СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ПО СЕЧЕНИЮ ПОРОШКОВОЙ ЗАГОТОВКИ Российский патент 2012 года по МПК B22F7/02 B22F3/24 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов, и может быть использовано в производстве тяжелонагруженных деталей, работающих в условиях градиента температуры и имеющих переменную структуру и механические свойства по сечению.

Известны способы (Патенты US №4820358 и №5312497) получения переменной структуры по сечению детали, которые заключаются в том, что деталь с исходной мелкозернистой структурой обрабатывается так, что часть детали нагревается до температуры выше температуры сольвуса (в однофазной области), что приводит к росту зерна. При этом в другой части детали, которая специально охлаждается, как описано в патенте №4820358, или изолируется, как описано в патенте №5312497, температура поддерживается ниже сольвуса (в двухфазной области), что задерживает рост зерна в этой части. В результате, в конечной детали формируются две зоны с различным зерном и, соответственно, с различным уровнем механических свойств.

Общим недостатком этих способов является то, что в зоне детали с мелким зерном невозможно получить требуемый высокий уровень свойств из-за наличия крупных выделений избыточной γ'-фазы, образующейся при нагреве ниже сольвуса, а также нестабильный уровень механических свойств, из-за трудно управляемых режимов нагрева и охлаждения при применении специальных охлаждающих или термоизолирующих устройств и приспособлений.

Известен способ получения переменной структуры по сечению заготовки, в частности по сечению заготовки диска газовых турбин, изготавливаемой методом порошковой металлургии.

Способ заключается в том, что горячему изостатическому прессованию и последующей компромиссной термообработке подвергается капсула заполненная гранулами двух разных сплавов, при этом ободная полость капсулы заполняется более жаропрочным сплавом, а ступичная полость капсулы - сплавом с более высокой прочностью и более высоким сопротивлением МЦУ (Патент US №7537725 В2 - прототип).

Недостатком этого способа является то, что применение компромиссного для двух используемых сплавов режима термической обработки не позволяет получать высокий уровень механических свойств. А также то, что из-за различия в величине коэффициента линейного расширения и модуля упругости используемых сплавов, в зоне контакта сплавов происходит преждевременное разрушение изделия, полученного этим способом.

С целью устранения перечисленных недостатков предлагается способ получения переменной структуры по сечению заготовки, включающий использование при засыпке капсулы крупных и мелких гранул одного сплава и термическую обработку всей компактной заготовки с закалкой из однофазной области (выше сольвуса).

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что для изготовления заготовки используют гранулы разного размера одного сплава, при этом одна полость капсулы заполняется более крупными гранулами фракции более 200 мкм, а другая полость капсулы заполняется более мелкими гранулами фракции менее 50 мкм. При этом закалка заготовки проводится при температуре выше сольвуса с частично удаленной оболочкой капсулы с той части заготовки, где засыпаны более мелкие гранулы.

Технический результат - более высокая прочность и сопротивление МЦУ в мелкозернистой части заготовки и более высокая жаропрочность в крупнозернистой части заготовки, отсутствие критической переходной зоны с меняющимся коэффициентом линейного расширения и модулем упругости и, как следствие, увеличение ресурса и надежности детали, работающей в условиях градиента температуры.

Это достигается тем, что закалка всей заготовки проводится при температуре выше сольвуса, что обеспечивает выделение всей упрочняющей γ'-фазы в мелкодисперсном виде, а увеличение скорости охлаждения при закалке мелкозернистой части заготовки за счет удаления оболочки капсулы способствует дальнейшему измельчению выделений γ'-фазы в этой части заготовки.

Мелкое зерно, за счет использования мелких гранул, и более мелкие выделения упрочняющей γ'-фазы, за счет удаления оболочки, позволяют получать в одной части заготовки высокую прочность и сопротивление МЦУ, а более крупные зерно и выделения γ'-фазы в другой части заготовки обеспечивают высокую жаропрочность. Все это увеличивает ресурс и надежность детали, работающей в условиях градиента температуры.

Результаты испытания механические свойства заготовок, изготовленных предлагаемым способом и способом-прототипом при температуре 20°С и при рабочих температурах 650-750°С, проведенные по стандартным методикам испытания, представлены в таблице 1.

Предлагаемым способом из гранул жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП разных фракций была изготовлена заготовка диска газотурбинного двигателя. При засыпке капсулы для ободной части заготовки диска использовали крупные гранулы фракции - 316+250 мкм, а для ступицы - мелкие гранулы фракции - 45 мкм. Термообработку изготовленной заготовки проводили при температуре 1200°С (однофазная область) с предварительно удаленной оболочкой капсулы со ступичной части заготовки.

По способу-прототипу также была изготовлена аналогичная заготовка диска из гранул двух никелевых сплавов - более жаропрочного ЭП741НП и высокопрочного ЭП962П.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает на ободе диска, работающем при повышенной температуре 750°С, получение жаропрочности на 7-10% выше по сравнению с прототипом. При этом в ступице, где рабочая температура ниже, обеспечивает на 2-4% более высокую прочность и сопротивление МЦУ при повышенных характеристиках пластичности в этой зоне диска.

В результате этого, применение предлагаемого способа для изготовления тяжелонагруженных деталей газотурбинных двигателей позволит, за счет высокой жаропрочности на ободе, повысить не менее чем на 50°С температуру на входе в турбину и тем самым повысить КПД двигателя более чем на 5%. А также за счет высокого сопротивления МЦУ увеличить его эксплуатационную надежность.

Таблица 1   Размер зерна, d_з Механические свойства, 20°С Жаропроч-
ность при 750°С, σ¹⁰⁰ МЦУ при 650°С, σ_N=10⁴ ц Предел прочности, σ_B Предел текучести, σ_0,2 Относительное удлинение, δ Относите-
льное сужение, φ мкм МПа % МПа МПа Предлагаемый Ступица, гранулы сплава ЭП741НП мелкой фракции 19 1590 1160 18 20 650 1070 Обод, гранулы сплава ЭП741НП крупной фракции 50 1490 1010 23 24 710 1000 Прототип Ступица, гранулы сплава ЭП962П 42 1550 1150 14 15 620 1040 Обод, гранулы сплава ЭП741НП 37 1510 1030 19 19 660 1010

Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов. Может использоваться в производстве тяжелонагруженных деталей, работающих в условиях градиента температуры и имеющих переменную по сечению структуру и механические свойства. Заготовку получают путем горячего изостатического прессования капсулы, две зоны которой заполняют гранулами разных размеров одного сплава. Одну полость капсулы заполняют крупными гранулами фракции более 200 мкм, а другую полость капсулы - мелкими гранулами фракции менее 50 мкм. Последующую термообработку полученной таким образом заготовки проводят при температуре выше сольвуса, с частично удаленной оболочкой капсулы с той части заготовки, в которой засыпаны более мелкие гранулы. Полученная заготовка обладает высокой прочностью и сопротивлением МЦУ в мелкозернистой части, высокой жаропрочностью в крупнозернистой части, что приводит к увеличению ресурса и надежности детали. 1 табл.

Способ получения переменной структуры по сечению порошковой заготовки, включающий горячее изостатическое прессование капсулы, две зоны которой заполняют двумя видами гранул, и последующую термообработку, отличающийся тем, что используют гранулы разного размера одного сплава, при этом одну полость капсулы заполняют крупными гранулами фракции более 200 мкм, а другую полость капсулы заполняют мелкими гранулами фракции менее 50 мкм, и проводят закалку заготовки при температуре выше сольвуса с частично удаленной оболочкой капсулы с той части заготовки, которая заполнена мелкими гранулами.