способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных сплавов

Формула изобретения

Способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных сплавов, включающий изготовление исходных сварных колец прямоугольного сечения, теплую раскатку в условиях, близких к изотермическим, до формирования сечения необходимого профиля со степенью деформации не менее 10% после нагрева в интервале температур теплой деформации и последующую термическую обработку, отличающийся тем, что исходные сварные кольца изготавливают из нестареющих или слабостареющих жаропрочных и жаростойких сталей и никелевых сплавов, которые перед теплой раскаткой нагревают при 1150 1050^oС, выдерживают в течение не менее 0,5 ч, охлаждают с печью до 1050 1000^oС, выдерживают не менее 0,5 ч, извлекают из печи и устанавливают в валках стана, а тепловую раскатку начинают при 1000 900^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления кольцевых заготовок для деталей газотурбинных двигателей, и может найти применение в отраслях промышленности, где изготавливаются различные кольцеобразные изделия из нестареющих или слабостареющих жаропрочных и жаростойких сталей и никелевых сплавов, в особенности с сечениями малой толщины.

Известен способ изготовления кольцевых заготовок из горячекатанных профилей различных сталей и сплавов, включающий в себя резку профилей на штанги мерной длины, гибку штанг в кольцо, стыковую контактную сварку сведенных торцов штанг, зачистку грата, калибровку по диаметру и окончательную термообработку [1]

Недостатком этого способа являет то, что кольцевые заготовки, изготовленные с его применением из различных материалов, в том числе из нестареющих жаропрочных и жаростойких сталей и никелевых сплавов, характеризуются явновыраженной разнозернистостью с зонами крупной структуры в различных участках контура готовых изделий. Структура с указанными особенностями отрицательно отражается на уровне и стабильности значений механических и эксплуатационных характеристик деталей ГТД, вытачиваемых из кольцевых заготовок.

Известен способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных сплавов, включающий изготовление исходных сварных колей прямоугольного сечения, тепловую раскатку их в условиях, близких к изотермическим, до формирования сечения необходимого профиля со степенью деформации не менее 10% после нагрева в интервале температур тепловой деформации и последующую термообработку.

Недостатком этого способа является то, что он предназначен только для стареющих никелевых сплавов, т.к. в нем используется эффект повышения деформируемости стареющих сплавов с дуплекс структурой в условиях деформирования, близких к изотермическим.

Технический результат изобретения обеспечение возможности изготовления кольцевых заготовок с однородной регламентированной структурой и стабильно высоким уровнем механических свойств как по основному металлу, так и в зоне сварного соединения из нестареющих или слабостареющих жаропрочных и жаростойких сталей и никелевых сплавов.

Указанный результат достигается тем, что сварные кольцевые заготовки из горячекатанных профилей перед теплой раскаткой нагревают при температуре 1150 1050^oC, выдерживают в течение не менее 0,5 ч, охлаждают с печью до 1050 1000^oC, выдерживают не менее 0,5 ч, извлекают из печи и устанавливают в валках стана, а теплую раскатку начинают при 1000 900^oC.

Температурный интервал начала деформации 1000 900^oC выбран исходя из того, что для материалов указанного типа он одновременно удовлетворяет двум противоречащим друг другу требованиям: в нем металл получает довольно высокую долю энергии деформации, переходящую в тепло (чем ниже температура деформации, тем выше эта доля), а также характеризуется достаточно высоким резервом пластичности, необходимым для обеспечения интенсивной начальной деформации при раскатке (чем ниже температура деформации, тем ниже этот резерв пластичности).

Таким образом, указанный температурный интервал позволяет создать условия деформирования, близкие к изотермическим, т.к. тепловой эффект деформации компенсирует большую часть непрерывных теплопотерь за счет теплопроводности в металлическую оснастку и за счет излучения в окружающую атмосферу (положительная роль изотермических условий деформирования общеизвестна, в данном же случае это способствует получению однородной структуры и высокого уровня комплекса механических свойств после полной термообработки).

Температура начала деформации выше 1000^oC обусловливает понижение доли теплового эффекта деформации, и тем самым существенно уменьшает возможность получения условий деформирования, близких к изотермическим. Температура начала деформации ниже 900^oC обусловливает понижение резерва пластичности в начальной стадии раскатки и тем самым существенно затрудняет возможность интенсивной начальной деформации, обеспечивающей достаточно высокий тепловой эффект.

Температурный интервал второй ступени нагрева под раскатку 1050 - 1000^oC принят исходя из того, чтобы обеспечить температуру начала деформации 1000 900^oC с учетом неизбежно происходящего подстуживания на 50 100^oC нагретых в печи кольцевых заготовок при транспортировке их до кольцепрокатного стана и установки в валки. Нагрев под раскатку при температурах выше 1050^oC обусловливает (с учетом подстуживания) более высокую по сравнению с оптимальным интервалом начальную температуру раскатки, и тем самым понижение теплового эффекта деформации и как следствие - исключает возможность полученных условий деформирования близких к изотермическим.

