СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ МАТЕРИАЛА, СТАБИЛЬНОГО ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Российский патент 2002 года по МПК C22F1/10 C22C30/00 C22C19/05 

Изобретение исходит из способа получения высокожаропрочного образца материала диффузионным отжигом и последующим термическим упрочнением в печи жароупрочненного образца из железоникелевого суперсплава типа 1N 706. Такой образец материала при температурах около 700^oС имеет высокую прочность и применяется поэтому преимущественно в тепловых машинах, как, например, в газовых турбинах.

Изобретение ссылается при этом на уровень техники, который описан, например, J. H. Moll et. al."Heat treatment of Alloy for Optimum, 1200^oF Stress - Rupture Properties " Met. Trans. 1971, т. 2, с. 2153-2160.

Из этого уровня техники известно, что критические свойства сплава 1N 706 для применения в качестве материала для испытывающих тепловую нагрузку деталей, как особенно термостойкость и ковкость, определяют благодаря соответственно осуществленным способам термообработки.

Типичные способы термообработки в зависимости от структуры кованого из сплава 1N 706 исходного образца включают следующие технологические стадии:
диффузионный отжиг образца при температуре 980^oС в течение одного часа;
охлаждение подвергнутого диффузионному отжигу исходного образца воздухом;
термическое упрочнение при температуре 840^oС в течение 3 ч охлаждение воздухом;
термическое упрочнение при температуре 720^oС в течение 8 ч;
охлаждение с нормой охлаждения около 55^oС/час до 620^oС;
термическое упрочнение при температуре 620^oС в течение 8 ч и охлаждение воздухом, или диффузионный отжиг исходного образца при температурах около 900^oС в течение 1 ч;
охлаждение воздухом, термическое упрочнение при 720^oС в течение 8 ч;
охлаждение с нормой охлаждения около 55^oС до 620^oС, термическое упрочнение при 620^oС в течение 8 ч и охлаждение воздухом.

Известен также способ получения изделия из материала, стабильного при высоких температурах, включающий обработку исходно заготовки из железоникелевого суперсплава на твердый раствор и последующее дисперсионное твердение в две стадии (JP 05048788, 16.02.1993, C 22 F 1/10.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать способ, при помощи которого можно просто изготовить образец материала из сплава типа 1N 706, который несмотря на высокую термостойкость имеет большую ковкость, а также исключить образование вызывающих охрупчивание осаждений.

Эта задача решается в способе получения изделия из материала, стабильного при высоких температурах, содержащем обработку исходной заготовки из железоникелевого суперсплава на твердый раствор и последующее дисперсионное твердение в две стадии, отличающемся тем, что исходная заготовка имеет следующий состав, мас.%: 0,02 С, 0,10 Si, 0,20 Mn, 0,002 S, 0,015 Р, 15-18 Cr, 40-43 Ni, 0,1-0,3 Al, 0,30 Со, 1,5-1,8 Ti, 0,30 Сu, 2,8-3,2 Nb, остальное Fe, перед дисперсионным твердением осуществляют дополнительную термическую обработку обработанной на твердый раствор заготовки, включающую выдержку при температуре от 800 до 850^oС, при этом исходную заготовку охлаждают со скоростью от 1 до 5^oС/мин между операциями обработки на твердый раствор и дополнительно термической обработки и охлаждают со скоростью от 1 до 5^oС/мин между операциями дополнительной термической обработки и дисперсионного твердения.

