СПОСОБ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК С МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ ГОРЯЧИМ ИЗОСТАТИЧЕСКИМ ПРЕССОВАНИЕМ
TREATMENT METHOD OF MOULDINGS WITH SINGLE-CRYSTAL FROM HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS BY HOT ISOSTATIC PRESSING

Изобретение относится к области металлургии, а именно к уплотнению с помощью горячего изостатического прессования (ГИП) отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов ЖС30, ЖС32, ЖС36, ЖС40, ЖС47 и др.
Отливки из жаропрочных никелевых сплавов, даже полученные методом направленной кристаллизации и имеющие монокристаллическую структуру, характеризуются наличием в них усадочных микропор. Причиной образования усадочных микропор является различие объемов сплава в жидком и твердом состояниях, а также дефицит жидкого сплава в отдельных участках фронта кристаллизации. Такие микропоры располагаются в зонах межосного пространства монокристалла и соседствуют, как правило, с эвтектическими образованиями сплава типа γ (твердый раствор)+γ' (частицы упрочняющей фазы) и γ+γ'+MC (карбидные частицы). Размер микропор в зависимости от скорости кристаллизации колеблется от нескольких микрон до нескольких десятков микрон. Применение высокоградиентной направленной кристаллизации (190-200 град/см) значительно уменьшает размер и объемную долю микропор в отливках, но не устраняет их полностью. Усадочная микропористость в отливках снижает их служебные характеристики (усталостную прочность, термоциклическую выносливость и др.). Эффективным способом устранения внутренних усадочных пор является использование ГИП, которое широко применяется в мировой практике для уплотнения отливок с равноосной структурой из разнообразных сплавов.
Обработка отливок заключается во всестороннем их сжатии в специальных установках (газостатах) рабочей газообразной или жидкой средой (чаще всего аргоном) при определенных значениях температуры, давления и времени выдержки. Температура нагрева отливок должна быть достаточной для приведения их материала в пластическое состояние. При воздействии давления рабочей среды в местах расположения внутренних, т.е. не сообщающихся с наружной атмосферой, пустот в виде раковин или пор происходит пластическая деформация материала отливки, которая заканчивается смыканием стенок раковины или поры и последующим диффузионным сращиванием. В результате такой обработки отливка приобретает плотность, сопоставимую с плотностью поковки или штамповки. И как следствие этого увеличиваются механические свойства материала отливки и служебные характеристики литой детали.
Обработка отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов с применением ГИП не получила должного распространения. Причиной этому является опасность образования при пластической деформации в месте расположения раковин или пор рекристаллизованных зерен. Появление в монокристаллической отливке подобных зерен снижает ее работоспособность.
Известен способ обработки отливок с монокристаллической структурой из сплава ЖС36 с использованием ГИП (А.А.Иноземцев, А.С.Коряковцев, В.П.Лесников, В.И.Кузнецов. Горячее изостатическое прессование монокристаллических рабочих отливок (лопаток ТВД из сплава ЖС36-ВИ [001]). Труды международной конференции. М.: «ВИАМ», 2006, с.299-301).
По этому способу обработка лопаток с монокристаллической структурой осуществляется по следующему режиму: температура нагрева лопаток 1310-1320°С, давление аргона 180-190 МПа, время выдержки 3 часа, затем быстрое охлаждение лопаток до температуры 1026°С.
Данный режим обработки, по заявлению авторов, обеспечивает практически полное устранение внутренних усадочных микропор в лопатках. О появлении или отсутствии в структуре лопаток после уплотнения рекристаллизованных зерен в этой работе не отмечается. Выбранная температура нагрева лопаток (1310-1320°С) превышает температуру локального оплавления эвтектики типа γ+γ' и температуру полного растворения γ'-фазы.
Для сплава ЖС36 температура полного растворения γ'-фазы и температура локального оплавления эвтектики γ+γ' составляет, соответственно, 1296 и 1306°С (Машиностроение. Энциклопедия. Т.11-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. М.: «Машиностроение», 2001, с.523, табл.5.1.2).
Таким образом, данный режим обработки может сопровождаться оплавлением эвтектических образований типа γ+γ' в структуре монокристалла, вследствие чего в лопатках при указанной температуре возможно присутствие глобулей расплавившейся эвтектики. Кристаллизации этих глобулей в процессе охлаждения после завершения режима ГИП будет сопутствовать появление некоторой остаточной пористости.
Согласно таблице (Машиностроение. Энциклопедия. Т.11-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. М.: «Машиностроение», 2001, с.523, табл.5.1.2) для большинства отечественных и зарубежных жаропрочных никелевых сплавов для монокристаллического литья температура полного растворения первичной γ'-фазы находится в пределах 1245-1304°С, а температура локального оплавления в пределах 1272-1325°С.
Температура локального оплавления может снизиться на 20-50°С вследствие того, что в сплавах для монокристаллического литья допускается содержание небольшого количества углерода.
