METHOD FOR THE PRODUCTION OF PRODUCTS FROM HEAT-RESISTANT NICKEL-BASED ALLOYS CONTAINING MORE THAN 30% STRENGTHENING G'-PHASE
Способ производства изделий из жаропрочных сплавов на никелевой основе, содержащих более 30% упрочняющей γ'-фазы

1. Область техники
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из жаропрочных высоколегированных никелевых сплавов, содержащих более 30% упрочняющей γ'-фазы, предназначенных преимущественно для изготовления дисков газотурбинных двигателей или других изделий, работающих в условиях предельных нагрузок при рабочих температурах выше 600°С.Способ включает вакуумную индукционную выплавку, получение слитка под деформацию вакуумным дуговым переплавом, гомогенизирующий отжиг, нагрев под предварительную штамповку, предварительную штамповку заготовки, деформацией за два или более раза с промежуточными отжигами, нагрев под окончательную штамповку, окончательную штамповку, термическую и механическую обработку, в котором при предварительной деформации заготовки первую осадку осуществляют в плоском инструменте, а затем производят штамповку в фигурном заготовительном инструменте.
2. Предшествующий уровень техники
Известен «Способ изготовления штамповок дисков из слитков высокоградиентной кристаллизации из никелевых сплавов» (Патент RU 2389822 (C22F 1/10), 2009). Способ включает вакуумно-индукционную выплавку, получение слитка под деформацию методом высокоградиентной направленной кристаллизации, гомогенизирующий отжиг, нагрев под предварительную деформацию, предварительную деформацию, нагрев под окончательную деформацию, окончательную деформацию. Недостатками способа являются невозможность обеспечения требуемой однородности и высокого уровня свойств изделия, низкий коэффициент использования металла и высокая трудоемкость получения изделий.
Известен «Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава» (Патент RU №2301845 (C22F 1/10, B21J 5/00), 2005), включающий вакуумно- индукционную выплавку, получение слитка под деформацию, гомогенизирующий отжиг слитка, прессование и подпрессовку заготовки, окончательную деформацию и термическую обработку. Недостатком известного способа является высокая трудоемкость получения изделий из-за применения метода выплавки, не обеспечивающего достаточной однородности структуры и химического состава сплава, что является причиной появления дополнительной операции для проработки заготовки - прессования.
Известен «Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава» (Патент RU №2215059 (C22F 1/10, B22D 27/04), 2001), включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки под деформацию, гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию, окончательную деформацию и термическую обработку, при этом получение заготовки под деформацию осуществляют направленной кристаллизацией в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200°C/см, а предварительную деформацию заготовки осуществляют осадкой за два или более раза с суммарной степенью деформации не менее 55% и с промежуточным(и) отжигом(ами). Недостатками способа являются формирование при деформации крупнозернистой микроструктуры, не обладающей способностью к сверхпластической деформации; высокий уровень напряжений деформирования при окончательной штамповке, неоднородность микроструктуры в штамповке после деформации перед термической обработкой.
Известен также, принятый заявителем за наиболее близкий аналог, «Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава» (Патент RU 2256722 (C22F 1/10). 2004). Способ включает вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки направленной кристаллизацией, ее гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию с промежуточным(ми) отжигом(ми), окончательную деформацию и термическую обработку, при этом гомогенизирующий отжиг проводят в пять ступеней, а предварительную деформацию осуществляют при температуре на 55-95°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью . Недостатками способа прототипа является невозможность обеспечения высокого уровня свойств изделия, низкий коэффициент использования металла и высокая трудоемкость получения изделий.
3. Сущность изобретения
3.1. Постановка технической задачи
Задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости изготовления изделий, повышение коэффициента использования металла, а также обеспечить стабильный уровень свойств.
Результат решения технической задачи
Решение задачи достигается штамповкой заготовки полученной из слитка вакуумной индукционной выплавки с последующим вакуумным дуговым переплавом в кристаллизатор малого сечения (∅130÷200 мм) и гомогенизирующим отжигом, при этом сначала осуществляют предварительную штамповку заготовки, деформацией за два или более раза с промежуточными отжигами, в которой первую осадку осуществляют в плоском инструменте, а затем производят штамповку в фигурном заготовительном инструменте, затем окончательную штамповку, термическую и механическую обработку.
