ВОССТАНОВЛЕННЫЙ ЭЛЕМЕНТ КОНСТРУКЦИИ ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭТОГО ЭЛЕМЕНТА
NICKEL-BASED ALLOY REGENERATED MEMBER, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к элементам конструкции из сплава на основе никеля, упрочненного в результате выпадения, используемым в качестве высокотемпературных элементов конструкции в турбинах и т.д., и, в частности, к восстановленному элементу конструкции сплава на основе никеля и способу изготовления этого восстановленного элемента конструкции. Восстановление включает в себя продление полезного технического ресурса элемента конструкции из сплава, получившего повреждение при ползучести вследствие продолжительной работы в высокотемпературных средах.
ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Высокотемпературные элементы конструкции, используемые на тепловых электростанциях и в турбинах летательных аппаратов, такие как лопатки турбин и роторы, для удовлетворения требуемым механическим свойствам в высокотемпературных средах зачастую изготавливают из сплавов на основе никеля (Ni), упрочненных в результате выпадения (также называемых суперсплавами на основе никеля).
Однако механические свойства даже таких элементов конструкции из сплава на основе Ni с высокой высокотемпературной прочностью постепенно ухудшаются в результате работы в режиме многократного воздействия центробежных сил и температурных напряжений во время операций пуска и останова при высокой температуре. В частности, наиболее сильному влиянию подвергается прочность таких элементов конструкции при ползучести, и технический ресурс этих элементов по прочности при ползучести расходуется по мере увеличения продолжительности работы. При этом любой расход технического ресурса по прочности при ползучести можно назвать повреждением при ползучести.
В настоящее время с точки зрения повышения коэффициента использования турбины (во избежание риска останова из-за неожиданного отказа) любой высокотемпературный элемент конструкции, проработавший в течение заданного периода времени, считается получившим до некоторой степени повреждение при ползучести и при проведении регулярного контроля, как правило, заменяется новым.
В то же время одной из тенденций технических решений в различных типах турбин является повышение температуры основной текучей среды, направленное на повышение теплоотдачи, и в последние годы активно изучаются и разрабатываются технические решения по повышению теплостойкости высокотемпературных элементов конструкции для турбин (например, технические решения по добавлению специальных элементов для повышения высокотемпературной прочности и по контролю за отверждением/ кристаллизацией). Однако при этом возникает проблема, заключающаяся в том, что высокотемпературные элементы конструкции, с использованием таких сложных технологий, являются дорогими, и в результате замены элементов конструкции при проведении регулярного контроля затраты на техническое обслуживание турбин становятся высокими.
Естественно, что существует высокий спрос на недорогие промышленные изделия, и возникает необходимость как снижения стоимости изготовления, так и достижения более высоких рабочих характеристик этих изделий. Поэтому одной из рассматриваемых задач является разработка технического решения по повышению точности оценки технического ресурса высокотемпературных элементов конструкции, получивших повреждение при ползучести, с целью снижения частоты замены и уменьшения затрат на техническое обслуживание высокотемпературных элементов конструкции.
Например, в патентном документе 1 (JP 2010-164430 А) раскрывается способ оценки повреждения металлического материала при ползучести, обеспечивающий оценку степени повреждения металлического материала, получившего повреждение при ползучести. Способ содержит: этап предварительного определения корреляции между величиной деформации испытуемого материала при ползучести и распределением ориентаций кристаллов в этом материале; этап измерения распределения ориентаций кристаллов в исследуемом материале, подлежащем оценке повреждения при ползучести; этап оценки величины деформации исследуемого материала при ползучести в результате применения распределения ориентаций кристаллов в исследуемом материале к корреляции между величиной деформации при ползучести и распределением ориентаций кристаллов; этап предварительного определения корреляции между величиной деформации испытуемого материала, достигаемой на стадии ускоренной ползучести, и напряжением при испытании на ползучесть в этом материале; этап оценки величины деформации исследуемого материала, достигаемой на стадии ускоренной ползучести, по корреляции между величиной деформации, достигаемой на стадии ускоренной ползучести, и напряжением при испытании на ползучесть и напряжению, приложенному к исследуемому материалу; и этап оценки степени повреждения исследуемого материала в результате сравнения величины деформации исследуемого материала при ползучести, полученной при оценке, и величины деформации исследуемого материала, достигаемой на стадии ускоренной ползучести, полученной при оценке.
