СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, ПЕРЕД ИХ СОЕДИНЕНИЕМ В ПАЯНО-СВАРНУЮ КОНСТРУКЦИЮ
METHOD OF MACHINING PART BLANKS MADE FROM REFRACTORY NICKEL ALLOYS PRIOR TO JOINTING THEM BY SOLDERING-WELDING

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, а именно к изготовлению паяно-сварных изделий из жаропрочных никелевых сплавов, работающих в интервале температур от -253°C до +900°C, в частности заготовок из сплава ЭК-61.
Известен способ получения изделия из деформируемого жаропрочного никелевого сплава, который включает в себя вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки под деформацию, гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию, окончательную деформацию с получением изделия. Гомогенизирующий отжиг проводят в четыре ступени. Нагрев под предварительную и окончательную деформацию проводят в две ступени. Предварительную деформацию осуществляют с суммарной степенью деформации 25-30%, окончательную деформацию - с суммарной степенью деформации 30-50%. Введение ступенчатого гомогенизирующего отжига, предварительной и окончательной деформации с заявленными режимами обеспечивает понижение напряжения течения на 42-45% и повышение выхода годного на 11-15%.
Изделия, полученные предлагаемым способом, имеют повышенный ресурс и надежность (RU №2387733, 2000).
Известен способ изготовления двухслойных паяных конструкций из деталей дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе и высокотеплопроводного металла. Способ включает в себя предварительную термическую обработку деталей из сплава на никелевой основе - закалку и ступенчатое старение, сборку конструкций с размещением припоя, пайку в защитной атмосфере и последующее охлаждение. При этом в качестве высокотеплопроводного металла используют серебро. В процессе термообработки закалку деталей из сплава на никелевой основе производят при температуре 1000°C, ступенчатое старение производят сначала при температуре 740°C, а затем при 650°C. Перед пайкой производят изотермическую выдержку при 650°C. Пайку производят при 775°C. В описанном способе достигается рост пластичности в температурном интервале плавления припоя, а в конструкции исключено появление трещин и разрушений. Эта технология термообработки и пайки позволяет изготовить конструкцию с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами. Разрушения конструкции в экстремальных условиях эксплуатации не наблюдалось (RU
№2169646, 1999).
Наиболее близким аналогом является способ обработки заготовок деталей, который включает в себя соединение первого несущего элемента конструкции, состоящего из деталей, выполненных из мартенситно-стареющей стали, сваркой, заварку их торцов пайкой, причем пайка производится с предварительным нагревом конструкции, а нагрев производят с изотермической выдержкой. Причем пайку осуществляют в атмосфере инертного газа при температуре 1150-1250°C. Охлаждение конструкции после пайки производят потоком инертного газа и подвергают закалке с температуры 950-1050°C, затем во второй несущий элемент конструкции, включающий детали, изготовленные из жаропрочного сплава на основе никеля, запрессовывают серебряное кольцо и осуществляют соединение их пайкой в атмосфере инертного газа с последующим охлаждением на воздухе. Затем паяно-сварную конструкцию обрабатывают холодом и подвергают отпуску при 220-290°C и охлаждению на воздухе. Описанный способ термообработки и пайки позволяет изготовить конструкцию с достаточно высокими механическими характеристиками, обеспечивающими ее высокую работоспособность в условиях повышенных температур, давления и вибрации (RU №2184022, 2000).
К недостаткам следует отнести то, что после горячей деформации заготовок в однофазной области и последующей термообработки формируется крупнозернистая структура и при последующих операциях сварки и термообработки образуются межкристаллитные трещины в зонах термического влияния, а в процессе пайки происходит разрушение по механизму жидкокристаллического охрупчивания. При реализации способов предусмотрена термообработка заготовок под сварку, что усложняет технологический процесс. Усложнение технологического процесса приводит к потерям во времени в процессе обработки заготовок элементов конструкции, в повышении вероятности образования трещин, в необходимости их удаления, подварки швов, проведения дополнительного контроля.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является то, что в конструкции из жаропрочного сплава сложной конфигурации в результате созданного технического решения формируется мелкозернистая структура. Это позволяет значительно уменьшить склонность к трещинообразованию в процессе сварки, пайки и термообработки конструкции за счет уменьшения плотности зернограничных выделений упрочняющих фаз. Кроме того, при использовании заявленного технического решения конструкции сложной конфигурации имеют повышенные механические и усталостные характеристики при сохранении достаточно высокой пластичности. Также к задаче следует отнести упрощение технологического процесса и создание возможности исключения в нем необходимости проведения операций термообработки заготовок под сварку и после сварки для снятия сварочных напряжений.
