СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА Российский патент 2007 года по МПК C22F1/10 B21J5/00 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению изделий из высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавов, в частности дисков ГТД.

Известны способы получения дисков из никелевых жаропрочных сплавов, в которых для деформации используется слиток вакуумной индукционной выплавки с последующим вакуумным дуговым переплавом (ВИ+ВДП). Для разработки технологического процесса определяется процент содержания γ'-фазы в сплаве, температура ее полного растворения (Тпрγ'), температура неравновесного солидуса, температура солидуса (Ts). Для того, чтобы получить заготовку с равномерным рекристаллизованным зерном, обладающую повышенной пластичностью, слиток гомогенизируют, многократно деформируют с использованием промежуточных отжигов и подогревов, уменьшают его поперечные размеры прессованием или ротационной ковкой. Далее проводят многократную деформацию для увеличения диаметра заготовки (патент ЕР №0248757, патенты США №5120373, 5693159).

Недостатками способов являются необходимость применения крупногабаритного и энергоемкого оборудования для выплавки слитков большого диаметра и их деформации. Кроме того, прутки из высокожаропрочных сплавов могут быть получены только методом прессования с большими усилиями деформации, что требует использования мощного специализированного оборудования - горизонтальных гидравлических прессов. При этом снижается КИМ за счет больших отходив при операции прессования (пресс-остаток и выходной конец).

Известен способ изготовления дисков из высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, включающий:

- вакуумно-индукционную выплавку;

- получение литой заготовки под деформацию методом направленной кристаллизации в керамической форме постоянного сечения с градиентом температуры на фронте затвердевания 20-200°С/см;

- гомогенизирующий отжиг в интервале температур Тпрγ'-10°C÷Tsol с последующим охлаждением до 900-1000°С со скоростью ≤55°С/час;

- предварительную деформацию осадкой в изотермических условиях за 2 и более раза в интервале температур Тпрγ'-80°С÷Тпрγ'+10°С, с суммарной степенью деформации более 55% и промежуточным отжигом в этом же интервале температур;

- окончательную деформацию в изотермических условиях в интервале температур Тпрγ' - 20-100°C;

- термическую обработку, состоящую из 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).

Недостатком способа является ограниченная суммарная степень деформации при осадке слитка, что не позволяет получать однородную структуру в сложнойрофильных крупногабаритных штамповках (с большой разницей степеней деформации по сечению штамповки) перед термической обработкой.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава.

Способ включает:

- вакуумно-индукционную выплавку;

- получение слитка под деформацию диаметром 320 мм вакуумным дуговым переплавом;

- гомогенизирующий отжиг при температуре на 20-30°С выше полного растворения γ'-фазы (Тпрγ') в течение 4-8 часов, с охлаждением с печью до температуры максимальной коагуляции γ'-фазы, далее на воздухе;

- прессование слитка в контейнере со степенью 65-75% на пруток при температуре ниже Тпрγ' на 40-60°С;

- резку прутка на мерные заготовки;

- подпрессовку в закрытом контейнере со степенью 35-50% при температуре ниже Тпрγ' на 60-80°С;

- окончательную деформацию совмещением осадки и штамповки при температуре ниже Тпрγ' на 40-60°С со степенью 75-85%;

- термическую обработку, состоящую из предварительного отжига при температуре ниже Тпрγ' на 100-130°С, обработки на твердый раствор при температуре Тпрγ' ±10°С с регламентированным охлаждением и последующим старением (а.с. СССР 1637360).

