» » Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы
15.01.2016

Стремление к дальнейшему повышению комплекса механических свойств и рабочих температур сплавов привело к созданию новой технологии изготовления полуфабрикатов из жаропрочных сплавов на никелевой основе — металлургии гранул, сочетающей затвердевание расплава с высокой скоростью охлаждения 10в3—10в5 К/с в виде быстрозакаленных микрослитков-гранул и их последующую консолидацию (горячим нэостатическим прессованием) с достижением плотной, беспористой структуры изделий.
Металлургия гранул (ПМ ГИП-технология) не только позволяет решить проблему получения жаропрочных сплавов с высоким содержанием легирующих элементов, но и обладает благодаря методам формирования точных заготовок, близких по конфигурации к готовому изделию, большими возможностями по снижению их стоимости и расходов исходных шихтовых материалов.
Металлургия гранул, или металлургия быстрозакаленных порошков, полученных из расплава методами высокоскоростной кристаллизации, имеет значительные преимущества по сравнению с другими методами:
— При кристаллизации металла с высокими скоростями в виде мельчайших частиц может быть предотвращено образование таких литейных дефектов, как поры, раковины, грубая дендритная, а также местная и зональная ликвация, выделение крупных частиц интерметаллических соединений. На этой основе разработаны сплавы, которые не могут быть получены методами литья и деформации слитков.
— Дисперсная, совершенная структура гранул обеспечивает возможность получения изделий методом горячего изостатического прессования без традиционной деформации с комплексом свойств не хуже деформированного металла.
— Подвижная, легко уплотняемая масса сферических гранул позволяет получать полуфабрикаты и изделия, которые нельзя изготовить обычными методами литья и деформации; изделия сложной формы, с внутренними полостями, каналами; изделия переменного химического состава с заданным градиентом изменения содержания компонентов, комбинированные изделия, сочетающие литые, деформированные и порошковые элементы.
— Наряду с получением изделий практически с 100 %-ной плотностью возможно изготовление разнообразных пористых изделий.
— Схема получения мельчайших гранул предотвращает образование достаточно крупных включений высокой и низкой плотности, представляющих острейшую проблему технологии получения макрослитка.
— При реализации наиболее оптимальной технологии распыления — непосредственного распыления больших масс расплава — для многих видов изделий и сплавов метод металлургии гранул может оказаться наиболее экономичным.
Применение этой технологии обеспечивает уникальную возможность конструирования материала с учетом геометрии изделия, условий его использования. Производство турбинных дисков с комбинированными свойствами рассматривается как перспективное направление. На рис. 14.1 приведен в качестве примера внешний вил такого изделия.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Изменение скорости охлаждения позволяет в широких пределах изменять структуру и свойства сплава. При кристаллизации традиционных сплавов на никелевой основе в промышленных условиях скорости охлаждения колеблются от десятых долей до единиц градусов в секунду. При переходе от низких скоростей охлаждения, характерных для обычных процессов литья, к более высоким, приближающимся в большинстве процессов распыления к 10в4 К/с, возможны следующие основные эффекты: диспергирование фазовых и структурных составляющих, получение метастабильных фаз, в том числе пересыщенных твердых растворов.
На рис. 14.2 представлена микроструктура слитка жаропрочного никелевого сплава и распыленного порошка этого же сплава, свидетельствующая о диспергировании литой структуры и повышении ее однородности при увеличении скорости охлаждения при кристаллизации.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Важной характеристикой структуры жаропрочных никелевых сплавов является размер зерна. На рис. 14.3 показано, что со снижением размеров гранул происходит уменьшение размера зерна, что также связано с увеличением скорости охлаждения при кристаллизации,
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Количественная зависимость величины дендритного параметра (расстояние между осями второго порядка) от скорости охлаждения, установленная на основании исследования структуры быстрозакаленного сплава ЭИ698, приведена на рис. 14.4. Для дендритного параметра сплава ЭИ698 справедливо соотношение (λ) = 280(vохл -0,44), а для сплава ЖС6К — λ = 109vохл -0,44, где λ — дендритный параметр, мкм; vохл — скорость охлаждения, К/с.
Полученные выражения являются частными случаями имеющей фундаментальный характер зависимости, которая достаточно строго соблюдается и для других сплавов.
Для сложнолегнрованных жаропрочных никелевых сплавов экспериментально показана возможность диспергирования карбидной фазы (первичных карбидов МеС) посредством увеличения скорости охлаждения при кристаллизации (см. рис. 14.4). При этом основным механизмом измельчения первичных карбидов являются уменьшение элементов дендритной структуры (расстояния между осями второго порядка) сплавов и, как следствие, существенное измельчение продуктов кристаллизации, выделяющихся в межосных пространствах и по границам дендритов.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Метод порошковой металлургии с использованием быстрозакаленных порошков (гранул) оказался альтернативным методом получения высококачественных жаропрочных сплавов для дисков ГТД, открывающим более широкие возможности разработки высоколегированных модификаций сплавов с повышенной прочностью, жаропрочностью, надежностью и изготовления из них деталей сложной формы, включая и лопатки газотурбинных двигателей.
