Способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов



Способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов
Способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов
Способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов
Способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов
Способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов
C21D1/78 - Изменение физической структуры черных металлов; устройства общего назначения для термообработки черных или цветных металлов или сплавов; придание ковкости металлам путем обезуглероживания, отпуска или других видов обработки (цементация диффузионными способами C23C; поверхностная обработка металлов, включающая по крайней мере один процесс, предусмотренный в классе C23, и по крайней мере другой процесс, охватываемый этим подклассом, C23F 17/00; однонаправленное отвердевание эвтектики или однонаправленное разделение эвтектик C30B)

Владельцы патента RU 2772475:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт" - ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)

Изобретение относится к способу химико-термической обработки литой монокристаллической лопатки из никелевого сплава для газовых турбин. Способ включает термическую обработку и диффузионное алитирование, при этом в качестве термической обработки проводят гомогенизацию и закалку лопатки, после чего лопатку помещают в контейнер, засыпают ее шихтовой смесью, содержащей алюминий и никель, а последующее диффузионное алитирование лопатки проводят при температуре алитирования, соответствующей температуре старения сплава, под воздействием деформации сжатия вдоль оси лопатки со сжимающим напряжением σ=(0,3-0,7)⋅σT, где σ - сжимающее напряжение, МПа, σT - предел текучести, МПа, и со скоростью нагружения менее 10-3 %/с-1. Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов, обеспечивающего высокие показатели механических свойств и коррозионной стойкости. 4 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к разделу металлургии, к способам повышения жаростойкости и жаропрочности сплавов на никелевой основе и может быть использовано для изготовления литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов для газовых турбин.

Известен способ повышения жаростойкости никелевых сплавов за счет диффузионного насыщения поверхности атомами алюминия - процесс алитирования [1]. Недостатком способа является снижение жаропрочности никелевого сплава в процессе термодиффузионного нанесения алюминия при повышенных температурах.

Известен способ повышения жаропрочности никелевых сплавов за счет старения под напряжением при постоянной или постепенно возрастающей нагрузке - процесс программного упрочнения (прототип) [2]. Недостатком способа является снижение жаростойкости никелевых сплавов.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов, обеспечивающего высокие показатели механических свойств и коррозионной стойкости.

Технический результат достигается за счет того, что способ химико-термической обработки литых монокристаллических лопаток из никелевых сплавов включает гомогенизацию и закалку, диффузионное алитирование проводится под воздействием деформации сжатия вдоль оси лопатки с напряжениями σ=(0,3-0,7)σT при температуре алитирования, соответствующей температуре старения сплава, со скоростью нагружения менее 10-3 %/с-1.

Процесс алитирования, совмещенный с процессом старения проводится в специальном контейнере, схема установки которого представлена на фиг. 1.

Контейнер засыпается шихтой из никель-алюминия (50% Ni+50% Al) и йодистого аммония (NH4I), а для устранения спекания вводят порошок окиси алюминия Al2O3.

В процессе алитирования йодистый аммоний в контейнере разлагается по реакции (1).

Затем происходит реакция между йодистым водородом и алюминием по реакции (2), с образованием летучего йодистого алюминия.

Далее йодистый алюминий AlI3 реагирует с никелем подложки с образованием атомарного алюминия (3).

Атомарный алюминий затем диффундирует в поверхностный слой лопатки и происходит насыщение алюминия поверхностного слоя.

Одновременно с химико-термическим процессом алитирования материал лопатки подвергается старению под сжимающим напряжением.

На фиг. 2, 3, 4 представлены тонкие структуры монокристаллического никелевого сплава ЖС32-ВИ после старения в свободном состоянии (фиг. 2), после старения при растягивающем напряжении (фиг. 3) и после старения при сжимающем напряжении (фиг. 4).

В ходе исследования было установлено, что для повышения механических свойств никелевого сплава необходимо в материале лопатки создавать сжимающие напряжения в диапазоне от 0,3 до 0,7 σT при скорости деформирования не превышающей 10-3 %/с, обеспечивая в процессе старения структурирование возникающих интерметаллидных фаз, направление которых совпадает с направлением главной оси лопатки.

При этом если напряжения деформирования ниже 0,3σT, эффект упрочнения практически не наблюдается. Если же напряжения деформирования превышают 0,7σT, имеет место значительная ползучесть материала и происходит искажение профиля лопатки.

