Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению полуфабрикатов из жаропрочных деформируемых сплавов на основе никеля, предназначенных преимущественно для изготовления осесимметричных деталей газотурбинных и ракетных двигателей типа дисков, полусфер, оболочек, «стаканов» и изделий других форм, работающих в условиях предельных нагрузок при рабочих температурах выше 600°С.

При получении дисков из никелевых жаропрочных сплавов для деформации преимущественно используют слиток вакуумно-индукционного переплава с последующим вакуумно-дуговым переплавом. Для того чтобы в результате предварительной деформации получить заготовку с равномерным рекристаллизованным зерном и обладающую необходимой пластичностью, слиток многократно деформируют, уменьшая его поперечные размеры прессованием (экструзией) или специальными приемами ковки (например, ротационной ковкой). Затем проводят многократную деформацию осадкой в закрытом контейнере с последующей свободной осадкой на плоских бойках с целью увеличения диаметра поперечного сечения.

Известен способ изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки под деформацию вакуумно-дуговым переплавом, гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию прессованием (экструзией) на пруток со степенью деформации 65-75% при температуре ниже Т.п.р. γ' на 40-60°С с последующей подпрессовкой в закрытом контейнере со степенью деформации 35-50% при температуре ниже Т.п.р. γ' на 60-80°С; окончательную деформацию совмещением осадки и штамповки при температуре ниже Т.п.р. γ' на 40-60°С со степенью деформации 75-85%; термическую обработку, состоящую из предварительного отжига при температуре ниже Т.п.р. γ' на 100-130°С, обработки на твердый раствор при температуре в интервале Т.п.р. γ'±10°С с регламентированным охлаждением и последующего старения (а.с. СССР №1637360).

Недостатком известного способа является необходимость применения сложного энергоемкого оборудования, высокая трудоемкость и длительность многоразовых операций подпрессовки (осадки в закрытом контейнере) для увеличения поперечного сечения заготовки.

Известен способ осадки с торцевыми прокладками. Торцевые прокладки активизируют течение металла в зоне контакта инструмента с заготовкой, делая поверхность торцев вогнутой, и за счет этого исключают в них образование зон затрудненной деформации (Л.Н.Могучий, «Обработка давлением труднодеформируемых материалов», М., Машиностроение, 1976 г., стр.29-37).

Применение способа ограничено геометрическими параметрами исходной заготовки, т.е. отношением высоты к диаметру (H/D) исходной заготовки. При H/D>1,5 эффективность торцевых прокладок снижается из-за ограниченной площади торца или невозможно их применение из-за потери устойчивости заготовки. Использовать торцевые прокладки в сочетании с операцией подпрессовки, которая решает проблему устойчивости заготовки, также не удается, т.к. вытекающий при осадке материал прокладки попадает в зазор между деформируемой заготовкой и стенкой контейнера и неблагоприятно искажает форму заготовки.

Известен также способ получения заготовок из малопластичных сплавов с применением внешних металлических коротких оболочек в сочетании с торцевыми прокладками, который позволяет достигнуть аналогичного с операцией подпрессовки эффекта без использования дорогостоящего инструмента. Короткая оболочка, помещаемая на центральную зону заготовки, повышает устойчивость заготовки и снижает неравномерность деформации при свободной осадке за счет действия гидростатического давления и геометрического фактора. (Л.Н.Могучий, «Обработка давлением труднодеформируемых материалов», М., Машиностроение, 1976 г., стр.97-102).

