СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ИЗ ПОРОШКОВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
MANUFACTURING METHOD OF DISCS OF GAS-TURBINE ENGINES FROM POWDER HEAT-RESISTANT ALLOYS ON BASIS OF NICKEL

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления дисков из порошков - гранул жаропрочных сплавов на никелевой основе, предназначенных для изготовления газотурбинных двигателей.
Известен способ изготовления изделий из жаропрочных никелевых сплавов, включающий получение гранул, горячее изостатическое прессование, деформацию и термическую обработку (Согришин Ю.П. и другие. Металлургия гранул, сб. статей 1986 г., стр.113-120).
Недостатком данного способа являются недостаточно высокие механические свойства при комнатной и рабочей температуре.
Известен способ изготовления изделий из жаропрочных порошковых никелевых сплавов, включающий получение и переработку порошков в «нейтральной» атмосфере, горячее изостатическое прессование (ГИП), экструзию при температуре, не превышающей температуру рекристаллизации, но отличающуюся от нее не более чем на 20°С, закалку и старение (Патент США, №3519503, 1970 г. - способ-прототип).
Недостатки данного способа связаны не с мелким зерном твердого раствора, а с параметрами образующихся при последующей закалке частиц γ'-фазы. Так, при последующей термической обработке-закалке, предусмотренной данным способом, а именно невысоким нагревом и выдержкой в двухфазной (γ+γ')-области для сохранения мелкого зерна, образуются частицы γ'-фазы достаточно большого размера (0,1-0,2 мкм), что уменьшает прочность при пониженных температурах до 650°С. В случае закалки от более высоких температур однофазной γ-области происходит рост зерна твердого раствора до величины 20 и более мкм, что, как известно, уменьшает прочностные характеристики в еще большей мере, чем наличие крупных частиц γ'-фазы.
Техническая задача данного изобретения решается повышением характеристик прочности при температуре до 650°С, т.е. до температур, когда граница зерен является упрочняющим фактором. При этих температурах повышение прочностных характеристик - , , , связано с уменьшением величины зерна и с уменьшением размеров частиц γ'-фазы.
Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе изготовления изделий из жаропрочных никелевых сплавов применяют фракцию гранул размером +10-50 мкм, ГИП проводят при температуре на 10-30°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы с выдержкой под давлением в течение 2-8 часов, деформацию осуществляют со степенью 70-90% при температуре двухфазной области на 60-100°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы с последующей закалкой со скоростью 50-100 град/мин.
Идея предложенного способа заключается в том, что на каждом этапе осуществления принятой технологии создаются благоприятные условия для уменьшения зерна твердого раствора и увеличения дисперсности частиц γ'-фазы, что в итоге приводит к увеличению прочности при умеренных температурах. Кроме того, предложенный способ обеспечит получение такой дисперсной структуры, которая позволит рассматривать современные жаропрочные гранулированные сплавы как наноматериалы.
Применение мелких гранул фракции 10-50 мкм способствует формированию после ГИП гораздо более мелкого зерна твердого раствора размером 10-20 мкм по сравнению с материалом, полученным из серийных, обычно применяемых гранул: -50+200 (…+315 мкм). Использование в исходном, перед деформацией, состоянии материала с меньшим зерном твердого раствора обеспечивает в дальнейшем, после рекристаллизации, проходящей в процессе деформации или при последующей закалке, образование более мелкого зерна.
Применение гранул меньшего размера, чем фракция -10+50 мкм, способствует резкому увеличению протяженности межгранульных границ, что в конечном итоге из-за их окисления приводит к снижению всего комплекса механических свойств. Увеличение размера используемых гранул приводит к существенному увеличению исходного зерна твердого раствора, что снижает технологическую прочность при деформировании.
Проведение горячего изостатического прессования при температуре однофазной γ-области способствует получению крупного зерна твердого раствора, в результате чего снижается технологическая пластичность и затрудняется деформирование жаропрочных никелевых сплавов. Снижение температуры ГИП более чем на 30°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы снижает механические характеристики компактного материала из-за сохранения литой структуры.
Оптимальная выдержка под давлением при ГИП составляет 2-8 часов. Увеличение выдержки более 8 часов способствует увеличению размера зерна, что, как уже отмечалось, ухудшает деформируемость. Снижение выдержки менее 2 часов не позволяет в полной мере пройти при ГИП процессами диффузионного спекания, что снижает весь комплекс механических свойств.