В другом патентном документе - патентном документе 2 (JP 2014-126442 А) -раскрывается способ диагностики деструкции суперсплава на основе никеля. Способ заключается в проведении термической обработки суперсплава на основе никеля при условиях, удовлетворяющих соотношению между температурой термической обработки и длительностью термической обработки, определяемому заданной формулой, и последующем определении наличия или отсутствия кристаллов, образовавшихся за счет рекристаллизации суперсплава на основе никеля.
СПИСОК ЦИТИРОВАНИЯ
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Патентный документ 1: JP 2010-164430 А
Патентный документ 2: JP 2014-126442 А
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ПОМОЩЬЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с патентным документом JP 2010-164430 А предлагается способ оценки повреждения металлического материала при ползучести, позволяющий с высокой степенью точности оценить возможность или невозможность продолжения стабильного использования металлического материала, а также устройство для оценки повреждения при ползучести. В соответствии с другим патентным документом - в соответствии с патентным документом JP 2014-126442 А, в котором использована возможность рекристаллизации суперсплава на основе никеля, достигшего предела своего технического ресурса, за счет выполнения заданной термической обработки, предлагается простой и точный способ диагностики деструкции этого суперсплава.
Для дополнительного уменьшения затрат на техническое обслуживание турбины более целесообразным является не только диагностика технического ресурса, но и возможность продления технического ресурса/восстановления элементов конструкции, получивших повреждение при ползучести, и повторного использования этих элементов в качестве восстановленных элементов конструкции. Технические решения, раскрытые в патентных документах 1 и 2, предполагают упрощение и повышение точности диагностики технического ресурса высокотемпературного элемента конструкции из сплава на основе Ni, однако ни в одном из этих документов не описывается техническое решение по продлению технического ресурса/восстановлению элементов конструкции, получивших повреждение при ползучести.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание восстановленного элемента конструкции из сплава на основе Ni в результате продления полезного технического ресурса элемента конструкции из сплава на основе Ni, получившего повреждение при ползучести, и способа изготовления этого восстановленного элемента конструкции.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
(I) В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предлагается способ изготовления восстановленного элемента конструкции из сплава на основе никеля для использования в турбине. Элемент конструкции из сплава на основе никеля представляет собой литое изделие из сплава на основе никеля, содержащее γ-фазу в качестве матрицы и γ'-фазу, выпадающую в условиях эксплуатации турбины в γ-фазе в объемной доле, составляющей 30 об. % или более. Способ включает в себя: этап термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации, заключающийся в том, что использованный элемент конструкции, представляющий собой элемент конструкции из сплава на основе никеля, отработавший в течение заданного периода времени в турбине, подвергают термической обработке с образованием твердого раствора/без рекристаллизации; и этап старящей термической обработки, заключающийся в том, что использованный элемент конструкции после термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации подвергают старящей термической обработке, при которой γ'-фаза выпадает в γ-фазе. На этапе термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации использованный элемент конструкции выдерживают при температуре, не ниже, чем на 10°С выше температуры растворения γ'-фазы и не выше, чем на 10°С ниже температуры плавления γ-фазы в течение временного интервала, во время которого образования рекристаллизованных зерен γ-фазы не происходит. Значение GROD (значение отклонения ориентации координатных осей зерен) кристаллических зерен γ-фазы использованного элемента конструкции после указанной термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации, измеренное методом анализа дифракции обратного рассеяния электронов, составляет не менее 0,4° и не более 0,6°.
