СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА
METHOD OF CASTS SEALING MADE OF NICKEL ALLOY

Изобретение относится к способу уплотнения отливок из никелевых сплавов с использованием горячего изостатического прессования для устранения усадочной, газовой, эксплуатационной пористости, а также пористости, образующейся при гомогенизации, что позволяет повысить качество отливок и изготовленных из них деталей, например рабочих лопаток газотурбинных двигателей (ГТД), за счет увеличения плотности никелевых сплавов.
Известен способ изготовления деталей из никелевых сплавов, включающий вакуумно-индукционную выплавку, гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию прессованием и окончательную деформацию совмещением осадки и штамповки (а.с. СССР №1637360, 1992 г., БИ №21 за 1992 г.) - аналог.
Недостатком известного решения является невозможность обеспечения требуемой однородности структуры, что является причиной появления дополнительной операции для проработки заготовки - прессования, а также сложность технологического процесса изготовления деталей.
Известен способ повышения качества и эксплуатационной надежности отливок и деталей из них путем устранения микропористости, повышения усталостной прочности и улучшения комплекса механических свойств, для чего их подвергают горячему изостатическому прессованию (ГИП) (Симс Ч.Т. Жаропрочные сплавы в перспективных газотурбинных установках и новейших энергетических системах, в книге жаропрочные сплавы для газовых турбин. М.: Металлургия, 1981 г.. с.15-38) - аналог.
При литье деталей ГТД, например, лопаток турбины высокого давления из никелевых сплавов в них образуется внутренняя микропористость, которая отрицательно влияет на механические свойства деталей. Для уменьшения пористости осуществляют ГИП в газостатах. Однако при этом возникает изменение в поверхностном слое лопаток, трудность закрытия поверхностных пор, а также пор, образующихся в процессе гомогенизации.
Известен способ уплотнения изделий из металлических отливок под действием температуры и давления для закрытия внутренней полости и для улучшения механических характеристик изделия, заключающийся в том, что отливки размещают в устройстве для обработки давлением, осуществляют термообработку и обработку отливок давлением и их охлаждение (патент РФ №2235798, С22С 19/05, опубликовано 2004.09.10) - прототип.
Недостатком известного решения является сложность технологии уплотнения отливок, в частности, применительно к никелевым сплавам, из которых, как правило, и изготавливают большинство ответственных деталей ГТД (например, рабочие лопатки, диски и т.д.).
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение эффективности технологического процесса уплотнения отливок и повышение надежности деталей из них путем уменьшения в отливках усадочной и газовой пористости.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе уплотнения металлических отливок, при котором размещают отливки в устройстве для обработки давлением, осуществляют обработку отливок давлением, термообработку и охлаждение, в качестве металлических отливок используют отливки из никелевых сплавов, в качестве устройства для обработки отливок давлением используют газостат, обработку отливок давлением совмещают с термообработкой и осуществляют их в газостате, для чего производят выдержку в газостате отливок из никелевых сплавов при температуре термообработки не менее 5 минут, причем в качестве термообработки применяют гомогенизирующий отжиг, а охлаждение отливок из никелевых сплавов осуществляют в газостате со скоростью не менее 30 град./мин.
В способе температуру гомогенизирующего отжига Т могут выбирать из условия Т>Тнγ', где Тнγ' - температура начала растворения γ'-фазы.
При реализации способа в газостате могут создавать давление не менее 100 МПа.
Заявляемый способ основан на следующих предпосылках. При литье заготовок и деталей из металлических сплавов, в том числе на основе никеля, алюминия, железа и др., в процессе затвердевания образуются дефекты в виде несплошностей - пористость, рыхлота, газовая пористость. Причиной их возникновения являются усадка металла при кристаллизации, газовые реакции, протекающие на поверхности раздела твердой и жидкой фаз, и т.д.
3
При последующей термической обработке отливок и литых деталей, например, в процессе гомогенизирующего отжига возникает дополнительная пористость из-за разности мольных объемов матричной фазы и растворяющихся в ней фаз, например γ-фазы на основе никеля (г.ц.к.) и растворяющейся в ней γ'-фазы на основе NiAl (Ll2) в жаропрочных сплавах на основе никеля, а также различной скорости диффузии легирующих элементов при гомогенизации.
Кроме этого, литая структура характеризуется химической неоднородностью из-за неравновесных условий кристаллизации, обусловленных высокой скоростью охлаждения.
Для улучшения литой структуры за счет повышения плотности и химической однородности применяется горячее изостатическое прессование (ГИП). Известная технология ГИП включает следующую последовательность основных операций:
- размещение отливок или деталей в оснастке, например в контейнере, для предотвращения изменения их геометрии в процессе ГИП, и размещение оснастки в газостате,
- создание в газостате высокой температуры и давления (в зависимости от сплава) для уплотнения сплава путем уменьшения (или устранения) усадочной и газовой пористости и уменьшения химической неоднородности сплава,
- выдержка при заданных температуре и давлении,
- выключение газостата и охлаждение с нерегулируемой скоростью,
- термическая обработка отливок или деталей в печи, например, в вакууме с использованием гомогенизирующего отжига с последующим быстрым охлаждением (в потоке аргона, на воздухе и т.д.) с целью получения микроструктуры, обеспечивающей требуемые характеристики сплавов.
