СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВОК ДИСКОВ ИЗ СЛИТКОВ ВЫСОКОГРАДИЕНТНОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ИЗ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
PROCEDURE FOR FABRICATING DIE OF DISK OUT OF INGOTS OF HIGH GRADIENT CRYSTALLISATION OF NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению изделий из жаропрочных деформируемых никелевых сплавов, полученных методом высокоградиентной кристаллизации, работающих при температурах выше 600°С, в частности дисков ГТД.
В настоящее время известны способы производства изделий из жаропрочных никелевых сплавов, позволяющие добиться высокого уровня их свойств и надежности. Для дисков ГТД используют технологии с применением слитка или компактированной заготовки, полученной гранульной металлургией, включающую следующие этапы:
- производство слитков вакуумно-индукционной выплавкой;
- плазменную плавку и центробежное распыление слитков на гранулы;
- рассев гранул по крупности;
- сепарацию их от инородных частиц;
- дегазацию гранул и герметизацию в капсулах;
- горячее изостатическое прессование;
- термическую обработку изделия (Г.Гарибов, А.Казберович. ВИЛС: технологии XXI века. АВИА панорама, 2001, №5-6, с.38-39).
Для получения дисков из никелевых жаропрочных сплавов широко применяют способы, в которых для деформации используется слиток вакуумной индукционной выплавки с последующим вакуумным дуговым переплавом (ВИ+ВДП). Для того чтобы получить заготовку с равномерным рекристаллизованным зерном, обладающую повышенной пластичностью, слиток многократно деформируют, уменьшая его поперечные размеры прессованием (экструзией) или ротационной ковкой. Далее проводят многократную деформацию для увеличения диаметра (ЕР 0248757, США 5120373, 5693159).
Недостатком известных способов является необходимость применения крупногабаритного и энергоемкого оборудования для выплавки слитков большого диаметра и их деформации. При производстве дисков большого размера использование предварительно прессованной заготовки затруднено в связи с ее малым диаметром по отношению к размерам и массе окончательного изделия, что приводит к необходимости применения дополнительных операций подпрессовки.
Известен способ изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, который включает:
- вакуумно-индукционную выплавку;
- получение слитка диаметром 320 мм под деформацию вакуумным дуговым переплавом;
- гомогенизирующий отжиг слитка при температуре на 20÷30°С выше полного растворения γ' фазы (Tпрγ') в течение 4÷8 часов с охлаждением с печью до температуры максимальной коагуляции γ' фазы, далее на воздухе;
- предварительную деформацию слитка прессованием на пруток со степенью 65÷75% при температуре на 40÷60°C ниже Tпрγ' с последующей подпрессовкой мерных заготовок в закрытом контейнере со степенью 35÷50% при температуре на 60÷80°C ниже Tпрγ';
- окончательную деформацию с совмещением операции осадки и штамповки при температуре на 40÷60°C ниже Tпрγ' со степенью 75÷85%;
- термическую обработку, состоящую из предварительного отжига при температуре на 100÷130°C ниже Tпрγ', обработки на твердый раствор при температуре Tпрγ' ±10°C с регламентированным охлаждением и последующего старения (а.с. СССР №1637360).
Недостатками способа являются невозможность обеспечения требуемой однородности и высокого уровня свойств изделия, низкий коэффициент использования металла и высокая трудоемкость получения изделий.
Наиболее близким к предлагаемому способу, взятым за прототип, является способ получения штамповок дисков из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение слитка под деформацию методом высокоградиентной направленной кристаллизации, гомогенизирующий отжиг, нагрев под предварительную деформацию, предварительную деформацию, нагрев под окончательную деформацию, окончательную деформацию и термическую обработку, в котором получение слитка под деформацию осуществляют в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20÷200°C/см, а предварительную деформацию слитка осуществляют осадкой за два или более раза с суммарной степенью деформации не менее 55% и с промежуточным(и) отжигом(ами) (патент РФ №2215059).
Недостатками прототипа являются высокое напряжение течения металла при деформации, относительно низкая ударная вязкость и пониженная трещиностойкость.
Технической задачей изобретения является разработка способа изготовления штамповок дисков из слитков высокоградиентной кристаллизации из никелевых сплавов, обеспечивающего снижение напряжения течения металла при деформации слитка, повышение трещиностойкости и ударной вязкости изделия.
Для решения поставленной технической задачи предложен способ изготовления штамповок дисков из слитков высокоградиентной кристаллизации из никелевых сплавов, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение слитка методом высокоградиентной направленной кристаллизации, гомогенизирующий отжиг, нагрев под предварительную деформацию, предварительную деформацию, нагрев под окончательную деформацию, окончательную деформацию, в котором гомогенизирующий отжиг, нагрев под предварительную деформацию и нагрев под окончательную деформацию проводят в две ступени: I ступень - нагрев при температуре Tпрγ'-(120÷140)°C с выдержкой не менее 2 часов, II ступень - нагрев до температуры Tпрγ'+(10÷20)°C с выдержкой не менее 2 часов, скорость предварительной и окончательной деформации , где Tпрγ' - температура полного растворения γ'-фазы.