Согласно предпочтительным формам выполнения способ согласно изобретению может содержать следующие операции:
- отжиг в области твердого раствора выполняют в течение максимально 15 ч при температуре от 900 до 1000^oС;
- дисперсионное твердение осуществляют в несколько стадий в течение, по меньшей мере, 10 часов, максимально 70 ч;
- дисперсионное твердение на первой стадии осуществляют при температуре от 700 до 760^oС, а на второй стадии - при температуре от 600 до 650^oС;
- дисперсионное твердение на первой стадии осуществляют в течение, по меньшей мере, 5 ч, максимально 50 ч;
- дисперсионное твердение на второй стадии осуществляют в течение, по меньшей мере, 5 ч, маскимально 20 ч;
- переход от первой стадии ко второй стадии осуществляют с печью;
- заготовка, прошедшая дисперсионное твердение, имеет предел прочности при растяжении при температуре 705^oС от 580 до 620 МПа и относительное удлинение при испытании на разрыв при температуре 705^oС от 27,5 до 33%;
- в качестве изделия получают ротор газовой турбины.

Изготовленный способом согласно изобретению образец с успехом применяется в качестве исходного материала при изготовлении несущего высокую тепловую и механическую нагрузку ротора большой газовой турбины. Предпочтительные примеры осуществления изобретения и достигаемые при этом другие преимущества поясняются ниже более подробно.

Четыре имеющихся в продаже кованых исходных образца А, В, С, D из сплава 1N 706 вносили в печь и подвергали различным способам термообработки. Исходные образцы имели соответственно одинаковую структуру и одинаковый химический состав.

В качестве компонентов были определены следующие элементы, мас. %:
Углерод - 0,01
Кремний - 0,04
Марганец - 0,12
Сера - < 0,001
Фосфор - 0,005
Хром - 16,03
Никель - 41,90
Алюминий - 0,19
Кобальт - 0,01
Титан - 1,67
Медь - < 0,01
Ниобий - 2,95
Железо - остаток
Состав исходных образцов может колебаться в указанных ниже пределах:
Углерод - макс. 0,02
Кремний - макс. 0,10
Марганец - макс. 0,20
Сера - макс. 0,002
Фосфор - макс. 0,015
Хром - от 15 до 18
Никель - от 40 до 43
Алюминий - от 0,1 до 0,3
Кобальт - макс. 0,3
Титан - от 1,5 до 1,8
Медь - макс. 0,30
Ниобий - от 2,8 до 3,2
Железо - остаток
Способы термообработки четырех исходных образцов показаны в таблице 1.

Из получающихся отсюда образцов материала А', В', С', и D' были выточены вращательно-симметричные образцы для испытания на растяжение. Эти образцы для испытания были снабжены соответственно на своих концах вставляемой в испытательную машину резьбой и имели соответственно проходящий между двумя измерительными отметками отрезок в форме круглого стержня диаметром 5 мм и длиной 24,48 мм.

При температуре около 705^oС растягивали образцы для испытания со скоростью около 0,01 [мм/мин] до разрыва. Определенные при этом величины предела прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве представлены в таблице 2.

Из этих величин видно, что у изготовленных по способу изобретения образцов материала В', С' и D' относительное удлинение при разрыве при 705^oС приблизительно в 10-12 раз больше или предел прочности при растяжении только приблизительно на 20% меньше, чем предел прочности при растяжении или относительное удлинение при разрыве у изготовленного по способу уровня техники образца материала A'.

Изготовленные по способу изобретения образцы материала можно применять преимущественно для роторов больших газовых турбин, так как они имеют достаточно высокую термостойкость и так как вследствие высокой ковкости материала местные перепады температур, которых нельзя избежать, могут создавать лишь незначительные внутренние напряжения.

Вышеназванных свойств можно достигнуть при помощи сплава 706, если подвергнутый диффузионному отжигу исходный образец с лежащей между 0,5 и 20 [^oС/мин] скоростью охлаждения доводят от предусмотренной при диффузионном отжиге температуры до предусмотренной при термическом упрочнении температуры. Если скорость охлаждения выбирают более 20 [^oС/мин], то относительное удлинение при разрыве и тем самым ковкость сильно сокращаются. Напротив, если скорость охлаждения выбирают менее 0,5 [^oС/мин], то способ нельзя осуществлять рентабельно. Предпочитают скорость охлаждения между 1 и 5 [^oС/мин].

