлением не менее 2 атм., а на втором этапе закалки нагревают заготовки в капсуле или с частичнымполным удалением капсулы до температуры -10+10°С относительно температуры сольвуса с выдержкой при этой температуре в вакууме в течение 0,1…1 ч с последующим охлаждением сначала в вакууме, а затем – в газообразном гелии под давлением не менее 2 атм. Обеспечивается увеличение длительной прочности и предела текучести. 2 табл., 2 пр.

Наверх