Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ, ДЕФОРМИРУЕМЫХ, ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

Предлагаемое изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке деталей и сварных узлов газотурбинных авиационных двигателей, нефте- и газоперекачивающих и энергетических установок из жаропрочных дисперсионно твердеющих свариваемых сплавов на никелевой основе.

Известны режимы термической обработки жаропрочных деформируемых дисперсионно-твердеющих свариваемых сплавов на никелевой основе, которые, как правило, состоят из закалки, обеспечивающей полное растворение основной упрочняющей γ'-фазы и рекристаллизацию структуры, и одного или двух этапов старения, заключающихся в изотермической выдержки в области температур интенсивного образования γ'-фазы.

Например, известен способ термической обработки дисперсионно твердеющего свариваемого сплава на никелевой основе, заключающийся в закалке при температуре 970÷1010°С и охлаждении на воздухе и последующем старении при 621÷718°С (патент Японии №592/1560).

Известен также режим термической обработки этого класса сплавов, включающий закалку при 1065÷1165°С и старение при 700÷730°С (патент Японии №62297446).

Однако указанные режимы термической обработки не создают термически стабильную структуру сплавов, что является необходимым условием эффективной и надежной работы изготовляемых из них изделий.

Основная масса γ'-фазы выделяется в никелевых сплавах при температурах 650÷980°С и не может быть достаточно полно образована за счет изотермических выдержек в существенно более узком интервале температур.

Эксплуатация сварных узлов и деталей, подвергнутых старению в слишком узком интервале температур, может привести как к дополнительному достариванию в процессе эксплуатации, так и к частичному растворению мелкодисперсных частиц γ'-фазы, что меняет механические и физические свойства материала, образует диффузионные потоки и снижает работоспособность изделий.

Вместе с тем, исходная структура, образующаяся в результате применения известных режимов термической обработки, сообщает сплавам заниженные, против оптимально необходимых для эксплуатации, значения пластических характеристик (относительное удлинение и сужение, чувствительность к концентраторам напряжений и т.д.) и параметры длительной прочности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, взятым в качестве прототипа, является способ термической обработки жаропрочных деформируемых дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе, включающий закалку, нагрев до 1000°С и после выдержки - ступенчатое старение с охлаждением в печи, далее на воздухе, причем ступенчатое старение осуществляют соответственно: при температурах 900±20°С с выдержкой 30÷50 мин, при 800±20°С с выдержкой 80÷100 мин, при 700±50°С с выдержкой 4÷6 час и при 600±50°С с выдержкой 6÷8 час (патент РФ №2105080).

В данном способе температура закалки до 1000°С не обеспечивает полного растворения γ'-фазы жаропрочных дисперсионно твердеющих свариваемых сплавов на никелевой основе для деталей и сварных узлов газотурбинных двигателей. Значительная ее часть остается в структуре в виде скоагулированных крупных частиц и практически не участвует в упрочнении сплава. При таких температурах закалки не происходит рекристаллизация структуры.

Поскольку старение в жаропрочных свариваемых сплавах протекает достаточно вяло, предлагаемого времени выдержки недостаточно для полного выделения γ'-фазы.

Охлаждение в печи с температуры выдержки при старении создает в структуре сплава непрерывный по величине ряд частиц γ'-фазы, что не позволяет образовать свободные от частиц γ'-фазы зоны для релаксации напряжений.

Предлагаемые в прототипе температуры выдержки при старении не создают оптимальные структуры деталей и сварных узлов газотурбинных двигателей из жаропрочных свариваемых сплавов на никелевой основе. Температура первой ступени старения не обеспечивает достаточной степени коагуляции выделяющихся в этом температурном диапазоне частиц γ'-фазы и, соответственно, оптимального размера зон релаксации напряжений. Температура второй ступени старения не охватывает диапазон температур максимального по объему выделения γ'-фазы для жаропрочных свариваемых сплавов. То же относится и к третьей ступени старения. При температурах выдержки четвертого этапа старения 550÷650°С в жаропрочных свариваемых материалах выделения γ'-фазы практически не происходит.

Таким образом, известный способ не обеспечивает высокий уровень кратковременных и длительных прочностных свойств, изделия обладают чувствительностью к концентраторам напряжений, низким уровнем свариваемости и ударной вязкости.

Технической задачей настоящего изобретения является разработка способа термической обработки изделий из жаропрочных деформируемых дисперсионно твердеющих сплавов на никелевой основе, обеспечивающего высокий уровень кратковременной и длительной прочности, пластичности, ударной вязкости, пониженную чувствительность к концентраторам напряжений, структурную стабильность в сварных узлах и улучшение свариваемости.

