СПОСОБ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ИЗ ГРАНУЛ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
PROCEDURE FOR THERMO-MECHANICAL PROCESSING OF WORK-PIECES OUT OF GRANULES OF HIGH-ALLOYED HEAT-RESISTANT ALLOYS ON NICKEL BASE

Предполагаемое изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при изготовлении заготовок дисков для газотурбинных двигателей из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе.
Известен способ термической обработки изделий из жаропрочных деформируемых дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе, включающий закалку, которую проводят при температуре на 30-100°С выше Тп.р. γ'-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 5 мин и последующим охлаждением на воздухе, и ступенчатое старение, которое осуществляют в три ступени, где первая ступень включает нагрев до температуры на 50-100°С ниже Тп.р. γ'-фазы с выдержкой при этой температуре не менее 2 ч и последующее охлаждение на воздухе, вторая ступень - нагрев до температуры 770-860°С с выдержкой при этой температуре не менее 5 ч и последующее охлаждение на воздухе, а третья ступень - нагрев до температуры 660-750°С с выдержкой при этой температуре не менее 10 ч и последующее охлаждение на воздухе, где Тп.р. γ'-фазы - температура полного растворения γ'-фазы (Патент РФ №2256723, C22F 1/10, 24.05.2004 г.).
Недостатками этого способа является получение низкого уровня механических и эксплуатационных характеристик.
Известен способ термомеханической обработки заготовок из гранулируемых высоколегированных никелевых сплавов, включающий горячее изостатическое прессование, отжиг, двустадийную деформацию с регламентированной степенью деформации 20-25% на каждой стадии при суммарной степени деформации 35-40% с промежуточным рекристаллизационным отжигом, осуществляемым при температуре на 40-50°C ниже температуры полного растворения γ'-фазы и термическую обработку (Патент РФ №2259902, C22F 1/10, 10.09.2005 г.), прототип.
Недостатками этого способа является получение низкого уровня механических и эксплуатационных свойств заготовок из гранул высоколегированных никелевых сплавов, содержащих 55-60% упрочняющей γ'-фазы, а именно показателя временного сопротивления разрыву, длительной прочности, пластичности и сопротивления малоцикловой усталости при 650°С, что приводит к уменьшению длительности ресурсных характеристик и увеличению расхода дефицитных дорогостоящих материалов.
Предлагается способ термомеханической обработки заготовок из гранул высоколегированных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий горячее изостатическое прессование, высокотемпературный отжиг компактированной заготовки с регламентированной скоростью охлаждения 2-5°С/ч до температуры на 90-200°С ниже температуры отжига, многостадийную деформацию с общей степенью деформации 45-80%, включая регламентированную степень на заключительной стадии 27-45%, промежуточным рекристаллизационным отжигом между стадиями и термическую обработку, состоящую из закалки и старения, при этом нагрев под закалку выполняют при температуре на 15-35°С ниже температуры перехода в однофазную область.
Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что охлаждение от температуры высокотемпературного отжига ведут с регламентированной скоростью 2-5°С/ч до температуры на 90-200°С ниже температуры отжига, многостадийную деформацию осуществляют с общей степенью деформации 45-80%, включая регламентированную степень деформации на заключительной стадии 27-45%, а закалку выполняют при температуре на 15-35°С ниже температуры перехода в однофазную область.
Технический результат - повышение механических и эксплуатационных свойств заготовок из гранул высоколегированных никелевых сплавов, содержащих 55-60% упрочняющей γ'-фазы, а именно показателя временного сопротивления разрыву, длительной прочности, пластичности и сопротивления малоцикловой усталости при 650°С, что позволяет увеличить длительность ресурсных характеристик получаемых дисков и уменьшить расход дефицитных дорогостоящих материалов изготавливаемых деталей.
