СПОСОБ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD OF REDUCTION THERMAL TREATMENT OF ARTICLES FROM REFRACTORY NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к металлургии, а именно к восстановительной термической обработке изделий из жаропрочных никелевых сплавов с равноосной структурой, и может быть использовано в авиационном и энергетическом турбостроении при ремонте рабочих и направляющих лопаток турбины.
В процессе длительной эксплуатации под влиянием высокой температуры и напряжений в материале лопаток турбины, изготовленных из жаропрочных никелевых сплавов, происходит деградация структуры, заключающаяся в морфологических изменениях частиц упрочняющей γ'-фазы и формировании микропор в зернограничных оторочках, что суммарно приводит к потере работоспособности деталей. Эксплуатация лопаток турбины с такими дефектами недопустима, что выдвигает требование по проведению их восстановительного ремонта путем проведения соответствующей термической обработки.
п.р
эвт
н.p
п.p
п.p
эвт
н.p
н.p
γ
γ
Известен способ термической обработки деталей из жаропрочных сплавов на основе никеля [патент РФ №2232204, C22F 1/10, 2004 г.], включающий три этапа: первый этап - нагрев до температуры в интервале (t÷t), выдержка и охлаждение со скоростью выше 100 град./мин, второй этап - нагрев до температуры в интервале (t÷t), где t - температура полного растворения γ'-фазы, t - температура плавления эвтектики (γ+γ'), t - температура начала растворения γ'-фазы, выдержка и охлаждение со скоростью выше 100 град./мин и третий этап - нагрев до температуры вблизи t, выдержка и охлаждение, при этом скорость нагрева на всех этапах выше 100 град./мин, длительность выдержек составляет до 300 с, а охлаждение на третьем этапе ведут со скоростью выше 100 град./мин, при этом каждый этап повторяют несколько раз. Кроме того, после выполнения третьего этапа проводят дополнительный отжиг при температуре ниже t, где t - температура упорядочения γ-твердого раствора.
Недостатком указанного способа является то обстоятельство, что его можно осуществить в соляной ванне, содержащей расплав определенных солей щелочных металлов. Наличие солевого расплава допускает применение этого способа только для заготовок деталей. Для окончательно изготовленных деталей, в том числе для лопаток турбин, имеющих очень высокую точность «елочного» хвостовика, а также наличие сложнопрофильной внутренней полости для охлаждения лопаток, данный способ неприменим. Рабочие и направляющие лопатки турбины на этапе восстановительного ремонта являются окончательно готовыми, и попадание расплавленных солей щелочных металлов на их поверхности при последующей их эксплуатации вызовет значительные коррозионные повреждения металла изделий.
л.пл
л.пл
л.пл
л.пл
Известен способ термической обработки изделия из никелевого жаропрочного сплава [патент РФ №2220220, С22С 19/05, C22F 1/10, 2003 г.], включающий нагрев в контролируемой атмосфере, гомогенизирующий отжиг в интервале между температурой полного растворения упрочняющей γ'-фазы и температурой локального плавления, двухступенчатое старение и последующее охлаждение, при этом никелевый жаропрочный сплав и изделие из него перед гомогенизирующим отжигом подвергают предварительному трехступенчатому отжигу, где первая ступень отжига - нагрев до температуры Т 60±10°С (здесь Т - температура локального плавления), вторая ступень отжига - нагрев до температуры Т 40±10°С, третья ступень отжига - нагрев до температуры Т (15-25)°С, причем выдержка между нагревами составляет не менее 2 ч, а скорость нагрева составляет не более 1-2°С/мин.
Недостатком указанного способа является его применимость только для изделий с монокристаллической структурой, которые в процессе термической обработки допускают воздействие на них высокой температуры в течение длительного времени в связи с малыми скоростями нагрева и продолжительными выдержками.
Наиболее близким по технической сущности является способ восстановительной термической обработки изделий из жаропрочных хромникелевых сплавов [патент РФ №2329331, C22F 1/10, C21D 6/00, 2008 г.], включающий нагрев до температуры аустенизации, выдержку и контролируемое охлаждение, сначала медленное до 300-400°С в среде глубокоочищенного и осушенного водорода с точкой росы не выше минус 50°С, выдержкой при этой температуре в безокислительной среде 2-10 ч и затем на воздухе, при этом нагрев ведут в две стадии, на первой стадии до 900-1180°С со скоростью 15-20°С/ч с выдержкой 5-40 ч, затем до 1200-1250°С с выдержкой 5-10 ч. Кроме того, в процессе охлаждения осуществляют дополнительную выдержку при 1000-1100°С в течение 4-6 ч.
Недостатком прототипа является длительная выдержка деталей при высоких температурах, что вызывает огрубление границ зерен и значительно увеличивает стоимость ремонта. Кроме того, для жаропрочных никелевых сплавов с целью формирования благоприятной морфологии упрочняющей фазы устанавливается более высокая скорость охлаждения, чем заявленная в вышеприведенном способе.