Для достижения поставленной задачи предлагается способ термической обработки изделий из жаропрочных деформируемых дисперсионно твердеющих сплавов на никелевой основе, включающий закалку и ступенчатое старение, отличающийся тем, что закалку проводят при температуре на 30÷100°С выше Тпр γ' с выдержкой при этой температуре не менее 5 минут и последующим охлаждением на воздухе, а старение осуществляют в 3 ступени, где первая ступень включает нагрев до температуры на 50÷100°С ниже Тпр γ' с выдержкой при этой температуре не менее 2 час с последующим охлаждением на воздухе, вторая ступень - нагрев до температуры 770÷860°С с выдержкой при этой температуре не менее 5 часов с последующим охлаждением на воздухе, а третья ступень - нагрев до температуры 660÷750°С с выдержкой при этой температуре не менее 10 часов и последующим охлаждением на воздухе, где Тпр γ' - температура полного растворения γ'-фазы.

Закалка с выдержкой при температуре на 30÷100°С выше Тпр γ' и с последующим охлаждением на воздухе обеспечивает рекристаллизацию структуры, образование оптимального для жаропрочных сплавов, работающих в районе температур 500÷950°С (корпуса, экраны, опоры, подшипников и т.д. в авиационных двигателях нефте- и газоперекачивающих и энергетических установках), размера микрозерна 5÷8 балл, полное растворение γ'-фазы в процессе выдержки и сохранение большей ее части в твердом растворе при охлаждении на воздухе.

На первой ступени старения за 2÷5 часов выдержки выделяются крупные (50000-100000 ) частицы γ'-фазы, вокруг которых образуются пластичные зоны γ-твердого раствора. В процессе эксплуатации изделий в этих зонах происходит релаксация напряжений, что обеспечивает их высокую работоспособность, надежность и не чувствительность материала к концентраторам напряжений. Охлаждение на воздухе позволяет избежать образование в этих зонах мелкодисперсных выделений, которые снижают их пластичность.

На второй ступени старения температура 770÷860°С обеспечивает интенсивное протекание диффузионных процессов, а длительная выдержка не менее 5 часов способствует выделению основного количества γ'-фазы в виде частиц размером 500÷2000, что и определяет высокий комплекс механических свойств материала. Охлаждение на воздухе позволяет сохранить в γ-твердом растворе достаточное для интенсивного протекания третьей ступени старения количество γ'-образующих элементов.

Задачей выдержки на третьем этапе старения не менее 10 часов является довыделение в нижнем районе температур старения (660÷750°С) мелкодисперсных частиц, что способствует повышению прочностных характеристик сплава и его структурной стабильности.

Пример осуществления:

В лабораторных условиях в вакуумной индукционной печи УППФ выплавлена плавка серийного жаропрочного свариваемого дисперсионно-твердеющего сплава на никелевой основе ЭП708, разлитая в круглые металлические изложницы.

Слитки ковались на прессе “Блисс” на прутки 15 мм и сутунки 40×100×L мм. Последние прокатывались в горячую на стане “Шлитц” на листы толщиной 2 мм.

После отжига и щелочно-кислотного травления горячекатаные листы на стане “Крупп” в холодную прокатывались на холоднокатаный лист толщиной 1,2 мм.

На металле плавки определена температура полного растворения γ'-фазы - 1030°С.

В таблице 1 представлены механические и технологические свойства, полученные в результате испытания образцов, изготовленных из холоднокатаного листа δ=1,2 мм и прутка 15 мм после термической обработки по предлагаемому способу (пример 1-3) и по способу-прототипу (пример 4).

σ_в ²⁰ - предел прочности при 20°С;

σ_0,2 ²⁰ - предел текучести при 20°С;

σ_в⁸⁰⁰ - предел прочности при 800°С;

σ_0,2 ⁸⁰⁰ - предел текучести при 800°С;

δ₅ ²⁰ - относительное удлинение 20°С;

δ₅ ⁸⁰⁰ - относительное удлинение 800°С;

τ₂₃ ⁸⁰⁰ - время до разрушения при испытании на длительную прочность при температуре 800°С и напряжении 23 кгс/мм²;

σ₁₀₀ ^н800 - предел сточасовой длительной прочности образца с надрезом радиусом 0,15 мм при температуре 800°С;

σ₁₀₀ ⁸⁰⁰ - предел сточасовой длительной прочности гладкого образца при температуре 800°С;

а_н ²⁰ - ударная вязкость;

v_кp - критическая скорость деформации в сварном шве.

Результаты испытания свидетельствуют, что предлагаемый способ термической обработки позволяет существенно повысить прочностные характеристики изделия и его ударную вязкость. При этом изделие, термобработанное по предлагаемому способу, не чувствительно к концентраторам напряжений (σ₁₀₀ ^{н 800}/σ₁₀₀ ⁸⁰⁰>1) в отличие от изделия, обработанного по режиму прототипа (σ₁₀₀ ^н800/σ₁₀₀ ⁸⁰⁰<1), а его свариваемость (V_кp) лучше. Аналогичные результаты были получены на образцах, выполненных из дисперсионно твердеющего жаропрочного свариваемого сплава на никелевый сплав ЭП 99.

Таким образом, предлагаемый способ позволит повысить ресурс и надежность корпусов, экранов, опор подшипников и других деталей, применяемых в авиационных двигателях нефте- и газоперекачивающих и энергетических установках.