Техническими результатами при реализации изобретения, в частности, являются снижение вероятности образования трещин в конструкциях сложной конфигурации из жаропрочного сплава, повышение их прочности, надежности и долговечности. Многоступенчатая изотермическая деформация в двухфазной области и последующее замедленное охлаждение поковок деталей позволяют получить мелкозернистую структуру. Уменьшается плотность зернограничных выделений упрочняющих фаз, что значительно уменьшает склонность к трещинообразованию в процессе сварки, пайки и термообработки. Кроме того, в результате реализации изобретения повышаются механические и усталостные характеристики, при этом сохраняется достаточно высокая пластичность. К техническим результатам следует отнести также то, что в результате использования предлагаемого изобретения упрощается технологический процесс изготовления конструкций сложной конфигурации из жаропрочного сплава за счет исключения в технологическом процессе операций термообработки элементов конструкции под сварку и после сварки для снятия сварочных напряжений.
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Влияние на достижение указанных технических результатов оказывают следующие существенные признаки: в способе обработки заготовок деталей, выполненных из жаропрочных никелевых сплавов, перед их соединением в паяно-сварную конструкцию, включающем изотермическую деформацию заготовок за два перехода, причем на первом переходе заготовки деформируют при температуре 0,5-0,7 Тпл со скоростями деформации έ в пределах от 2×10 с до 10×10 с и со степенью деформации ε в пределах от 20 до 90%, на втором переходе заготовки деформируют при температуре 0,5-0,7 Тпл со скоростью деформации έ в пределах от 2×10 с до 10×10 си со степенью деформации ε в пределах от 20 до 90%, после каждого перехода заготовки охлаждают до температуры деформации до 500-600°C, а затем - на воздухе, где Тпл - температура плавления сплава заготовок элементов конструкции, έ - скорость деформации, ε - степень деформации. При обработке заготовок из никелевого сплава ЭК-61 первый переход изотермической деформации осуществляют в интервале температур 930-980°C со степенью деформации ε=30-35% и охлаждением с температуры деформации до 500-600°C в течение 1,0 ч, второй переход изотермической деформации заготовок осуществляют в интервале температур 930-980°C со степенью деформации ε=50-60% и охлаждением с температуры деформации до 500-600°C в течение 3,0 ч.
Наибольший эффект при использовании изобретения достигается, когда перед соединением элементов конструкции сваркой производят изотермические деформации в два перехода, осуществляемые с малыми скоростями. Каждую горячую деформацию осуществляют с регламентируемой степенью деформации. После каждой изотермической деформации элементы конструкции охлаждают с контролируемой скоростью, а затем на воздухе. После чего производят сварку, затем соединение пайкой с последующей упрочняющей термообработкой, а именно когда первый переход изотермической деформации заготовок элементов конструкции из жаропрочного никелевого сплава осуществляют при температуре 0,5-0,7 Тпл.
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Скорость деформации ε в пределах от 2×10 сдо 10×10 с. Степень деформации ε в пределах от 20 до 90%. Второй переход изотермической деформации заготовок осуществляют при температуре 0,5-0,7 Тпл. Скорость деформации ε в пределах от 2×10 с до 10×10 с. Степень деформации ε в пределах от 20 до 90%. При этом термообработка после сварки для снятия сварочных напряжений не выполняется. А также, в частности, для сплава ЭК61, в том случае, когда первый переход изотермической деформации заготовок осуществляют при температуре 930-980°C при нагревании в печи перед деформацией в течение 2 часов. Степень деформации ε=30-35%. Замедленное охлаждение 1,0 час, далее на воздухе. Второй переход изотермической деформации заготовок осуществляют при температуре 930-980°C при нагревании в печи перед деформацией в течение 1,5 часов. Степень деформации ε=50-60%. Замедленные охлаждение в течение 3,0 часов. Далее на воздухе.