При этом в настоящем изобретении в качестве температуры растворения γ'-фазы и температуры плавления (температуры солидуса) γ-фазы могут быть использованы температуры, полученные в результате термодинамических вычислений по химическому составу сплава на основе Ni.
В описанный выше способ изготовления восстановленного элемента конструкции из сплава на основе никеля для использования в турбине согласно аспекту (I) могут быть внесены следующие изменения и дополнения.
(i) Длительность выдержки на этапе термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации может составлять не менее, чем 15 минут и не более, чем 2 часа.
(ii) Литое изделие может представлять собой твердотельное изделие с однонаправленной структурой или твердотельное изделие с монокристаллической структурой.
(iii) Элемент конструкции из сплава на основе никеля может представлять собой лопатку турбины.
(II) В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается восстановленный после использования элемент конструкции из сплава на основе никеля для использования в турбине. Этот восстановленный элемент конструкции представляет собой литое изделие из сплава на основе никеля, содержащее γ-фазу в качестве матрицы и γ'-фазу, выпадающую в условиях эксплуатации турбины в γ-фазе в объемной доле, составляющей 30 об. % или более. В микроструктуре восстановленного элемента конструкции никаких рекристаллизованных зерен γ-фазы не образуется, и значение GROD кристаллических зерен γ-фазы восстановленного элемента конструкции, измеренное методом анализа дифракции обратного рассеяния электронов, составляет не менее 0,4° и не более 0,6°.
В описанный выше восстановленный элемент конструкции из сплава на основе никеля для использования в турбине согласно аспекту (II) могут быть внесены следующие изменения и дополнения.
(iv) Если принять технический ресурс нового элемента конструкции из сплава на основе никеля за 1, то технический ресурс восстановленного элемента конструкции при ползучести может составлять не менее 0,95.
(v) Литое изделие может представлять собой твердотельное изделие с однонаправленной структурой или твердотельное изделие с монокристаллической структурой.
(vi) Элемент конструкции из сплава на основе никеля может представлять собой лопатку турбины.
ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением предлагается восстановленный элемент конструкции из сплава на основе Ni, полученный в результате продления полезного технического ресурса элемента конструкции из сплава на основе Ni, получившего повреждение при ползучести, и способ изготовления этого восстановленного элемента конструкции. Использование восстановленного элемента конструкции в качестве высокотемпературного элемента конструкции для применения в турбинах позволяет обеспечить снижение затрат на техническое обслуживание (в частности, на величину стоимости приобретения новых высокотемпературных элементов конструкции).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая пример способа изготовления восстановленного элемента конструкции из сплава на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематический вид в перспективе, иллюстрирующий лопатку ротора турбины в качестве примера восстановленного элемента конструкции из сплава на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Основная идея изобретения
3
Настоящее изобретение относится к литым изделиям для элементов конструкции из сплава на основе никеля, упрочненного в результате выпадения, используемым в качестве высокотемпературных элементов конструкции в турбинах и, в частности, к элементам конструкции из сплава на основе Ni, имеющим химический состав, включающий в себя γ-фазу в качестве матрицы и γ'-фазу в качестве выпадающей фазы упрочнения (например, фазу NiAl), выпадающую в условиях эксплуатации турбины в γ-фазе в объемной доле, составляющей 30 об. % или более (в предпочтительном варианте осуществления 40-70 об. %), и представляющим собой твердотельное изделие с однонаправленной структурой или твердотельное изделие с монокристаллической структурой.
Авторами изобретения были проведены глубокие научные исследования в области технических решений по оценке степени повреждения при ползучести и влияния термической обработки на элементы конструкции, получившие повреждение при ползучести, с целью создания восстановленного элемента конструкции из сплава на основе Ni в результате продления полезного технического ресурса элемента конструкции из сплава на основе Ni, получившего повреждение при ползучести. В результате проведенных исследований авторами было установлено прямое соотношение между степенью повреждения при ползучести, степенью внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы и образованием рекристаллизованных зерен γ-фазы при термической обработке элемента конструкции, получившего повреждение. Была также установлена возможность восстановления технического ресурса при ползучести до уровня, составляющего 95% или более от технического ресурса нового элемента конструкции, за счет релаксации внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы без образования рекристаллизованных зерен γ-фазы. Настоящее изобретение было создано на основе результатов этих исследований.
