способ изготовления дисков газотурбинных двигателей из порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля

Формула изобретения

Способ изготовления дисков газотурбинных двигателей из порошковых жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий получение гранул, их размещение в капсулах, горячее изостатическое прессование, деформацию, закалку и старение, отличающийся тем, что полученные гранулы рассеивают на гранулы размером +10-50 мкм, горячее изостатическое прессование проводят при температуре на 10-30°С ниже температуры полного растворения '-фазы с выдержкой под давлением в течение 2-8 ч, деформацию осуществляют объемной штамповкой или прессованием вытяжкой со степенью деформации 70-90% при температуре на 60-100°С ниже температуры полного растворения '-фазы с последующей закалкой от температуры деформации со скоростью 50-100°С/мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам изготовления дисков из порошков - гранул жаропрочных сплавов на никелевой основе, предназначенных для изготовления газотурбинных двигателей.

Известен способ изготовления изделий из жаропрочных никелевых сплавов, включающий получение гранул, горячее изостатическое прессование, деформацию и термическую обработку (Согришин Ю.П. и другие. Металлургия гранул, сб. статей 1986 г., стр.113-120).

Недостатком данного способа являются недостаточно высокие механические свойства при комнатной и рабочей температуре.

Известен способ изготовления изделий из жаропрочных порошковых никелевых сплавов, включающий получение и переработку порошков в «нейтральной» атмосфере, горячее изостатическое прессование (ГИП), экструзию при температуре, не превышающей температуру рекристаллизации, но отличающуюся от нее не более чем на 20°С, закалку и старение (Патент США, № 3519503, 1970 г. - способ-прототип).

Недостатки данного способа связаны не с мелким зерном твердого раствора, а с параметрами образующихся при последующей закалке частиц '-фазы. Так, при последующей термической обработке-закалке, предусмотренной данным способом, а именно невысоким нагревом и выдержкой в двухфазной ( + ')-области для сохранения мелкого зерна, образуются частицы '-фазы достаточно большого размера (0,1-0,2 мкм), что уменьшает прочность при пониженных температурах до 650°С. В случае закалки от более высоких температур однофазной -области происходит рост зерна твердого раствора до величины 20 и более мкм, что, как известно, уменьшает прочностные характеристики в еще большей мере, чем наличие крупных частиц '-фазы.

Техническая задача данного изобретения решается повышением характеристик прочности при температуре до 650°С, т.е. до температур, когда граница зерен является упрочняющим фактором. При этих температурах повышение прочностных характеристик - , , , связано с уменьшением величины зерна и с уменьшением размеров частиц '-фазы.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе изготовления изделий из жаропрочных никелевых сплавов применяют фракцию гранул размером +10-50 мкм, ГИП проводят при температуре на 10-30°С ниже температуры полного растворения '-фазы с выдержкой под давлением в течение 2-8 часов, деформацию осуществляют со степенью 70-90% при температуре двухфазной области на 60-100°С ниже температуры полного растворения '-фазы с последующей закалкой со скоростью 50-100 град/мин.

Идея предложенного способа заключается в том, что на каждом этапе осуществления принятой технологии создаются благоприятные условия для уменьшения зерна твердого раствора и увеличения дисперсности частиц '-фазы, что в итоге приводит к увеличению прочности при умеренных температурах. Кроме того, предложенный способ обеспечит получение такой дисперсной структуры, которая позволит рассматривать современные жаропрочные гранулированные сплавы как наноматериалы.

Применение мелких гранул фракции 10-50 мкм способствует формированию после ГИП гораздо более мелкого зерна твердого раствора размером 10-20 мкм по сравнению с материалом, полученным из серийных, обычно применяемых гранул: -50+200 ( +315 мкм). Использование в исходном, перед деформацией, состоянии материала с меньшим зерном твердого раствора обеспечивает в дальнейшем, после рекристаллизации, проходящей в процессе деформации или при последующей закалке, образование более мелкого зерна.

Применение гранул меньшего размера, чем фракция -10+50 мкм, способствует резкому увеличению протяженности межгранульных границ, что в конечном итоге из-за их окисления приводит к снижению всего комплекса механических свойств. Увеличение размера используемых гранул приводит к существенному увеличению исходного зерна твердого раствора, что снижает технологическую прочность при деформировании.

Проведение горячего изостатического прессования при температуре однофазной -области способствует получению крупного зерна твердого раствора, в результате чего снижается технологическая пластичность и затрудняется деформирование жаропрочных никелевых сплавов. Снижение температуры ГИП более чем на 30°С ниже температуры полного растворения '-фазы снижает механические характеристики компактного материала из-за сохранения литой структуры.

