СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ В ВИДЕ ДИСКОВ ИЛИ ВАЛОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ГРАНУЛИРУЕМЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
MANUFACTURING METHOD OF ITEMS IN FORM OF DISCS OR ROLLS OF GAS-TURBINE ENGINES FROM PELLETISED HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению изделий из жаропрочных никелевых сплавов типа дисков и валов современных газотурбинных двигателей методом порошковой металлургии (металлургии гранул).
Известен способ изготовления изделий из жаропрочных никелевых сплавов методом металлургии гранул, включающий вакуумную индукционную выплавку электродов, получение гранул методом распыления вращающейся заготовки, рассев полученных гранул на товарную фракцию, обычно -315+50 мкм (с размерами от 50 до 315 мкм). (В сборнике «Металлургия гранул», М: ВИЛС, выпуск I, 1983 г., стр.33-40). При этом размер используемой фракции изменяется в соответствии с нормальной кривой распределения от 50 до 315 мкм с максимальным количеством (до 80%) гранул размером от 60 до 160 мкм. В настоящее время техническими условиями размер товарной фракции установлен равным -200+50 мкм, а в некоторых случаях -140+50 мкм.
Недостатком данного способа получения изделий из гранул является снижение механических свойств (прочности при растяжении, жаропрочности, сопротивления малоцикловой усталости) из-за высокой разнозернистости, образующейся после горячего изостатического прессования и последующей термической обработки, причем тем большей, чем шире применяемый гранулометрический состав.
Известный способ изготовления изделий из жаропрочных порошковых никелевых сплавов, включающий горячее изостатическое прессование полученных распылением порошков жаропрочных никелевых сплавов, деформацию при температуре ниже температуры полного растворения γ'-фазы, рекристаллизацию выше той же температуры и деформацию при температурах ниже температуры полного растворения γ'-фазы (Г.Х.Гессингер). Порошковая металлургия жаропрочных сплавов. «Металлургия», Челябинск, 1928 г., стр.111-112) - прототип.
В результате реализации этого способа образуется так называемая «ожерельчатая» микроструктура, состоящая из вытянутых деформированных зерен, образовавшихся при высокотемпературной рекристаллизации и окруженных мелкими рекристаллизованными зернами, образующимися на втором - низкотемпературном этапе деформации и последующей закалке.
Недостатком этого способа, обеспечивающего высокие прочностные свойства при температуре до 650°С (температуре, при которой границы зерна являются упрочняющим фактором), являются низкие свойства при 750°С при испытании на растяжение, длительную прочность (жаропрочность) и сопротивление малоцикловой усталости. Кроме того, реализация этого способа предполагает использование мощных гидравлических горизонтальных прессов, а также вертикальных изотермических (а в ряде случаев вакуумных) прессов. Это делает данный способ как минимум в 2 раза более трудоемким и дорогим по сравнению с изготовлением порошковых деталей с использованием только процесса горячего изостатического прессования.
Техническая задача данного изобретения заключается в повышении прочностных характеристик - длительной прочности и сопротивления малоцикловой усталости при температуре 750°С и значительном снижении трудоемкости процесса.
Техническая цель достигается за счет того, что при изготовлении изделий из порошковых жаропрочных никелевых сплавов методом металлургии гранул, включающим получение гранул методом распыления, рассев гранул на товарную фракцию, горячее изостатическое прессование (ГИП) и термическую обработку, используют гранулометрический состав, состоящий из двух товарных фракций: -200+100 мкм и -10+5 мкм в количествах 70-95% и 5-30%, соответственно.
При засыпке гранул в формообразующую емкость (капсулу) гранулы мелкой фракции располагаются в промежутках, образованных гранулами крупной фракции. После ГИП и термической обработки образуется микроструктура, состоящая из достаточно крупных зерен γ-твердого раствора размером 30-50 мкм, окруженных гораздо более мелкими рекристаллизованными зернами размером в среднем 2-8 мкм. При этом крупные зерна образуются из гранул крупной фракции путем их рекристаллизации при нагреве в процессе ГИП и последующей термической обработке. Мелкие зерна образуются из гранул мелкой фракции, которые получены при кристаллизации с большими скоростями охлаждения (в силу своего меньшего размера) и имеют меньший по сравнению с крупными гранулами размер кристаллитов. В результате мелкие гранулы в процессе ГИП претерпевают существенную пластическую деформацию (вплоть до сверхпластичности) и в результате способствуют образованию при термической обработке мелкого рекристаллизованного зерна. Такая микроструктура определяет не только высокие прочностные свойства до 650°С из-за мелкого рекристаллизованного зерна, равномерно распределенного в объеме детали, но и значительно повышает прочностные характеристики при 750°С.