ПРИМЕРЫ
Ниже приводится описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, сопровождаемое ссылками на прилагаемые чертежи. При этом изобретение не ограничивается частными вариантами осуществления, описываемыми ниже, и может быть использовано в сочетании с известными техническими решениями или усовершенствовано на основе известных технических решений в пределах существа и объема изобретения.
Эксперимент 1
Изготовление элемента 1 конструкции из сплава
Был изготовлен образец, имитирующий высокотемпературный элемент конструкции для турбины согласно варианту осуществления изобретения. Сначала исходный слиток сплава 1, имеющего номинальный химический состав, представленный в Таблице 1, был подвергнут высокочастотному плавлению. Затем способом однонаправленной кристаллизации была изготовлена литая пластина (длиной 200 мм, шириной 200 мм и толщиной 10 мм). Температура растворения γ'-фазы в сплаве 1 составляет приблизительно 1190°С.
Для получения образца, имитирующего высокотемпературный элемент конструкции для турбины, изготовленная вышеуказанным способом литая пластина была подвергнута термической обработке с образованием твердого раствора (выдержке при 1210°С в течение двух часов и последующему быстрому охлаждению в вакууме), первой старящей термической обработке (выдержке при 1100°С в течение четырех часов и последующему быстрому охлаждению в вакууме) и второй старящей термической обработке (выдержке при 850°С в течение десяти часов и последующему быстрому охлаждению в вакууме).
Эксперимент 2
Приготовление образца использованного элемента конструкции и оценка степени повреждения при ползучести и внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы
Из элемента 1 из сплава было взято множество образцов для испытания на ползучесть (диаметром 9 мм и длиной 100 мм) с продольным направлением однонаправленной кристаллизации. Затем каждый из образцов для испытания на ползучесть был подвергнут испытанию на ползучесть (900°С, 245 МПа).
v
c
v
c
v
При этом в одном из испытаний значение технического ресурса (t) при ползучести элемента для испытания на ползучесть, взятого в качестве образца нового элемента конструкции, составило приблизительно 950 часов. В других испытаниях в качестве образцов использованных элементов конструкции были взяты элементы для испытания на ползучесть с заданной величиной деформации при ползучести (составившей 0,8-3%). Степень повреждения при ползучести при каждой заданной величине деформации была рассчитана из отношения (t/t) времени (t) для достижения заданной величины деформации при ползучести и вышеуказанного t. В каждом испытании было использовано множество образцов для испытания на ползучесть.
Для оценки внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы на каждом из приготовленных новых и использованных элементов конструкции были произведены измерения значений отклонения ориентации координатных осей (значений GROD) кристаллических зерен γ-фазы методом анализа дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD).
Соотношение между величиной деформации при ползучести, степенью повреждения при ползучести и внутренней деформацией кристаллических зерен γ-фазы для каждого из образцов в данном испытании представлено в Таблице 2.
Как показано в Таблице 2, между величиной деформации при ползучести и степенью повреждения при ползучести наблюдается хорошая корреляция. Кроме того, с увеличением величины деформации при ползучести и степени повреждения при ползучести наблюдается и увеличение значения GROD. Однако вследствие относительно больших колебаний измеренных значений GROD однозначно оценить степень повреждения при ползучести представляется затруднительным.
Эксперимент 3
Изготовление образца восстановленного элемента конструкции, исследование процесса образования рекристаллизованных зерен γ-фазы и исследование технического ресурса при ползучести восстановленного элемента конструкции
Для имитации обработки по продлению технического ресурса/восстановлению каждый из образцов использованных элементов конструкции, приготовленных в Эксперименте 2, был подвергнут термической обработке с образованием твердого раствора (выдержке при 1210°С в течение двух часов и последующему быстрому охлаждению в вакууме). Затем было проведено изучение металлографической структуры (микроструктуры) каждого образца.