Задачей, решаемой изобретением, является восстановление в результате термической обработки размеров, формы и распределения частиц γ'-фазы и структуры γ- и γ'-твердых растворов с обеспечением оптимальной структуры границ зерен, что суммарно обусловливает высокий уровень эксплуатационных свойств сплавов на никелевой основе с равноосной структурой при сокращении длительности воздействия на металл изделия высоких температур в процессе термической обработки. Кроме того, дополнительной задачей является восстановление в процессе термической обработки механических свойств никелевого жаропрочного сплава за счет упорядоченного расположения атомов легирующих элементов в кристаллической решетке никеля.
Задача решается таким образом, что в способе восстановительной термической обработки изделий из жаропрочных никелевых сплавов, включающем этапы нагрева, выдержки и охлаждения, в отличие от прототипа нагрев изделий осуществляется в вакуумной среде до температуры отжига, которая на 10…20°С превышает температуру полного растворения γ'-фазы, при этом этапы нагрева до температуры отжига и охлаждения осуществляются со скоростями 40…50°С/мин и 30…40°С/мин соответственно.
Предлагаемый способ позволяет восстановить размеры и форму частиц γ'-фазы, обеспечивает их равномерное распределение по объему материала изделия, благоприятно сказывается на структуре границ зерен и не приводит к оплавлению структурных составляющих жаропрочного никелевого сплава. В результате проведения термической обработки по предлагаемому способу происходит восстановление механических свойств никелевого жаропрочного сплава. Проведение процесса термической обработки в вакуумной среде обеспечивает отсутствие на поверхности окончательно изготовленных деталей типа лопаток турбины каких-либо веществ, способных вызвать высокотемпературную коррозию при последующей эксплуатации изделия.
Предложенный способ может быть использован на этапе ремонта для восстановления структуры и механических свойств никелевого жаропрочного сплава с равноосной структурой, используемого для изготовления рабочих и направляющих лопаток турбины авиационных двигателей и наземных энергетических установок.
Пример конкретной реализации способа.
Лопатки турбины из никелевых жаропрочных сплавов ЗМИ-3У и IN738LC после длительной наработки в составе газоперекачивающего агрегата подвергали восстановительной термической обработке. До проведения указанной термической обработки лопаток при металлографическом контроле в сплаве были обнаружены признаки деградации структуры (коагуляция упрочняющей γ'-фазы, образование мелкодисперсных выделений в виде «сыпи» и др.), благодаря которым уровень механических свойств материала оказался ниже нормируемых значений (таблица).
-3
-4
При проведении восстановительной термической обработки лопатки загружали в вакуумную печь, после чего создавали разреженную атмосферу (10…10 мм рт.ст.). Нагрев лопаток осуществляли со скоростью 45°С/мин до температуры 1190 и 1140°С для сплавов ЗМИ-3У и IN738LC соответственно. Длительность процесса термической обработки при указанных температурах составляла 2 часа. После окончания выдержки лопатки охлаждали со скоростью 35°С/мин. После завершения цикла восстановительной обработки изучали структуру материала лопаток и оценивали уровень механических свойств. Аналогичные исследования проводились для лопаток, подвергнутых термической обработке по прототипу. Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице. Как видно из данных, представленных в таблице, после проведения восстановительной термической обработки по заявляемому способу механические свойства никелевых сплавов восстанавливаются до уровня, превышающего нормативные значения. Результаты, полученные после термической обработки по прототипу, не удовлетворяют нормативным требованиям: значения кратковременной прочности находятся вблизи нормативных, что в условиях длительной эксплуатации может вызвать преждевременную поломку деталей. Кроме того, показатели длительной прочности в 2…2,5 раза ниже, чем показатели, получаемые при использовании заявляемого способа. Указанные различия в уровне механических свойств объясняются результатами исследования структуры материала. Так, при использовании заявляемого способа признаки деградации структуры материала были полностью устранены, что положительно сказалось на уровне его работоспособности. Термическая обработка, проведенная по прототипу, вызвала огрубление границ зерен, привела к формированию упрочняющих частиц различных размеров, отличных от оптимального размера. В итоге была получена неудовлетворительная структура, для которой свойственна нестабильность механических свойств.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет на этапе ремонта окончательно готовых деталей за счет проведения термической обработки сплава в вакуумной среде при соблюдении скоростей нагрева и охлаждения восстанавливать структуру материала и его механические свойства.
Таблица
Уровень механических свойств до и после проведения восстановительной термической обработки (ВТО)
Состояние материала лопаток
Кратковременная прочность при 20°С
Длительная прочность
Временное сопротивление, МПа
Относительное удлинение, %
Температура испытания, °С
Напряжение, МПа
Время до разрушения, час
сплав ЗМИ-3У
до ВТО
670…690
2,0…2,2
900
206
42…46
после ВТО по прототипу
700…725
3,0…3,5
не более 100
после ВТО по предлагаемому способу
800…820
5,3…6,3
более 200
Нормируемые значения
≥706
≥2,5
900
206
≥40
сплав IN738LC
до ВТО
720…750
2,8…3,2
900
206
40…50
после ВТО по прототипу
750…820
4,0…5,6
не более 100
после ВТО по предлагаемому способу
860…980
12…16
более 250
Нормируемые значения
≥790
≥3,0
900
206
≥40