СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из высокожаропрочных деформируемых никелевых сплавов, в частности заготовок дисков газотурбинных двигателей (ГТД).
Диски газотурбинных двигателей являются одними из самых высоконагруженных деталей двигателей и к ним предъявляются повышенные требования надежности. Обеспечение этих требований возможно при получении в штампованных заготовках дисков с однородной (регламентированной) структурой с размером микрозерна не более 15 мкм. Горячая штамповка в штампах, нагретых до температур 400-700°C, не обеспечивает однородной микроструктуры по объему штампованных заготовках дисков из-за высокого градиента температур между заготовкой и штампом, а также имеет низкий коэффициент использования металла (КИМ) из-за дефектов поверхности штамповок.
Обеспечить требуемую структуру в штампованных заготовках дисков и повысить КИМ позволяет изотермическая штамповка с малыми скоростями деформации. Высокожаропрочные сплавы имеют температуру деформации от 1030 до 1150°C. Для изотермической штамповки в этом диапазоне температур использование никелевых сплавов в качестве штампового инструмента невозможно из-за низкой стойкости материала штампов.
Известен способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий получение литой заготовки под деформацию направленной кристаллизацией в керамической форме, предварительную штамповку заготовки проводят осадкой за два или более перехода в закрытом контейнере в изотермических условиях (подпрессовкой), при этом постоянная температура деформации (изотермические условия) обеспечиваются термической изоляцией. Окончательную штамповку проводят в интервале температур от  до  (RU №2215059, опубл. 27.10.2003, C22F 1/10).
Недостатком данного способа является высокая трудоемкость процесса, связанная с изготовлением индивидуальных керамических форм и многопереходной штамповкой, невозможность получения крупногабаритных заготовок. Использование термической изоляции приводит к снижению коэффициента использования металла и недостаточной однородности структуры.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения изделия из жаропрочных сплавов на никелевой основе Rene™ 88 DT и МЕ3 с требуемыми свойствами методом штамповки на воздухе в изотермических условиях.
-1
Способ включает получение исходных заготовок методом прессования слитка или компактированной порошковой заготовки требуемого химического состава; нагрев деформируемой заготовки на воздухе до температуры от 927°C (1700°F) до температуры примерно 1010°C (1850°F), нагрев штампов на воздухе до температуры от 927°C (1700°F) до температуры примерно 1010°C (1850°F); штамповку в открытых штампах, нагретых до температуры нагрева штампуемой заготовки, со скоростью деформации не более чем 0,010 с; штамповку проводят в штампах, изготовленных из любого суперсплава на основе никеля, материал которого имеет предел ползучести не ниже напряжения течения металла штампуемой заготовки при выбранных температуре и скорости штамповки; после окончательной или промежуточной штамповки проводят отжиг выше температуры растворения  (US №908519, опубл. 21.06.2005, С22С 1/10).
Способ-прототип имеет следующие недостатки:
- невозможность нагрева на воздухе штампов на основе никелевого суперсплава выше температуры 1010°C, что связано со снижением ползучести по сравнению с напряжением течения металла штампуемой заготовки и высокой окисляемостью при температурах выше 1010°C. Для изотермической штамповки в условиях сверхпластичности серийных высокожаропрочных сплавов на никелевой основе, таких как ЭП742ИД, ЭК151ИД, ЭП975 ИД и др. требуются температуры от 1050 до 1150°C. Суперсплавы на никелевой основе для применения в качестве штамповой оснастки не обеспечивают удовлетворительную работоспособность при этих температурах;
- нагрев на воздухе заготовок из сплава на никелевой основе выше температуры 1010°C сопровождается сильным окислением заготовки, что требует дополнительной механической обработки и снижает коэффициент использования металла;
- промежуточный отжиг при многопереходной штамповке выше  приводит к росту зерна в заготовке первого перехода и не обеспечивает однородности структуры по всему объему сложнопрофильных штамповок, полученных на заключительной стадии штамповки;
- применение открытой штамповки без бокового подпора металла (фигура 2) приводит к образованию больших радиусов на боковой поверхности штамповок и больших уклонов при оформлении сложной гравюры штампа (фигура 3), снижает коэффициент использования металла и увеличивает объем механической обработки;
- отсутствие гомогенизационного отжига выше  (особенно при использовании слитка) приводит к неоднородности химического состава и структуры в прессованных полуфабрикатах.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения изделий типа штамповок дисков ГТД из высокожаропрочных никелевых сплавов с однородной регламентированной структурой в сложнопрофильных штамповках (с большой разницей степеней деформации по сечению штамповок) и стабильным уровнем свойств, снижение усилий штамповки за счет реализации эффекта сверхпластичности, повышение коэффициента использования металла.