В результате в образцах с величиной деформации при ползучести, составившей 1,2% или менее, никаких особых изменений в микроструктуре обнаружено не было. В то же время в образцах с величиной деформации при ползучести, составившей 1,3-1,5%, было обнаружено образование рекристаллизованных зерен γ-фазы, и наблюдалось увеличение числа и размера рекристаллизованных зерен γ-фазы с увеличением величины деформации при ползучести. Образование рекристаллизованных зерен γ-фазы наблюдалось также и в образцах с величиной деформации при ползучести, составившей более, чем 1,5%, однако относительное количество этих зерен было примерно таким же, что и в образцах с величиной деформации при ползучести, составившей 1,5%, что делает затруднительным отличать одни образцы от других.
r
r
v
r
v
Затем каждый из образцов, подвергшихся термической обработке с образованием твердого раствора, по такой же методике, как и в Эксперименте 1, был подвергнут первой старящей термической обработке и второй старящей термической обработке, в результате которых были изготовлены образцы восстановленных элементов конструкции. Для измерения значения технического ресурса (t) при ползучести каждого образца восстановленного элемента конструкции каждый из полученных образцов восстановленных элементов конструкции, по такой же методике, как и в Эксперименте 2, был подвергнут испытанию на ползучесть. Кроме того, в качестве степени восстановления определялось отношение (t/t) технического ресурса (t) при ползучести образца восстановленного элемента конструкции и технического ресурса (t) при ползучести образца нового элемента конструкции. Полученные результаты представлены в Таблице 3.
r
v
c
Как показано в таблице 3, образцы с величиной деформации, составившей 1,2% или менее, в микроструктуре которых после термической обработки с образованием твердого раствора никаких особых изменений обнаружено не было, продемонстрировали возможность продления своего технического ресурса при ползучести в результате описанной выше термической обработки до степени восстановления, составившей 0,95 или более. В то же время степень восстановления образцов с величиной деформации, составившей 1,3% или более (то есть образцов с образовавшимися в результате термической обработки с образованием твердого раствора рекристаллизованными зернами γ-фазы), оказалась недостаточной. В частности, образцы с величиной деформации, составившей 1,4% или более, продемонстрировали уменьшение технического ресурса t при ползучести восстановленного элемента конструкции до более низкого значения, чем первоначальный остаточный технический ресурс (t - t) при ползучести. То есть было установлено сокращение технического ресурса при ползучести вследствие термической обработки с образованием твердого раствора.
Затем были исследованы предпочтительные условия термической обработки с образованием твердого раствора на образцах с величиной деформации при ползучести, составившей 1,5% или более (со степенью повреждения при ползучести, составившей 0,5 или более). В частности, было проведено исследование степени восстановления на образцах восстановленных элементов конструкции, приготовленных по описанной выше методике, за исключением длительности выдержки. Полученные результаты представлены в Таблице 4.
Прочерк "-" означает отсутствие измерений.
Результаты, приведенные в Таблице 4, являются неожиданными. Даже образцы с величиной деформации при ползучести, составившей 1,5% или более, в которых продление технического ресурса/восстановление в результате описанной выше термической обработки с образованием твердого раствора (выдержки при 1210°С в течение двух часов и последующего быстрого охлаждения в вакууме) было затруднительным, продемонстрировали возможность продления технического ресурса/восстановления до степени восстановления, составившей 0,95 или более, за счет сокращения длительности выдержки при термической обработке с образованием твердого раствора.
