способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов

Формула изобретения

1. Способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов с количеством '-фазы, превышающим 25%, включающий получение исходных кольцевых заготовок с прямоугольным поперечным сечением путем осадки, прошивки, просечки и разгонки по диаметру мерных заготовок в виде прутка большого сечения, термообработку исходных кольцевых заготовок в режиме перестаривания, их теплоизоляцию, нагрев под раскатку до температур перестаривания, теплую раскатку на кольцепрокатном стане в один-три перехода с получением прямоугольного или фигурного поперечного сечения, которую ведут со степенью деформации на каждом переходе, превышающей 20%, в условиях, близких к изотермическим, с обеспечением регулирования деформационного тепловыделения дозированием величин степени и скорости деформации после нагрева кольцевых заготовок в интервале температур гетерогенного состояния, термообработку раскатанных кольцевых заготовок в режиме перестаривания, калибровку по диаметру в нагретом состоянии и окончательную термообработку путем закалки с различными скоростями охлаждения и одно- или двухступенчатого старения, отличающийся тем, что перед прошивкой осаженные заготовки переводят в перестаренное состояние в печи для термообработки, а в нагревательной печи нагревают под прошивку при температуре 1000...950°С в течение 1...2 ч, при этом перевод заготовок в перестаренное состояние осуществляют путем их нагрева до температуры, превышающей на 10...30°С температуру полного растворения '-фазы высоколегированного никелевого сплава, выдержки в течение 0,5...2 ч, медленного охлаждения с печью для термообработки со скоростью 0,5...1,0 град/мин до температуры 950...900°С, выдержки при этой температуре в течение 3...10 ч и последующего охлаждения на воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разгонку по диаметру совмещают с первым переходом раскатки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к способам изготовления кольцевых заготовок для деталей газотурбинных двигателей, и может найти применение в отраслях промышленности, где изготавливаются различные кольцеобразные изделия из стареющих никелевых сплавов, в особенности - из сплавов с количеством '-фазы более 25%.

Известен способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов, включающий изготовление исходных колец прямоугольного сечения, теплую двухпереходную раскатку в условиях, близких к изотермическим, обеспечиваемых посредством регулирования деформационного тепловыделения за счет дозирования степени и скорости деформации, до получения простых или фигурных сечений со степенью деформации не менее 20% после двухступенчатого нагрева в интервале температур гетерогенного состояния и последующие калибровку и термообработку, причем первый переход раскатки осуществляется со степенью деформации 20...30%, а при втором, после дополнительного нагрева при тех же условиях, что и перед первым переходом, заготовки раскатывают до получения параметров сечения и диаметров готовых изделий [1].

Недостаток этого способа - невозможность его применения для стареющих никелевых сплавов с количеством '-фазы свыше 25% вследствие невозможности приведения таких сплавов в термостабильное в гетерогенной области температур перестаренное состояние в печах для нагрева под раскатку посредством совмещения ступенчатого нагрева и охлаждения с целью необходимого выделения фаз с нагревом под раскатку, вследствие чего происходит трещинообразование.

Изготовление бесшовных заготовок из никелевых сплавов с количеством '-фазы более 25% под раскатку в этом способе сопряжено с большими трудностями, особенно в стадии прошивки и разгонки: образуется большое количество трещин, в т.ч. крупных (это зависит прежде всего от массы заготовок и от соотношения высоты и диаметра прутка мерной длины и размеров конечного изделия - кольца). Как правило, в особо неблагоприятных случаях соотношений указанных параметров исходной заготовки и конечного изделия после осадки вместо прошивки и разгонки используется сверление необходимого отверстия 0150...200 мм и, при необходимости, обточка по внутреннему и наружному диаметрам. Однако для колец массой менее 30...40 кг (это зависит еще и от соотношений параметров исходной заготовки и конечного изделия) используются осадка, прошивка и разгонка (иногда с небольшой проточкой по внутреннему диаметру для удаления мелких трещин). Эти операции, по сравнению с осадкой, сверлением и обточкой, более предпочтительны потому, что при их использовании меньше металла уходит в шихту: при сверлении 100% металла из зоны, образующей отверстие, уходит в виде стружки в шихту, а при прошивке только - 30% объема указанной зоны в виде «выдры» [2].