3.2. Отличительные признаки
В отличие от известного технического решения, включающего вакуумную индукционную выплавку, получение заготовки направленной кристаллизацией, ее гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию с промежуточным(ми) отжигом(ми), окончательную деформацию и термическую обработку; в заявленном техническом решении осуществляют вакуумную индукционную выплавку, получение слитка под деформацию вакуумным дуговым переплавом в кристаллизатор малого сечения (∅130÷200 мм), гомогенизирующий отжиг, нагрев под предварительную штамповку, предварительную штамповку заготовки, деформацией за два или более раза с промежуточными отжигами, нагрев под окончательную штамповку, окончательную штамповку, термическую и механическую обработку, в котором при предварительной деформации заготовки первую осадку осуществляют в плоском инструменте, а затем производят штамповку в фигурном заготовительном инструменте.
Гомогенизирующий отжиг вакуумного дугового слитка проводят по режиму: посадка в печь на температуру (500±10)°C, выдержка при этой температуре не менее одного часа, нагрев до температуры на 15-30°C выше температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 60°C/час, выдержка при этой температуре не менее 7 часов, охлаждение до температуры на 35-55°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью 15°C/час, выдержка при этой температуре не менее трех часов, охлаждение до температуры на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью 15°C/час, выдержка при этой температуре не менее трех часов, охлаждение до температуры (1000±10)°C со скоростью 15°C/час, выдержка при этой температуре не менее двух часов, охлаждение с печью до температуры (500±10)°C.
После механической обработки поверхности вакуумных дуговых слитков производят их раскрой на мерные заготовки и перед первой деформацией заготовки подвергают предварительному отжигу. Предварительный отжиг осуществляют по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы. выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 95-115°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 80°C/час, выдержка при этой температуре не менее 6 часов, охлаждение со скоростью 30°C/час до температуры не выше 900°C, далее на воздухе.
Нагрев под предварительную штамповку осуществляют по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее двух часов.
Предварительную штамповку заготовки производят деформацией за два или более раза с промежуточными отжигами, при этом первую осадку заготовки осуществляют в плоском инструменте или закрытом контейнере, а затем производят штамповку в фигурном заготовительном инструменте.
Промежуточный отжиг осуществляют по режиму: загрузка в печь при температуре на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, охлаждение с печью до температуры не выше 900°C, далее на воздухе.
Затем производят нагрев под окончательную штамповку, который осуществляют по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, с последующей выдержкой при этой температуре не менее двух часов.
После окончательной штамповки производят промежуточный отжиг, далее осуществляют предварительную термическую обработку, затем окончательную термическую обработку с последующей за каждой из технологических операций механической обработкой (дробеметной, абразивной или лезвийной).
Предварительную термическую обработку осуществляют по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, нагрев до температуры на 95-115°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 80°C/час, выдержка при этой температуре не менее 6 часов, охлаждение на воздухе.
Окончательную термическую обработку осуществляют по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 15-30°C выше температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 60°C/час, выдержка при этой температуре не менее 5 часов, охлаждение с печью до температуры на 25-45°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 20 минут, охлаждение на воздухе, старение при температуре (920±10)°C с выдержкой 12 часов, охлаждение с печью со скоростью 10°C/час до температуры (850±10)°C, выдержка 24 часа, воздух.
Кроме того, на всех стадиях деформации заготовки после ее отжига производят механическую обработку поверхности до полного удаления окалины.
4. Описание изобретения
Для изготовления дисков газотурбинных двигателей или других изделий из никелевых жаропрочных сплавов используют заготовку с равномерным рекристаллизованным зерном, обладающую повышенной пластичностью, полученную многократным деформированием.
В предложенном техническом решении с целью повышения коэффициента использования металла и снижения трудоемкости изготовления изделий, используют заготовку, полученную из слитка вакуумной индукционной выплавки с последующим вакуумным дуговым переплавом в кристаллизатор малого сечения (∅130÷200 мм).