В частности, продемонстрировали возможность продления технического ресурса/восстановления до степени восстановления, составившей 0,95 или более, образцы с величиной деформации при ползучести, составившей 1,5% (образцы со степенью повреждения при ползучести, составившей 0,5 или более), в случае длительности выдержки, составившей 1 час, образцы с величиной деформации при ползучести, составившей 2% (образцы со степенью повреждения при ползучести, составившей 0,65), в случае длительности выдержки, составившей 30 минут, и образцы с величиной деформации при ползучести, составившей 2,5% (образцы со степенью повреждения при ползучести, составившей 0,7), в случае длительности выдержки, составившей 15 минут. Однако в образцах с величиной деформации при ползучести, составившей более, чем 2,5% (в образцах со степенью повреждения при ползучести, составившей более, чем 0,7), продление технического ресурса/восстановление даже за счет сокращения длительности выдержки при термической обработке с образованием твердого раствора оказалось затруднительным.
Изучение микроструктуры образцов, восстановленных до степени восстановления, составившей 0,95 или более, показало, что никаких рекристаллизованных зерен γ-фазы не образуется. Кроме того, измерение значений GROD кристаллических зерен γ-фазы в образцах, восстановленных до степени восстановления, составившей 0,95 или более, методом анализа EBSD показало, что значение GROD любого из образцов находится в пределах 0,4-0,6°, что указывает на частичную релаксацию внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы.
При этом измерение значений GROD кристаллических зерен γ-фазы в образцах, в которых в результате термической обработки с образованием твердого раствора образовались рекристаллизованные зерна, показало изменение значений GROD в пределах 0,2-0,4°, что говорит о наличии кристаллических зерен γ-фазы с полной релаксацией внутренней деформации.
Механизм получения результатов, представленных в Таблицах 3 и 4, в настоящее время неясен, но, например, возможны следующие модели.
Можно сказать, что деформация при ползучести накапливается в качестве внутренней деформации кристаллических зерен. В процессе термической обработки с образованием твердого раствора внутренняя деформация кристаллических зерен подвергается релаксации (то есть работает в качестве движущей силы, направленной на образование рекристаллизации). Однако образование рекристаллизации в данном случае рассматривается как своего рода гомогенное образование центров кристаллизации, и поэтому можно считать, что гомогенное образование центров кристаллизации имеет более высокий потенциальный барьер, чем гетерогенное образование центров кристаллизации, и требуется более большая движущая сила (т.е. частота образования центров кристаллизации является низкой).
Представленные в Таблицах 3 и 4 результаты показывают, что больше рекристаллизованных зерен образуется в образцах с более большой деформацией при ползучести и при более короткой длительности термической обработки, что можно примерно объяснить этой моделью. Кроме того, считается, что в твердотельном изделии с однонаправленной структурой или в твердотельном изделии с монокристаллической структурой образование рекристаллизованных зерен, приводящее к образованию новых границ кристаллических зерен, с точки зрения характеристик ползучести является нежелательным, и поэтому технический ресурс при ползучести образцов восстановленного элемента конструкции с рекристаллизованными зернами сокращается.
В результате серии экспериментов было сделано важное техническое открытие, заключающееся в том, что для восстановления элемента конструкции из сплава на основе Ni, получившего повреждение при ползучести, при термической обработке с образованием твердого раствора для обеспечения растворения γ'-фазы элемента конструкции, получившего повреждение при ползучести, в твердом растворе требуется проведение термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации, обеспечивающей частичную релаксацию внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы при предотвращении образования рекристаллизованных зерен γ-фазы. С точки зрения релаксации внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы считается, что предпочтительной является как можно более длительная термическая обработка, не приводящая к образованию рекристаллизованных зерен.
Кроме того, результаты, приведенные в Таблице 4, позволяют сделать вывод о том, что даже для элементов конструкции из сплава с ожидаемой степенью повреждения при ползучести, составляющей 0,5 или более, но с затруднительным непосредственным измерением величины деформации (например, для элементов конструкции сложной формы и элементов конструкции с разной величиной деформации при ползучести на разных участках), по длительности выдержки при термической обработке с образованием твердого раствора элемента конструкции, получившего повреждение при ползучести, при которой начинается образование рекристаллизованных зерен γ-фазы, можно определить степень повреждения при ползучести, составляющую 0,5 или более, более точно, чем с помощью технических решений, известных из уровня техники. Этот вывод может быть положен в основу технического решения/метода для оценки степени повреждения при ползучести.