Положение с указанным трещинообразованием усугубляется еще и тем, что, как правило, с трудом полученные исходные заготовки для раскатки из высоколегированных стареющих сплавов с массивными сечениями уже в стадии прогрева их после посадки в печь с температурами свыше ˜1050°С склонны к трещинообразованию в результате «термического удара» по внутренней поверхности исходных заготовок. Кроме того, при переносе нагретых заготовок из таких сплавов с возможностью выделения большого количества '-фазы от печи к стану происходит дополнительный распад из-за частичного понижения температуры перед началом раскатки с выделением мелкодисперсных частиц, резко понижающих пластичность и повышающих возможность трещинообразования.

Калибровка указанных раскатных заготовок по диаметру осуществляется после нагревов при высоких температурах (1100...1140°С) и так же, как и раскатка, сопровождается интенсивным трещинообразованием, поэтому производится в несколько переходов по 0,5...1,5%.

Известен способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов [3], в котором все недостатки способа [1] по раскатке и калибровке преодолены. Однако интенсивное трещинообразование при осадке, прошивке и разгонке по диаметру, вынуждает вместо прошивки отверстия 100...150 мм и разгонки его до 150...200 мм использовать сверление отверстий диаметром 150...200 мм и тем самым завышать объем отходов дефицитных дорогостоящих сплавов. Причем проведение операции сверления вместо прошивки обусловливает предотвращение трещинообразования только при получении отверстия, в то время как при осадке и при разгонке большая вероятность образования трещин остается неизменной.

Известен способ изготовления раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов [4], в котором повышенная склонность стареющих никелевых сплавов при осадке полностью преодолена. Сущность изобретения заключается в том, что исходный пруток мерной длины, теплоизолированный слоями керамического теплоизолятора, на плите пресса перед осадкой помещают внутрь кольца-термостата из любой углеродистой стали, которое нагревается в печи вместе с прутком мерной длины. При этом размеры кольца-термостата увязываются с размерами изменяющегося деформируемого прутка мерной длины. В процессе деформации прутка кольцо-термостат не деформируется и поэтому может использоваться многократно с периодическими подогревами. Техническим результатом этого изобретения является обеспечение теплоизоляции прутков мерной длины при осадке, уменьшающей теплопотери и, как следствие, предотвращающей трещинообразование при этой операции.

Таким образом, с учетом патентов [3] и [4], при производстве кольцевых заготовок из стареющих никелевых сплавов с количеством '-фазы свыше 25% требуется техническое решение только по преодолению трещинообразования при прошивке и разгонке.

Технический результат изобретения:

- обеспечение возможности прошивки оптимального отверстия с «выдрой», имеющей объем, равный ˜30% объема всего отверстия;

- предотвращение трещинообразования при разгонке отверстия.

Указанный технический результат достигается тем, что перед прошивкой осаженные заготовки переводят в перестаренное состояние в печи для термообработки, а в нагревательной печи нагревают под прошивку при 1000...950°С в течение 1...2 часов, при этом перевод заготовок в перестаренное состояние осуществляют путем их нагрева до температуры, превышающей на 10...30°С температуру полного растворения '-фазы высоколегированного никелевого сплава, выдержки 0,5...2,0 часа, медленного охлаждения с упомянутой печью со скоростью 0,5...1,0 град/мин до температуры 950...900°С, выдержки при этой температуре в течение 3...10 часов и последующего охлаждения на воздухе. При этом разгонку прошитых заготовок по диаметру совмещают с первым переходом раскатки. Термообработка перед нагревом под прошивку позволяет сформировать дуплексструктуру с крупными частицами '-фазы и как следствие - повышенную деформируемость металла. Это позволяет резко понизить склонность стареющего сплава к трещинообразованию (могут образоваться, как правило, только мелкие трещинки, легко удаляемые зачисткой).