Использование гранул более крупных чем -200+100 мкм фракций, приводит к чрезмерному увеличению величины зерна твердого раствора и тем самым к снижению прочностных характеристик при температуре испытания до 650°С.
Применение фракции гранул менее чем -10+5 мкм способствует получению после термической обработки чрезвычайно мелкого зерна и снижению прочностных характеристик при 750°С.
Заявленные весовые количества гранул крупной и мелкой фракции находятся в пропорции к объемной доле образующегося крупного и мелкого зерна твердого раствора и соответствует оптимальному соотношению прочностных характеристик при 650 и 750°С.
Реализация предложенного способа сокращает более чем в 2 раза трудозатраты на производство изделий из легированных гранулируемых жаропрочных сплавов с повышенными прочностными характеристиками. Кроме того, отпадает необходимость в использовании, а в ряде случаев и в приобретении дорогостоящих мощных горизонтальных и вертикальных (возможно изотермических или вакуумных) гидравлических процессов.
Пример:
Методом металлургии гранул, включающим получение гранул из сплава ЭП741НП, методом распыления, размером -200 мкм, рассев с использованием стандартных сеток для получения товарных фракций: -200+100 мкм и -10+5 мкм, засыпку в формообразующую капсулу, ГИП и последующую термическую обработку (закалку и старение), изготовили заготовки дисков. Гранулы размером -200+50 мкм по способу-прототипу засыпали в количестве 100%. Гранулу двух фракций - крупной и мелкой по предлагаемому способу засыпали в количестве 70-95% и 5-30% соответственно. В таблице приведены механические свойства, полученные из материала изготовленных заготовок дисков.
Таблица
Средние значения механических свойств заготовок, изготовленных по предлагаемому способу и способу-прототипу из гранул сплава ЭП741НП.
Способ изготовления
Температуры используемых гранул
Механические свойства
Т=20°С
<img file="00000001.tif" he="9" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="9" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="9" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000004.tif" he="9" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
час
час
число циклов
число циклов
Фракция
-200+100 мкм
-70% (по весу);
1421
990
408
401
6524
7848
Фракции
-10+5 мкм
-30% (по весу)
Фракция
-200+100 мкм
Предлагаемый способ
-85%(по весу);Фракции
1402
985
370
350
5729
7320
-10+5 мкм
-15% (по весу)
Фракция
-200+100 мкм
-95% (по весу);
1362
982
365
462
5211
8092
Фракции
-10+5 мкм
-5% (по весу)
Способ-
Фракция
прототип
-200+50 мкм
1400
982
380
90
6020
2110
-100% (по весу)
в
0,2
Из таблицы видно, что длительная прочность  и сопротивление малоцикловой усталости, выраженное в числе циклов до разрушения  при температуре испытания 750°С, заготовок, изготовленных по предлагаемому способу, в 3-4 раза выше аналогичных характеристик заготовок, изготовленных по способу-прототипу. При этом характеристики прочности σ и σ при 20°С, а также длительная прочность и сопротивление малоцикловой усталости ( и ) соответственно при 650°С остаются на высоком уровне, равном уровню, полученному на заготовках, изготовленных по способу-прототипу.
Применение предлагаемого способа для изготовления дисков и валов современных газотурбинных двигателей позволяет повысить их ресурс не менее чем на 30-40%.
Кроме того, изготовление заготовок из гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов по предлагаемому способу, создавая необходимую структуру без применения двухстадийной операции деформации с использованием мощных горизонтальных и вертикальных (изотермических) прессов, более чем в 2 раза снижает трудоемкость производства.