6 ТЕРМІЧНА ОБРОБКА ЖАРОМІЦНИХ СТОПІВ НА ОСНОВІ НІКЕЛЮ

Термічна обробка жароміцних сплавів на основі нікелю передбачає проведення наступних операцій: гомогенізаційного відпалення (гомогенізації), гартування, старіння.

Метою гомогенізації є зменшення дендритної ліквації, розчинення при витримці грубих частинок зміцнювальних фаз, більш рівномірне їх виділення в об'ємі в вигляді дисперсних частинок при подальшому охолодженні. Температура гомогенізації для жароміцних нікелевих сплавів пов' язана із температурою повного розчинення

/-фази (найчастіше обирається вище за Т,[р,).

Одним з найбільш поширених видів термічної обробки жароміцних нікелевих сплавів є гартування. У випадку нікелевих сплавів, при відсутності поліморфізму, гартування дозволяє зафіксувати, внаслідок прискореного охолодження до кімнатної температури, структуру, що є характерною для високої температури. Цей вид обробки пов'язаний зі зменшенням розчинності компонентів в гратці нікелю при зниженні температури. При витримці при високих температурах надлишкові фази розчиняються. У випадку повільного охолодження ці фази виділяються з твердого розчину у відповідності до діаграми стану системи. У випадку прискореного охолодження в твердому розчині виникає пересичення на легувальні елементи.

Гартування не обов'язково призводить до утворення гомогенного пересиченого твердого розчину. Наприклад, для складнолегованих систем під час нагрівання та витримки при температурі гартування може розчинитися інтерметалідна фаза та, частково, карбідна; тобто при високій температурі крім твердого розчину існує деяка кількість вторинних фаз. Після прискоренного охолодження в структурі присутня надлишкова фаза, що існувала при температурі гартування, та пересичений твердий розчин на основі ГЦК гратки нікелю.

При призначенні температури гартування необхідно враховувати можливість найбільш повного розчинення вторинної фази. Верхня границя інтервалу температури гартування має бути нижчою за температуру солідусу для запобігання плавленню меж зерен. При перегріванні порушується зв' язок між зернами та під дією гартувальних напружень виникають міжкристалітні тріщини, що суттєво погіршують пластичність та міцність. В складнолегованих сплавах на межах зерен можуть бути присутні прошарки евтектичного походження (боридні евтектики, і т. ін.), що мають температуру плавлення нижчу за основний метал. Такі прошарки при нагріванні до температури гартування можуть бути розплавлені, що також зумовлюєпідвищення крихкості. Перегрів є невиправним дефектом при термічній обробці жароміцних нікелевих сплавів. При високотемпературному нагріванні необхідно враховувати можливості розчинення карбідів, росту зерна, що мають негативний вплив на властивості матеріалу.

Час витримки при температурі гартування має забезпечувати завершення процесів розчинення надлишкових фаз. Для розчинення дисперсних частинок надлишкових фаз необхідно менше часу ніж у випадку частинок більшого розміру. Для деформованих напівфабрикатів час витримки при температурі гартування менший, порівняно з відливками. До деформування проводять гомогенізаційне відпалення, що зменшує ступінь неоднорідності, розчиняє великі за розміром частинки надлишкових фаз, обробка тиском подрібнює структуру. Час розчинення надлишкових фаз при нагріванні під гартування ливарних сплавів пов' язано з товщиною їх частинок співвідношенням:

Тр = а • тЬ ,

де Тр - час розчинення надлишкової фази;

а , Ь - константи для сплаву при певній температурі; т - середня товщина частинок фази.

Час витримки залежить від ступеня неоднорідності, від розмірів дендритів, від складу сплавів, від дифузійної рухомості елементів. Так для сплаву ЖС6У час витримки при 1220°С складає 4 години, для сучасних жароміцних сплавів для монокристалічних лопаток, наприклад СМ8Х-10, передбачена витримка при температурі 1366°С на протязі 30-40 год.

Швидкість охолодження при гартуванні повинна бути достатньою для запобігання розпаду пересиченого твердого розчину, або при виділенні незначної кількості вторинної фази зберігати необхідну пересиченість твердого розчину. Стійкість переохолодженого твердого розчину залежить від схеми легування, вмісту легувальних елементів та структури сплаву до гартування. У випадку складнолегованих жароміцних сплавів, навіть при охолодженні у воді, не існує можливості повністю уникнути виділення надлишкових фаз через низьку стійкість переохолодженої матриці,тому після гартуванні в структурі окрім пересиченого твердого розчину на основі нікелю присутні ультра-дисперсні частинки /-фази.