Нагрев заготовок под прошивку при температурах 1000...950°С является оптимальным. При нагревах свыше 1000°С сплав становится менее перестаренным (количество '-фазы уменьшается за счет растворения), а следовательно, и менее термостабильным, что отрицательно сказывается на деформируемости. Нагревы заготовок под прошивку ниже 950°С обусловливают существенное падение уровня начальной пластичности и повышение сопротивления деформации, из-за чего затрудняется реализация процесса прошивки.

Предотвращение трещинообразования из-за понижения пластичности от дополнительного распада и из-за понижения пластичности в результате подстуживания осаженной заготовки на 20...40°С происходит из-за того, что теплоизолированная массивная компактная заготовка в перестаренном состоянии термодинамически почти равновесна и из-за своей массивности и компактности до момента начала прошивки остывает мало, а в момент прошивки температура в ней может даже несколько повыситься в зонах сдвига. В некоторых случаях (когда масса заготовок небольшая), при необходимости, перед нагревом под прошивку на заготовки наносят усиленное по сравнению с массивными заготовками теплоизолирующее покрытие (например, наклеивается асботкань).

Прошивка производится за один переход. Донышко прошитой заготовки, называемое «выдрой», обычно имеет высоту (толщину), равную ˜30% от высоты прошиваемой заготовки [2]. Для его полного отделения после переворота прошитой заготовки на другую плоскость делается вспомогательная операция прошивки - просечка либо тем же прошивнем, что и прошивка, либо несколько меньшим. При необходимости, перед просечкой производится дополнительный подогрев до 1000...950°С в течение 0,5...1,0 часа.

Трещинообразование при разгонке прошитой заготовки по диаметру предотвращается за счет того, что она совмещается с первым переходом раскатки, который проводится по способу-прототипу [3] на степень, не менее 20%.

Таким образом, указанный технический результат изобретения за счет предотвращения трещинообразования на операциях «осадка-прошивка-просечка-разгонка» (предотвращение образования трещин при осадке осуществляется за счет использования запатентованной технологии [4]) позволяет обеспечить полное предотвращение трещинообразования при изготовлении раскатных кольцевых заготовок из высоколегированных никелевых сплавов с количеством '-фазы свыше 25%.

Сопоставительный анализ заявленного решения показывает, что новый способ отличается от известного тем, что осаженные заготовки перед прошивкой подвергают специальной термообработке - перестариванию посредством ступенчатого нагрева до температур гомогенного состояния и медленного охлаждения с печью до температур 950...900°С с последующей выдержкой при этих температурах. Прошивка производится за один переход. Если при транспортировке заготовки от печи к прессу температура ее незначительно понижается (на 20...50°С), то в процессе прошивки в зонах сдвига она существенно повышается (на 50...100°С и более - в зависимости от скорости внедрения прошивня в заготовку), поэтому проблема подстуживания здесь не является определяющей. Просечка образовавшегося в результате прошивки донышка («выдры») производится сразу же после прошивки или после дополнительного нагрева в течение 0,5...1,0 часа при 1000...950°С (в зависимости от массы заготовки - относительно легкие заготовки подогреваются), при этом заготовка на плите пресса устанавливается так, что плоскость ее с выдавленным донышком, оказавшаяся при прошивке внизу (она касалась нижней плиты пресса) устанавливается сверху, со стороны верхней плиты пресса. В результате просечки, донышко легко проваливается в углубление, образованное прошивнем.

Разгонка прошитой заготовки, осуществляемая для того, чтобы подготовить отверстие в ней для свободной посадки на центральный валок оптимального диаметра для последующей раскатки, совмещается с первым переходом раскатки по способу - прототипу с использованием для первого перехода центрального валка с несколько меньшим диаметром, чем валок, который бы использовался без совмещения разгонки с первым переходом раскатки. При необходимости, перед разгонкой отверстие в прошитой заготовке растачивается для получения гладкой внутренней поверхности.