На фиг. 1 представлен эскиз установки для обработки лопаток из жаропрочных никелевых сплавов, представляющий собой систему из внутреннего (1) и внешнего контейнеров (2). Диффузионное алитирование в контейнере совмещается с термическим старением под сжимающим напряжением, осуществляемое за счет разности коэффициентов линейного расширения направляющих (3), изготовленных из стали аустенитного класса марки 08Х18Н10Т, имеющей высокий коэффициент линейного расширения, и корпуса контейнера из стали марки 07Х15Н4МТ, имеющей более низкий коэффициент линейного расширения. Направляющие устанавливаются в пазы (4) нижней плиты (5), непосредственно контактирующей с лопатками (6), и верхней плиты (7). Обе плиты изготавливаются из материала с близким к жаропрочным никелевым сплавам и корпусу контейнера коэффициентам линейного расширения. В верхней и нижней плите, а также боковых стенках внутреннего контейнера предусмотрены отверстия (8) для интенсификации процесса алитирования.

Обрабатываемые лопатки (6) устанавливаются в пазы для замков и пера лопаток (9), расположенные в подине внутреннего контейнера и нижней плите, предварительно засыпаемые шихтой. Верхняя плита (5) фиксируется клиньями (10). Свободное пространство внутреннего контейнера заполняется шихтой (11). После вышеизложенных операций контейнер (1) поднимается за проушины (12) и устанавливается во внешний контейнер (2), свободное пространство которого также заполняется шихтой (11). На внешний и внутренний контейнер устанавливается крышка (13), которая своими ножами (14) внедряется в углубления внешнего контейнер с песком (15) и засыпается жидким стеклом (16). После проведенных операций установка готова к химико-термической обработке и загрузке в печь при помощи проушин (17). Для вскрытия контейнера после химико-термической обработки, на крышке предусматриваются технологические выступы (18).

Пример конкретного выполнения способа:

Монокристаллические лопатки из жаропрочного никелевого сплава СЛЖС5-ВИ, подвергаются предварительной гомогенизации и закалке.

Затем лопатки помещаются во внутренний контейнер и засыпаются алитирующей смесью, устанавливается нижняя плита, в нижнюю часть которой в пазы вставляют перья лопаток, а в верхнюю часть -направляющие, изготовленные из стали аустенитного класса. Затем устанавливают верхнюю плиту, в нижнюю часть которой вставляют направляющие, а верхняя часть плиты прижимается клиньями к внутреннему контейнеру. Далее контейнер помещается в наружный контейнер, рабочее пространство которого также засыпается алитирующей смесью. Затем на наружный контейнер надевается крышка, которая своими ножами углубляется в гранулы жидкого стекла и песок песчаного затвора. Далее контейнер помещают термическую печь и проводят химико-термическую обработку, совмещенную со старением под сжимающим напряжением, при температуре 900°С в течение 25 часов, при этом 9 часов идет на прогрев контейнера, а оставшееся время - на процесс алитирования и старения. Для алитирования применяется шихтовая смесь следующего состава:

- 90% никель-алюминия (50% Ni+50% Al);

- 10% йодистого аммония;

- 1% окиси алюминия.

Проведенные исследования показали, что за 25 часов алитирования толщина алитированного слоя составляет около 70 мкм.

При этом процесс алитирования сопровождался с процессом старения при сжимающем напряжении.

Результаты совмещенного процесса алитирования и старения под напряжением представлены в таблице 1.

Как видно из таблицы 1, при проведении процесса алитирования, совмещенного со старением под сжимающим напряжением, достигается повышение механических свойств и коррозионной стойкости в расплаве солей монокристаллического никелевого сплава.

Результатом проведенной химико-термической обработки, совмещенной со старением под сжимающем напряжении, является повышение прочностных и пластических характеристик и коррозионной стойкости материалов лопаток из монокристаллического никелевого сплава.

Ожидаемый технико-экономический эффект выразится в увеличении межремонтных периодов, вызванным повышением механических свойств и коррозионной стойкости лопаток газовых турбин.

Литература:

1. Конструкционные стали и сплавы: учеб. пособие / Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова, В.К. Ерофеев, А.А. Устинова; под ред. Г.А. Воробьевой. - СПб.: Политехника, 2013. - 440 с.

2. Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г., Каплун Ю.А. Динамическое старение сплавов. - Москва: Металлургия, 1985. - 223 с.

