[1]Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения изделий из многокомпонентных монокристаллических жаропрочных сплавов на никелевой основе, предназначенных преимущественно для производства лопаток и других деталей ГТД и ГТУ в авиационной и энергетической промышленности.
[2]Эксплуатация сложных и ответственных изделий предъявляет особые требования к их характеристикам и требует повышения показателей надежности и ресурса. Это достигается как за счет улучшения химического состава жаропрочных никелевых сплавов, так и за счет технологии, включающей горячее изостатическое прессование, термическую или химико-термическую обработки.
[3]Термическая обработка отливок из многокомпонентных литейных жаропрочных сплавов с монокристаллической структурой в большой степени определяет уровень механических свойств сплавов. Сложность проведения термической обработки таких сплавов заключается в том, что в процессе неравновесной кристаллизации, которая имеет место практически во всех случаях производства отливок, отмечается сильно развитая химическая микронеоднородность, связанная с дендритной ликвацией.
[4]Высокотемпературная термическая обработка монокристаллических сплавов должна обеспечить растворение первичной эвтектической γ-γ′ фазы, полную перекристаллизацию упрочняющей γ′-фазы и максимально устранить дендритную ликвацию.
[5]Известны способы термической обработки многокомпонентных жаропрочных сплавов, предназначенных для получения лопаток ГТД, включающие многоступенчатые нагревы с продолжительными изотермическими выдержками при каждой ступени нагрева.
[6]Первая ступенька изотермического отжига проводится, как правило, на ≈10-15°С ниже температуры начального плавления наиболее легкоплавкой эвтектической составляющей сплава; последняя ступенька - при температуре, обеспечивающей максимальное устранение дендритной химической микронеоднородности. Каждая изотермическая выдержка за счет диффузионных процессов приводит к локальному выравниванию химического состава или фазовым превращениям, которые повышают температуру начального плавления (патент США № 5151249, патент США № 5270123).
[7]Типичный режим высокотемпературной термической обработки для отливок наиболее жаропрочного ренийсодержащего монокристаллического сплава CMSX-10 включает:
[8]Нагрев до 1316°С - выдержка 1 час, далее
[9]нагрев до 1329°С - выдержка 2 час, далее
[10]нагрев до 1335°С - выдержка 2 час, далее
[11]нагрев до 1340°С - выдержка 2 час, далее
[12]нагрев до 1346°С - выдержка 2 час, далее
[13]нагрев до 1352°С - выдержка 3 час, далее
[14]нагрев до 1357°С - выдержка 3 час, далее
[15]нагрев до 1360°С - выдержка 5 час, далее
[16]нагрев до 1363°С - выдержка 10 час, далее
[17]нагрев до 1365°С - выдержка 15 час,
[18]далее принудительное охлаждение в аргоне.
[19]Суммарная выдержка при гомогенизации для сплава CMSX-10 в температурном интервале 1316-1365°С составляет 45 часов (Materials Science and Engineering, Univesity of Florida, P/ Box 116400 /Rhines hall, Gainesville, FL 32611-64000, USA).
[20]Аналогичные схемы ступенчатых нагревов и изотермических выдержек широко применяются для других жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурами, описаны в ряде патентов на сплавы и отличаются между собой температурными интервалами нагревов и временем изотермических выдержек (патент США № 4583608, патент РФ № 2230821).
[21]Все эти режимы отличает большая длительность процесса термической обработки, необходимость строгого контроля выполнения заданного режима нагрева и высокая энергоемкость процесса, что удорожает стоимость изделий, полученных по этим режимам, а также не устраняет возникающую при литье микропористость.
[22]Известен способ повышения качества и эксплуатационной надежности лопаток турбины путем устранения микропористости, повышения усталостной прочности и улучшения комплекса механических свойств, заключающийся в применении горячего изостатического прессования (ГИП). ГИП лопаток ГТД проводят в газостатах при высоких температурах и всестороннем давлении инертного газа (Жаропрочные сплавы для газовых турбин. - М.: Металлургия, 1981, с.15-38).
[23]Недостаток этого способа заключается в окислении поверхности лопаток и проявлении поверхностной рекристаллизации, являющейся браком и снижающей выход годных по структуре изделий.
[24]Известен способ повышения качества и эксплуатационной надежности лопаток ГТД из жаропрочных никелевых сплавов путем нанесения диффузионного защитного покрытия на внутреннюю и внешнюю поверхность предварительно механически обработанного профиля пера лопаток и последующее горячее изостатическое прессование (патент РФ № 2184178).
[25]Способ решает проблему защиты от окисления при ГИП, но не применим к монокристаллическим жаропрочным никелевым сплавам, для которых невозможно механическое воздействие на изделие до проведения термической обработки из-за возникновения поверхностной рекристаллизации, являющейся браком.