Способ-прототип имеет следующие недостатки:

- применение метода выплавки крупногабаритного слитка (ВДП) не обеспечивает достаточной однородности структуры и химического состава сплава, что является причиной нестабильности свойств в штамповках;

- низкий коэффициент использования металла из-за большой усадочной раковины в слитках, больших отходов при операции прессования (пресс-остаток и выходной конец);

- непроработанная макроструктура исходной заготовки (пресс-изделия) требует больших степеней деформации на окончательном этапе штамповки, что не всегда возможно, особенно в сложнопрофильных штамповках;

- большие усилия прессования и использование мощного специализированного оборудования - горизонтальных гидравлических прессов.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения изделий из жаропрочного никелевого сплава с однородной структурой в сложнопрофильных штамповках (с большой разницей степеней деформации по сечению штамповки) и стабильным уровнем свойств, обеспечивающего снижение усилий прессования и окончательной деформации, возможность использования универсального оборудования, повышение коэффициента использования металла.

Для достижения поставленной цели предложен способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение слитка под деформацию, гомогенизирующий отжиг слитка, прессование и подпрессовку заготовки, окончательную деформацию и термическую обработку, отличающийся тем, что перед прессованием проводят по крайней мере одну предварительную подпрессовку с последующим рекристаллизационным отжигом, прессование заготовки осуществляют в штампе, состоящем из цилиндрической и конусной частей, путем многократного выдавливания заготовки при температуре на 55-95°С ниже Тпрγ′ из цилиндрической в конусную часть штампа, нагретого до температуры не ниже Тпрγ′ - 250°С и не выше температуры нагрева заготовки, со скоростью деформации , где Тпрγ′ - температура полного растворения γ′-фазы, причем на каждом последующем этапе выдавливания заготовки направление выдавливания меняют на противоположное относительно предыдущего этапа, а перед окончательной деформацией заготовку подвергают промежуточному отжигу.

Слиток под деформацию получают в виде мерной литой заготовки, преимущественно методами направленной кристаллизации, вакуумно-дуговым переплавом, литьем по выплавляемым моделям.

Предварительную подпрессовку заготовки перед прессованием проводят за один или несколько переходов при температуре Тпрγ′ - 95°С≤Т≤Тпрγ′+10°С с разовой степенью деформации 20-40% и скоростью в штампе, нагретом до температуры не ниже Тпрγ′ - 250°С и не выше температуры нагрева заготовки.

Рекристаллизационный отжиг заготовки проводят при температуре Тпрγ′-20°С≤Т≤Тпрγ′+30°С в течение 3-6 часов, охлаждение проводят до температуры на 200-250°С ниже Тпрγ′ со скоростью 15-30°С/час.

Промежуточный отжиг заготовки проводят при температуре на 50÷95°С ниже Тпрγ′ с выдержкой не менее 6 часов и охлаждением со скоростью 20-60°С/час до температуры на 200-250°С ниже Тпрγ′ с последующим охлаждением заготовки на воздухе.

Окончательную деформацию проводят при температуре на 55-95°С ниже Тпрγ′ со скоростью и степенью деформации не более 85% в штампах, нагретых до температуры не ниже Тпрγ′ - 200°С и не выше температуры нагрева заготовки.

После первого этапа выдавливания заготовки с объемом, равным или меньшим объема конусной части штампа, проводят подпрессовку заготовки в цилиндрической части штампа со степенью прессования до 45%.

Прессование заготовки многократным выдавливанием заготовки при температуре на 55-95°С ниже Тпрγ′ в конусную часть штампа, нагретого до температуры не ниже Тпрγ′ - 250°С и не выше температуры нагрева заготовки, со скоростью деформации и степенью деформации до 45%, и подпрессовки заготовки в цилиндрической части штампа обеспечивают формирование в заготовке зерна величиной менее 10 мкм в процессе контролируемой динамической рекристаллизации. Получение подобной структуры позволяет реализовать эффект сверхпластичности при окончательной штамповке, снизить усилия деформации, повысить стойкость штампового инструмента и обеспечить формирование однородной мелкозернистой структуры в сложнопрофильных штамповках. Прессование заготовки по предложенному способу позволяет избежать потерь на пресс-остаток и выходной конец, снизить удельные усилия прессования в 3-5 раз (до 200-300 МПа) по сравнению со способом-прототипом и проводить деформацию на универсальных гидравлических прессах малой мощности без использования специального оборудования.