3. ГОСТ 9651. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах. - 6 с.

Способ химико-термической обработки литой монокристаллической лопатки из никелевого сплава, включающий термическую обработку и диффузионное алитирование, отличающийся тем, что в качестве термической обработки проводят гомогенизацию и закалку лопатки, после чего лопатку помещают в контейнер, засыпают ее шихтовой смесью, содержащей алюминий и никель, а последующее диффузионное алитирование лопатки проводят при температуре алитирования, соответствующей температуре старения сплава, под воздействием деформации сжатия вдоль оси лопатки со сжимающим напряжением σ=(0,3-0,7)σT, где σ - сжимающее напряжение, МПа; σT - предел текучести, МПа, и со скоростью нагружения менее 10-3 %/с-1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к металлургии, а именно к элементу из TiAl сплава и может быть использовано для изготовления деталей авиационного двигателя. Элемент из TiAl сплава для изготовления детали авиационного двигателя горячей ковкой содержит подложку, выполненную из TiAl сплава, и слой Al, сформированный непосредственно на поверхности подложки, причем слой Al содержит 70 ат.% или более Al и содержит Ti.

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью. Cоставляют двухслойный пакет из неподвижной стальной пластины и размещённой над ней нихромовой метаемой пластины толщиной 0,8-1 мм.

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью. Cоставляют трехслойный пакет, состоящий из неподвижной стальной пластины и симметрично размещенных по обе ее стороны метаемых фехралевых пластин, толщиной 0,8-1 мм.

Изобретение относится к технологии получения покрытий на металлах с помощью энергии взрывчатых веществ и может быть использовано при изготовлении деталей энергетических и химических установок, обладающих повышенной жаростойкостью. Cоставляют двухслойный пакет из неподвижной стальной пластины и размещённой над ней фехралевой метаемой пластины толщиной 0,8-1 мм.

Изобретение относится к нанесению алюминиевого покрытия на железный порошок. Заполняют емкость смесью, содержащей порошок железа, мелкодисперсный порошок алюминия, активатор алитирования и один компонент из группы, включающей оксид алюминия и оксид кремния, удаляют воздух из емкости, нагревают смесь в печи до температуры 600-750°С при длительности нагрева из расчета не менее 1 ч на 100 мм сечения емкости, после чего проводят изотермическую выдержку в течение 1-4 ч, охлаждение разгерметизированной емкости на воздухе и не менее 5 раз магнитную сепарацию полученного порошка с покрытием.

Изобретение относится к способу ремонта компонента газовой турбины и компоненту газовой турбины, подвергнутому ремонту указанным способом. Проводят алитирование субстрата (4) с образованием диффузионного слоя (6) глубиной от 150 до 300 мкм и покрывающего слоя (7) толщиной 100 мкм на диффузионном слое (6).

Изобретение относится к способу алитирования внутренней поверхности канала (10) полого конструктивного элемента (1, 120, 130) гидравлической машины и к полому конструктивному элементу (1, 120, 130) гидравлической машины. Осуществляют нанесение покрытия диффузионным алитированием по меньшей мере на внутреннюю поверхность одного канала (10) конструктивного элемента (1, 120, 130), при этом канал (10) содержит области (4, 7) с различными поперечными сечениями.
Изобретение относится к металлургии, в частности к формированию на деталях из безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов химико-термической обработкой комбинированных покрытий для защиты от газовой коррозии в условиях высоких температур (выше 900°С), и может быть использовано в авиадвигателестроении, судостроении, танкостроении и других отраслях промышленности.

Настоящее изобретение относится к способу получения на поверхности металлических деталей турбомашины защитного покрытия, содержащего алюминий и цирконий и/или гафний. В камере размещают обрабатываемые детали и карбюризатор из алюминиевого сплава и проводят обработку при температуре от 950 до 1200°С в атмосфере, содержащей активный газ.

Изобретение относится к нанесению алюминиевого покрытия на металлическую деталь и может быть использовано для нанесения такого покрытия на внутренние стенки полостей лопатки газотурбинного двигателя путем осаждения из паровой фазы. .

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению прутков из сплавов с памятью формы (СПФ) на основе никелида титана легированных гафнием, и может быть использовано для изготовления специальных изделий с повышенной температурой эксплуатации для различных отраслей промышленности, медицины и техники.
Наверх