В результате использования предложенного технического решения обработки заготовок деталей, выполненных из жаропрочных никелевых сплавов, перед их соединением в паяно-сварную конструкцию не требуется термообработка заготовок под сварку, что упрощает технологический процесс, на поверхности и внутри конструкции исключается наличие трещин. Формируется мелкозернистая структура за счет уменьшения плотности зернограничных выделений упрочняющих фаз, которая позволяет значительно уменьшить склонность к трещинообразованию в процессе сварки, пайки и термообработки конструкции. Повышенные механические и усталостные характеристики при сохранении достаточно высокой пластичности конструкции сложной конфигурации достигаются за счет получения мелкозернистой рекристаллизованной структуры при использовании заявленного технического решения.
Способ обработки заготовок деталей, выполненных из жаропрочных никелевых сплавов, перед их соединением в паяно-сварную конструкцию заключается в следующем.
Для изготовления паяно-сварных конструкций сложной конфигурации из жаропрочных никелевых сплавов, обладающих свойствами достаточно высокой пластичности с повышенными механическими и усталостными характеристиками и со значительно уменьшенной склонностью к трещинообразованию, изготавливается конструкция по технологии, которая обеспечивает формирование мелкозернистой структуры за счет уменьшения плотности зернограничных выделений упрочняющих фаз следующим образом. Заготовку подвергают изотермической деформации, затем охлаждению и повторно в этой последовательности, то есть неоднократно. Причем каждую изотермическую деформацию осуществляют с экспериментально определенной и установленной степенью деформации. После каждой изотермической деформации заготовки элементов конструкции охлаждают с контролируемой скоростью, а затем на воздухе. Только после этого производят их соединение сваркой. А затем осуществляют соединения пайкой. Операции закалки под сварку и после сварки отсутствуют, что обеспечивает получение гарантированной мелкозернистой структуры, позволяет исключить трещины в околошовной зоне технологического шва.
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Наибольший эффект при использовании изобретения достигается при следующих технологических режимах. Первый переход изотермической деформации заготовок элементов конструкции из жаропрочного никелевого сплава осуществляют при температуре 0,5-0,7 Тпл со скоростями деформации έ в пределах от 2×10 с до 10×10 с и со степенью деформации ε в пределах от 20 до 90%, где Тпл - температура плавления сплава заготовок элементов конструкции; έ - скорость деформации; ε - степень деформации. Затем следует замедленное охлаждение. Далее производят второй переход изотермической деформации заготовок. Он осуществляется при температуре 0,5-0,7 Тпл с скоростями деформации έ в пределах от 2×10 с до 10×10 с и со степенью деформации ε в пределах от 20 до 90%. Затем охлаждают с контролируемой скоростью, потом на воздухе. Только после двух описанных технологических процессов производят соединение элементов конструкции сваркой. А затем после сварки осуществляют соединения пайкой с последующей термообработкой на требуемый уровень механических свойств. При этом после каждой горячей деформации заготовок деталей конструкции осуществляют их медленное охлаждение с температуры горячей деформации до 500-600°C, а затем охлаждают на воздухе.
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Кроме описанных технологических режимов могут представлять практический интерес температурные режимы изотермической деформации и охлаждения заготовок после нее. При частном случае выбранного температурного режима изотермической деформации и охлаждения следует указать на временные показатели для получения ожидаемого эффекта при изменяемых значениях степени деформации. Температурный режим изотермической деформации и охлаждения заготовок после нее влияет на интенсивность протекания процесса рекристаллизации и роста зерна, а именно при первом переходе изотермической деформации заготовок элементов конструкции из жаропрочного никелевого сплава осуществляют при температуре 0,5-0,7 Тпл со скоростями деформации έ в пределах от 2×10 с до 10×10 с и со степенью деформации ε в пределах от 20 до 90%, второй переход изотермической деформации заготовок осуществляют при температуре 0,5-0,7 Тпл со скоростями деформации έ в пределах от 2×10 сдо 10×10 с и со степенью деформации ε в пределах от 20 до 90%, где Тпл - температура плавления сплава заготовок элементов конструкции, έ - скорость деформации, ε - степень деформации. После каждого перехода изотермической деформации заготовки подвергаются замедленному охлаждению с контролируемой скоростью, а затем на воздухе.
