RU2455115C1 - Method of fabricating variable structure over powder workpiece cross-section - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy of refractory nickel alloys. It may be used in production of heavy-loaded parts operated at temperature gradient that feature variable-cross-section structure and mechanical properties. Workpiece is produced by hot isostatic compaction of capsule with its two zones filled with single-alloy different-size granules. One cavity of said capsule is filled with granules of fraction exceeding 200 mcm while another cavity is filled with smaller granules with grain sizes under 50 mcm. Subsequent thermal treatment of workpiece thus made is carried out at temperature exceeding solvus temperature on capsule partially removed cover wherein minor granules are inserted.

EFFECT: higher strength and heat resistance, longer life and higher reliability.

1 tbl

Description

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.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to powder metallurgy of heat-resistant nickel alloys, and can be used in the production of heavily loaded parts operating in a temperature gradient and having a variable structure and mechanical properties over the cross section.

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.Known methods (US Patents No. 4820358 and No. 5312497) to obtain a variable structure over the cross section of the part, which consists in the fact that the part with the original fine-grained structure is processed so that part of the part is heated to a temperature above the solvus temperature (in the single-phase region), which leads to grain growth. Moreover, in another part of the part, which is specially cooled, as described in patent No. 4820358, or insulated, as described in patent No. 5312497, the temperature is maintained below the solvus (in the two-phase region), which inhibits grain growth in this part. As a result, two zones with different grains and, accordingly, with different levels of mechanical properties are formed in the final part.

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.A common drawback of these methods is that it is impossible to obtain the required high level of properties in the area of the fine grain part due to the presence of large precipitates of the excess γ'-phase formed upon heating below the solvus, as well as an unstable level of mechanical properties due to difficult to control heating and cooling modes when using special cooling or heat-insulating devices and devices.

Известен способ получения переменной структуры по сечению заготовки, в частности по сечению заготовки диска газовых турбин, изготавливаемой методом порошковой металлургии.A known method of obtaining a variable structure for the cross section of the workpiece, in particular for the cross section of the workpiece of the disk of gas turbines made by powder metallurgy.

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).The method consists in the fact that a capsule filled with granules of two different alloys is subjected to hot isostatic pressing and subsequent compromise heat treatment, while the rim cavity of the capsule is filled with a more heat-resistant alloy, and the hub cavity of the capsule is filled with an alloy with higher strength and higher resistance to MCU (US Patent No. 7537725 B2 - prototype).

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.The disadvantage of this method is that the application of a compromise for the two used alloys heat treatment does not allow to obtain a high level of mechanical properties. And also because of the difference in the linear expansion coefficient and the elastic modulus of the used alloys, premature destruction of the product obtained by this method occurs in the contact zone of the alloys.

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).In order to eliminate the above drawbacks, a method for obtaining a variable structure over the cross section of the preform is proposed, which includes the use of large and small granules of one alloy when filling the capsule and heat treatment of the entire compact preform with quenching from the single-phase region (above the solvus).

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.The proposed method differs from the known one in that granules of different sizes of one alloy are used for the manufacture of the preform, while one cavity of the capsule is filled with larger granules of a fraction of more than 200 microns, and the other cavity of the capsule is filled with smaller granules of a fraction of less than 50 microns. In this case, the quenching of the preform is carried out at a temperature above the solvus with the capsule shell partially removed from the part of the preform where smaller granules are filled.

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.EFFECT: higher strength and resistance of the MCU in the fine-grained part of the workpiece and higher heat resistance in the coarse-grained part of the workpiece, the absence of a critical transition zone with a changing linear expansion coefficient and elastic modulus, and, as a result, an increase in the resource and reliability of the part working under conditions of a temperature gradient .

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.This is achieved by hardening the entire preform at a temperature above solvus, which ensures that the entire hardening γ'-phase is precipitated in a finely divided form, and an increase in the cooling rate during hardening of the fine-grained part of the preform due to the removal of the capsule shell contributes to further grinding of the precipitates of the γ'-phase in this part of the workpiece.