Компоненты сплавов, такие как Nb, Та, Мо, Со, W, Ni, могут образовывать карбиды, которые будут участвовать в формировании сложной эвтектики типа γ+γ'+МС с пониженной температурой плавления, чем у эвтектики γ+γ'.
Вероятность возникновения подобных микропор подтверждается результатами исследований структуры монокристаллических лопаток из сплава ЖС47 после термической обработки (Е.Н.Каблов, Ю.А.Бондаренко, В.А.Сурова, А.Б.Ечин. Высокоградиентная технология направленной кристаллизации лопаток ГТД из современных жаропрочных сплавов. Труды международной конференции. М.: «ВИАМ», 2006, с.257-263). После термической обработки с гомогенизацией при температуре 1335°С монокристаллических отливок из сплава ЖС47 в месте расположения эвтектики γ+γ' были зафиксированы округлой формы микропоры размером около 12 мкм.
Следовательно, уплотнение отливок по описанному способу может сопровождаться двумя процессами: 1) устранением усадочных (литейных) микропор и 2) образованием микропор в местах оплавления эвтектических скоплений. Расплавившиеся эвтектики типа γ+γ' и γ+γ'+MC под воздействием всестороннего сжатия приобретают шарообразную форму (глобули) и находятся в жидком состоянии на протяжении всего процесса уплотнения. По окончании процесса на стадии снижения температуры жидкая эвтектика кристаллизуется с уменьшением объема при переходе в твердое состояние и естественным возникновением поры в этом месте. Однако величины давления аргона и времени его воздействия оказывается недостаточным для «залечивания» таких пор, и они остаются в лопатках после завершения процесса.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ обработки отливок с монокристаллической структурой, предотвращающий образование рекристаллизованной структуры (патент США №4,743,312 C21D 1/78 от 10.05.1988 г.), принятый за прототип,
По данному патенту обработка турбинных монокристаллических лопаток из жаропрочного никелевого сплава Monoloy 454 (мас.%: 12 Та, 10 Cr, 5 Со, 5 Al, 4 W, 1,5 Ti, ≤0,02 С, ≤0,007 Zr, ост. Ni) в целях практически полного исключения или значительного уменьшения количества рекристаллизованной структуры производится по следующему режиму: температура нагрева отливок на всем протяжении режима 2350°F (1288°С), давление при достижении этой температуры сначала соответствует 5000 psi (34,5 МПа) на протяжении 1-2 часов, затем давление увеличивается со скоростью 60-80 psi/min (0,4-0,6 МПа/мин) до величины 15000 psi (103,5 МПа), выдержка при температуре 2350°F (1288°С) и этом давлении около 4 часов. Затем следует уменьшение температуры и давления до обычных величин, хотя об этом в патенте не указывается. Подъем давления от 5000 psi (34,5 МПа) до 15000 psi (103,5 МПа) требует времени около 2 часов, следовательно, общая длительность процесса ГИП (до начала охлаждения) по патенту составляет около 8 часов.
Температура ГИП по патенту соответствует температуре полного растворения первичной γ'-фазы, но может превышать температуру оплавления сложной эвтектики типа γ+γ'+MC. Образование такой эвтектики возможно, поскольку в сплаве содержатся карбидообразующие компоненты Та, Со, W и Ni, а содержание углерода достигает 0.02%.
Кроме того, в описании патента отмечено, что после осуществления режима уплотнения отливки приобретают достаточную плотность (т.е. в них присутствует какое-то количество остаточных пор, возможно в местах оплавления эвтектики γ+γ'+MC) и лопатки не имеют существенной рекристаллизации (т.е. рекристаллизованная структура все же присутствует в каких-то незначительных количествах).
Таким образом, к недостаткам прототипа можно отнести возможность оплавления эвтектических образований типа γ+γ'+МС в структуре монокристалла из-за высокой температуры газостатирования, при которой происходит появление остаточной пористости в отливках на стадии охлаждения, наличие в отливках некоторого количества рекристаллизованной структуры, а также большую длительность процесса (8 часов). По-видимому, это обусловлено тем, что длительная выдержка при температуре газостатирования приводит не только к растворению первичных частиц γ'-фазы, но и росту частиц γ'-фазы, входящих в состав эвтектик. При этом возрастает сопротивление пластической деформации при «захлопывании» микропор и как следствие этого возникновение в этих зонах монокристалла отливок рекристаллизованных зерен.
Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа обработки отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов горячим изостатическим прессованием, обеспечивающего устранение усадочных микропор или уменьшение до допустимого уровня их размера и количества, не вызывающего оплавления включений сложных эвтектик типа γ+γ'+MC и образования вторичной пористости, а также исключающего появление в объеме монокристалла рекристаллизованных зерен.
Ожидаемый технический результат заключается в повышении механических свойств материала отливок с монокристаллической структурой и служебных характеристик самих отливок при одновременном уменьшении длительности процесса.