Предлагаемый способ позволяет создать мелкозернистую (γ+γ') структуру типа «дуплекс» с размером γ-зерен - (5-20) мкм в сочетании с размером γ'-зерен - (2-10) мкм и выделение вторичных карбидов внутри и по границам γ- и γ'-зерен, что укрепляет устойчивость всех границ и внутризеренной структуры, обеспечивает затрудненность проскальзывания по границам γ- и γ'-зерен при повышенных напряжениях в процессе эксплуатации и увеличивает значения показателей - временное сопротивление разрыву, сопротивление малоцикловой усталости, а также исключает чувствительность материала к концентраторам напряжений при испытаниях на длительную прочность.
Кроме того, формирование γ'-зерен размером (2-10) мкм, располагающихся по границам γ-зерен, обеспечивает стабильность размеров γ-зерен, сохраняя их в пределах (5-20) мкм и обусловливает повышение уровня показателей пластичности за счет уменьшения объемной доли дисперсных упрочняющих частиц вторичной внутризеренной γ'-фазы.
Все это позволяет увеличить длительность ресурсных характеристик получаемых дисков и уменьшить расход дефицитных дорогостоящих материалов изготавливаемых деталей.
Пример
1
Цилиндрические капсулы из стали 20 размером 520×240 мм засыпали гранулами сплава ВВ750, имеющими 60% упрочняющей γ-фазы и температуру полного ее растворения, равную 1205°C.
Капсулы с засыпанными гранулами подвергали горячему изостатическому прессованию и последующему высокотемпературному отжигу. Высокотемпературный отжиг проводили по режиму: нагрев до температуры 1210°C, выдержка 4 часа, далее осуществляли охлаждение заготовок до 1050°С, что на 160°С ниже температуры отжига, по следующей схеме: сначала до 1180°C, далее последовательно до 1160°C, 1140°C, 1120°C, 1100°C, 1050°С с длительностью охлаждения от температуры предыдущей ступени до температуры выдержки и с выдержкой на каждой ступени 6 часов, что обеспечило скорость охлаждения - 4,4°С/ч, и с 1050°C охлаждение проводили на воздухе до комнатной температуры.
Далее заготовки нагревали до температуры деформации и осуществляли первую стадию деформации с регламентированной степенью 38%. После первой стадии деформации высота заготовки соответствовала 130 мм. Далее заготовку подвергали рекристаллизационному отжигу. Заключительную стадию деформации осуществляли при температуре, соответствующей температуре отжига с регламентированной степенью 38%. Высота полученной заготовки после двух стадий деформации соответствовала 80 мм. При этом суммарная степень деформации была равна 62%.
Деформированную заготовку подвергали термической обработке по режиму: закалка с температуры двухфазного состояния сплава при температуре 1180°C, что на 25°C ниже температуры перехода в однофазную область, выдержка 4 часа, охлаждение на воздухе и старение.
1
Реализация способа обеспечила получение структуры с размером γ зерен (7-12) мкм, γ зерен (2-8) мкм и выделение вторичных карбидов внутри и на границах γ- и γ'-зерен.
В таблице представлены механические и эксплуатационные свойства деформированных заготовок из нового сплава ВВ750, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом в сравнении с заготовками, изготовленными в соответствии со способом-прототипом.
Таблица
Технология
Механические свойства
Длительная прочность образцов с надрезом при 650°C в течение 100 часов, кгс/мм<sup>2</sup>
МЦУ при Т=650°Спри N=10<sup>4</sup>ц, σ<sub>0</sub>,кгс/мм<sup>2</sup>
Предел прочности, кгс/мм<sup>2</sup>
Предел текучести, кгс/мм<sup>2</sup>
Относительн. удлинение, %
Предлагаемый способ
170
118
24
112
118
Способ -прототип
160
110
17
105
110
2
2
2
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение показателей прочности на 8-10 кгс/мм, пластичности на 7%, длительной прочности образцов с концентратором напряжений на 5-7 кгс/мм, сопротивление малоцикловой усталости на 6-8 кгс/мм.
Повышение механических и эксплуатационных свойств заготовок дисков, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом, позволяет более чем в 3 раза увеличить длительность ресурсных характеристик и снизить расход дефицитных материалов на 15-20%.