Известный способ деформации с короткими оболочками в сочетании с торцевыми прокладками при деформации жаропрочных никелевых сплавов применения не нашел, т.к. для создания полезного гидростатического давления материал оболочки при температуре деформации 1050-1150°С должен быть более прочным или равнопрочным материалу заготовки. Такие материалы дефицитны и труднообрабатываемы, поэтому изготовление оболочек из них нецелесообразно. Кроме того, способ невозможно применить при осадке заготовок с отношением высоты к диаметру более 2,5:1 из-за потери устойчивости.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки под деформацию направленной кристаллизацией в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200°С/см, гомогенизирующий отжиг, предварительную деформацию заготовки путем осадки за два или более раза с суммарной степенью деформации не менее 55% и с промежуточными отжигами в закрытом контейнере в изотермических условиях (подпрессовкой) при соотношении высоты и диаметра заготовки более 2,5:1, окончательную деформацию в интервале температур (Т.п.р. γ' - 100°С ÷ Т.п.р. γ' - 20°С) и термическую обработку путем предварительного отжига в интервале температур 900-1100°С, обработки на твердый раствор с регламентированным охлаждением и старения в интервале температур 650-1050°С (патент РФ №2215059).

Способ позволяет получать мерные штучные заготовки с максимальной экономией материала и энергозатрат. При этом исключена энергозатратная операция прессования (экструзии), которая заменена подпрессовкой в закрытых контейнерах.

Недостатком способа-прототипа является недостаточная однородность структуры в получаемых изделиях, поскольку операция подпрессовки менее эффективна для получения однородной мелкозернистой структуры в заготовке по сравнению с операцией экструзии. Процесс подпрессовки также не исключает наличия в заготовке застойных зон деформации, вследствие чего его возможности проработки структуры ограничены.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, обеспечивающего формирование однородной мелкозернистой структуры по всему объему заготовки за счет интенсивной деформации в торцевых зонах и участках, приближенных к боковой поверхности заготовки, и, как следствие, повышение стабильности эксплуатационных свойств.

Для решения поставленной технической задачи предложен способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение заготовки под деформацию направленной кристаллизацией в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200°С/см, предварительную деформацию заготовки путем осадки за два или более раза с промежуточными отжигами, окончательную деформацию и термическую обработку, отличающийся тем, что при предварительной деформации заготовки первую осадку осуществляют в закрытом контейнере с плоскими пресс-шайбами, затем на боковую поверхность заготовки помещают кольцевую оболочку, осуществляют нагрев заготовки под деформацию и вторую осадку проводят в закрытом контейнере с конусными пресс-шайбами.

Высота кольцевой оболочки равна 0,4-0,75 высоты заготовки, при этом наружный диаметр кольцевой оболочки равен диаметру контейнера.

Предел прочности материала кольцевой оболочки при температуре деформации составляет 0,2-0,8 предела прочности заготовки.

Угол конусной части пресс-шайб составляет 110-140°.

По предлагаемому способу предварительную деформацию заготовки, полученной методом направленной кристаллизации, осуществляют осадкой в закрытом контейнере с плоскими пресс-шайбами. За счет этого обеспечивают продольную устойчивость заготовки и правильную цилиндрическую форму после осадки, а также достигают повышения пластичности и равномерности деформации при дальнейшем деформировании за счет преобразования литой крупнокристаллической ориентированной структуры в более однородную рекристаллизованную. Следующую осадку заготовки, нагретой вместе с помещенной на ее боковую поверхность кольцевой оболочкой ведут в закрытом контейнере с конусными пресс-шайбами. Конусные пресс-шайбы являются сменными элементами комплекта штамповой оснастки и позволяют менять геометрические параметры деформируемой заготовки за счет изменения угла конусной части. Конусные пресс-шайбы нагреваются до температуры деформации, непосредственно воспринимают нагрузку от холодного пуансона и основания контейнера и передают ее заготовке. При этом пресс-шайбы предохраняют заготовку от подстывания, а закрытый контейнер от локальной перегрузки и деформации. Кольцевая оболочка выполняет двойную функцию: фиксирует заготовку по центру контейнера и в процессе осадки продавливает боковую поверхность заготовки. После деформации использованную кольцевую оболочку удаляют. При необходимости проведения дальнейшей осадки кольцевую оболочку оставляют с целью теплоизоляции и удаляют перед окончательной деформацией. Кольцевая оболочка в условиях осадки в закрытом контейнере, находясь между заготовкой и стенкой контейнера, преимущественно вдавливается в центральную часть заготовки. Боковая поверхность становится вогнутой, т.е. на заготовке создается «обратная бочкообразность». При этом в зоне боковой поверхности исключается образование зон затрудненной деформации. Одновременно конусные пресс-шайбы продавливают торцевые поверхности заготовки, исключая образование зон затрудненной деформации в торцевых зонах. В целом способ позволяет максимально приблизить поверхность заготовки к линиям интенсивного течения металла («ковочному кресту») без изготовления специального сложного по форме закрытого штампа, что позволяет максимально эффективно воздействовать на процесс формирования однородной мелкозернистой структуры в заготовке при осадке и приближает его по эффективности к процессу экструзии. Это дает возможность сократить число штамповых переходов в специальном штамповом инструменте и, как следствие, сократить затраты на процесс. В зависимости от геометрических параметров полученной заготовки последующие осадки проводят в закрытом контейнере с плоскими пресс-шайбами, возвращая заготовке цилиндрическую форму, или свободной осадкой. В дальнейшем из этой заготовки окончательной штамповкой получают осесимметричные детали различного назначения. Пресс-шайбы являются сменными элементами штамповой оснастки и при износе заменяются.

