СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF SURFACE STRENGTHENING OF DETAILS MADE OF HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOY

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам химико-термической обработки деталей из жаропрочных сплавов, и может быть использовано, например, для увеличения прочности и долговечности лопаток турбин газотурбинных двигателей.
Для защиты высокотемпературных деталей турбин газотурбинных двигателей применяются жаростойкие покрытия, которые обладают высокой стойкостью против химического разрушения газовой средой, но при этом имеют низкие механические свойства (пластичность и сопротивление термической усталости). В связи с этим возникает проблема повышения механических свойств материала, применяемого в качестве защитных покрытий.
Известен способ упрочнения покрытий деталей из жаропрочных никелевых сплавов (SU 1788084 А1, 15.01.1993) - прототип, включающий термомеханическую обработку и рекристаллизационный отжиг покрытия. В данном способе термомеханическую обработку осуществляют путем вибрационного воздействия на поверхностный слой деталей металлическими шариками в температурном интервале от температуры перехода покрытия из хрупкого состояния в пластичное до температуры закалки металла основы, а рекристаллизационный отжиг проводят в температурном интервале от температуры начала рекристаллизации покрытия до температуры закалки металла основы. Термомеханическую обработку деталей осуществляют на вибрационной установке стальными или никелевыми шариками при таких температурах, когда покрытия находятся в пластичном состоянии, с последующим рекристаллизационным отжигом для формирования мелкозернистой структуры.
Недостатками указанного способа является то, что, во-первых, этот способ не позволяет проводить упрочнение покрытий в труднодоступных местах поверхности деталей. Например, для охлаждаемых лопаток газовых турбин труднодоступными являются внутренние полости, щели, каналы, отверстия перфорации, которые будучи естественными концентраторами напряжений, являются часто основной причиной преждевременного разрушения деталей в эксплуатации и нуждаются в применении эффективных способов поверхностного упрочнения. Таким образом, указанный способ позволяет проводить упрочнение покрытий только на наружных поверхностях деталей. Во-вторых, применение вибрационных установок в сочетании с нагревательными печными устройствами, необходимыми для нагрева деталей, резко сокращает срок службы нагревательных печей из-за разрушения хрупких керамических теплоизолирующих материалов.
Техническим результатом заявленного способа является повышение механических свойств, прежде всего усталостной прочности деталей из жаропрочных сплавов, а также повышение долговечности покрытия.
1
2
1
2
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе упрочнения покрытий деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включающем термомеханическую обработку и рекристаллизационный отжиг покрытия, термомеханическую обработку покрытия осуществляют путем горячего изостатического прессования в инертной газовой среде при температуре Т, выбираемой в интервале T<T<T, где T - критическая температура хрупкости покрытия, Т - температура, при которой происходит разупрочнение жаропрочных никелевых сплавов, и при величине давления 30-150 МПа.
При этом после рекристаллизационного отжига на поверхность детали может быть нанесен слой покрытия, содержащий алюминий, толщиной 5-20 мкм.
Слой покрытия, содержащий алюминий, толщиной 5-20 мкм может быть нанесен на поверхность детали перед рекристаллизационным отжигом.
1
2
1
2
Осуществление в способе упрочнения покрытий деталей из жаропрочных никелевых сплавов термомеханической обработки покрытия путем горячего изостатического прессования (ГИП) в инертной газовой среде при температуре Т, выбираемой в интервале Т<Т<т, где T - критическая температура хрупкости покрытия, Т - температура, при которой происходит разупрочнение жаропрочных никелевых сплавов, и при величине давления 30-150 МПа позволяет увеличить плотность дислокаций и измельчения зерна структуры покрытий, что повышает механические свойства, прежде всего усталостную прочность деталей из жаропрочных сплавов, а также позволяет повысить долговечность покрытия, что соответственно увеличивает ресурс работы деталей.
Упрочнение защитных жаростойких покрытий осуществляется за счет микропластической деформации материала покрытия под воздействием внешнего давления при высокой температуре и развития процессов диффузии химических компонентов покрытия. В результате некомпенсированных встречных диффузионных потоков материала покрытия на металлической основе в условиях отсутствия внешнего давления образуется диффузионная пористость. Под воздействием внешнего давления на операции ГИП полностью подавляется процесс порообразования и происходит микропластическая деформация, приводящая к измельчению структуры покрытия и дополнительному упрочнению. Получаемое покрытие обеспечивает надежную защиту от газовой коррозии, что повышает его долговечность при эксплуатации деталей.
