СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЛЕГИРОВАННОГО ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NIAL Российский патент 1998 года по МПК C22F1/10 

Изобретение относится к области металлургии, в особенности к способу термической обработки полуфабрикатов и деталей с направленно - закристаллизованной и монокристаллической структурой, отливаемых из легированных сплавов на основе интерметаллида Ni₃Al методом направленной кристаллизации. Новые литейные жаропрочные сплавы этого класса применяются в газотурбинных двигателях авиационного, энергетического и транспортного назначения для ответственных деталей горячего тракта (рабочие и сопловые лопатки и др.), работающих длительно в окислительных средах при температурах выше 1050^oC.

Условия высокотемпературной работы деталей под напряжением, при термоциклировании и знакопеременных нагрузках способствуют развитию и интенсификации диффузионных процессов в материале. Это приводит к снижению прочностных свойств, потере пластичности и ударной вязкости.

Необходима стабилизация структуры, обеспечивающей уменьшение движущих сил диффузионных процессов, развивающихся при высоких температурах, особенно под нагрузкой.

Наиболее распространенным способом стабилизации структуры сплавов является термическая обработка.

Режим термической обработки по предлагаемому изобретению рекомендуется при производстве особонагруженных деталей из нового класса жаропрочных материалов на основе легированного интерметаллида Ni₃Al (сопловые лопатки, экраны камер сгорания и др.). Этот режим обеспечивает, в особенности, повышение ударной вязкости и жаропрочности при температурах выше 1000^oC при сохранении комплекса физико-механических свойств в интервале температур 20-1000^oC.

Наиболее распространенным способом стабилизации структуры литейных сплавов на основе никеля или Ni₃Al, в т.ч. с направленно закристаллизованной структурой, является высокотемпературный гомогенизирующий отжиг при температурах выше линии сольвус ( γ/γ+γ′ ), но ниже температуры солидус (начала плавления T_s). Поскольку для большинства современных литейных сложнолегированных сплавов, имеющих фазовый состав γ+γ′ или γ′+γ , T_s ≈ 1280^oC, температура гомогенизационного отжига выбирается в интервале 1000 - 1250^oC [2-6] . В качестве примера может быть приведен способ термообработки сплава на основе легированного интерметаллида Ni₃Al марки ВКНА-1В при температуре 1250^oC в течение 5, 10 и 25 часов [1]. Наиболее часто используются режимы 1050-1200^oC в течение 1-48 ч (табл.1) [1-6].

Кроме указанных режимов высокотемпературных гомогенизирующих отжигов известны способы, включающие термообработку в две стадии (табл.1 [4], табл.2 - прототип [7]).

Известные режимы термической обработки легированных сплавов на основе интерметаллида Ni₃Al используются для повышения кратковременной прочности, жаропрочности и стабильности механических свойств при температурах до 1000^oC [1-9]. Однако применение известных режимов термической обработки не повышает ударной вязкости при температурах выше 1000^oC.

Поскольку легированные сплавы на основе интерметаллида Ni₃Al с монокристаллической структурой отличаются более высоким уровнем жаропрочности в широком интервале температур, чем сплавы того же химического состава с поликристаллической структурой [1], перед авторами стояла задача разработать режим термической обработки, который позволяет повысить ударную вязкость и жаропрочность этих материалов при температурах выше 1000^oC при сохранении всех положительных свойств в интервале температур 20-1000^oC. В качестве прототипа выбран двухступенчатый режим термообработки:
I стадия - гомогенизирующий отжиг при температуре 1200^oC, выдержка 8-10 часов с последующим охлаждением на воздухе;
II стадия - отжиг при температуре 1050^oC, выдержка 5-8 часов с последующим охлаждением на воздухе.

Для решения технической задачи авторами предложен трехстадийный способ термической обработки легированных сплавов на основе интерметаллида Ni₃Al, включающий:
I стадия - гомогенизирующий отжиг при температуре 1180-1220^oC, выдержка 4-8 часов, охлаждение на воздухе;
II стадия - отжиг при температуре 900-1100^oC, выдержка 20-30 часов, охлаждение на воздухе;
III стадия - отжиг при температуре 480-520^oC, выдержка 40-60 часов, охлаждение на воздухе.

Из литературных данных [1, 8, 9] известно, что в твердом состоянии при нагревах и выдержках в интерметаллидах, в том числе и Ni₃Al, могут протекать следующие процессы:
-гомогенное упорядочение,
-рост упорядоченных доменов,
-коалесценция антифазных доменов,
- дисперсионное твердение - выделение более крупных и более дисперсных частиц избыточных фаз при высоко- и низкотемпературном старении соответственно.

Эти процессы приводят к изменению структуры и свойств материала. Однако в литературе нет данных о том, как изменение структуры (субструктуры) сплавов на основе легированного интерметаллида Ni₃Al при нагревах и выдержках влияет на механические свойства, в особенности ударную вязкость и жаропрочность при высоких температурах.

Авторами установлено, что в сплавах на основе легированного интерметаллида Ni₃Al эти процессы проходят в интервале температур 500-1100^oC:
- при температурах 1180-1220^oC при отжиге устраняется дендритная ликвация в объеме сплава (гомогенизация);
- в интервале температур 800-1100^oC происходят процессы, связанные с гомогенным упорядочением, ростом доменов и их коалесценцией, а также упрочнением участком γ -твердого раствора вторичными выделениями γ′-фазы;
- при температурах 450-550^oC на границах доменов выделяется максимальное количество избыточных фаз, в особенности NiAl (β-фаза легированная), стабилизирующих субструктуру γ′-фазы.