Высоту и материал кольцевой оболочки выбирают в зависимости от геометрических параметров и деформационных свойств заготовки в интервале 0,4-0,75 высоты заготовки, в котором полезное влияние кольцевой оболочки проявляется в наибольшей степени. При этом предел прочности материала кольцевой оболочки при температуре деформации должен составлять 0,2-0,8 от предела прочности заготовки. Использование материала кольцевой оболочки с пределом прочности менее 0,2 приводит к вытеканию оболочки за пределы контейнера, а при более 0,8 недостаточно продавливается боковая поверхность заготовки.

Одним из подходящих материалов для кольцевой оболочки по предлагаемому способу является легированная сталь, не образующая при нагреве значительной окалины и имеющая приемлемые показатели прочности и пластичности при температуре деформации.

Примеры осуществления

Для практического осуществления предлагаемого способа были выбраны жаропрочные никелевые сплавы ЭК151 и ЭП975, используемые для изготовления дисков турбин. При этом применяли слитки, полученные с использованием метода направленной кристаллизации (ВИ+НК).

Предварительную и окончательную деформацию осадкой проводили на специализированном для изотермической штамповки прессе 630тс с индукционной нагревательной установкой штампового инструмента.

Пример 1. По предлагаемому способу из слитка (ВИ+НК) сплава ЭК151 диаметром 105 мм, полученного методом направленной кристаллизации в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200°С/см, получаем изделие, осуществляя следующие операции:

1) Обточка литой заготовки на размер ⊘100 мм × 400 мм (H/D исх. заготовки = 4:1);

2) Осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм с плоскими пресс-шайбами при температуре 1150°С до высоты 278 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=278 мм, Dзаг.=120 мм);

3) Отжиг при температуре 1150°С;

4) Осадка в закрытом контейнере ⊘135 мм с конусными пресс-шайбами и кольцевой оболочкой при температуре 1100°С до высоты 219 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=219 мм, Dзаг.=135 мм). При этом использовали кольцевую оболочку из сплава ЭИ435 с пределом прочности при температуре деформации 10 кг/мм² (при пределе прочности заготовки 25 кг/мм²) высотой 225 мм с внутренним диаметром 120 мм и внешним диаметром 135 мм. Применены конусные пресс-шайбы с углом конусной части 140°;

5) Осадка в закрытом контейнере ⊘160 мм с плоскими пресс-шайбами при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С до высоты 156 мм;

6) Отжиг при температуре 1100°С;

7) Окончательная деформация при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

8) Отжиг при температуре 1100°С;

9) Термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С;

10) Старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

Пример 2. По предлагаемому способу (параметры слитка по примеру 1).