Оптимальная выдержка под давлением при ГИП составляет 2-8 часов. Увеличение выдержки более 8 часов способствует увеличению размера зерна, что, как уже отмечалось, ухудшает деформируемость. Снижение выдержки менее 2 часов не позволяет в полной мере пройти при ГИП процессами диффузионного спекания, что снижает весь комплекс механических свойств.

Температура деформации, с одной стороны, должна быть не очень высокой в двухфазной ( + ')-области, чтобы величина рекристаллизованного зерна, образующегося в процессе динамической рекристаллизации, при деформации при последующей закалке составила 0,5-2 мкм, и с другой стороны не очень низкой, чтобы частицы '-фазы (в двухфазной + '-области) успели максимально раствориться, уменьшить свои размеры. Таким образом, очевидно, что температура деформации в двухфазной + '-области должна быть оптимальной. Такой температурой является температура на 60-100°С ниже температуры полного растворения '-фазы, которая для высоколегированных сплавов на никелевой основе составляет 1100-1140°С.

Степень деформации менее 70% не обеспечивает получение полностью равномерной структуры по сечению детали, что снижает технологическую пластичность. Деформация более 90% также снижает указанную характеристику из-за сильного наклепа.

Закалка с температурой деформации со скоростью менее 50 град/мин не обеспечивает получение частиц '-фазы необходимой дисперсности (80-90% частиц с размерами менее 40-50 нм). Закалка со скоростями >100 град/мин может способствовать образованию повышенных остаточных напряжений и тем самым к микроповодке обрабатываемых деталей.

Пример:

Изготавливали детали типа дисков из жаропрочных гранулированных никелевых сплавов ЭП741НП (температура полного растворения '-фазы - 1180°С) и ЭП962НП (температура полного растворения '-фазы - 1190°С) по следующей технологии: получение гранул методом центробежного распыления электродов и последующего рассева на требуемые фракции; горячее изостатическое прессование в капсулах из низкоуглеродистой стали, деформация штамповкой или прессованием с последующей закалкой и старением по режиму 750°С, 8 часов.

При изготовлении дисков по заявленному способу из сплава ЭП741НП применились следующие этапы:

- использовали гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1170°С (на 10°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с выдержкой 2 часа; деформация объемной штамповкой на 70% при температуре 1120°С (на 10°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с последующим охлаждением при обдуве диска водовоздушной смесью (V_охл=50 град/мин) - режим 1.

- гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1150°С (на 30°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с выдержкой 8 час; деформация объемной штамповкой на 90% при температуре 1080°С (на 100°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с последующим охлаждением в синтетической охлаждающей жидкости (V_охл=100 град/мин) - режим 2.

- использовали гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1160°С (на 20°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с выдержкой 4 часа; деформация объемной штамповкой на 80% при температуре 1100°С (на 80°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с последующим охлаждением в синтетической охлаждающей среде (V_охл=80 град/мин) - режим 3.

Изготовление дисков из сплава ЭП741НП по способу-прототипу проводили по режиму:

- получение товарной фракции гранул +50-200 мкм, ГИП при температуре 1200°С (выше температуры полного растворения '-фазы); деформация прессованием с 6-кратной вытяжкой при температуре 1060°С; закалка с температуры 1060°С.

Изготовление дисков по заявленному способу из сплава ЭП962НП проводили по режиму:

- использовали гранулы фракции +10-50 мкм; температура ГИП - 1160°С (на 20°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с выдержкой 4 часа; деформация объемной штамповкой на 70% при температуре 1100°С (на 30°С ниже температуры полного растворения '-фазы) с последующим охлаждением при обдуве диска водовоздушной смесью (V_охл=60 град/мин) - режим 4.

Изготовление дисков из сплава ЭП962НП проводили по режиму:

- получение товарной фракции гранул +50-200 мкм, ГИП при температуре 1210°С (выше температуры полного растворения '-фазы); деформация прессованием с вытяжкой 6 при температуре 1070°С; закалка с температуры 1070°С.

Полученные механические свойства представлены в таблице, из которой видно, что прочностные свойства при комнатной температуре испытаний при осуществлении предложенного способа увеличиваются на 10-13%, что способствует повышению долговечности газотурбинного двигателя на 20-30%.

Таблица.
Технология изготовления и механические свойства дисков из сплавов типа ЭП741НП и ЭП962НП. Температура старения везде 750°С, 16 часов.
Марка термообрабатываемого сплава	Технология изготовления	Механические свойства при 20°С
	Предлагаемый способ	в, МПа	0,2, МПа	, %
	Режим 1	1568	1180	15
ЭП741НП	Режим 2	1597	1176	16
	Режим 3	1587	1159	16
	Способ-прототип	1480	1107	16
	Предлагаемый способ
ЭП962НП	Режим 4	1617	1195	13
	Способ-прототип	1528	1137	13