[26]Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения изделий из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, включающий литье методом направленной кристаллизации, горячее изостатическое прессование полученных отливок при давлении инертного газа и термическую обработку, включающую гомогенизирующий отжиг, состоящий из ступенчатых нагревов с изотермическими выдержками, последующие закалку и старение (патент США № 7115175).
[27]Отливку, полученную любым способом направленной кристаллизации, подвергают ГИП, который проводят при Т=(1173,9-1440,6)°С, в течение 3,5-4,5 часов, при давлении инертного газа 91-116 МПа. После ГИП изделие охлаждают до комнатной температуры и помещают в печь для проведения термической обработки - многоступенчатого гомогенизирующего отжига по режиму: нагрев от комнатной Т=21°С до первого температурного интервала (885-1093)°С со скоростью 10-15°С/мин;
[28]из 1-го во 2-ой (1135-1385)°С при скорости 2,5-3,0°С/мин;
[29]из 2-го в 3-тий (1148,9-1412,8)°С при скорости 0,3-0,7°С/мин;
[30]из 3-го в 4-ый (1165,6-1426,7)°С при скорости 0,3-0,4°С/мин;
[31]из 4-го в 5-ый (1173,9-1440,6)°С при скорости 0,13-0,2°С/мин;
[32]из 5-го в 6-ой (1176,7-1454,4)°С при скорости 0,06-0,013°С/мин;
[33]из 6-го в 7-ой (1198,9-1468,3)°С при скорости 0,03-0,08°С/мин.
[34]На 7-ой ступени изделие выдерживают 5-6,5 часов, затем проводят 8-ой температурный интервал (1079,4-1357,2)°С при скорости (0,3-0,4)°С/мин; затем от 8-ой температуры до комнатной охлаждают со скоростью (30-40)°С/мин. После гомогенизирующего отжига изделие подвергают закалке и старению.
[35]Суммарное время технологического процесса, состоящего из ГИП и гомогенизирующего отжига, составляет 30 часов.
[36]Недостатком данного способа-прототипа является достаточно низкий выход годного и большая продолжительность последовательного прохождения всех стадий технологического процесса. Низкий выход годного получается ввиду того, что отливки после удаления литниково-питающей системы и транспортировки имеют внутренние напряжения в местах удара, не выявляемые визуально и являющиеся центрами зарождения рекристаллизованных зерен при последующих ГИП и термической обработке.
[37]Технической задачей настоящего изобретения является создание способа получения изделий из жаропрочных монокристаллических никелевых сплавов, обеспечивающего повышение выхода годных изделий при сокращении длительности технологического процесса.
[38]Для достижения поставленной задачи предлагается способ получения изделий из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов, включающий литье методом направленной кристаллизации, горячее изостатическое прессование полученных отливок при давлении инертного газа и термическую обработку, включающую гомогенизирующий отжиг, состоящий из ступенчатых нагревов с изотермическими выдержками, последующие закалку и старение, отличающийся тем, что перед горячим изостатическим прессованием проводят предварительный отжиг отливок в интервале температур от неравновесного солидуса до температуры, на 5-20°С превышающую температуру полного растворения упрочняющей γ′-фазы, а по крайней мере одну ступень гомогенизирующего отжига совмещают с горячим изостатическим прессованием.
[39]Горячее изостатическое прессование проводят при давлении инертного газа 120-210 МПа, от температуры, на 5-20°С превышающую температуру полного растворения упрочняющей γ′-фазы, не менее 1,5 часов.
[40]Предварительный отжиг отливок проводят для снятия внутренних напряжений, которые могут, при последующих ГИП и гомогенизирующем отжиге, привести к рекристаллизации. Кроме того, в том случае, если эти напряжения не удается снять, то предварительный отжиг в указанном интервале температур позволяет выявить такие отливки до проведения дорогостоящего и энергоемкого процесса ГИП и последующей термообработки. То есть этот отжиг позволяет проводить предварительную отбраковку отливок. Выбранный интервал температур с верхним пределом на 5-20°С выше температуры полного растворения упрочняющей γ′-фазы позволяет выявить бракованные отливки за минимальное время.
[41]Совмещение ГИП и одной или более ступеней гомогенизирующего отжига проводят для сокращения суммарного временного цикла технологического процесса, поскольку процесс ГИП начинают от конечной температуры предварительного отжига, в результате чего суммарное время термообработки отливок не увеличивается.
[42]Давление инертного газа 120-210 МПа позволяет повысить скорость закрытия микропор и выравнивания микроструктуры в отливках.
[43]Пример осуществления.
[45]Партию отливок турбинных лопаток, полученных из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава ЖС36 (Тп.р. γ′=1290°С, Тнеравнов.солидуса = 1280°С, Травнов.солидуса = 1325°С) на установке направленной кристаллизации УВНК-8П в количестве 12 штук поместили в термовакуумную печь для проведения предварительного отжига в течение 1,5 часов в интервале температур от неравновесного солидуса (1280°С) до температуры 1295°С, превышающую температуру полного растворения упрочняющей γ′-фазы на 5°С. После предварительного отжига провели визуальный осмотр на предмет выявления рекристаллизованных зерен на поверхности отливки. Отбраковали 1 отливку. Годные отливки, в количестве 11 штук, поместили в газостат для проведения ГИП и одной ступени гомогенизирующего отжига при давлении инертного газа 210 МПа и температуре от 1295 до 1305°С в течение 1,5 часа.