Получение мерной литой заготовки позволяет значительно снизить дендритную ликвацию по сравнению с крупногабаритным слитком на несколько заготовок, что позволяет повысить уровень и однородность свойств изделия, снизить трудоемкость процесса изготовления литой заготовки и потери металла из-за:

- улучшения качества поверхности литой заготовки, что уменьшает припуск на механическую обработку;

- уменьшения или исключения образования усадочной раковины и хорошей структуры и поверхности дна слитка.

Предварительная подпрессовка литой заготовки при температуре Тпрγ'-95°С≤Т≤Тпрγ'+10°С с разовой степенью деформации 20-40% и скоростью в штампе, нагретом до температуры не ниже Тпрγ' - 250°С и не выше температуры нагрева заготовок, позволяет получить однородную деформацию по всему объему заготовки и при последующем отжиге обеспечить равномерную рекристаллизацию.

Рекристаллизационный отжиг заготовки при температуре Тпрγ'-20°С≤Т≤Тпрγ'+30°С в течение 3-6 часов позволяет получить в заготовках однородную матовую макроструктуру с размером микрозерна 100-250 мкм.

В случае исключения технологических операций предварительной подпрессовки литой заготовки и последующего рекристаллизационного отжига заготовки в пресс-прутке сохраняется непроработанная макроструктура, что требует больших степеней деформации на окончательном этапе штамповки, что не всегда возможно. В сложнопрофильных штамповках, изготовленных из подобных заготовок, формируется неоднородная макроструктура. Штамповки с такой структурой имеют нестабильные механические свойства по объему заготовки.

Охлаждение до температуры Тпрγ' - 200-250°С со скоростью 15-30°С/час позволяет обеспечить максимальную коагуляцию γ'-фазы, что позволяет повысить технологическую пластичность материала и снизить усилия прессования и осадки.

Технологическая схема предложенного способа прессования иллюстрируется чертежом, где 1 - конусная часть штампа, 2 - цилиндрическая часть штампа, 3 и 4 - противоположные торцевые поверхности заготовки.

Примеры осуществления

В опытно-промышленных условиях были получены диски из жаропрочных никелевых сплавов ЭК 151 и ЭП 975 диаметром 210 мм. Примеры получения дисков по предлагаемому способу и способу-прототипу представлены в таблице 1.

Пример 1.

Слитки сплава для дисков ЭК 151, содержащего 48% γ'-фазы с температурой ее полного растворения 1165°С выплавляли в вакуумной индукционной печи. Заготовки под деформацию ⊘ 103×50 мм и весом 25 кг получали методом направленной кристаллизации.

Гомогенизирующий отжиг проводили при температуре 1200°С, охлаждение слитка проводили со скоростью 30°С/час.

Предварительную подпрессовку проводили при температуре нагрева заготовки 1150°С со степенью деформации 30% и скоростью в закрытом контейнере, нагретом до температуры 1000°С.

Рекристаллизационный отжиг проводили при температуре 1180°С в течение 4 часов, охлаждение до температуры 950°С со скоростью 20°С/час.

Прессование проводили выдавливанием заготовки в штампе за два этапа по схеме, приведенной на чертеже, где 1a - первый этап прессования, 1в - прессование с изменением положения заготовки на 180°, при температуре нагрева заготовки 1110°С. Суммарная степень деформации 64% при удельных усилиях прессования 250 МПа и скорости в штампе, нагретом до температуры 915°С.

Промежуточный отжиг проводили при температуре 1110°С в течение 7 часов, охлаждение до температуры 950°С со скоростью 40°С/час.

Окончательную деформацию заготовки диска проводили при температуре 1110°С со степенью деформации 5 в ступице и 60% в полотне штамповки и скоростью деформации в штампе, нагретом до температуры 965°С.

В результате получена штамповка с однородной матовой макроструктурой и размером микрозерна 8-10 мкм.