Как видно из описания изобретения, отверстие в осаженных заготовках не высверливается, а прошивается. При этом, для успешной реализации прошивки (без трещинообразования), осаженные заготовки перед ней подвергаются специальной термообработке - перестариванию. С целью предотвращения трещинообразования при разгонке прошитой заготовки по диаметру, операцию разгонки не делают обособленной, а совмещают с первым переходом раскатки по способу - прототипу. Предотвращение трещинообразования при осадке осуществляют за счет использования патентованной технологии осадки [4]. Из сказанного следует, что предлагаемый способ по отношению к способу-прототипу обладает существенными отличительными признаками.

Известно техническое решение [3] (прототип), в котором осаженные заготовки из жаропрочных никелевых сплавов с количеством '-фазы свыше 25% при получении центрального отверстия 150...200 мм подвергают сверлению, а не прошивке, т.к. прошивка на 100...150 мм и последующая разгонка по диаметру до 150...200 мм сопровождается интенсивным трещинообразованием или даже оказывается невозможной для пресса по усилию. В новом способе получение центрального отверстия 150...200 мм и более осуществляется посредством прошивки заготовок в перестаренном состоянии на 100...150 мм с последующей разгонкой по диаметру, совмещенной с первым переходом раскатки по способу - прототипу. Указанные отличия свидетельствуют о новизне предложенного решения.

Изобретение иллюстрируется графиками изменения сопротивления деформированию ( _0,2), пластичности ( ) и количества '-фазы в сплаве ЭП 742 в интервале температур 900...1100°С в зависимости от состояния (перестаренного и неперестаренного), представленными на фиг.1. При этом важно иметь в виду, что оптимальным температурным интервалом деформации является вовсе не тот интервал, в котором сопротивление деформации ( _0,2) наименьшее, а пластичность ( ) наибольшая (например, 1150...1100°С), а тот, в котором указанные два условия соблюдаются в термодинамически равновесном (не склонном или очень мало склонном к распаду при понижении температуры) состоянии (по фиг.1 этот интервал для перестаренного состояния соответствует 1000...950°С).

Как видно из фиг.1, для неперестаренного состояния наиболее благоприятное сочетание сопротивления деформации ( _0,2) и пластичности ( ) наблюдается только при температурах свыше 1075°С (именно поэтому считается, что в обычных условиях сплав ЭП 742ИД следует деформировать только при температурах не ниже ˜1075°). Важно иметь в виду, что указанная температура (1075°С) для сплава ЭП 742ИД в условиях непрерывного охлаждения при деформации является температурой начала резкого распада пересыщенного твердого раствора, сильного охрупчивания и как следствие - интенсивного трещинообразования. Из фиг.1 видно также, что перестаренный сплав ЭП 742ИД при температурах ниже ˜1000°С находится в состоянии, близком к термостабильному (при охлаждении в процессе деформации количество '-фазы в нем почти не изменяется). В то же время, например, в интервале 1000...950°С пластичность ( ) в перестаренном состоянии примерно в 4 раза более высока, а сопротивление деформированию ( _0,2) в среднем в ˜1,5 раза меньше, чем в неперестаренном состоянии. Из фиг.1 также следует, что указанные свойства и термостабильность перестаренного металла вполне приемлемы для деформации в интервале температур гетерогенного состояния (в частности, 1000...950°С).

При механических испытаниях состояние металла при обычной технологии горячей деформации моделировалось следующим образом: образцы размером 20×20×100 мм сажались в печь при 1140°С, выдерживались 2 часа, а потом охлаждались в сухом песке (образец в сухом песке остывает примерно с такой же скоростью, как массивное кольцо - 50...100 кг - остывает на воздухе). При этом стареющий сплав претерпевает частичный распад с выделением очень мелких частиц '-фазы в различном количестве (это зависит от множества различных факторов - от скорости охлаждения, от скорости и степени деформации, от использования или неиспользования теплоизоляции, от степени прогрева оснастки и др.), которые существенно упрочняют сплав ( _0,2) и резко понижают его пластичность ( ).