[46]После процесса горячего изостатического прессования проводилась завершающая часть гомогенизирующего отжига по режиму:
[47]нагрев до 1305°С - выдержка 1 час, далее
[48]нагрев до 1310°С - выдержка 1 час, далее
[49]нагрев до 1315°С - выдержка 1 час, далее
[50]нагрев до 1320°С - выдержка 1 час, далее
[51]нагрев до 1325°С - выдержка 9 часов,
[52]далее закалка и старение.
[53]Контроль макроструктуры показал отсутствие рекристаллизованных зерен в отливках. Контроль микроструктуры показал, что микропористость в отливках практически отсутствует. Выход годного составил 100%. Время технологического процесса: предварительный отжиг - ГИП, гомогенизирующий отжиг, составляет 16 часов.
[55]Партию отливок створок, полученных из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава ЖС36 (Тп.р. γ′=1290°С, Тнеравнов.солидуса = 1280°С, Травнов.солидуса = 1325°С) на установке направленной кристаллизации УВНК-8П в количестве 12 штук поместили в термовакуумную печь для проведения предварительного отжига в течение 2 часов в интервале температур от неравновесного солидуса (1280°С) до температуры 1305°С, превышающую температуру полного растворения упрочняющей γ′-фазы на 15°С. После предварительного отжига провели визуальный осмотр на предмет выявления рекристаллизованных зерен на поверхности отливки. Отбраковали 1 отливку. Годные 11 отливок поместили в газостат для поведения ГИП и двух ступеней гомогенизирующего отжига: I - (1305-1310)°С, II - (1310-1315)°С; при давлении инертного газа 180 МПа в течение 3 часов.
[56]После процесса горячего изостатического прессования проводилась завершающая часть гомогенизирующего отжига по режиму:
[57]нагрев до 1315°С - выдержка 1 час, далее
[58]нагрев до 1320°С - выдержка 1 час, далее
[59]нагрев до 1325°С - выдержка 9 часов,
[60]далее закалка и старение.
[61]Контроль макроструктуры показал отсутствие рекристаллизованных зерен и микропористости в отливках. Выход годного составил 100%. Время технологического процесса: предварительный отжиг - ГИП, гомогенизирующий отжиг, составляет 16 часов.
[63]Партию отливок турбинных лопаток, полученных из монокристаллического никелевого жаропрочного сплава ЖС36 (Тп.р. γ′=1290°С, Тнеравнов.солидуса = 1280°С, Травнов.солидуса = 1325°С) на установке направленной кристаллизации УВНК-8П в количестве 12 штук поместили в термовакуумную печь для проведения предварительного отжига в течение 3 часов в интервале температур от неравновесного солидуса (1280°С) до температуры 1310°С, превышающую температуру полного растворения упрочняющей γ′-фазы на 20°С. После предварительного отжига провели визуальный осмотр на предмет выявления рекристаллизованных зерен на поверхности отливки. Отбраковали 1 отливку. Годные 11 отливок поместили в газостат для поведения ГИП и трех ступеней гомогенизирующего отжига: I - (1310-1315)°С, II - (1315-1320)°С, III - (1320-1325)°С; при давлении инертного газа 120 МПа в течение 4 часов.
[64]После процесса горячего изостатического прессования проводилась завершающая часть гомогенизирующего отжига по режиму:
[65]нагрев до 1325°С - выдержка 9 часов,
[66]далее закалка и старение.
[67]Контроль макроструктуры показал отсутствие рекристаллизованных зерен и микропористости в отливках. Выход годного составил 100%. Время технологического процесса: предварительный отжиг - ГИП, гомогенизирующий отжиг, составляет 16 часов.
[68]Параллельно, по способу-прототипу были получены турбинные лопатки из монокристаллического жаропрочного никелевого сплава ЖС36. Способ включал получение отливки методом направленной кристаллизации, ГИП и термическую обработку, состоящую из гомогенизирующего отжига со ступенчатыми нагревами и изотермическими выдержками по режимам прототипа. Из 12 отливок после осуществления 30 часового техпроцесса 3 лопатки оказались рекристаллизованными, что для монокристаллических сплавов является однозначно браковочным признаком. Выход годного составил 75%.
[69]Таким образом, применение предлагаемого способа получения изделий из монокристаллических жаропрочных никелевых сплавов позволяет повысить выход годных изделий при сокращении длительности технологического процесса и получать отливки без рекристаллизованных зерен, в которых практически отсутствует микропористость, со значительной экономией времени и энергоресурсов.