1
2
1
2
2
ГИП покрытий может быть осуществлено в газостатах, где в качестве рабочего тела используется инертный газ, например аргон, при температурах, находящихся выше температуры Т перехода металла покрытий из хрупкого в пластическое состояние и не превышающих максимальной температуры Т, при которой происходит разупрочнение жаропрочных сплавов. Температура хрупкости покрытия зависит от содержания алюминия в нем (см. Н.В.Абраимов. Высокотемпературные материалы и покрытия для газовых турбин. М.: Машиностроение, 1993 г.). Так, например, при 31% содержании алюминия в покрытии температура Т составит 825°С, при 25% содержании алюминия в покрытии - 750°С. Для каждого сплава Т разная, например для сплава ЖС6У Т составляет 1025°С, для сплава ЖС32 - 1100°С.
1
2
При температуре T<Т покрытие переходит из пластического состояния в хрупкое, что может привести к разрушению детали, а при T>Т нарушается структура сплава и ухудшаются характеристики прочности, такие как длительная прочность, ползучесть, выносливость и т.д.
ГИП покрытий осуществляется при давлении газа от 30 до 150 МПа. Выбор указанного диапазона давления при ГИП обусловлен тем, что давление газа менее 30 МПа не обеспечивает заметного измельчения зерна структуры покрытия, а при давлении больше 150 МПа в результате интенсивной горячей пластической деформации наблюдается образование дефектов поверхностного слоя покрытия в виде вспучивания и фрагментации.
Для формирования мелкозернистой структуры покрытий после горячего изостатического прессования проводят рекристаллизационный отжиг в интервале температур: выше температуры начала рекристаллизации сплава покрытия, но не выше температуры начала разупрочнения никелевых сплавов. Кроме того, до рекристаллизационного отжига и после него на внешнюю поверхность деталей может быть нанесен слой покрытия, содержащий алюминий (наиболее оптимальным является содержание алюминия более 70% от общего соотношения компонентов сплава), в том числе и слой покрытия из алюминия. В результате на внешней поверхности деталей формируется слой покрытия с субмелкозернистой структурой, который обеспечивает эффект дополнительного повышения на 30-40% долговечности при воздействии на деталь эксплутационных термомеханических нагрузок.
При этом толщина наносимого слоя покрытия, содержащего алюминий, должна быть 5-20 мкм. Данный диапазон обусловлен тем, что при толщине слоя алюминийсодержащего покрытия менее 5 мкм не наблюдается заметного увеличения циклической долговечности покрытия, а при толщине больше 20 мкм происходит уменьшение циклической долговечности покрытия.
Таким образом, заявленный способ упрочнения деталей из жаропрочных сплавов позволяет для деталей, конструкция которых имеет труднодоступные поверхности, например для охлаждаемых лопаток газовых турбин, получить на поверхности полостей, каналов, отверстий перфорации, щелей мелкозернистую структуру покрытия, а на внешней поверхности создается двухслойная структура покрытия с внешним слоем, имеющим субмелкозернистую структуру. В результате полученное комбинированное покрытие обеспечивает повышение сопротивления термической усталости деталей в 1,5-2 раза.
Пример. Охлаждаемые лопатки турбины из жаропрочных сплавов ЖС6У-ВИ с диффузионным покрытием, полученным алитированием в газовой среде, содержащей алюминий и хлорид алюминия, при температуре 1000°С в течение 4 часов, подвергали горячему изостатическому прессованию при температуре 1000°С и давлении 150 МПа в течение 4 часов в среде аргона. После горячего изостатического прессования проводили рекристаллизационный отжиг в вакууме при температуре 1000°С в течение 2 часов. Под действием напряжений в покрытии протекает пластическая деформация, увеличивается концентрация дислокаций, формируется мелкозернистая субзеренная структура. Затем на внешнюю поверхность лопаток методом электродугового катодного распыления наносили слой покрытия толщиной 15 мкм из сплава на основе алюминия, содержащего 5,0% кремния и 1,65% иттрия (алюминий - остальное до 100%). В результате получили комбинированное покрытие, имеющее измельченную зернистую структуру покрытия на внешней поверхности и в полостях лопаток газовых турбин.
Далее лопатки с полученным защитным покрытием подвергли испытаниям на термостойкость на газодинамическом стенде путем нагрева до температуры 1050°С за 10 сек, выдержки в течение 10 сек и охлаждения до температуры 300°С в течение 10 сек. Испытания лопаток, имеющих защитное покрытие, полученное после проведения заявленной комплексной обработки, показали увеличение циклической долговечности в 1,5-2 раза по сравнению с лопатками из тех же сплавов, защитное покрытие которых было получено другими способами.