СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
HEAT TREATMENT METHOD OF HEAT-RESISTANT NICKEL-BASED ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных, в том числе порошковых сплавов на никелевой основе, в частности к термической обработке.
Известен способ термической обработки порошковых жаропрочных никелевых сплавов, включающий закалку, выдержку, охлаждение со скоростью 200-300°С/мин до комнатной температуры и старение (ОСТ1-92111-85).
Недостатком этого способа термической обработки являются высокие остаточные напряжения термического происхождения, низкие значения сопротивления малоцикловой усталости и высокая техническая сложность осуществления данного предложения.
Известен способ термической обработки высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий ступенчатое охлаждение со скоростью 530-650°С/мин до температуры на 100-140°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы, выдержку до полного выравнивания температуры по сечению, затем охлаждение со скоростью 30-60°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы, далее на воздухе и старение (Ч.Симс, В.Хагель. Жаропрочные сплавы. М.: Металлургия, 1976 г.) - прототип.
Техническая задача данного изобретения заключается в получении пониженных остаточных напряжений в деталях из высоколегированных жаропрочных, в том числе порошковых, никелевых сплавов при существенном увеличении производительности процесса.
Поставленная цель достигается за счет того, что при термической обработке, включающей закалку и старение, охлаждение с температурой закалки после выдержки проводят со скоростью 30-50°С/мин до температуры на 470-570°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы и далее на воздухе.
Охлаждение с высокой скоростью от температуры закалки до заявленных промежуточных температур, то есть в интервале наиболее интенсивного выделения γ'-фазы, обеспечивает необходимую для получения высоких значений прочности дисперсность упрочняющих частиц, а достаточно высокий интервал этих температур способствует снижению остаточных термических напряжений по сравнению с этими напряжениями, возникающими при регламентированном двухступенчатом ускоренном охлаждении до комнатной температуры. Кроме того, проведение одностадийного регламентированного охлаждения практически в два раза повышает производительность процесса закалки по сравнению с закалкой в две стадии.
Охлаждение со скоростью менее 30°С/мин приводит к выделению частиц, упрочняющей γ'-фазу достаточно большого размера, и тем самым к снижению характеристик прочности. Охлаждение с температурой закалки со скоростью более 50°С/мин способствует возникновению резкого перепада температур в поверхностных слоях, и, тем самым, возникновению высоких объемных остаточных напряжений термического происхождения.
Охлаждение с регламентированными скоростями до температур более чем на 570°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы приводит к образованию чрезмерно дисперсной γ'-фазы и проявлению чувствительности к надрезу при испытании на длительную прочность при 650°С. Охлаждение с регламентированными скоростями до температур менее чем на 470°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы способствует образованию частиц меньшей дисперсности и тем самым к снижению прочностных характеристик.
Пример:
Проводили термическую обработку дисков из сплава ЭП962П и ЭП962ИД. Температура полного растворения порошкового сплава ЭП962П - 1170°С, сплава ЭП962ИД (изготовленного методами литья и деформации) - 1140°С.
Диски из сплава ЭП962П термообрабатывали по режимам:
- нагрев на температуру закалки 1180°С, выдержка 4 часа, перенос в соляную ванну, нагретую до 600°С (режим 1) и 700°С (режим 2), т.е. на температуру на 570 и 470°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы, соответственно, что обеспечивает охлаждение со скоростями 50 и 30°С/мин и выравнивание температуры по сечению детали. Далее охлаждали на воздухе, старение проводили при 730°С в течение 16 часов.
Диски из сплава ЭП962ИД термообрабатывали по режиму:
- нагрев на температуру закалки 1120°С, выдержка 4 часа, перенос в соляную ванну, нагретую до 600°С (на температуру на 540°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы), что обеспечивает охлаждение со скорость 32°С/мин, выравнивание температуры по сечению диска и дальнейшее охлаждение на воздухе.
Старение - при 850°С в течение 6 часов (режим 3).
Термическую обработку по способу-прототипу проводили по режимам:
- нагрев на температуру закалки 1180°С (для дисков и сплава ЭП962П) и 1120°С (для дисков из сплава ЭП962ИД), выдержка 4 часа, перенос в ванну с холодным маслом, а после достижения на дисках температуры 1030-1070°С, что на 100-140°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы (для обоих сплавов), перенос в ванну с солью, нагретую на 850°С (на 320°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы для сплава ЭП962П и на 290°С ниже той же температуры для сплава ЭП962ИД), что обеспечивает охлаждение со скорость 30-60°С /мин, и дальнейшее охлаждение на воздухе. Старение при 730°С в течение 16 часов - для первого сплава и при 850°С, в течение 6 часов, для второго.
В таблице приведены значения прочностных механических свойств при 20°С и сопротивления малоцикловой усталости при 650°С, а также значения остаточных напряжений в дисках, термообработанных по предлагаемому и известному способам.
Таблица
Среднее значение механических свойств и величины остаточных напряжений в дисках, термообработанных по предложенному способу (способу-прототипу)
Марка термообрабатываемого сплава
Режим термической обработки
*Свойства при 20°С
*Сопротивление малоцикловой усталости при 650°С и базе испытаний 10<sup>4 </sup>циклов, кгс/мм<sup>2</sup>
Величины остаточных напряжений (сжимающие) термического происхождения, кгс/мм<sup>2</sup>
σ<sub>в</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
σ<sub>0,2</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
Режим 1
160
118
112
56
Режим 2
158
116
112
50
Сплав ЭП962П
Термическая обработка по способу-прототипу (режим 4)
150 (сплав ЭП962П)
110
108
100
148 (сплав ЭП962ИД)
110
100
93
Сплав ЭП962ИД
Режим 3
159
116
112
58
*механические свойства и остаточные напряжения приведены для дисков, прошедших закалку и старение.
Из таблицы видно, что предлагаемый способ термической обработки обеспечивает высокие прочностные характеристики при комнатной температуре испытаний и сопротивление малоцикловой усталости при рабочей температуре - 650°С.
Обработка по предлагаемому способу в 1,5-1,7 раза снижает уровень остаточных напряжений в термообработанных деталях, тем самым полностью исключая их поводку. Последнее позволяет повысить ресурс работы деталей из жаропрочных никелевых сплавов более чем в 2 раза, кроме того, предложенная термическая обработка значительно проще при ее осуществлении, чем термообработка по известному способу, что существенно повышает производительность процесса.