Установлено, что введение двухступенчатого гомогенизирующего отжига, двухступенчатого нагрева под деформацию, предварительной и окончательной деформации с заявленными режимами обеспечивает понижение напряжения течения металла, повышенный уровень трещиностойкости и ударной вязкости изделия.
Примеры осуществления предлагаемого способа
Для осуществления предлагаемого способа использовались сплавы типа ЭК79, системы Ni-Cr-Mo-Al-Ti, а именно: ЭК79, ЭП742, ЭИ698.
Слиток сплава ЭК79, имеющий температуру полного растворения γ'-фазы 1130°C (Tпрγ'), получают вакуумно-индукционной выплавкой с последующим получением слитка высокоградиентной кристаллизацией, подвергают двухступенчатому гомогенизирующему отжигу: I ступень - нагрев при 1130-120=1010°C, выдержка 3 часа, II ступень - нагрев до 1130+10=1140°C, выдержка 6 часов. После проведения гомогенизирующего отжига слиток подвергают нагреву в две ступени под предварительную деформацию: I ступень - нагрев до 1130-140=990°C, выдержка 4 часа, II ступень - нагрев до 1130+20=1150°C, выдержка 2 часа, предварительную деформацию осуществляют методом прямой осадки в контейнере на гладких байках при температуре 1150°C со скоростью деформации . Нагрев под окончательную деформацию осуществляют в две ступени: I ступень - нагрев до 1130-120=1010°C, II ступень - нагрев до 1130+10=1140°C, выдержка 4 часа. Окончательную деформацию осуществляют методом прямой осадки в штампе при температуре 1140°C со скоростью деформации . Примеры 2 и 3 аналогичны вышеизложенному, параметры способа приведены в таблице 1.
Слиток сплава ЭП742, имеющий температуру полного растворения γ'-фазы 1100°C (Tпрγ'), получают вакуумно-индукционной выплавкой с последующим получением слитка высокоградиентной кристаллизацией, подвергают двухступенчатому гомогенизирующему отжигу: I ступень - нагрев при 1100-120=980°С, выдержка 3 часа, II ступень - нагрев до 1100+10=1110°C, выдержка 6 часов. После проведения гомогенизирующего отжига слиток подвергают нагреву в две ступени под предварительную деформацию: I ступень - нагрев до 1100-140=960°C, выдержка 4 часа, II ступень - нагрев до 1100+20=1120°С, выдержка 2 часа, предварительную деформацию осуществляют методом прямой осадки в контейнере на гладких байках при температуре 1120°C со скоростью деформации . Нагрев под окончательную деформацию осуществляют в две ступени: I ступень - нагрев до 1100-120=980°C, II ступень - нагрев до 1100+10=1110°С, выдержка 4 часа. Окончательную деформацию осуществляют методом прямой осадки в штампе при температуре 1110°C со скоростью деформации . Примеры 2 и 3 аналогичны вышеизложенному, параметры способа приведены в таблице 2.
Слиток сплава ЭИ698, имеющий температуру полного растворения γ'-фазы 1030°C (Tпрγ'), получают вакуумно-индукционной выплавкой с последующим получением слитка высокоградиентной кристаллизацией, подвергают двухступенчатому гомогенизирующему отжигу: I ступень - нагрев при 1030-120=910°C, выдержка 3 часа, II ступень - нагрев до 1030+10=1040°C, выдержка 6 часов. После проведения гомогенизирующего отжига слиток подвергают нагреву в две ступени под предварительную деформацию: I ступень - нагрев до 1030-140=890°C, выдержка 4 часа, II ступень - нагрев до 1030+20=1050°C, выдержка 2 часа, предварительную деформацию осуществляют методом прямой осадки в контейнере на гладких байках при температуре 1050°C со скоростью деформации . Нагрев под окончательную деформацию осуществляют в две ступени: I ступень - нагрев до 1030-120=910°C, II ступень - нагрев до 1030+10=1040°C, выдержка 4 часа. Окончательную деформацию осуществляют методом прямой осадки в штампе при температуре 1040°C со скоростью деформации . Примеры 2 и 3 аналогичны вышеизложенному, параметры способа приведены в таблице 3.
Предлагаемый способ получения изделия из деформированного жаропрочного никелевого сплава позволяет повысить ударную вязкость изделия на 10÷17%, трещиностойкость на 40÷45% с понижением на 42÷45% напряжения течения металла при деформации слитка.
Использование предлагаемого способа позволит получать изделия с повышенным ресурсом и надежностью, которые могут быть использованы в перспективных газотурбинных двигателях. Способ обеспечивает возможность получения крупногабаритных изделий горячего тракта ГТД из больших слитков, предотвращает оплавление слитка в процессе непрерывного нагрева на температуру гомогенизации.