Для решения поставленной задачи обработку отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов проводят горячим изостатическим прессованием, включающим обработку отливок по двухступенчатому режиму, при этом на первой ступени отливки нагревают до температуры 950-1075°С и выдерживают при этой температуре и давлении рабочей среды 100-150 МПа в течение 0,75-2 ч, на второй ступени отливки нагревают до температуры на 10-50°С меньше температуры полного растворения γ'-фазы с подъемом давления рабочей среды до 150-200 МПа и выдерживают при этой температуре и давлении в течение 1-3 ч. В качестве рабочей среды рекомендуется использовать аргон. 1
Пример конкретного исполнения
Практическая проверка предлагаемого изобретения осуществлялась на партии заготовок для образцов и газотурбинных лопаток с монокристаллической структурой, изготовленных литьем из жаропрочного никелевого сплава ЖС32 (мас.%: 4,9 Cr; 9 Со; 1 Mo; 8,5 W; 4 Ta; 1,6 Nb; 5,9 Al; 4 Re; ≤0,02 В; ≤0,15 С; ост. Ni). Согласно табл.5.1.2 (см, Машиностроение. Энциклопедия. Т.11-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. М.: «Машиностроение», 2001, с.523) для сплава ЖС32 температура растворения γ'-фазы составляет 1276°С, а температура локального оплавления - 1310°С. Одна часть заготовок и лопаток обрабатывалась в газостате (HIRP 70/150) по режиму прототипа, но при температуре 1276°С, поскольку сплавы ЖС32 и Monoloy 454 имеют различный химический состав и разную температуру полного растворения γ'-фазы. Другая часть партии обрабатывалась по предлагаемому режиму:
- нагрев до температуры 1035±10°С, создание давления аргона 135±5 МПа, выдержка при этой температуре и давлении 1,5 ч;
- подъем температуры до 1250±10°С и давления аргона до 160±5 МПа, выдержка при этой температуре и давлении 2 ч;
- охлаждение заготовок и лопаток в газостате в течение 1,5-2 ч.
После обработки по режиму прототипа и предлагаемому режиму все вырезанные из заготовок образцы и все лопатки перед испытаниями были термически обработаны по стандартному режиму: нагрев в вакууме при температуре 1280±5°С, выдержка 75 мин, охлаждение потоком аргона. Результаты испытания механических свойств и предела выносливости образцов и лопаток, обработанных по предлагаемому способу и способу прототипа, приведены в таблице. На каждый показатель свойств испытывалось до 10 образцов и лопаток.
Результаты испытания механических свойств образцов и лопаток с монокристаллической структурой из сплава ЖС32
Наименование свойств
Температура испытания, °С
Показатели свойств
Предлагаемый способ
Способ прототипа
Временное сопротивление образцов,
20
1143-1187
965-980
σ<sub>В</sub>, МПа
1000
678-692
667-675
Предел текучести образцов,
20
942-963
900-914
σ<sub>0,2</sub>, МПа
1000
657-673
647-656
Относительное удлинение образцов,
20
10,0-17,5
7,4-8,6
δ, %
1000
20,1-27,6
19,3-24,4
Длительная прочность образцов Долговечность (время до разрушения) при σ=245 МПа, ч
1000
190-229
157-188
Предел выносливости лопаток на базе 2×10<sup>7</sup> циклов, σ<sub>-1</sub>, МПа
20
187-206
156-177
7
Из таблицы видно, что долговечность (время до разрушения) при испытании длительной прочности при напряжении 245 МПа и температуре 1000°С материала монокристаллических лопаток (сплав ЖС32) увеличилась с 157-188 до 190-229 ч, а предел выносливости на базе 2×10 циклов самих газотурбинных лопаток повысился с 156-177 до 187-206 МПа.
6
Металлографическими исследованиями было установлено, что в лопатках и заготовках для образцов исходного литого состояния (до обработки по предлагаемому способу) присутствовали усадочные микропоры размером до 77,1 мкм, часть карбидов типа МС имела пластинчатую форму. После обработки в лопатках и образцах не выявлено остаточных усадочных микропор, следов оплавления эвтектик типа γ+γ'+МС и рекристаллизованных зерен в структуре монокристалла. В образцах и лопатках было зафиксировано перерождение карбидов типа МС в карбиды типа МС, причем пластинчатые карбиды преобразовались в строчки из отдельных частиц округлой формы. Частицы γ'-фазы приобрели кубоидную форму.
Таким образом, применение предлагаемого способа обработки отливок с монокристаллической структурой из жаропрочных никелевых сплавов горячим изостатическим прессованием привело к устранению усадочных микропор и благоприятному изменению структуры отливок без образования рекристаллизованых зерен, к уменьшению общей длительности процесса в 1,5-2 раза и к увеличению механических свойств материала лопаток и предела выносливости самих лопаток.