Нагрев при температурах ниже 1000^oC обусловливает начало раскатки при температурах, характеризующихся резервом начальной пластичности, ниже оптимального (характерного для температур 1000 900^oC), в связи с чем уменьшается возможность достаточно интенсивной деформации и как следствие - существенно затрудняется возможность получения условий деформирования, близких к изотермическим. Температура первой ступени нагрева заготовок под раскатку 1150 1050^oC принята исходя из необходимости наиболее полного отжига (с рекристаллизацией структуры) сварных соединений и подготовки металла к их последующей деформации.

Нагрев до более высоких температур, чем 1150^oC нецелесообразен в связи с тем, что структура металла заготовок может сильно укрупниться, и по этой причине может резко понизиться резерв начальной пластичности при последующем деформировании.

Нагрев до температур ниже 1050^oC нецелесообразен в связи с тем, что для некоторых материалов не обеспечивает достаточно полного отжига сварных соединений кольцевых заготовок и подготовки их к последующему деформированию (1150^oC верхняя граница наиболее легированных, а 1050^oC нижняя граница наименее легированных материалов, используемых в изобретении).

В том случае, когда сварные кольцевые заготовки в процессе изготовления проходят высокотемпературный нагрев при 1050 1150^oC (например, при нагреве под калибровку, либо при нагреве под закалку для последующей холодной калибровки), нагрев их первой ступени (1150 1050^oC) можно не проводить и осуществлять посадку заготовок сразу при температурах второй ступени (1050 - 1000^oC).

В связи с тем, что материалы используемые в данном способе, не имеют или почти не имеют каких-либо вторичных фаз, которые при нагревах нужно было бы растворять или выделять, время выдержек при всех указанных температурах (когда оно не менее 0,5 ч), не имеет существенного значения и определяется технологической необходимостью. Оптимальный интервал 0,5 2,0 ч, в зависимости от объема садки (если первая заготовка будет выдержана при заданной температуре в течение 0,5 ч, то последняя, учитывая затраты времени на раскатку, в зависимости от объема садки может быть выдержана в течение 1,0-1,5 2,0 ч).

Данный способ отличается от известного в прототипе тем, что исходные сварные заготовки перед раскаткой нагревают при температуре 1150 1050^oC, выдерживают в течение не менее 0,5 ч, охлаждают с печью до 1050 1000^oC, выдерживают менее 0,5 ч, извлекают из печи и устанавливают в валках стана, а раскатку начинают при 1000 900^oC.

Как видно, интервалы температур первой и второй ступеней нагрева под раскатку и температура начала раскатки несколько уже, а время выдержек при обеих ступенях существенно меньше, чем в способе-прототипе. Это обусловлено тем, что в используемых в способе материалах не образуется фаза, а следовательно, ни при каких условиях не формируется дуплекс-структура.

Во всех случаях, при любых оговоренных температурах, объектом воздействия является высоколегированный твердый раствор используемых материалов, пластические свойства которого, независимо от марким материала при указанных температурах довольно близки и изменяются преимущественно только от температуры испытания и полноты рекристаллизации (в данном случает, в противоположность способу-прототипу, закономерность изменения пластичности не зависит от степени распада и морфологии фазы, поскольку этой фазы в нестареющих сплавах нет).

Повышение деформируемости в данном способе обеспечивается только за счет деформации в условиях, близких к изотермическим (в то время как в способе-прототипе это достигается еще и за счет формирования дуплекс-структуры).

Способ по прототипу реализуется только для стареющих никелевых сплавов, в которых при указанных условиях нагрева под раскатку формируется дуплекс-структура, обусловливающая существенное приращение пластичности стареющих никелевых сплавов в верхней области температур гетерогенного состояния. В нестареющих или слабостареющих жаропрочных сплавах дуплекс-структура не образуется. Поэтому повышение их деформируемости в условиях теплой раскатки (хоть и несколько меньшее, чем у стареющих сплавов) осуществляется за счет оптимизации температур нагрева под раскатку и температуры самой раскатки посредством сужения их интервалов и смещения интервала температур начала деформации в область более высоких значений (в сопоставлении с интервалом температур начала деформации по способу-прототипу).

Данный способ опробован при изготовлении кольцевых заготовок из сплавов ЭП 648 ВИ и ВЖ 98. Из горячекатанных профилей прямоугольного сечения размером 57х35 мм (ЭП 648 ВИ) 54х35 (ВЖ 98) по предлагаемому способу последовательно были изготовлены сварные кольцевые заготовки, проведены одинаковые для обоих сплавов нагрев до 1080 1100^oC, выдержка 30 40 мин, охлаждение с печью до 1020 1000^oC, выдержка 30 40 мин. выдача из печи и установка на кольцепрокатный стан, деформация с начальной температурой 950 -920^oC на степень 10, 20, 30, 40 и 50% (по одной кольцевой заготовке из каждого сплава) и последующая окончательная термообработка по ТУ.

Полученные кольцевые заготовки подвергались визуальному осмотру, механическим испытаниям и металлографическим исследованиям. Часть результатов механических испытаний приведены в табл. 1 и 2.

В табл. 1 приведены механические свойства основного металла кольцевых заготовок из сплава ЭП 648 БИ после различных степеней деформации по данному способу и окончательной термообработки, а в табл. 2 механические свойства сварных соединений этих же заготовок.

Как видно из приведенных таблиц, структура в полученных заготовках весьма однородна, а уровень всех механических свойств высок и стабилен, причем, механические свойства сварных соединений с запасом отвечают требованиям ТУ на основной металл.