СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ИЗ СПЛАВА НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
METHOD FOR MANUFACTURING NICKEL-BASED ALLOY DETAILS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам обработки деталей из сплава на основе никеля для изготовления деталей горячего тракта ГТД.
Известен способ горячей обработки деталей из высокотемпературных жаропрочных сплавов на основе никеля. Способ включает нагрев до температуры 70-95% температуры плавления сплава (Тпл), выдержку при давлении - 34,47-344,7 МПа (5000-50000 psig) (Патент США №4302256).
Недостатком способа является незначительное повышение ресурса деталей при температуре 982°C (1800°F).
Известен способ обработки деталей, повышающий качество и эксплуатационную надежность лопаток турбины из жаропрочных никелевых сплавов. Способ заключается в выдержке деталей при температуре 1220°C и давлении 194 МПа в течение 3 часов (Патент РФ №2184178).
Недостаток этого способа заключается в недостаточно высоком пределе выносливости и низком выходе годных лопаток.
Известен способ обработки деталей из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов. ГИП проводят при температуре, на 5-20°С превышающей температуру полного растворения упрочняющей γ'-фазы, и давлении 120-210 МПа не менее 1,5 часов. Способ может быть одно-, двух-, трехступенчатым (Патент РФ №2353701).
Недостатками являются низкий выход годного и большая продолжительность технологического процесса, требующего значительных энергозатрат.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ обработки деталей из жаропрочных никелевых сплавов, включающий проведение горячего изостатического прессования и последующее охлаждение, отличающийся тем, что процесс осуществляется в две ступени. На первой ступени проводят нагрев детали от комнатной температуры до 1100-1200°C и выдержку при этой температуре и давлении аргона 150-170 МПа в течение 0,5-1,5 часа. На второй ступени проводят нагрев до температуры сплава под закалку и давлении 130-150 МПа в течение 1,5-2 часов с последующим охлаждением в газостате (Патент РФ №2309191).
Недостатком способа-прототипа является то, что он не обеспечивает повышения предела выносливости деталей и снижения микропористости.
Технической задачей изобретения является разработка способа обработки деталей из интерметаллидного сплава на основе никеля, обеспечивающего повышение многоцикловой и малоцикловой усталости при температуре 900°C и снижение микропористости.
Для достижения поставленной технической задачи предложен способ обработки деталей из сплава на основе никеля, включающий проведение горячего изостатического прессования в две ступени и последующее охлаждение, отличающийся тем, что в качестве сплава на основе никеля используют интерметаллидный сплав, при этом на первой ступени осуществляют нагрев до температуры Тпл - (80-100)°C и выдержку в течение 2,5-3,5 часов при давлении 170-185 МПа, на второй ступени - нагрев до температуры Тпл - (20-40)°С и выдержку в течение 0,5-1,5 часа при давлении 180-195 МПа, а последующее охлаждение проводят до температуры Тпл - (510-540)°С со скоростью 8-10°С/мин, где Тпл - температура плавления сплава.
Установлено, что при выбранном режиме горячего изостатического прессования интерметаллидного сплава на основе никеля происходит снижение объемной доли микропористости в лопатках и деталях ГТД не менее чем в 6 раз, а максимального размера пор - более чем в 5 раз по сравнению с литым состоянием, а также обеспечивается формирование оптимальной лабиринтовой микроструктуры, состоящей из частиц первичной (размером 2-5 мкм) и вторичной (размером 0,2-1 мкм) γ'-фаз, равномерно расположенных в γ-твердом растворе, что обеспечивает повышение многоцикловой (МнЦУ) и малоцикловой (МЦУ) усталости при температуре 900°C, а применение высокого давления способствует ускорению протекания диффузионных процессов и снижению общего времени термообработки более чем в 3 раза.
Примеры осуществления
Для осуществления предлагаемого способа были изготовлены детали из интерметаллидных сплавов на основе никеля марок ВКНА-1B и ВКНА-4У. Исходные прутковые (шихтовые) заготовки сплавов изготавливали в вакуумной индукционной плавильной установке ВИАМ-2002, далее детали с монокристаллической структурой ориентации [111] отливали на установке высокоградиентной направленной кристаллизации УВНС-5. Интерметаллидный сплав марки ВКНА-1В имеет температуру плавления 1334°C, ВКНА-4У - 1315°C.
Пример 1.
Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля марки ВКНА-1В, без предварительной термической обработки, подвергали горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в три ступени за один прием: I ступень - нагрев в контейнере до температуры 1334-80=1254°C, выдержка 3 часа при давлении 170 МПа, II ступень - нагрев до температуры 1334-20=1314°С, выдержка 1 час при давлении 180 МПа, III ступень - охлаждение до температуры 1334-510=824°C со скоростью 8-10°С/мин, далее охлаждение за счет остывания газа.
Определение динамических характеристик, таких как многоцикловой и малоцикловой усталости при температуре 900°C, проводили на образцах по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 25.502-79 на испытательной машине Instron 8801-A1/A2. Режимы горячего изостатического прессования и полученные механические свойства интерметаллидного сплава на основе никеля приведены в таблице 1.
Пример 2, 3 осуществляли аналогично.
Пример 4 (прототип)
Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля ВКНА-1В, без предварительной термической и механической обработки подвергали горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в две ступени за один прием: I ступень - нагрев до температуры 1050°C, выдержка при давлении аргона 140 МПа в течение 1 часа, II ступень - нагрев до температуры 1210°C, выдержка в течение 2 часов при давлении 160 МПа, с последующим охлаждением в газостате. Гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе.
Пример 5
Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля марки ВКНА-4У, без предварительной термической обработки, подвергали горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в три ступени: I ступень - нагрев в контейнере до температуры 1315-80=1235°С, выдержка 2,5 часа при давлении 170 МПа, II ступень - нагрев до температуры 1315-20=1295°C, выдержка 1,5 часа при давлении 180 МПа, III ступень - охлаждение до температуры 1315-510=805°C со скоростью 8-10°С/мин, далее охлаждение за счет остывания газа.
Пример 6, 7 осуществляли аналогично.
Пример 8 (прототип)
Детали из интерметаллидного сплава на основе никеля ВКНА-4У, без предварительной термической обработки, подвергались горячему изостатическому прессованию в газостате «Квинтус-16», которое проводили в две ступени за один прием: первая ступень - нагрев до температуры 1050°C, выдержка при давлении аргона 140 МПа в течение 1 часа, вторая ступень - нагрев до температуры 1210°C, выдержка в течение 2 часов при давлении 160 МПа, с последующим охлаждением в газостате. Гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе.
Из таблицы 1 видно, что применение предлагаемого способа обработки деталей из сплава на основе никеля обеспечивает повышение многоцикловой усталости при температуре 900°C на ~25%, малоцикловой усталости при температуре 900°С на 22-25%, снижение микропористости в 5 раз.
Применение предлагаемого способа обработки деталей из сплава на основе никеля позволит повысить ресурсные и эксплуатационные характеристики (более длительный ресурс работы деталей).
Таблица 1
№№ п/п
Ступени
ГИП
Пределы выносливости при температуре 900°C
Микропористость, %
Температура, °C
Давление, МПа
Выдержка, ч
Многоцикловая усталость, 2×10<sup>7</sup>, МПа
Малоцикловая усталость, 2×10<sup>4</sup>, МПа
Предлагаемый способ, интерметаллидный сплав ВКНА-1В
1
I
1254
170
2,5
415
507
0,026
II
1314
180
1,5
охлаждение до 824°C со скоростью 8-10°C/мин
2
I
1244
185
3,5
420
515
0,025
II
1304
190
0,5
охлаждение до 809°C со скоростью 8-10°C/мин
3
I
1234
180
3
425
503
0,028
II
1294
195
1
охлаждение до 794°C со скоростью 8-10°C/мин
Способ-прототип, интерметаллидный сплав ВКНА-1В
4
I
1050
140
1
340
412
0,160
II
1210
160
2
гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе
Таблица 2
№№ п/п
Ступени
ГИП
Пределы выносливости при температуре 900°C
Микропористость, %
Температура, °C
Давление, МПа
Выдержка, ч
Многоцикловая усталость, 2×10<sup>7</sup>, МПа
Малоцикловая усталость, 2×10<sup>4</sup>, МПа
Предлагаемый способ, интерметаллидный сплав ВКНА-4У
5
I
1235
170
2,5
380
510
0,030
II
1295
180
1,5
охлаждение до 805°C со скоростью 8-10°C/мин
6
I
1225
185
3,5
390
520
0,032
II
1285
190
0,5
охлаждение до 790°C со скоростью 8-10°C/мин
7
I
1215
180
3
385
515
0,028
II
1275
195
1
охлаждение до 775°C со скоростью 8-10°C/мин
Способ-прототип, интерметаллидный сплав ВКНА-4У
8
I
1050
140
1
310
415
0,165
II
1210
160
2
гомогенизация в вакууме при 1210°C в течение 4 ч, охлаждение на воздухе