Общая схема производства изделия, следующая:
Вакуумная индукционная выплавка → вакуумный дуговой переплав в кристаллизатор ∅130÷200 мм → гомогенизирующий отжиг механическая обработка и раскрой вакуумных дуговых слитков → предварительная штамповка, на горизонтальном гидравлическом прессе, с промежуточными отжигами и обработкой → окончательная штамповка на гидравлическом прессе → отжиг → предварительная термообработка → механическая обработка → окончательная термообработка → механическая обработка.
-2
-3
В заявленном техническом решении на стадии подготовки заготовки к деформации производят вакуумную индукционную выплавку и вакуумный дуговой переплав жаропрочного сплава на никелевой основе на токе дуги 2,6-3,0 кА при скорости наплавления 1,3-1,5 кг/мин. Рафинирующий вакуумный дуговой переплав проводят при разряжении 1⋅10÷10 мм рт. ст. и величине дугового промежутка - 15-20 мм, которая обеспечивает постоянство формы оплавления торца электрода и распределение энергии в зоне дуги - необходимое условие получение однородного слитка.
С целью снижения внутренних напряжений слитка, создание гетерогенизированной микроструктуры, способствующей в процессе пластической деформации методом экструзии деформированию мелкозернистой структуры, полученные вакуумные дуговые слитки подвергают гомогенизирующему отжигу с замедленным охлаждением по режиму: посадка в печь на температуру (500±10)°C, выдержка при этой температуре не менее одного часа, нагрев до температуры на 15-30°C выше температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 60°C/час, выдержка при этой температуре не менее 7 часов, охлаждение до температуры на 35-55°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью 15°C/час, выдержка при этой температуре не менее трех часов, охлаждение до температуры на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью 15°C/час, выдержка при этой температуре не менее трех часов, охлаждение до температуры (1000±10)°C со скоростью 15°C/час, выдержка при этой температуре не менее двух часов, охлаждение с печью до температуры (500±10)°C.
После отжига вакуумных дуговых слитков производят механическую обработку поверхности и раскрой на мерные заготовки. Получение мерной литой заготовки позволяет значительно снизить дендритную ликвацию по сравнению с крупногабаритным слитком, что позволяет повысить уровень и однородность свойств изделия.
Перед первой деформацией заготовку подвергают предварительному отжигу по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 95-115°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 80°C/час. выдержка при этой температуре не менее 6 часов, охлаждение со скоростью 30°C/час до температуры не выше 900°C, далее на воздухе.
Далее осуществляют нагрев под предварительную штамповку по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее двух часов.
Предварительную штамповку заготовки производят деформацией за два или более раза с промежуточными отжигами, при этом первую осадку заготовки осуществляют в плоском инструменте или закрытом контейнере, а затем производят штамповку в фигурном заготовительном инструменте. Степень деформации каждой осадки составляет 17÷25%. Предварительная штамповка позволяет получить однородную деформацию по всему объему заготовки и при последующем отжиге обеспечить равномерную рекристаллизацию.
После каждой осадки осуществляют промежуточный отжиг, с последующей механической обработкой, по режиму: загрузка в печь при температуре на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, охлаждение с печью до температуры не выше 900°C, далее на воздухе.
Совокупность последовательных операций деформации и промежуточных отжигов приводит к формированию микроструктуры с размером зерна у фазы менее 10 мкм и обеспечивает достижение сверхпластичности в заготовках после деформации. Получение подобной структуры позволяет реализовать эффект сверхпластичности при окончательной штамповке, снизить усилия деформации, повысить стойкость штампового инструмента и обеспечить формирование однородной мелкозернистой структуры.
Затем осуществляют нагрев под окончательную штамповку по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 65-85°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, с последующей выдержкой при этой температуре не менее двух часов.