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.Fine grain, due to the use of fine granules, and smaller precipitates of the strengthening γ'-phase, due to the removal of the shell, allow one to obtain high strength and resistance to MCU in one part of the preform, and larger grains and precipitates of the γ'-phase in another part of the preform provide high heat resistance. All this increases the resource and reliability of the part working in a temperature gradient.

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.The test results of the mechanical properties of the workpieces manufactured by the proposed method and the prototype method at a temperature of 20 ° C and at operating temperatures of 650-750 ° C, carried out according to standard test methods, are presented in table 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.The proposed method of granules of heat-resistant nickel alloy EP741NP of different fractions was made blank disk of a gas turbine engine. When filling the capsule, large granules of the fraction 316 + 250 microns were used for the rim part of the disk blank, and small granules of the fraction 45 microns were used for the hub. Heat treatment of the prepared preform was carried out at a temperature of 1200 ° C (single-phase region) with a previously removed capsule shell from the hub part of the preform.

По способу-прототипу также была изготовлена аналогичная заготовка диска из гранул двух никелевых сплавов - более жаропрочного ЭП741НП и высокопрочного ЭП962П.According to the prototype method, a similar disk blank was also made from granules of two nickel alloys - the more heat-resistant EP741NP and high-strength EP962P.

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.Thus, the proposed method provides on the rim of the disk operating at an elevated temperature of 750 ° C, obtaining heat resistance of 7-10% higher compared with the prototype. At the same time, in the hub, where the operating temperature is lower, it provides 2-4% higher strength and resistance to the MCU with increased ductility characteristics in this zone of the disk.

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.As a result of this, the application of the proposed method for the manufacture of heavily loaded parts of gas turbine engines will allow, due to high heat resistance at the rim, to increase the temperature at the entrance to the turbine by at least 50 ° C and thereby increase the engine efficiency by more than 5%. And also due to the high resistance of the MCU to increase its operational reliability.

Таблица 1Table 1   Размер зерна, d_з Grain size, d _s Механические свойства, 20°СMechanical properties, 20 ° С Жаропроч-
ность при 750°С, σ¹⁰⁰ Heatproof
at 750 ° С, σ ¹⁰⁰ МЦУ при 650°С, σ_N=10⁴ цMCU at 650 ° C, σ _N = 10 ⁴ c Предел прочности, σ_B Tensile strength, σ _B Предел текучести, σ_0,2 Yield Strength, σ _0.2 Относительное удлинение, δElongation, δ Относите-
льное сужение, φRefer-
narrowing, φ мкмμm МПаMPa %% МПаMPa МПаMPa ПредлагаемыйProposed Ступица, гранулы сплава ЭП741НП мелкой фракцииHub, granules alloy EP741NP fine fraction 1919 15901590 11601160 18eighteen 20twenty 650650 10701070 Обод, гранулы сплава ЭП741НП крупной фракцииCoarse alloy rim, granules EP741NP 50fifty 14901490 10101010 2323 2424 710710 10001000 ПрототипPrototype Ступица, гранулы сплава ЭП962ПHub, granules alloy EP962P 4242 15501550 11501150 14fourteen 15fifteen 620620 10401040 Обод, гранулы сплава ЭП741НПRim, granules of alloy EP741NP 3737 15101510 10301030 1919 1919 660660 10101010

Claims (1)

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. A method of obtaining a variable structure over the cross section of a powder billet, comprising hot isostatic pressing of a capsule, two zones of which are filled with two types of granules, and subsequent heat treatment, characterized in that granules of different sizes of one alloy are used, while one cavity of the capsule is filled with large granules of a fraction of more than 200 microns and the other cavity of the capsule is filled with small granules of a fraction of less than 50 μm, and the workpiece is quenched at a temperature above the solvus with the capsule shell partially removed, preform, which is filled with small granules.