После упрочняющей термической обработки получена однородная микроструктура с размером микрозерна 80-100 мкм.

Пример 2 выполнен аналогично примеру 1 по режимам, приведенным в таблице 1. Заготовки под деформацию получали методом вакуумно-дугового переплава.

Пример 3

Сплав для дисков ЭП 975, содержащий 58% γ'-фазы с температурой ее полного растворения 1198°С.

Слитки сплава ЭП 975 выплавляли в вакуумной индукционной печи. Заготовки под деформацию ⊘ 103×250 мм и весом 25 кг получали методом направленной кристаллизации.

Гомогенизирующий отжиг проводили при температуре 1215°С, охлаждение слитка проводили со скоростью 30°С/час.

Предварительную подпрессовку проводили при температуре нагрева заготовки 1150°С со степенью деформации 30% и скоростью в штампе, нагретом до температуры 1000°С.

Рекристаллизационный отжиг проводили при температуре 1210°С в течение 4 часов, охлаждение до температуры 950°С со скоростью 20°С/час.

Вторую предварительную подпрессовку проводили также при температуре нагрева заготовки 1150°С со степенью деформации 30% и скоростью в штампе, нагретом до температуры 1000°С.

Рекристаллизационный отжиг проводили при температуре 1210°С в течение 4 часов, охлаждение до температуры 950°С со скоростью 20°С/час.

Прессование проводили выдавливанием заготовки в штампе за два этапа по схеме, приведенной на чертеже (а, б, в), где 1б - промежуточная подпрессовка после первого этапа прессования при температуре нагрева заготовки 1130°С.

Промежуточный отжиг проводили при температуре 1120°С в течение 7 часов, охлаждение до температуры 950°С со скоростью 40°С/час.

Окончательную деформацию заготовки диска проводили при температуре 1130°С со степенью деформации 5 в ступице и 60% в полотне штамповки и скоростью деформации в штампе, нагретом до температуры 980°С.

После упрочняющей термической обработки получена однородная микроструктура с размером микрозерна 80-90 мкм.

Пример 4.

Сплав для дисков ЭП 975, содержащий 58% γ'-фазы с температурой ее полного растворения 1198°С.

Слитки сплава ЭП 975 выплавляли в вакуумной индукционной печи. Заготовки под деформацию ⊘ 103×250 мм и весом 15 кг получали методом литья по выплавляемым моделям.

Гомогенизирующий отжиг, подпрессовки и рекристаллизационный отжиг выполнены аналогично примеру 3 по режимам, приведенным в таблице 1.

Прессование проводили выдавливанием заготовки в штампе на 1-ом этапе выдавливания, осадкой заготовки в цилиндрической части штампа и выдавливанием заготовки на 2-ом этапе по схеме, приведенной на чертеже (а, в, б), при температуре нагрева заготовки 1113°С с суммарной степенью деформации 74% и скоростью в штампе, нагретом до температуры 948°С.

Промежуточный отжиг и окончательную деформацию заготовки диска проводили аналогично примеру 3 по режимам, приведенным в таблице 1.

Пример 5 (способ-прототип).

Сплав для дисков ЭК 151, содержащий 48% γ'-фазы с температурой ее полного растворения 1165°С.

Сплав ЭК 151 выплавляли в вакуумной индукционной печи. Слитки ⊘ 320 мм и весом 2000 кг получали вакуумным дуговым переплавом.

Гомогенизирующий отжиг слитков проводили при температуре 1200°С, охлаждение слитка проводили со скоростью 30°С/час.

Прессование слитка на пруток проводили при температуре 1110°С со степенью деформации 70% в штампе, нагретом до температуры 400°С.

Пруток разрезали на мерные заготовки весом 25 кг.

Подпрессовку проводили при температуре 1000°С со степенью деформации 40% в закрытом контейнере, нагретом до температуры 400°С.

Окончательную штамповку проводили при температуре 1110°С со степенью деформации 5% в ступице и 80% в полотне диска в штампе, нагретом до температуры 400°С.