Эксперимент 4
Эксперимент по подтверждению воспроизводимости на элементах конструкции из сплава с использованием сплавов 2 и 3
Были изготовлены элементы 2 и 3 конструкции из сплавов 2 и 3, имеющих номинальный химический состав, представленный в Таблице 5, которые были подвергнуты тем же самым испытаниям, что и в Экспериментах 2 и 3, за исключением того, что температура термической обработки с образованием твердого раствора для восстановления составила 1250°С. При этом были получены результаты, подобные приведенным выше.
То есть, было подтверждено, что для восстановления элемента конструкции из сплава на основе Ni, получившего повреждение при ползучести, при термической обработке с образованием твердого раствора для обеспечения растворения γ'-фазы элемента конструкции, получившего повреждение при ползучести, в твердом растворе требуется проведение термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации, обеспечивающей частичную релаксацию внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы при предотвращении образования рекристаллизованных зерен γ-фазы.
При этом Эксперименты 1-4 проводились на твердотельных изделиях с однонаправленной структурой, однако настоящее изобретение может быть использовано и применительно к твердотельным изделиям с монокристаллической структурой.
Способ изготовления восстановленного элемента конструкции
На основании рассмотренных выше результатов Экспериментов 1-4 ниже приводится описание способа изготовления восстановленного элемента конструкции из сплава на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 1 представлена блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая пример способа изготовления восстановленного элемента конструкции из сплава на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, сначала выполняется этап предварительной подготовки (этап 1: S1), на котором проводится визуальный контроль элемента конструкции из сплава на основе Ni, проработавшего в турбине в течение заданного периода времени, на наличие или отсутствие дефектов, которые не могут быть восстановлены с использованием способа согласно изобретению (например, трещин и сколов). В настоящем изобретении в случае обнаружения таких дефектов элемента конструкции этот элемент конструкции выбраковывается и не подвергается обработке, соответствующей последующим этапам. Кроме того, в случае наличия теплозащитного покрытия (ТВС) на использованном элементе конструкции на этапе предварительной подготовки осуществляется также операция по удалению ТВС. Операция по удалению ТВС не является обязательной, но в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполняется.
Затем выполняется этап термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации (этап 2: S2). На этом этапе использованные элементы конструкции после этапа S1 предварительной подготовки подвергают термической обработке с образованием твердого раствора/без рекристаллизации. При этой термической обработке с образованием твердого раствора/без рекристаллизации использованные элементы конструкции выдерживают при температуре, не ниже, чем на 10°С выше температуры растворения γ'-фазы и не выше, чем на 10°С ниже температуры плавления γ-фазы в течение временного интервала, во время которого образования рекристаллизованных зерен γ-фазы не происходит. Как было указано выше, этот этап S2 термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации представляет собой наиболее существенный признак настоящего изобретения.
Температура термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации задается не ниже, чем на 10°С выше температуры растворения γ'-фазы для обеспечения полного растворения γ'-фазы у в твердом растворе в γ-фазе. Кроме того, температура термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации задается не выше, чем на 10°С ниже температуры плавления γ-фазы для предотвращения нежелательной деформации использованного элемента конструкции в процессе термической обработки. В предпочтительном варианте с точки зрения предотвращения образования рекристаллизованных зерен γ-фазы верхняя предельная температура термической обработки задается не выше, чем на 20°С ниже температуры плавления γ-фазы. Аргументы в пользу задания длительности выдержки при термической обработке в пределах временного интервала, во время которого образования рекристаллизованных зерен γ-фазы не происходит, приведены при описании рассмотренного выше Эксперимента 3.
