» » Получение крупнозернистой структуры быстрозакаленных сплавов с помощью ТМО
15.01.2016

Условия применения жаропрочных сплавов, например как материалов для лопаток газотурбинных двигателей, требуют увеличения их рабочих температур. Укрупнение зерна при помощи изотермической или направленной рекристаллизации снижает долю высокотемпературной деформации, обусловленной скольжением по границам зерен, и способствует повышению рабочих температур.
Принципиально возможны два способа получения крупного зерна при изотермической рекристаллизации: путем отжига после критической деформации и в результате аномального роста зерна.
Укрупнение зерно с помощью отжига после критической деформации основано на зависимости скорости зарождения центров рекристаллизации и скорости их роста от степени деформации.
Размер рекристаллизованного зерна растет при увеличении скорости роста и снижении скорости зарождения центров рекристаллизации, т. е. при увеличении отношения скорости роста к скорости зарождения центров, которое достигает максимума в области критической деформации. При дальнейшем увеличении степени деформации размер рекристаллизованного зерна монотонно убывает вследствие увеличения числа центров рекристаллизации.
Никелевые жаропрочные сплавы, полученные компактированием быстрозакаленных порошков (гранул), Аstroloy (после ГИП и экструзии) и IN738 (после экструзии), с целью укрупнения зерна подвергают малой (критической) деформации и последующему рекристаллизационному отжигу при температуре выше γ-сольвуса. Максимальный размер зерна в сплаве (N738 после обработки на твердый раствор, деформации и рекристаллизационного отжига при 1220 °С составляет 200 мкм.
Аномальный рост зерна при вторичной рекристаллизации также обеспечивает формирование крупнозернистой структуры.
В этом случае различие в размерах отдельных зерен при рекристаллизации увеличивается в результате быстрого (аномального) роста некоторых, наиболее крупных из них. После того как укрупненные зерна полностью поглотят все остальные, рекристаллизованная структура вновь может оказаться однородной.
Теория нормального и аномального роста зерна опирается на закономерности перемещения границ зерен в присутствии частиц второй фазы. Влияние частиц второй фазы заключается в том, что на движущуюся границу действует сила торможения, пропорциональная объемной доле частиц и обратно пропорциональная их размеру.
Согласно этой модели аномальный рост зерна наблюдается при одновременном выполнении следующих условий: в структуре сплава присутствуют частицы второй фазы, препятствующие нормальному росту зерна; средний размер исходного зерна должен быть меньше максимального равновесного размера зерна, который можно получить при нормальном росте в присутствии частиц второй фазы; существует хотя бы одно зерно, значительно превосходящее средний размер.
В сплаве Rene 95, полученном по гранульной технологии, экструзия при температуре 1149 °С увеличивает склонность сплава к аномальному росту зерна, а при более высокой температуре приводит к образованию зерен размером 2—3 мм.
В общем случае аномальный рост зерна контролируется частицами двух типов — γ-фазы и зернограничными карбидами.
В никелевых жаропрочных сплавах с большим объемным содержанием γ-фазы Rene 95, IN 100, MERL76 температуры сольвуса γ-фазы и карбидов довольно близки. В связи с тем что объемная доля γ-фазы значительно больше объемной доли карбидов, γ-фаза оказывает более сильное стабилизирующее влияние на границы зерен. Наложение эффектов от выделений γ-фазы и карбидов проявляется в таких сплавах, как Astroloy, разница в температурах сольвуса которых составляет около 70 °С. Поэтому в литом и деформированном сплавах Astroloy наблюдаются две стадии укрупнения зерна при вторичной рекристаллизации.
В жаропрочном сплаве U700 зерно диаметром в несколько сантиметров и даже отдельный монокристалл в результате аномального роста получают следующим образом. Заготовку, полученную методом экструзии при температуре несколько ниже точки рекристаллизации, подвергают холодной деформации со степенью обжатия 30—50 %, а затем рекристаллизационному отжигу и последующей термообработке выше температуры γ-сольвуса, при которой происходит рост зерна.
В компактных заготовках сплава IN 100, полученных из быстрозакаленных порошков, рост зерна зависит от размера и распределения частиц карбидов, например карбида титана, выделяющихся по границам исходных частиц порошка.
Эндогенное распыление растворенным водородом и экзогенное — аргоном приводит к образованию частиц порошков, в которых подавлен рост зерна, В гранулах, полученных методом вращающегося электрода, зерно растет почти так же, как в литом и деформированном сплаве. Различие обусловлено тем, что в быстрозакаленных порошках первых двух типов частицы карбида МеС выделяются при компактировании вдоль наследственных границ исходных частиц порошка и способствуют торможению роста зерна, а в последнем случае в структуре порошков присутствуют отдельные относительно крупные карбидные частицы.
В жаропрочных никелевых сплавах, полученных методом металлургии гранул, снижение содержания углерода оказывается оптимальным способом увеличения размеров рекристаллизованного зерна. После штамповки в условиях сверхпластичности заготовку подвергают термообработке на крупное зерно (d ~ 300 мкм). Стабилизация границ зерен, затрудняющая зернограничное проскальзывание, может быть достигнута последующим науглероживанием. Этим методом нельзя получить качественное изделие большого сечения.
Существует способ получения крупнозернистой структуры, основанный на смешивании порошка жаропрочного сплава, свободного от углерода, с метастабильными карбидами и компактировании той смеси горячей экструзией. Высокотемпературная термическая обработка обеспечивает растворение метастабильных карбидов и получение крупного зерна размером - 135 мкм. Последующее старение сопровождается выделением стабилизирующих частиц карбидов по границам зерен.