Технический результат заявленного изобретения заключается в разработке способа изготовления штамповок дисков ГТД из высокожаропрочных сплавов на никелевой основе с однородной (регламентированной) структурой методом изотермической штамповки на воздухе при температурах 1030 до 1150°С.
γ'
γ'
-1
Для достижения поставленного технического результата предложен способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий получение прессованной заготовки путем прессования исходной заготовки в виде слитка или компактированной порошковой заготовки, нагрев прессованной заготовки на воздухе и последующую штамповку за один или несколько переходов на воздухе в штампах, нагретых до температуры нагрева заготовки, и отжиг после штамповки. Перед прессованием проводят гомогенизационный отжиг исходной заготовки при температуре выше температуры растворения γ'-фазы (Тпр), перед штамповкой проводят отжиг полученной прессованной заготовки при температуре ниже Тпр. При этом перед каждым нагревом перед штамповкой на заготовку наносят защитное технологическое покрытие и нагревают на воздухе до температуры от 1030 до 1150°С. Штамповку на воздухе проводят с переменной скоростью деформации заготовки от 0,02 до 0,1 с в штампе.
γ'
Предпочтительно при многопереходной штамповке после каждого перехода проводят промежуточный отжиг ниже температуры полного растворения γ'-фазы (Тпр). Штамповку проводят в закрытом штампе, извлечение штамповки из штампа осуществляется выталкивателем.
Проведение гомогенизационного отжига при температуре выше растворения γ'-фазы перед получением прессованной заготовки из слитка или компактированной порошковой заготовки позволяет получать однородный химический состав и структуру в прессованных полуфабрикатах, предназначенных для последующей штамповки.
Отжиг перед штамповкой мерной исходной заготовки при температуре ниже температуры полного растворения  обеспечивает равномерное распределение
-1
-1
Штампы должны иметь предел ползучести материала не менее чем напряжение течения металла деформированной заготовки из высокожаропрочных сплавов на никелевой основе и низкую окисляемость на воздухе, что позволяет реализовать процесс изотермической штамповки с использованием эффекта сверхпластичности при штамповке на воздухе при температурах от 1030 до 1150°C, что позволяет проводить изотермическую штамповку на воздухе дисков ГТД из высокожаропрочных сплавов, таких как ЭП742-ИД, ЭК151-ИД, ЭП975-ИД и др. Изотермическая штамповка позволяет получить в штамповках дисков ГТД однородную (регламентированную) структуру, стабильный уровень свойств, обеспечивает снижение усилий штамповки, повышение коэффициента использования металла. Штамповка с переменной скоростью деформации от 0.02 до 0.1 с позволяет повысить производительность процесса штамповки, при этом снижение скорости деформации на заключительном этапе штамповки до 0.02 - 0.05 с позволяет реализовать эффект сверхпластичности и снизить усилия штамповки.
Нанесение защитного технологического покрытия на всех стадиях штамповых переходов при нагреве штампуемой заготовки на воздухе при температуре от 1030 до 1150°C позволяет снизить окисляемость заготовок и повысить коэффициент использования металла за счет уменьшения припуска на механическую обработку, а также дополнительно снизить усилия штамповки.
Проведение при многопереходной штамповке после каждого перехода промежуточного отжига при температуре ниже температуры полного растворения  позволяет повысить равномерность распределения упрочняющей  и сформировать более однородную структуру в штамповках.
Применение закрытой штамповки (с боковым подпором металла) уменьшает радиус на боковой поверхности штамповок и уклоны при оформлении сложной гравюры штампа, что повышает коэффициент использования металла и снижает объем механической обработки.
Пример использования: диск ГТД из высокожаропрочного никелевого сплава с развитой ступицей и мелкозернистой регламентированной структурой.
Пример 1.