Охолодження у воді може бути недоцільним через виникаючі при гартуванні напруження, що здатні привести до жолоблення виробів та появи тріщин. Тому для проведення гартування деталей з аустенітних сталей з інтерметалідним зміцненням та з жароміцних нікелевих сплавів найчастіше застосовують охолодженням на повітрі (або в аргоні).

Зміцнювальна термічна обробка нікелевих жароміцних сплавів передбачає проведення гартування з подальшим старінням. Температура нагрівання при гартуванні повинна забезпечувати повне розчинення /-фази. Температура повного розчинення змінюється від 1080°С до 1220°С в залежності від складу сплаву, з ускладненням схеми легування в /-фазі можуть бути присутні, окрім алюмінію, титан, тантал, ніобій. Такі зміни в хімічному складі супроводжуються підвищенням температури розчинення /-фази, при значній кількості хрому температура повного розчинення знижується.

При старінні з пересиченого твердого розчину виділяється фаза, що має склад відмінний від матриці. Розпад пересиченого твердого розчину є дифузійним процесом, тому ступінь розпаду, тип виділень, дисперсність, форма визначаються температурою, тривалістю старіння та природою сплаву. На структуру після старіння можуть впливати домішки, температура нагрівання, швидкість охолодження при гартуванні, пластична деформація після гартування та інше.

При старінні між частинкою та матрицею може існувати когерентний, напівкогерентний або некогерентний зв' язок (рис.6.1). Жароміцні властивості залежать від невідповідності граток між когерентною частинкою та матрицею. При значній розбіжності сплави швидко знеміцнюються при високих температурах через інтенсивну коагуляцію частинок зміцнювальних фаз. Це пов' язано із зростанням міжфазної енергії у випадку високого показника невідповідності параметрів граток „частинка - матриця", що є рушійною силою процесу збільшення частинок у розмірі. Невідповідність параметрів граток матриці та виділень впливає на форму частинок /-фази. При невідповідності граток (0-0,2)% частинки мають сферичну форму, при невідповідності (0,5-1,1)% — кубічну, при значенні невідповідності понад 1,25% — пластинчасту форму.

Форма частинок, що виділяються при старінні, може бути тонкопластинчатою (дископодібною), рівновісною (сферичною або кубічною), голкоподібною. Форма частинок визначається двома конкуруючими факторами - поверхневою енергією та енергією пружної деформації, що наближаються до мінімального значення. Мінімальна поверхнева енергія відповідає рівновісній формі частинок, мінімальна пружна енергія відповідає частинкам у формі тонких пластин. Від співвідношення цих значень залежить форма частинок, що виділяються при старінні.

 

При розпаді пересиченого твердого розчину збільшується об'ємна кількість частинок фаз, концентрація легувальних елементів в твердому розчині зменшується, при збіднені матриці відбувається процес коагуляції частинок, що виділилися на попередньому етапі. Процес росту окремих частинок відбувається за рахунок розчинення інших, менших за розміром. Швидкість коагуляції зростає з підвищенням коефіцієнта дифузії та поверхневої енергії на межі „частинка-матриця". Коефіцієнт дифузії збільшується з підвищенням температури за експоненціальним законом, тому з ростом температури старіння коагуляція прискорюється.

Для жароміцних сплавів, призначених для тривалої експлуатації, найчастіше проводять стабілізаційне старіння. Ця операція забезпечує стабілізацію властивостей та розмірів виробів. Температура старіння обирається вище робочої, при подальшій експлуатації в такому матеріалі не відбуваються активні структурні зміни, запобігаючи знеміцненню та нестабільності властивостей.

Для нікелевих деформовних сплавів може використовуватися сходинкове старіння. Наприклад, для сплаву ЭИ437Б може бути проведене старіння за режимом: 850°С (2 год.)+700°С (10 год.). Післявказаної обробки об'ємна кількість У-фази складає близько 15%. Для отримання цієї ж кількості фази при температурі 700°С необхідна витримка, що становить кілька сот годин. Тобто, сходинкове старіння дозволяє скорочувати час старіння із забезпеченням достатнього рівня властивостей.

Для більш легованого, порівняно з ЗИ437Б, сплаву ЗИ698 після проведення старіння при 776°С (16 год.) об'ємна кількість У-фази становить 19%, додаткове старіння при температурі 750°С (8 год.) збільшує кількість У-фази до 23%. При проведенні подвійного старіння підвищується жароміцність матеріалу.

При проведенні термічної обробки жароміцних сплавів необхідно приймати до уваги не лише процеси розчинення та виділення інтерметалідів, зокрема, У-фази, але й ті зміни які відбуваються з іншими надлишковими фазами: карбідами, карбонітридами, боридами. Зміни, які відбуваються при термічній обробці, повинні забезпечувати сприятливу форму та розподіл різних за природою фаз, що є передумовою високих експлуатаційних властивостей.