Состояние металла по новой технологии теплой деформации моделировалось посадкой образцов в печь при 1140°С, выдержкой 2 часа, охлаждением с печью со скоростью ˜1°С/мин до 950-900°С и дальнейшим охлаждением на воздухе. Перед испытанием охлажденные образцы в течение 2 часов выдерживались при температуре испытания. Таким образом, все образцы, характеризующие новую технологию, обретали термодинамически устойчивое к изменениям температур глубоко перестаренное состояние, индифферентное (практически нечувствительное) к изменениям температуры в условиях раскатки.

Процесс деформации кольцевых заготовок при различных операциях (осадка, прошивка, просечка, раскатка, калибровка) преимущественно осуществляется в интервале времени 30...100 сек. Кроме того, 60±20 сек затрачивается на транспортировку заготовок от нагревательной печи до стана или пресса с помощью манипулятора и на установку их в зоне деформации. Именно в течение суммы указанного времени происходит охлаждение и распад стареющего сплава, сопровождающийся существенным упрочнением, резкой потерей пластичности до охрупчивания и, как следствие, - трещинообразованием. Этому способствует также большая теплоотдача в оснастку в случае недостаточной теплоизоляции.

Предлагаемый способ опробован при изготовлении кольцевых заготовок из сплава ЭП 742ИД (количество '-фазы - 35%, температура полного растворения '-фазы - 1130°С).

Исходные заготовки (4 шт.) из прутка диаметром D 193 мм, высотой H 273 мм, в соответствии с патентом РФ №2198760 [4] после нагрева при 1140±20°С в течение 2 часов были осажены за 3 перехода до высоты Н 75 мм (1-й переход - до высоты H₁ 180 мм на ₁=34%, 2-й переход - до высоты Н ₂ 120 мм, на ₂ 33,3% и 3-й переход - до высоты Н₃ 75 мм, на ₃ 37,5%).

Диаметр осаженных заготовок

Прошивку проводили в матрице по предлагаемой технологии после термообработки в режиме перестаривания и последующего нагрева при 1000°С в течение ˜2,0 часов. Перед нагревом под осадку (после термообработки) заготовки обклеивали асботканью (плоскости) и муллитокремнистой ватой (бочкообразную поверхность).

Для прошивки использовали прошивень d=125 мм.

Коэффициент f:

f=D_oc/d=368/125 2,94,

что соответствует оптимальным значениям - [2].

Диаметр просечника d_п=120 мм.

Диаметр заготовок после прошивки

Толщина стенки прошитых заготовок:

Прошитые заготовки показаны на фиг.2.

Раскатку заготовок проводили в соответствии с патентом РФ №2192328 [3].

Исследования структуры и испытания механических свойств готовых кольцевых заготовок показали полное соответствие их требованиям ТУ.

Таким образом, использование новой технологии прошивки-просечки и разгонки в совокупности с технологией осадки по патенту РФ №2198760 и с технологией раскатки по патенту РФ №2192328 обеспечивает возможность изготовления кольцевых заготовок из сплавов типа ЭП 742ИД, ЭК-79ИД, ЭП-975ИД и др. До настоящего времени изготовление цельнокатанных кольцевых заготовок из указанных сплавов по «классической» схеме «осадка-прошивка-просечка-раскатка-калибровка» было невозможным из-за интенсивного трещинообразования (невозможным было даже в том случае, когда прошивка и просечка заменялись сверлением с последующей раскаткой).

Источники информации

1. Патент РФ №2069595.

2. Рябыкин Н.М., Процив Ю.В. Методика расчета основных параметров раскатных кольцевых заготовок - КШП ОМД, 2003, №12, с.19-30.

3. Патент РФ №2192328.

4. Патент РФ №2198760.