СПОСОБ ТЕРМООБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ
METHOD OF HEAT TREATMENT OF DETAILS OF HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS FOR INCREASING RESISTANCE OF LOW-CYCLE FATIGUE

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, в частности к термообработке жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве деталей газотурбинных двигателей (дисков, валов и др.), работающих в условиях жесткого циклического нагружения.
Известны способы (патенты РФ №2164262 и US 2009/0308508) термообработки деталей из жаропрочных никелевых сплавов, которые заключаются в том, что деталь, после проведения нагрева в однофазной области (выше сольвуса), медленно охлаждается до температуры следующей операции: закалки из двухфазной области, как описано в патенте РФ №2164262, или старения, как описано в патенте US 2009/0308508.
Общим недостатком этих способов является низкий уровень всех механических характеристик из-за медленного охлаждения после нагрева в однофазной области.
Известен способ термообработки деталей из жаропрочных никелевых сплавов, содержащих 40-70% упрочняющей γ'-фазы.
Способ заключается в том, что деталь подвергается нагреву при температуре на 3-22°С выше температуры сольвуса (однофазная область) в течение 0,25-2 ч (патент US №7138020 - прототип).
Недостатком этого способа являются низкие характеристики сопротивления малоцикловой усталости (МЦУ), прочности и жаропрочности из-за формирования крупных выделений упрочняющей γ'-фазы.
С целью устранения перечисленных недостатков предлагается способ термообработки, включающий нагрев на 5-25°С выше температуры сольвуса, охлаждение со скорость более 20°С/мин и три ступени старения с последовательным понижением температуры от 910°С до 700°С.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что нагрев в однофазной области проводят в течение 3-4 часов, охлаждение после нагрева проводят со скоростью выше 20°С/мин и старение проводят в три ступени: 910°С, выдержка 3 часа; 750°С, выдержка 8 часов, и 700°С, выдержка 17 часов.
Технический результат - более высокие характеристики сопротивления МЦУ, прочности и жаропрочности при рабочих температурах и, как следствие, увеличение ресурса и надежности деталей, работающих в условиях жесткого циклического нагружения, при снижении их массы.
Это достигается тем, что более длительный нагрев в однофазной области и охлаждение со скоростью выше 20°С/мин способствует равномерному выделению в объеме детали мелких частиц γ'-фазы, размером до 0,1 мкм. А последующие три ступени старения при понижающихся температурах формируют на основе выделившихся частиц равномерно распределенные частицы оптимального для жаропрочности размера 0,20-0,35 мкм и способствуют дополнительному выделению из твердого раствора мелких упрочняющих частиц γ'-фазы размером 0,05-0,08 мкм, которые обеспечивают одновременно высокий уровень сопротивления МЦУ и прочности термообработанной детали. Все это увеличивает ресурс и надежность детали, работающей в условиях жесткого циклического нагружения и дает возможность снизить массу детали.
Предлагаемым способом была термообработана заготовка диска газотурбинного двигателя, изготовленная из гранул жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП.
По способу-прототипу также была термообработана аналогичная заготовка диска из гранул сплава ЭП741НП.
Результаты испытаний механических свойств заготовок, термообработанных предлагаемым способом и способом-прототипом при температуре 20°С и рабочей температуре 650°С, проведенных по стандартным методикам испытания, представлены в таблице.
Механические свойства при 20°С
При 650°С
Предел прочности σ<sub>В</sub>
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>
Относительное удлинение δ
Относительное сужение ψ
Жаропрочность (длительная прочность) σ<sup>100</sup>
МЦУ σ<sub>N</sub>=10<sup>4</sup>f=1 Гц
МПа
%
МПа
Предлагаемый
1570
1060
17,2
18,9
1030
1050
Прототип
1440
960
17,5
18,8
950
980
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение сопротивления МЦУ на 6-8%, прочности на 8-12% и жаропрочности на 8-10% при сохранении высокого уровня пластичности.
В результате этого, применение предлагаемого способа термообработки в производстве деталей, работающих в условиях жесткого циклического нагружения, например дисков ГТД, позволит за счет более высокого сопротивления МЦУ, высокой прочности и жаропрочности увеличить ресурс работы двигателя в 1,2-1,4 раза, повысить его эксплуатационную надежность и снизить массу на 8-10%.