Послідовність операцій термічної обробки нікелевих сплавів враховує схему легування, спосіб виготовлення деталей, можливі операції із поверхневого захисту та умови подальшої експлуатації. Наприклад, при термічній обробці деформовних нікелевих сплавів після прискореного охолодження з температури гартування для забезпечення найбільш повного виділення зміцнювальних фаз може проводитися сходинкове старіння.

Для ливарних жароміцних сплавів, що використовують для виготовлення деталей авіаційних турбін, зокрема лопаток, термічна обробка передбачає гомогенізацію з регламентованою швидкістю охолодження. Після цієї операції, в залежності від сплаву, вихідного рівня властивостей та умов подальшої експлуатації термічна обробка може передбачати стабілізаційне старіння, відпалення для зняття внутрішніх напружень після механічної обробки, за необхідності, дифузійне відпалення захисного покриття.

Найчастіше стабілізаційне старіння жароміцних нікелевих сплавів передбачає нагрівання та витримку при температурах на 30­50°С вище за температуру експлуатації деталі. Внаслідок цієї обробки надлишкові фази виділяються в повній мірі, їх частинки набуваютьбільших розмірів, порівняно із частинками енергетично-відповідними температурі експлуатації, надалі такі частинки досить повільно змінюються у розмірах, тобто є стабілізованими. Час витримки при старінні визначається експериментально.

Режим дифузійного відпалення враховує склад та спосіб нанесення покриття та природу матеріалу деталі, що підлягає захисту.

Відпалення для зняття напружень може поєднуватися з стабілізаційним старінням або дифузійним відпаленням.

В деяких випадках для литих деталей авіаційних турбін проводять лише гомогенізаційне відпалення (наприклад, за такою схемою проходять обробку робочі лопатки турбіни зі сплаву ВЖЛ12У). Рівень отриманих властивостей, в цьому випадку, є достатнім для початку експлуатації, певне підвищення жароміцності, пов'язане з виділенням надлишкових фаз, відбувається безпосередньо під час роботи деталі.

Термічна обробка ливарних жароміцних сплавів, що використовують в стаціонарному газотурбобудуванні, в залежності від ресурсу турбіни та умов роботи може проводитися за схемами, що наведено на рис. 6.2 а, б, в.

Структура та властивості сплаву ЗМИ 3, що оброблено за цими режимами наведені на рис.(6.3 а, б, в, д, ж) та в табл. 6.1.

Таблиця  6.1  - Механічні  властивості  сплаву ЗМІ-3 після термічної обробки за режимами 1-3

 

 

 

 

 

 

Режим термообробки

Т,°С

МПа

оа2, МПа

8, %

Час до рунування, год. (О = 430 МПа)

1

1180°С(4год.)+ +950°С(4год.)

20

860­890

710-750

3,4­5,8

-

800

700­720

650-690

2,5­3,0

89-126

2

1180°С(4год.)+ + 1050°С(4год.)+ +830°С(24год.)

20

940­980

770-780

4,5­5,0

-

800

880­900

640-670

12,0­13,0

393-137

3

1180°С(4год.)+ охол.30°С/год.^1050° С(4год.)+830°С(24год.)

20

920­950

770-800

5,4­6,6

-

800

870­900

700-735

9,1­11,7

173-234

1180

 

Час, год.

а

11В0

 

Час, год.

б

1180

 

Час, гад.

в

а - гартування+старіння;

б - гартування І+гартування ІІ+старіння;

в - гомогенізація І +охолодження (30°С/год.) + ІІ

стадія високотемпературної витримки +старіння

Рисунок 6.2 - Схеми термічної обробки ВТК-стійкого

ливарного жароміцного нікелевого сплаву ЗМИ-3 (охолодження на всіх етапах обробки - на повітрі)

Рисунок 6.3 - Структура сплаву ЗМИ-3 після термічної обробки за режимами 1-3

Фазовий склад після термообробки за наведеними режимами для вказаного сплаву є незмінним. Надлишкові фази в сплаві представлені невеликою кількістю первинних карбідів (карбонітридів) ТіС(ТіСїЧ), вторинними карбідами типу М23С6, /-фазою, боридами. Основні відмінності у властивостях після термообробки пов' язані із розподілом та розмірами частинок карбідів та /-фази. Для наведеногосплаву оптимальним режимом обробки є варіант із подвійним нагріванням під гартування та старінням.