Пример 6 (способ-прототип).

Сплав для дисков ЭП 975, содержащий 58% γ'-фазы с температурой ее полного растворения 1198°С.

Сплав ЭП 975 выплавляли в вакуумной индукционной печи. Слитки ⊘ 320 мм и весом 2000 кг получали вакуумным дуговым переплавом.

Гомогенизирующий отжиг слитков проводили при температуре 1220°С, охлаждение слитка проводили со скоростью 30°С/час.

Прессование слитка на пруток проводили при температуре 1150°С со степенью деформации 70% в штампе, нагретом до температуры 400°С.

Пруток разрезали на мерные заготовки весом 25 кг.

Подпрессовку проводили при температуре 1145°С со степенью деформации 40% в закрытом контейнере, нагретом до температуры 400°С.

Окончательную штамповку проводили при температуре 1150°С со степенью деформации 5% в ступице и 80% в полотне диска в штампе, нагретом до температуры 400°С.

Анализ таблицы 2 показывает, что в штамповках сложнопрофильных дисков из жаропрочных никелевых сплавов ЭК 151 и ЭП 975, полученых по предлагаемому способу, формируется однородная структура и стабильные механические свойства.

Штамповки дисков, полученные по способу-прототипу, имеют значительную неоднородность структуры и механических свойств по объему заготовки. Размер микрозерна в зоне интенсивной деформации (полотно диска) в 2-2,5 раза больше, чем в зоне затрудненной деформации (ступица). При этом уровень прочностных характеристик более чем на 15-20% различается в зависимости от зоны вырезки образцов.

Как видно из таблицы 3, прессование по предлагаемому способу методом многократного выдавливания позволяет в 3-5 раз снизить удельные усилия прессования по сравнению со способом-прототипом. Снижение усилий при прессовании по предлагаемому способу позволяет использовать для прессования и штамповки универсальное оборудование - вертикальный гидравлический пресс усилием 630 тс. Прессование по способу-прототипу возможно только при использовании более мощного оборудования - горизонтального гидравлического пресса усилием 10000 тс.

Прессование по предлагаемому способу позволяет увеличить коэффициент использования металла более чем в 2 раза по сравнению с прессованием по способу-прототипу.

Нагрев штампов при прессовании и окончательной деформации по предлагаемому способу позволит снизить удельные усилия в 1,5-2 раза. Получение штамповок с высоким КИМ не только снизит материалоемкость продукции, но и уменьшит трудоемкость механической обработки за счет уменьшения припуска.

Получение штамповок с однородной структурой и стабильными механическими свойствами позволит повысить надежность изделий ответственного назначения, изготавливаемых из штамповок жаропрочных никелевых сплавов.

Таблица 2Структура и механические свойства после термической обработки дисков, полученных по предлагаемому способу и способу прототипа № п/пСплавПолотноСтупицаПредел прочностиσ_в, МПаОтносительное удлинениеδ, %Относительное сужениеψ, %Размер зерна, мкмПредел прочностиσ_в, МПаОтносительное удлинениеδ, %Относительное сужениеψ, %Размер зерна, мкмПредлагаемый способ1ЭК 151151015,816,080-100151015,016,090-1002ЭК 151152016,017,070-80150016,517,080-903ЭП 975155020,018,080-90153018,018,090-1004ЭП 975153017,519,070-90155016,519,080-90Прототип5ЭК 151151016,017,080-90139013,515,0250-2806ЭП 975153017,0.17,080-100140013,017,0200-250

Таблица 3Технологические характеристики получения дисков по предлагаемому способу и способу прототипа.№ п/пСплавВес слитка, кгПрессованиеОкончательная штамповка Усилие прессования, МПаКИМ при прессованииОборудование для прессованияУсилие штамповки, МПаОборудование для штамповкиКИМ при штамповкеПредлагаемый способ1ЭК 151252000,95Вертикальный гидравлический прессусилием 630 тс.210Вертикальный гидравлический пресс усилием 630 тс.0,722500,952800,73ЭП 975252500,953000,74153500,903200,65Прототип5ЭК 151200010000,45Горизонтальный гидравлический пресс усилием 10 000 т.с.4500,456ЭП 975200011000,45000,4