Температура деформации, с одной стороны, должна быть не очень высокой в двухфазной (γ+γ')-области, чтобы величина рекристаллизованного зерна, образующегося в процессе динамической рекристаллизации, при деформации при последующей закалке составила 0,5-2 мкм, и с другой стороны не очень низкой, чтобы частицы γ'-фазы (в двухфазной γ+γ'-области) успели максимально раствориться, уменьшить свои размеры. Таким образом, очевидно, что температура деформации в двухфазной γ+γ'-области должна быть оптимальной. Такой температурой является температура на 60-100°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы, которая для высоколегированных сплавов на никелевой основе составляет 1100-1140°С.
Степень деформации менее 70% не обеспечивает получение полностью равномерной структуры по сечению детали, что снижает технологическую пластичность. Деформация более 90% также снижает указанную характеристику из-за сильного наклепа.
Закалка с температурой деформации со скоростью менее 50 град/мин не обеспечивает получение частиц γ'-фазы необходимой дисперсности (80-90% частиц с размерами менее 40-50 нм). Закалка со скоростями >100 град/мин может способствовать образованию повышенных остаточных напряжений и тем самым к микроповодке обрабатываемых деталей.
Пример:
Изготавливали детали типа дисков из жаропрочных гранулированных никелевых сплавов ЭП741НП (температура полного растворения γ'-фазы - 1180°С) и ЭП962НП (температура полного растворения γ'-фазы - 1190°С) по следующей технологии: получение гранул методом центробежного распыления электродов и последующего рассева на требуемые фракции; горячее изостатическое прессование в капсулах из низкоуглеродистой стали, деформация штамповкой или прессованием с последующей закалкой и старением по режиму 750°С, 8 часов.
При изготовлении дисков по заявленному способу из сплава ЭП741НП применились следующие этапы:
охл
режим 1
- использовали гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1170°С (на 10°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с выдержкой 2 часа; деформация объемной штамповкой на 70% при температуре 1120°С (на 10°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с последующим охлаждением при обдуве диска водовоздушной смесью (V=50 град/мин) - .
охл
режим 2
- гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1150°С (на 30°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с выдержкой 8 час; деформация объемной штамповкой на 90% при температуре 1080°С (на 100°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с последующим охлаждением в синтетической охлаждающей жидкости (V=100 град/мин) - .
охл
режим 3
- использовали гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1160°С (на 20°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с выдержкой 4 часа; деформация объемной штамповкой на 80% при температуре 1100°С (на 80°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с последующим охлаждением в синтетической охлаждающей среде (V=80 град/мин) - .
Изготовление дисков из сплава ЭП741НП по способу-прототипу проводили по режиму:
- получение товарной фракции гранул +50-200 мкм, ГИП при температуре 1200°С (выше температуры полного растворения γ'-фазы); деформация прессованием с 6-кратной вытяжкой при температуре 1060°С; закалка с температуры 1060°С.
Изготовление дисков по заявленному способу из сплава ЭП962НП проводили по режиму:
охл
режим 4
- использовали гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1160°С (на 20°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с выдержкой 4 часа; деформация объемной штамповкой на 70% при температуре 1100°С (на 30°С ниже температуры полного растворения γ'-фазы) с последующим охлаждением при обдуве диска водовоздушной смесью (V=60 град/мин) - .
Изготовление дисков из сплава ЭП962НП проводили по режиму:
- получение товарной фракции гранул +50-200 мкм, ГИП при температуре 1210°С (выше температуры полного растворения γ'-фазы); деформация прессованием с вытяжкой 6 при температуре 1070°С; закалка с температуры 1070°С.
Полученные механические свойства представлены в таблице, из которой видно, что прочностные свойства при комнатной температуре испытаний при осуществлении предложенного способа увеличиваются на 10-13%, что способствует повышению долговечности газотурбинного двигателя на 20-30%.
Таблица.
Технология изготовления и механические свойства дисков из сплавов типа ЭП741НП и ЭП962НП. Температура старения везде 750°С, 16 часов.
Марка термообрабатываемого сплава
Технология изготовления
Механические свойства при 20°С
Предлагаемый способ
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>0,2</sub>, МПа
δ, %
Режим 1
1568
1180
15
ЭП741НП
Режим 2
1597
1176
16
Режим 3
1587
1159
16
Способ-прототип
1480
1107
16
Предлагаемый способ
ЭП962НП
Режим 4
1617
1195
13
Способ-прототип
1528
1137
13