1) Обточка литой заготовки на размер ⊘100 мм × 300 мм (H/D исх. заготовки = 3:1);

2) Осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм с плоскими пресс-шайбами при температуре 1150°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1150°С до высоты 208 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=208 мм, Dзаг.=120 мм);

3) Отжиг при температуре 1150°С;

4) Осадка в закрытом контейнере ⊘135 мм с конусными пресс-шайбами и кольцевой оболочкой при температуре 1100°С до высоты 164 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=164 мм, Dзаг.=135 мм). При этом использовали кольцевую оболочку из сплава Х18Н9Т с пределом прочности при температуре деформации 5 кг/мм² (при пределе прочности заготовки 25 кг/мм²) высотой 96 мм с внутренним диаметром 120 мм и внешним диаметром 135 мм. Применены конусные пресс-шайбы с углом конусной части 110°;

5) Осадка в закрытом контейнере ⊘160 мм с плоскими пресс-шайбами при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С до высоты 118 мм;

6) Свободная осадка при температуре 1100°С со степенью деформации 15% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

7) Окончательная деформация при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

8) Отжиг при температуре 1100°С;

9) Термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С;

10) Старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

Пример 3. По предлагаемому способу (параметры слитка по примеру 1).

1) Обточка литой заготовки на размер ⊘100 мм × 500 мм (H/D исх. заготовки = 5:1).

2) Осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм с плоскими пресс-шайбами при температуре 1150°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1150°С до высоты 347 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=347 мм, Dзаг.=120 мм);

3) Отжиг при температуре 1150°С;

4) Осадка в закрытом контейнере ⊘135 мм с конусными пресс-шайбами и кольцевой оболочкой при температуре 1090°С до высоты 274 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=274 мм, Dзаг.=135 мм). При этом использовали кольцевую оболочку из сплава ЭП220 с пределом прочности при температуре деформации 20 кг/мм² (при пределе прочности заготовки 25 кг/мм²) высотой 240 мм с внутренним диаметром 120 мм и внешним диаметром 135 мм. Применены конусные пресс-шайбы с углом конусной части 125°;

5) Осадка в закрытом контейнере ⊘160 мм с плоскими пресс-шайбами при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С до высоты 195 мм;

6) Отжиг при температуре 1100°С;

7) Свободная осадка при температуре 1100°С со степенью деформации 30% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

8) Окончательная деформация при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С;

9) Отжиг при температуре 1100°С;

10) Термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С;

11) Старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

Пример 4. По предлагаемому способу из слитка (ВИ+НК) сплава ЭП975 диаметром 105 мм, полученного методом направленной кристаллизации в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200°С/см, осуществляли следующие операции:

1) Обточка литой заготовки на размер ⊘100 мм × 350 мм (H/D исх. заготовки = 3,5:1);

2) Осадка в закрытом контейнере ⊘120 мм с плоскими пресс-шайбами при температуре 1130°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1130°С до высоты 247 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=247 мм, Dзаг.=120 мм);

3) Отжиг при температуре 1100°С;

4) Осадка в закрытом контейнере ⊘135 мм с конусными пресс-шайбами и кольцевой оболочкой при температуре 1130°С до высоты 192 мм (получена заготовка с геометрическими параметрами Нз.=192 мм Dзаг.=135 мм). При этом использовали кольцевую оболочку из сплава ЭП220 с пределом прочности при температуре деформации 20 кг/мм² (при пределе прочности заготовки 30 кг/мм²) высотой 90 мм с внутренним диаметром 120 мм и внешним диаметром 135 мм. Применены конусные пресс-шайбы с углом конусной части 125°;

5) Отжиг при температуре 1100°С;

6) Свободная осадка при температуре 1130°С со степенью деформации 30% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1130°С;

7) Отжиг при температуре 1130°С;

8) Окончательная штамповка при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1130°С;

9) Отжиг при температуре 1100°С;

10) Термообработка на твердый раствор при температуре 1200°С;

11) Старение 920°С 12 часов +850°С 24 часа.