Укрупнение зерна происходит также при нагреве сплава выше температуры солидуса. Примером может служить жидкофазное спекание легированных порошков, которое само по себе обеспечивает формирование достаточно крупного зерна. Окончательного уплотнения добиваются при помощи внешнего давления, поскольку спеканием нельзя получить заготовку с плотностью 100 %. Компактирование может осуществляться непосредственно в газостате.
Аналогичную микроструктуру можно получить, подвергая уже компактный мелкозернистый материал обработке в газостате при температуре выше температуры солидуса. Никелевый сплав NASA-TRW VIA, полученный методом металлургии гранул, в результате экструзии приобретает мелкозернистую структуру и становится сверхпластичным. Термическая обработка в твердой фазе оказывается недостаточной для достижения требуемого размера зерна. После обработки при температуре выше Тm, которую для исключения возможности образования пор проводили в газостате, зерно заметно укрупнялось. Образование крупных выделений избыточных фаз по границам зерен, оказывающих вредное влияние на свойства сплава, является серьезным недостатком метода.
Направленная рекристаллизация. Существуют два метода получения столбчатой крупнокристаллической структуры путем направленной рекристаллизации. По первому методу сплав после компактирования подвергают термической обработке при температуре выше γ-сольвуса, а затем критической деформации со степенью 1—3%. После этого осуществляют направленную рекристаллизацию, перемещая заготовку через градиентную печь со скоростью (3—14)*10в-6 м/с. Максимальная температура в градиентной печи превышает γ-сольвус, но ниже точки начала плавления сплава.
Второй метод основан на аномальном росте зерна в компактных порошковых заготовках, подвергнутых значительной деформации, например экструзии. Экструдированные прутки — заготовки сплава IN713LC, полученные компактированием гранул, помещают в промышленную печь с градиентом температуры - 28*10в2 К/м. В области наиболее высоких температур образуются аномально крупные зерна, которые вследствие высокой скорости роста прорастают в более холодные участки образца, где центры аномального роста еще не успели зародиться. Направленная рекристаллизация — один из основных видов ТМО заготовок жаропрочных никелевых сплавов, полученных компактированием быстрозакаленных порошков (типа RSR).
Детали с комбинированными свойствами применяются в элементах конструкций, работающих при повышенных температурах, в процессе службы в общем случае испытывают различные температурно-силовые воздействия на различных участках детали. На одних участках могут достигаться экстремальные температуры при сравнительно невысоких напряжениях, на других — экстремальные напряжения при пониженных температурах. Турбинные диски, например, должны сочетать высокое сопротивление ползучести в периферийной части (высокие температуры и низкие напряжения) с хорошей прочностью на растяжение в центральной, относительно холодной зоне. Требования к таким элементам, как лопатки и диски газотурбинного двигателя, приближаются к достижимому пределу прочностных характеристик материала.
В связи с этим один из способов дальнейшего повышения рабочих температур и нагрузок заключается в том, чтобы в каждом участке детали создать микроструктуру, оптимальную по отношению к локальному температурно-силовому воздействию.
Такой подход представляет собой направление современного материаловедения, заключающееся в разработке (конструировании) материала с учетом геометрии и условий работы получаемого из него изделия. Формирование оптимальной микроструктуры в различных участках изделия может достигаться изменением легирования сплава и структурно-фазового состояния.
Возможности технологии получения изделий с использованием быстрозакаленных порошков (металлургия гранул и др.) обеспечивают решение этой задачи. Методы порошковой металлургии позволяют формировать свойства материала на микроскопическом уровне размеров микрослитка (гранул).
С этой целью используются следующие технологические приемы.
Селективная ТМО. Для изготовления диска из жаропрочного сплава АF115 с комбинированными свойствами методом ГИП получают порошковую заготовку, которую затем проковывают в средней части, оставляя периферийную часть недеформированной. Термическая обработка заключается в быстром охлаждении с температуры ковки и последующем старении без предварительной обработки на твердый раствор. В результате в средней части прочность на растяжение металла возрастает, сопротивление ползучести понижается, а в периферийной части диска они практически не изменяются.
Радиальная направленная рекристаллизация. Заготовка сплава АF2-1DА, полученная компактированием легированного порошка с помощью экструзии, подвергается изотермической штамповке для изготовления детали окончательной конфигурации. В дальнейшем изделие нагревают в условиях радиально направленного температурного градиента- Зона высоких температур распространяется от периферии диска к его центру в результате увеличения максимальной температуры в периферийной области. Микроструктура диска состоит из мелких равноосных зерен в средней части и крупных столбчатых рекристаллизованных зерен в периферийной области диска и лопаток. Метод применяется также к заготовкам из сплавов IN100, МАR-М200 и сплавов типа RSR, полученным компактированием быстрозакаленных порошков.
Диффузионная сварка различных материалов с помощью ГИП. Данный метод получения изделия с комбинированными свойствами заключается в изготовлении составных частей изделия различного состава с использованием разных технологий и последующей их диффузионной сварке. Например, лопатки (литые или полученные методом гранульной металлургии) и высокопрочные диски из быстрозакаленных сплавов изготавливают в отдельных, не связанных между собой технологических циклах, а затем соединяют диффузионной сваркой в процессе ГИП. В такой технологии заложены возможности дальнейшего увеличения рабочих температур турбинных дисков по сравнению с литыми.
Этот подход был опробован на литых лопатках из сплава МАR-М246 и дисках из порошкового сплава типа IN792.
Возможности получения изделий с комбинированными свойствами далеко не исчерпаны.