Изобретение относится к получению изделий из высоколегированных жаропрочных деформируемых никелевых сплавов, в частности дисков ГТД. Проводят вакуумно-индукционную выплавку, получают слиток под деформацию. Проводят, по крайней мере, одну предварительную подпрессовку с последующим рекристаллизационным отжигом. Прессование заготовки осуществляют в штампе путем многократного выдавливания заготовки при температуре на 55-95°С ниже Тпрγ′ из цилиндрической в конусную часть штампа. Штамп нагрет до температуры не ниже Тпрγ′ - 250°С и не выше температуры нагрева заготовки. Скорость деформации , где Тпрγ′ - температура полного растворения γ′-фазы. На каждом последующем этапе выдавливания заготовки направление выдавливания меняют на противоположное относительно предыдущего этапа. Перед окончательной деформацией заготовку подвергают промежуточному отжигу. Изделия из жаропрочного никелевого сплава имеют однородную структуру в сложнопрофильных штамповках и стабильный уровень свойств, обеспечивающий снижение усилий прессования и окончательной деформации, возможность использования универсального оборудования, повышение коэффициента использования металла. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ получения изделия из жаропрочного никелевого сплава, включающий вакуумно-индукционную выплавку, получение слитка под деформацию, гомогенизирующий отжиг слитка, прессование и подпрессовку заготовки, окончательную деформацию и термическую обработку, отличающийся тем, что перед прессованием проводят по крайней мере одну предварительную подпрессовку с последующим рекристаллизационным отжигом, прессование заготовки осуществляют в штампе, состоящем из цилиндрической и конусной частей, путем многократного выдавливания заготовки при температуре на 55-95°С ниже Тпрγ′ из цилиндрической в конусную часть штампа, нагретого до температуры не ниже Тпрγ′ - 250°С и не выше температуры нагрева заготовки, со скоростью деформации , где Тпрγ′ - температура полного растворения γ′-фазы, причем на каждом последующем этапе выдавливания заготовки направление выдавливания меняют на противоположное относительно предыдущего этапа, а перед окончательной деформацией заготовку подвергают промежуточному отжигу.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что слиток получают в виде мерной литой заготовки, преимущественно методом направленной кристаллизации, вакуумно-дуговым переплавом, литьем по выплавляемым моделям.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную подпрессовку заготовки перед прессованием проводят за один или несколько переходов при температуре Тпрγ′-95°≤Т≤Тпрγ′+10°С с разовой степенью деформации 20-40% и скоростью в штампе, нагретом до температуры не ниже Тпрγ′ - 250°С и не выше температуры нагрева заготовки.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что рекристаллизационный отжиг заготовки проводят при температуре Тпрγ′-20°С≤Т≤Тпрγ′+30°С в течение 3-6 ч, охлаждение проводят до температуры на 200-250°С ниже температуры Тпрγ′ со скоростью 15-30°С/ч.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что промежуточный отжиг заготовки проводят при температуре на 50-95°С ниже Тпрγ′ с выдержкой не менее 6 ч и охлаждением со скоростью 20-60°С/ч до температуры на 200-250°С ниже Тпрγ′ с последующим охлаждением заготовки на воздухе.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что окончательную деформацию проводят при температуре на 55-95°С ниже Тпрγ′ со скоростью и степенью деформации не более 85% в штампах, нагретых до температуры не ниже Тпрγ′ - 200°С и не выше температуры нагрева заготовки.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что после первого этапа выдавливания заготовки с объемом, равным или меньшим объема конусной части штампа, проводят подпрессовку в цилиндрической части штампа со степенью деформации до 45%.