Пример 5. По способу прототипу из слитка (ВИ+НК) сплава ЭК 151 диаметром 105 мм:

1) Обточка литой заготовки на размер ⊘100 мм × 500 мм;

2) Осадка в контейнере ⊘120 мм при температуре 1150°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1150°С до высоты 347 мм;

3) Отжиг при температуре 1150°С;

4) Осадка в контейнере ⊘135 мм при температуре 1050°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1050°С до высоты 274 мм;

5) Отжиг при температуре 1090°С;

6) Осадка в контейнере ⊘160 мм при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1100°С до высоты 195 мм;

7) Отжиг при температуре 1090°С;

8) Свободная осадка при температуре 1100°С со степенью деформации 30%;

9) Отжиг при температуре 1100°С;

10) Окончательная деформация в штампе при температуре 1100°С;

11) Отжиг при температуре 1100°С;

12) Термообработка на твердый раствор при температуре 1155°С;

13) Старение 870°С 6 часов +760°С 32 часа.

Пример 6. По способу прототипу из слитка (ВИ+НК) сплава ЭП975 диаметром 105 мм:

1) Обточка литой заготовки на размер ⊘100 мм × 350 мм (H/D исх. заготовки = 3,5:1);

2) Осадка в контейнере ⊘120 мм при температуре 1130°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1130°С до высоты 247 мм;

3) Отжиг при температуре 1100°С;

4) Осадка в контейнере ⊘135 мм и при температуре 1130°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1130°С до высоты 192 мм;

5) Отжиг при температуре 1100°С;

6) Свободная осадка при температуре 1130°С со степенью деформации 30% в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1130°С;

7) Отжиг при температуре 1130°С;

8) Окончательная штамповка в при температуре 1100°С в штамповом инструменте, нагретом до Тдеф.=1130°С;

9) Отжиг при температуре 1100°С;

10) Термообработка на твердый раствор при температуре 1200°С;

11) Старение 920°С 12 часов +850°С 24 часа.

В примерах осуществления качество изготовленных заготовок изделий оценивали как структурным состоянием, так и полученными значениями механических свойств, которые представлены в таблице. По критериям технических условий структурное состояние характерезуют величиной микро- и макрозерна и его отклонением относительно оптимальной величины. В примерах осуществления 1-4 по предлагаемому способу интервал значений размеров микрозерна по объему заготовки после деформации составил 5-7 мкм по сравнению со способом прототипом 37-42 мкм (примеры 5-6). Макроструктура заготовок, полученных по предлагаемому способу, характеризуется как равномерная, мелкозернистая (примеры осуществления 1-4). В заготовках, полученных по способу-прототипу, в макроструктуре наблюдались нежелательные отдельные участки с величиной зерна до 2 мм (примеры осуществления 5-6).

Анализ полученных значений механических свойств показывает, что заготовки изделий, изготовленные по предлагаемому способу, по сравнению с изготовленными по способу прототипу отличаются более высоким нижним пределом значений механических свойств (на 9-11%) и более узким интервалом выпадения значений (на 40-60%). Например, в примере осуществления 1 по предлагаемому способу на сплаве ЭК 151 значения предела прочности составляют 135,0-145 кгс/мм². В примере 5 по способу прототипу аналогичные значения составляют 126,0-142,0 кгс/мм². Нижнее значение по предлагаемому способу составляет 135,0 кгс/мм², по способу прототипу 126,0 кгс/мм². Интервал выпадения значений по предлагаемому способу составляет 10 кгс/мм² по сравнению с 16 кгс/мм² по способу-прототипу.

Таким образом, при получении дисков по предлагаемому способу применение при осадке в закрытом контейнере кольцевой оболочки и конических пресс-шайб позволяет в большей степени воздействовать на структуру по всему объему заготовки по сравнению со способом-прототипом. При этом достигается однородность и равномерность структуры, которая сохраняется при дальнейшей деформации, что позволяет расширить возможности термообработки и, в конечном итоге, обеспечить высокий и стабильный уровень эксплуатационных свойств изделия.