Перевагою проведення обробки з ступінчастим гартуванням є створення бімодальної /-фази. Температура другої стадії обирається в інтервалі, де відбуваються карбідні перетворення. Після такої обробки в структурі одночасно присутні частинки фази двох розмірних груп, що забезпечує більш повне виділення /-фази, більшу міцність та уповільнює коагуляцію, стабілізуючи структуру. Витримка на другій стадії формує сприятливу морфологію карбідних фаз на межах зерен, поліпшується пластичність. При повільному охолодженні (30°С/год.) між І та ІІ стадіями нагріву на межах зерен виділяються карбідні частинки та відбувається розпад пересиченого твердого розчину з утворенням /-фази, така структура є сприятливою при тривалій експлуатації виробів. При короткочасній роботі в умовах ВТК для лопаток стаціонарних турбін зі сплаву ЗМИ-3 може бути рекомендована обробка за режимом „гартування+старіння", що забезпечує скорочення витрат на проведення термічної обробки.

Термічна обробка монокристалічних та отриманих спрямованою кристалізацією литих деталей має певні відмінності, що будуть розглядатися далі.

Технологія термічної обробки деталей з жароміцних сплавів на основі нікелю має певні особливості, порівняно зі сталями, що насамперед пов' язані із фізико-хімічними властивостями розглянутих матеріалів. Сплави на основі нікелю здатні опиратися окисленню при температурах, що не перевищують 850-950°С. При більш високих температурах відбувається окислення поверхні та меж зерен. Тому для термічної обробки жароміцних сплавів бажано використовувати вакуумні печі або печі з атмосферою водню. Проте при обробці в вакуумі слід враховувати імовірність сублімації елементів з поверхні виробу, тобто важливим параметром є не лише температура і час витримки але й тиск в камері, де проводиться обробка. Охолодження металу після високотемпературної витримки найчастіше здійснюється в інертному газі. Термічна обробка може проводитися без використання захисної атмосфери у випадку конструктивно передбачених припусків на механічну обробку, коли при наступному шліфуванні видаляється окислений поверхневий шар, проте це стосується деталей, що не мають складної будови.

При термообробці заготовок та деталей з жароміцних та жаростійких нікелевих сплавів марок ХН78Т, ХН75МВТЮ, ХН38Т, ХН60В завантаження проводиться в піч з Тгарт., попередній підігрів передбачається для масивних деталей з різкими переходами за перерізом. Час витримки при гартуванні приймають із розрахунку: 1,5-2 хвил. на 1 мм товщини перерізу + (5-10) хвил. Охолодження проводиться на повітрі (в вакуумних печах - в аргоні) або у воді (якщо деталь не має різких переходів та сплав має достатню теплопровідність для уникнення при гартуванні жолоблення та тріщин). У випадку складних за формою виробів для зменшення жолоблення термообробку проводять у спеціальних пристосуваннях, що перешкоджають деформації деталей. Рекомендовані режими обробки та швидкості охолодження при гартуванні для деяких ливарних жароміцних нікелевих сплавів, що призначені для деталей авіаційних турбін наведено в табл.6.2.

Таблиця 6.2 - Режими термічної обробки ливарних жароміцних нікелевих сплавів

Сплав

Тг, °С

т, год.

V *

у охол. ,

°С/хвил.

Середовище

Т °С

-'-стар., ^

т, год.

Середовище

ЖС3ЛС

1150+10

4-5

25-50

вакуум, аргон

960+10

2-3

повітря

ЖС3ДК

1210+15

3-4

30-60

вакуум, аргон

-

-

-

ЖС6К-ВИ

1210+10

3,5-4

30-60

вакуум, аргон

-

-

-

ЖС6У-ВИ

1210+10

3,5-4

30-60

вакуум, аргон

-

-

-

ЖС26-ВИ

1265+10

1,25

40-80

вакуум, аргон

-

-

-

ВЖЛ8

1150+10

3,5-4

25-50

вакуум, аргон, повітря

1080+10

4

повітря

ВЖЛ12У-ВИ

1210+10

3,5-4

30-60

вакуум, аргон

-

-

-

ВЖЛ18-ВИ

1180+10

3,5-4

-

повітря

950+10

4

повітря

Примітка: * Уохолл - середня швидкість охолодження від Тг до 900°С при обробці в вакуумних печах.

При термічній обробці в вакуумних печах деталей з високолегованих жароміцних сплавів на основі нікелю нагрівання при гомогенізації проводять за ступінчатим режимом з проміжною витримкою при 1000+50°С впродовж 40-90 хвил. Час нагріву до цієї температури 1-2 год., нагрів до остаточної температури - від 30 до 90 хвил., час витримки залежить від природи сплаву. Для зняття залишкових напружень, що виникають при механічній обробці, втаких сплавах проводять відпалення при 950-1000°С впродовж 2 год. в середовищі чистого аргону або в вакуумі 10-10-2 Па.