Авторами изучено влияние различных режимов трехступенчатой термической обработки на ударную вязкость и жаропрочность сплавов на основе легированного интерметаллида Ni₃Al при температурах выше 1000^oC. Результаты исследования представлены в табл. 2, 3. Видно, что предлагаемый способ термической обработки (трехступенчатый режим: I - отжиг при 1180-1220^oC 4-8 ч; II - отжиг при 900-1100^oC 20-30 ч; III - отжиг при 480-520^oC 40-60 ч) позволяет получить оптимальное структурное состояние. Это позволяет значительно повысить ударную вязкость и время до разрушения легированных сплавов на основе легированного интерметаллида Ni₃Al в области рабочих температур 1000-1200^oC по сравнению с прототипом. Изменение режимов термической обработки интерметаллидных сплавов по сравнению с предлагаемым снижает уровень механических свойств при температурах выше 1000^oC. Так температуры термической обработки 1150, 850 и 450^oC и время отжигов 3, 15 и 35 ч соответственно являются недостаточными для протекания диффузионных процессов формирования оптимальной субструктуры в объеме сплава. Об этом свидетельствуют относительно невысокие механические свойства. Повышение температур термической обработки до 1240, 1150 и 550^oC и времени отжигов до 10, 35 и 70 часов соответственно приводит к огрублению микроструктуры и субструктуры, что также не обеспечивает достижение высоких механических свойств.

Авторами изобретения при анализе патентной и периодической литературы не выявлено применение трехступенчатой термообработки к сплавам на основе легированного интерметаллида Ni₃Al.

Повышение ударной вязкости и жаропрочности путем предлагаемого способа термической обработки позволяет повысить срок службы и надежность высокотемпературных деталей горячего тракта газотурбинных двигателей в 4,5-5 раз и, как следствие, получить значительный эффект за счет экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов.

Наряду с этим, повышение высокотемпературных свойств позволяет расширить области использования нового класса материалов в технике.

Литература
1. В. П. Бунтушкин, О. А. Базылева, К. Б. Поварова, Н.К. Казанская. "Влияние структуры на механические свойства легированного интерметаллида Ni₃Al". - Металлы. 1995. N 3. с .74-80,
2. M.Nazmy, M.Staubli "Aspects of mechanical behavior of directional solidified Ni₃Al Intermetallics." Scripta Metallurgica at Materialia. 1991. v. 25. p.1305-1308.

3. Yun Zhang. Dongling Lin. "Mechanical properties of boron doped directionaly solidified Ni₃Al containing carbon, magnesium, calcium and rare cartn elements" Materials Science and Engineering. A153. (1992). p.364-369.

4. Guo Janting, Li Hui, Sun Chao, Wang Shuhe. Ren Dagang. Yiong Liangyue and Jang Jian. "Behavior of Boron in poly- and monocrystalline Ni₃Al and its effect on strength at room and high temperature". Materials Science and Engineering. A152. (1992). p. 120-125.

5. S.E. Hsu, N.N. Hsu, C.H.Tong, C.Y. Ma and S.Y. Lee. "High temperature mechanical behavior of Some advanced Ni₃AI". High-Temp. Ordered intermetallic Alloys II: Symp. Boston, Mass., Dec. 2-4, 1986. - Pittsburg (Pa), 1987. p.507.

6. H. К. Kim, J.C. Earthman. "High temperature deformation and fracture mechanisms in a dendritic Ni₃AI alloy". Acta metal. mater. v.42. No 3. p. 679-687 (1994).

7. В.С. Синельникова, В.А. Подергин, Б.Н. Речкин. "Алюминиды". Киев, Наукова Думка, 1965, с. 131-134.

8. Б. А. Гринберг, В.И. Сюткина. "Новые методы упрочнения упорядоченных сплавов", М. Металлургия. 1985.

9. Интерметаллические соединения. Сборник под ред. H.И. Корнилова. М. Металлургия. 1970. с. 331-334.

Изобретение относится к области металлургии и используется при производстве особонагруженных деталей с направленно закристаллизованной и монокристаллической структурой из жаропрочных материалов нового класса на основе легированного интерметаллида Ni₃Al (сопловые лопатки, экраны камер сгорания и др. ). Запатентованный способ термической обработки сплавов на основе легированного интерметаллида Ni₃Al включает отжиг при 1180-1220^oC в течение 4-8 ч, охлаждение на воздухе; отжиг при 900-1100^oC в течение 20-30 ч, охлаждение на воздухе и отжиг при 480-520^oC в течение 40-60 ч с последующим охлаждением на воздухе. Данный способ обеспечивает повышение ударной вязкости и жаропрочности при температурах выше 1000^oС при сохранении комплекса физико-механических свойств в интервале температур 20-1000^oC, что позволяет повысить срок службы и надежность высокотемпературных деталей горячего тракта газотурбинных двигателей в 4,5-5 раз. 3 табл.

Способ термической обработки сплавов на основе легированного интерметаллида Ni₃Al, включающий первую стадию отжига, охлаждение на воздухе, вторую стадию отжига, охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что после второй стадии отжига проводят третью стадию отжига при 480 - 520^oC в течение 40 - 60 ч с последующим охлаждением на воздухе, причем первую стадию отжига проводят при 1180 - 1220^oC в течение 4 - 8 ч, а вторую стадию отжига проводят при 900 - 1100^oC в течение 20 - 30 ч.