Известный способ улучшения структуры отливок позволяет уменьшить (или устранить) только усадочную и газовую пористость, но не устраняет пористость, образующуюся в процессе термической обработки в печи, а следовательно, не обеспечивает требуемые (максимальные) физико-механические характеристики сплава и уменьшение их разброса, и заданную надежность деталей.
Заявляемый способ улучшения структуры отливок из никелевых сплавов обеспечивает повышение надежности изготовленных из них деталей путем уменьшения в отливках как усадочной и газовой пористости, так и пористости, образующейся в процессе гомогенизирующего отжига. Это достигается путем совместной термообработки отливок и обработки отливок давлением при температуре термообработки не менее 5 минут. Для отливок из никелевых сплавов время совместной обработки в 5 минут выбирается исходя из следующего: если время меньше 5 минут, то микропластическая деформация в области пор, образовавшихся после растворения γ'-фазы, не происходит.
Верхний временной предел обработки отливок зависит от температуры гомогенезирующего отжига (чем выше темпертара, тем меньше время обработки), максимальных размеров несплошностей (чем больше размер пор, тем больше время обработки).
Охлаждение отливок осуществляют с заданной скоростью не менее 30 град./мин, которая определяется в зависимости от химического состава сплавов и должна обеспечить выделение γ'-фазы кубической морфологии определенного размера ≈0,45 мкм, для обеспечения жаропрочности. Более низкие скорости приводят к выделению слишком крупных частиц и к переходу от кубической морфологии к неопределенной форме.
Верхняя граница скорости охлаждения также зависит от химического состава сплава. Превышение скорости приводит к нежелательным размерам и морфологии γ'-фазы, которые не позволяют добиться заявляемого технического результата, а именно к ее измельчению и переходу от кубической морфологии к сферической, что отрицательно сказывается на жаропрочности сплава.
В качестве термообработки применяют гомогенизирующий отжиг, так как для получения необходимой жаропрочности необходимо растворить γ'-фазу в γ-твердом растворе для того, чтобы выделить ее в процессе последующего охлаждения в виде дисперсных частиц.
Температуру гомогенизирующего отжига могут выбирать из условия Т>Тнγ', где Тнγ' - температура начала растворения γ'-фазы. Данный диапазон температур выбирают исходя из следующего. Для повышения жаропрочности сплавов на основе никеля необходимо провести перекристаллизацию γ'-фазы частично или полностью, т.е. растворить ее (частично или полностью) в γ-твердом растворе и выделить в виде мелкодисперсных частиц.
Максимальная жаропрочность достигается при полной перекристаллизации γ'-фазы. Однако в силу различных причин (экономической целесообразности, отсутствия оборудования, позволяющего произвести полную перекристаллизацию, и т.д.) в целом ряде случаев бывает достаточно произвести неполную перекристаллизацию γ'-фазы с получением требуемых (достаточных), а не максимальных параметров, поэтому температуру гомогенезирующего отжига выбирают из условия Т>Тнγ'.
Давление в газостате создают в зависимости от конкретной задачи, зависящей от качества отливки, т.е. от плотности литой структуры, но не менее 100 МПа.
Верхняя граница давления зависит от параметров оборудования для ГИП.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
Материал отливок - сплав 4С88У.
3
Термообработка отливок без ГИП. В литом состоянии образец сплава имеет определенную методом гидростатического взвешивания плотность ρ=8,2213 г/м.
3
После гомогенизирующего отжига без ГИП: ρ=8,2192 г/м, т.е. за счет образования пор гомогенизации плотность сплава уменьшилась на величину 0,03%.
Пример 2. Термообработка совмещена с ГИП. Выдержка в газостате - 10 мин, скорость охлаждения отливок в газостате - 35 град./мин.
3
В литом состоянии плотность ρ=8,2272 г/м.
3
После ГИП - плотность ρ=8,2309 г/м, т.е. плотность сплава после ГИП увеличилась на 0,05%.
Пример 3
3
3
3
Материал - сплав 4С88У. Плотность в литом состоянии 8,2213 г/м, плотность после термообработки 8,2192 г/м, после ГИП и термообработки в течение 2 минут плотность уменьшилась и систавила - 8,2216 г/м.
Пример 4
Термообработка совмещена с ГИП. Выдержка в газостате - 4 часа.
3
3
Материал - сплав 4С88У. Плотность в литом состоянии 8,2213 г/м, после ГИП и термообработки в течение 4 часов плотность составила 8,2339 г/м, т.е. плотность увеличилась на 0,15%.