Диффузионный отжиг в зависимости от размера исходного образца осуществляют в течение максимально 15 ч при температурах между 900 и 1000^oС.

Вызванное выдержкой при определенных температурах термическое упрочнение следует осуществлять предпочтительно в несколько стадий в течение минимально от 10 ч и максимально до 70 ч. При термическом упрочнении подвергнутый диффузионному отжигу исходный образец нагревают в первой стадии до температур между 700 и 760^oС и во второй стадии до температур между 600 и 650^oС и выдерживают при этих температурах в первой стадии в течение минимально 10 ч и максимально 50 ч и во второй стадии в течение минимально 5 ч и максимально 20 ч.

Перед первой стадией термического упрочнения может быть осуществлена другая стадия термообработки, при которой подвергнутый диффузионному отжигу исходный образец выдерживают при температуре между 800 и 850^oС (образец материала В).

Изобретение может быть использовано в производстве роторов больших газовых турбин. Способ получения изделия из материала, имеющего следующий состав в мас. %: 0,02 С, 0,1 Si, 0,20 Mn, 0,002 S, 0,015 Р, 15-18 Cr, 40-43 Ni, 0,1-0,3 Al, 0,3 Со, 1,5-1,8 Ti, 0,30 Сu, 2,8-3,2 Nb, остальное Fe, стабильного при высоких температурах, включает обработку исходной заготовки из железоникелевого суперсплава на твердый раствор и последующее дисперсионное твердение в две стадии, при этом перед дисперсионным твердением осуществляют дополнительную термическую обработку обработанной на твердый раствор заготовки, включающую выдержку при температуре от 800 до 850^oС, при этом исходную заготовку охлаждают со скоростью от 1 до 5^oС/мин между операциями обработки на твердый раствор и дополнительной термической обработки и охлаждают со скоростью от 1 до 5^oС/мин между операциями дополнительной термической обработки и дисперсионного твердения. Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости сплава и улучшение его ковкости. 8 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ получения изделия из материала, стабильного при высоких температурах, содержащий обработку исходной заготовки из железоникелевого суперсплава на твердый раствор и последующее дисперсионное твердение в две стадии, отличающийся тем, что исходная заготовка имеет следующий состав, мас. %: 0,02 С, 0,1 Si, 0,20 Mn, 0,002 S, 0,015 Р, 15-18 Cr, 40-43 Ni, 0,1-0,3 Al, 0,3 Со, 1,5-1,8 Ti, 0,30 Сu, 2,8-3,2 Nb, остальное Fe, перед дисперсионным твердением осуществляют дополнительную термическую обработку обработанной на твердый раствор заготовки, включающую выдержку при температуре от 800 до 850^oС, при этом исходную заготовку охлаждают со скоростью от 1 до 5^oС/мин между операциями обработки на твердый раствор и дополнительной термической обработки и охлаждают со скоростью от 1 до 5^oС/мин между операциями дополнительной термической обработки и дисперсионного твердения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отжиг в области твердого раствора выполняют в течение максимально 15 ч при температуре от 900 до 1000^oС. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсионное твердение осуществляют в течение, по меньшей мере, 10 ч, максимально 70 ч. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дисперсионное твердение на первой стадии осуществляют при температуре от 700 до 760^oС, а на второй стадии - при температуре от 600 до 650^oС. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дисперсионное твердение на первой стадии осуществляют в течение, по меньшей мере, 5 ч, максимально 50 ч. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что дисперсионное твердение на второй стадии осуществляют в течение, по меньшей мере, 5 ч, максимально 20 ч. 7. Способ по п.4, отличающийся тем, что переход от первой стадии ко второй стадии осуществляют с печью. 8. Способ по п.4, отличающийся тем, что заготовка, прошедшая дисперсионное твердение, имеет предел прочности при растяжении при температуре 705^oС от 580 до 620 МПа и относительное удлинение при испытании на разрыв при температуре 705^oС от 27,5 до 33%. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изделия получают ротор газовой турбины.