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Для реализации заявленного способа необходимо выполнение последовательности действий и режимов, представленных выше. Для наглядности может быть описан его пример, в котором используется жаропрочный деформируемый никелевый сплав ЭК61-ИД. Заготовку элемента конструкции из этого сплава перед деформацией нагревают в электропечи при температуре 980°C. После этого следует первая деформация методом прямой осадки в заготовку на заданный размер единичным обжатием со степенью деформации не менее 30-35% в установке изотермического деформирования, установленной на гидравлическом прессе и нагретой до температуры 920°C. После осадки охлаждение заготовок производится в термостате до температуры 500-600°C. Затем остывание заготовок на воздухе. Скорость деформации έ выдерживается в пределах от 2×10 с до 10×10 с. Затем снова нагревают заготовку в электропечи при 980°C и вторично осаживают ее на заданный размер единичным обжатием со степенью деформации не менее 50-60% на гидравлическом прессе в изотермическом блоке, нагретом до температуры 920°C. Охлаждение заготовки производят в термостате до температуры 500-600°C. Затем остывание на воздухе. Скорость деформации έ в пределах от 2×10 с до 10×10 с. После этого производят механическую обработку деталей и их соединение сваркой. Термообработка после сварки для снятия сварочных напряжений не выполняется. Затем осуществляют соединение элементов конструкции пайкой с последующей термообработкой на заданный уровень механических свойств. В результате обработанные и соединенные элементы конструкции получаются с мелкозернистой рекристаллизованной структурой. Данная технология позволяет получить гарантированную мелкозернистую структуру не крупнее 5 балла (реально 7-8 баллов) по шкале ГОСТ 5839, при этом исключаются наличие межкристаллических трещин в околошовной зоне технологического шва и растрескивание паяной сборной единицы по механизму жидкометаллического охрупчивания. Следует обратить внимание на то, что режим изотермической деформации и последующего охлаждения заготовок влияет на интенсивность протекания процесса рекристаллизации и роста зерна. Возможна неоднократная изотермическая деформация в иных, входящих в заявляемые пределы, режимах для заготовок других марок, однако, следует обратить внимание на то, что после каждой горячей деформации заготовок элементов конструкции осуществляют замедленное охлаждение с контролируемой скоростью, а затем на воздухе. Для реализации способа необходим гидравлический пресс изотермической штамповки с усилием до 16 МН и более, изотермический блок с температурой нагрева штампов в рабочем пространстве до 1100°C, штамповый инструмент из жаропрочных материалов (плоские или фигурные бойки), электропечь для нагрева заготовок, термостат для замедленного охлаждения заготовок после деформации.
Таким образом, использование в способе в два этапа изотермической деформации деталей с контролируемыми заданными скоростями деформации, степенью деформации, временем охлаждения, не требует термической обработки заготовок под сварку и после сварки для снятия сварочных напряжений, обеспечивает при изготовлении деталей мелкозернистую структуру, значительно уменьшает склонность к трещинообразованию в процессе сварки и пайки. При этом в процессе эксплуатации конструкций обеспечивается их более высокая работоспособность в условиях повышенных температур, давления и вибраций. Изготовленные предложенным способом конструкции имеют повышенные механические и усталостные характеристики при сохранении высокой пластичности. Кроме того, отсутствие операции закалки позволяет получить в заготовках гарантированную мелкозернистую структуру, исключить образование межкристаллических трещин в околошовной зоне технологических швов и растрескивание паяной сборочной единицы по механизму жидкокристаллического охрупчивания. При изготовлении предложенным способом паяно-сварных изделий из жаропрочных сплавов, работающих в интервале температур от -253°C до +900°C, происходит снижение вероятности образования трещин в конструкциях сложной конфигурации, повышение их прочности, надежности и долговечности. Представленная технология позволяет получить мелкозернистую структуру, уменьшается плотность зернограничных выделений упрочняющих фаз, что значительно уменьшает склонность к трещинообразованию в процессе сварки, пайки и термообработки. Кроме того, в результате реализации изобретения повышаются механические и усталостные характеристики, при этом сохраняется достаточно высокая пластичность. В результате использования предлагаемого изобретения упрощается технологический процесс изготовления конструкций сложной конфигурации из жаропрочного сплава за счет исключения операций термообработки элементов конструкции под сварку и после сварки.