-1
-1
Для осуществления предложенного способа использовали высокожаропрочный никелевый сплав ЭП742-ИД, из которого изготавливали заготовку диска ГТД с диаметром дисковой части 220 мм и двойной ступицей с высотами по 35 мм. Перед прессованием проводили гомогенизационный отжиг слитка при температуре выше растворения  Прессование проводили из слитка диаметром 320 мм на диаметр пресс-прутка 150 мм с последующей резкой на мерные заготовки. Перед нагревом мерной исходной заготовки проводили отжиг при температуре на 10-60°C ниже температуры полного растворения  Штампы нагревали на воздухе до температуры 1030°C в установке УИДИН-250, установленной на специализированном прессе с усилием 630 т.с. Нагрев штампуемой заготовки проводили на воздухе при температуре 1030°C. Перед нагревом на заготовку наносили защитное технологическое покрытие на основе стеклоэмали с добавлением оксидов металлов. Первый штамповый переход проводили с переменной скоростью от 0.04 до 0.1 с. После штамповки проводили промежуточный отжиг при температуре ниже температуры полного растворения  Нагрев заготовки и штампов под второй штамповый переход проводили на воздухе при температуре 1050°C. Перед нагревом на заготовку наносили защитное технологическое покрытие. Штамповку проводили с переменной скоростью от 0.02 до 0.1 с в закрытом штампе, а извлечение штамповки из штампа осуществляли выталкивателем.
Технологические характеристики процесса изотермической деформации и размер зерна штамповок представлены в таблице 1.
Пример 2.
-1
-1
Для осуществления предложенного способа использовали высокожаропрочный никелевый сплав ЭК151-ИД, из которого изготавливали заготовки диска ГТД с диаметром дисковой части 220 мм и двойной ступицей с высотами по 35 мм. Перед прессованием проводили гомогенизационный отжиг слитка при температуре выше растворения  Прессование проводили из слитка диаметром 320 мм на диаметр пресспрутка 150 мм с последующей резкой на мерные заготовки. Перед нагревом мерной исходной заготовки проводили отжиг при температуре ниже температуры полного растворения  Штампы нагревали на воздухе до температуры 1100° в установке УИДИН-250, установленной на специализированном прессе усилием 630 т.с. Нагрев деформируемой заготовки проводили на воздухе при температуре 1100°C. Перед нагревом на заготовку наносили защитное технологическое покрытие на основе стеклоэмали с добавлением оксидов металлов. Штамповку первого перехода проводили с переменной скоростью от 0.02 до 0.1 с. После штамповки проводили промежуточный отжиг при температуре ниже температуры полного растворения  Нагрев заготовки и штампов под штамповку второго перехода проводили на воздухе при температуре 1100°C. Перед нагревом на заготовку наносили защитное технологическое покрытие. Штамповку проводили с переменной скоростью от 0.02 до 0.1 с в закрытом штампе, а извлечение штамповки из штампа осуществляли выталкивателем.
Пример 3.
-1
-1
Для осуществления предложенного способа использовали высокожаропрочный никелевый сплав ЭП975-ИД, из которого делали заготовку диска ГТД с диаметром дисковой части 220 мм и двойной ступицей с высотами по 35 мм. Перед прессованием проводили гомогенизационный отжиг слитка при температуре выше растворения  Прессование проводили из слитка диаметром 320 мм на диаметр пресс-прутка 150 мм с последующей резкой на мерные заготовки. Перед нагревом мерной исходной заготовки проводили отжиг при температуре ниже температуры полного растворения  Штампы нагревали на воздухе до температуры 1150°C в установке УИДИН-250, установленной на специализированном прессе усилием 630 т.с. Нагрев штампуемой заготовки проводили на воздухе при температуре 1150°C. Штамповку первого перехода проводили с переменной скоростью от 0.02 до 0.1 с. После штамповки проводили промежуточный отжиг при температуре ниже температуры полного растворения  Нагрев заготовки и штампов под штамповку второго перехода проводили на воздухе при температуре 1130°C. Перед нагревом на заготовку наносили защитное технологическое покрытие на основе стеклоэмали с добавлением оксидов металлов. Штамповку проводили с переменной скоростью от 0.02 до 0.1 с в закрытом штампе, а извлечение штамповки из штампа осуществляли выталкивателем.
Технологические характеристики процесса изотермической деформации и размер зерна штамповок и представлены в таблице 1.