Жаропрочные никелевые сплавы, упрочняемые более 30% γ' фазы очень чувствительны к снижению температуры из-за распада твердого раствора. Если в процессе обработки давлением происходит захолаживание поверхности заготовки, то в этих местах возникают трещины. Постоянная температура деформации обеспечивается термической изоляцией заготовки и контактируемого инструмента, а также высокой температурой самого инструмента. На поверхность заготовки перед нагревом наносят суспензию, приготовленную из синтетического строительного клея и огнеупорного цемента. На нагретый инструмент перед деформацией наносят смазочный материал, состоящий из смазки на водной основе для горячей штамповки и ковки, и графита, а в качестве теплоизоляции поверхности инструмента при предварительной деформации заготовок используют муллитокремноземистый материал иной материал со сходной теплопроводностью.
После окончательной штамповки производят промежуточный отжиг с последующей обработкой (дробеметная, абразивная или лезвийная). Затем выполняют предварительную термическую обработку по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, нагрев до температуры на 95-115°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 80°C/час, выдержка при этой температуре не менее 6 часов, охлаждение на воздухе.
Далее проводят механическую обработку и выполняют окончательную термическую обработку по режиму: загрузка в печь при температуре на 200°C ниже температуры растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 50 минут, нагрев до температуры на 15-30°C выше температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью не более 60°C/час, выдержка при этой температуре не менее 5 часов, охлаждение с печью до температуры на 25-45°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы, выдержка при этой температуре не менее 20 минут, охлаждение на воздухе, старение при температуре (920±10)°C с выдержкой 12 часов, охлаждение с печью со скоростью 10°C/час до температуры (850±10)°C, выдержка 24 часа, воздух.
Термическая обработка по указанному режиму необходима, так как придает материалу требуемый комплекс эксплуатационных свойств. Предварительный отжиг после окончательной штамповки проводят для снижения и выравнивания внутренних напряжений и коагуляции упрочняющей γ' фазы. В результате обработки на твердый раствор в изделии из жаропрочного никелевого сплава формируется однородная микроструктура. Скорость охлаждения должна быть регламентирована, и строго контролироваться, что обеспечит выделение частиц γ' фазы требуемой формы и размеров. При одинарном или многократном старении в интервале температур 650-1050°C выделяются карбиды и бориды по границам зерен, проходят процессы выделения и коагуляции частиц γ' фазы. В результате изделие из сплава приобретает необходимые свойства. Проведение термической обработки по иным режимам не обеспечивает нужный размер и равномерность зерен и γ' фазы, и приводит к снижению свойств изделия.
После окончательной термической обработки проводят механическую обработку изделия.
Использование предлагаемого способа позволяет снизить трудоемкость изготовления изделий, повысить коэффициент использования металла, а также обеспечить стабильный уровень свойств.
5. Пример конкретного выполнения (реализация способа)
Выполнение способа показано на примере сплава ЭП975-ИД. Для этого в ВИ печи выплавили и разлили расходуемые электроды диаметром 138 мм сплава ЭП975-ВИ. Полученные электроды были подготовлены к вакуумному дуговому переплаву и переплавлены в кристаллизатор диаметром 160 мм. Наплавленные вакуумные дуговые (ВД) слитки диаметром 160 мм сплава ЭП975-ИД были загружены в предварительно разогретый термостат, где охлаждались не менее 24 часов, после чего были отправлены на гомогенизирующий отжиг.
Производство изделий осуществляли по следующей схеме: вакуумная индукционная выплавка → вакуумный дуговой переплав в кристаллизатор 0160 мм → гомогенизирующий отжиг → механическая обработка и раскрой вакуумных дуговых слитков → деформация на горизонтальном гидравлическом прессе с промежуточными отжигами и обработкой → отжиг → предварительная термообработка → механическая обработка → окончательная термообработка → механическая обработка.
Изучение макроструктуры показало отсутствие пустот, свищей, трещин, расслоений и инородных включений, видимых без применения увеличительных приборов. Максимальный размер зерна 1,8 мм, при предъявляемых требованиях 3,0 мм.
Механические свойства полностью соответствуют предъявляемым требованиям (ТУ 14-131-1124) и приведены в таблице 1. Результаты испытаний на длительную прочность приведены в таблице 2.
Использование вышеуказанного способа позволяет получать изделия из вакуумного дугового слитка напрямую, без дополнительного передела, и обеспечить стабильный уровень свойств.