Ниже приводится краткое описание способа определения длительности выдержки, при которой образования рекристаллизованных зерен γ-фазы не происходит. В случае, когда элемент конструкции из сплава на основе Ni для применения в турбинах представляет собой, например, лопатку турбины, то считается, что при регулярном контроле появляется множество использованных элементов конструкции, то есть использованных лопаток турбины, и каждый из этих элементов конструкции представляет собой элемент конструкции, подвергшийся практически одинаковому повреждению при ползучести.
В таком случае из одного из использованных элементов конструкции отбирают множество образцов для испытания на термическую обработку с образованием твердого раствора/без рекристаллизации. Затем на этих образцах для испытания проводят термическую обработку с образованием твердого раствора/без рекристаллизации с длительностью выдержки в качестве параметра. Соответствующая длительность выдержки может быть определена по результатам изучения микроструктуры образцов для испытания.
Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления значения GROD кристаллических зерен γ-фазы в образцах для испытания, подвергшихся термической обработке с образованием твердого раствора/без рекристаллизации, измеряют методом анализа EBSD. Измерение значений GROD позволяет подтвердить частичную релаксацию внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы и, таким образом, обеспечивает возможность предварительного контроля качества восстановленного элемента конструкции. При этом измерение значений GROD (то есть подтверждение частичной релаксации внутренней деформации кристаллических зерен γ-фазы) может быть проведено после старящей термической обработки, описываемой ниже.
После определения соответствующей длительности выдержки при термической обработке с образованием твердого раствора/без рекристаллизации выполняют термическую обработку с образованием твердого раствора/без рекристаллизации на других использованных элементах конструкции.
Затем выполняется этап старящей термической обработки (этап 3: S3). На этом этапе использованные элементы конструкции после этапа S2 термической обработки с образованием твердого раствора/без рекристаллизации подвергают термической старящей обработке, выполняемой для обеспечения выпадения γ'-фазы в γ-фазе. В предпочтительном варианте осуществления в качестве этой старящей термической обработки может быть использована та же старящая термическая обработка, что и при изготовлении нового элемента конструкции из сплава.
Затем выполняется этап отделки/контроля (этап 4: S4). На этом этапе использованные элементы конструкции после этапа S3 старящей термической обработки подвергают отделке/контролю, что проводится для завершения процесса изготовления восстановленных элементов конструкции. Операции по отделке/контролю не являются обязательными, но в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполняются. При необходимости операция отделки должна включать в себя коррекцию формы элемента конструкции и нанесение ТВС.
Выполнение описанных выше этапов позволяет получить восстановленные элементы конструкции из сплава на основе Ni.
Восстановленный элемент конструкции из сплава на основе Ni
На фиг. 2 представлен схематический вид в перспективе, иллюстрирующий лопатку ротора турбины в качестве примера восстановленного элемента конструкции из сплава на основе Ni в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 2, лопатка 100 ротора турбины в основном включает в себя перо 110 лопатки, хвостовик 120 и основание 130 (именуемое также ласточкиным хвостом). Хвостовик 120 снабжен полкой 121 и радиальным ребром 122. В случае газовой турбины размер лопатки 100 ротора турбины (длина на фигуре в продольном направлении), как правило, составляет 5-50 см.
Изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, и в него могут быть внесены различные изменения и дополнения. Кроме того, рассмотренные выше варианты осуществления носят исключительно иллюстративный характер и предназначены для облегчения понимания признаков изобретения, и настоящее изобретение не ограничивается только конкретной рассмотренной конструкцией. Например, часть конструкции согласно вариантам осуществления может быть заменена или дополнена конструкцией, известной специалистам в данной области техники. То есть в настоящем изобретении часть конструкции согласно вариантам осуществления может быть удалена или заменена или дополнена другой конструкцией, известной специалистам в данной области техники.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
100 - лопатка ротора турбины;
110 - перо лопатки;
120 - хвостовик;
121 - полка;
122 - радиальное ребро;
130 - основание.