Порошковая металлургия жаропрочных сплавов с использованием быстрозакаленных порошков (в частности, металлургия гранул) стала отдельной технологией, отличающейся от традиционной порошковой металлургии недавнего прошлого. Для металлургии гранул характерны два основных технологических подхода. Олин из них — получение жаропрочных сплавов в виде микрослитков — быстрозакаленных порошков с помощью различных методов распыления расплава с высокими скоростями охлаждения; другой — технология горячего изостатического прессования для консолидации заготовок из порошка до теоретической плотности и получения изделий с минимальными припусками на обработку.
Таким образом, начальной стадией металлургии гранул является получение быстрозакаленных легированных порошков, являющихся микрослитками, что сразу решает проблему предотвращении интенсивной ликвацин с образованием грубых выделений избыточных фаз.
Последующие процессы переработки гранул должны обеспечить минимальный размер зерна, что способствует хорошей обрабатываемости при повышенных температурах.
Металлургия гранул создает условия для эффективного контроля размера зерна, регулирования зеренной структуры с целью повышения механических свойств в области как низких, так и высоких температур. Путем изменения фракционного состава гранул, температуры компактирования и т.п. можно изменять размеры зерна в широких пределах. Например, проведение ГИП при температурах ниже температуры растворения γ-фазы обеспечивает мелкозернистую структуру сплава к высокий уровень механических свойств в диапазоне 20—650 °С. Увеличение температуры компактирования создает предпосылки для повышения механических свойств в области более высоких температур.
Компактные заготовки, полуфабрикаты и изделия, полученные из гранул горячим изостатическим прессованием, вакуумным спеканием под давлением, характеризуются обычно однородной мелкозернистой структурой и высокой технологической пластичностью.
В отечественной практике для получения быстрозакаленных порошков (гранул) никелевых сплавов наибольшее распространение получил метод центробежного распыления вращающегося электрода. Размер сферических частиц, в основном, определяется частотой вращения электрода и его диаметром: чем больше частота вращения и больше диаметр распыляемого электрода, тем выше степень дисперсности получаемого порошка.
Метод распыления вращающегося электрода имеет существенные преимущества перед другим широко применяемым методом газоструйного распыления: практическое отсутствие внутри гранульной пористости и возможность в более широком интервале варьировать температуру ГИП.
Методом порошковой металлургии с использованием быстро-закаленных высокодисперсных порошков получают довольно широкий спектр высоколегированных никелевых сплавов (табл. 14.1).
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Разработан ряд отечественных наиболее прочных и жаропрочных гранулируемых никелевых сплавов, предназначенных для работы при температурах до 750 °С. В табл. 14.2 приведены фазовый состав и критические точки фазовых превращений в этих сплавах.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

В зависимости от используемой технологии получения заготовок (при одинаковом химическом составе сплавов) температура полного растворения γ-фазы в полуфабрикатах, изготовленных комлактнрованием быстрозакаленных гранул, выше, чем в сплавах, полученных по традиционной технологии выплавки слитка и последующей обработки давлением. Это связывают с повышением растворимости легирующих элементов в компактированных заготовках, полученных из быстрозакаленных гранул.
Установлено, что значительная часть высоколегированных никелевых сплавов обнаруживает склонность к образованию эвтектик при относительно низких температурах. На рис. 14.5 приведены зависимость температуры полного растворения γ-фазы и температуры образования эвтектики ts (что является признаком начала оплавления) от содержания легирующих элементов в жаропрочном никелевом сплаве ЭП741П, Титан, ниобий, тантал и дополнительные карбндообразующие добавки (ДКД) приведены с учетом количества этих элементов, связанных в карбиды. Увеличение их содержания в сплаве ЭП741П приводит к снижению ts в результате образования неравновесной эвтектики.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Уменьшение содержания углерода, а также замена углерода равным количеством бора приводят к снижению ts до значений, очень близких или равных tγ. Снижение температуры образования эвтектики при уменьшении содержания углерода происходит, например, в сплаве ЖС6У.
Довольно узкий температурный интервал существования однофазной γ-области в полуфабрикатах из высоколегированных никелевых сплавов, полученных компактированием гранул, позволяет весьма ограниченно регулировать величину зерна, варьируя температуру ГИП в пределах однофазной γ-области. Дополнительное воздействие на величину зерна возможно при последующей горячей деформации компактного материала.
Для повышения температуры образования эвтектики ts необходимо снижение содержания карбидообразующих добавок при возрастании доли ниобия с целью стабилизации карбидов МеС. При этом возможно уменьшение концентрации вольфрама, ответственного за образование карбидов Ме6С. Сплав ЭП975П, полученный в результате совершенствования состава, характеризуется высокой температурой солидуса (> 1250 °С), благоприятной структурой: отсутствует сетка карбидов по границам гранул, повышено количество γ-фазы (до 64 %), причем температура полного растворения γ-фазы остается достаточно высокой (- 1225 °С). Повышение ts сплава ЭП975П позволяет получать всю γ-фазу в моноднсперсном и когерентном состоянии, что, в свою очередь, обусловливает увеличение предела прочности (1420—1480 МПа) и предела текучести (1060—1080 МПа). Жаропрочность сплава при 750 °С (σ 100ч 750°C) при этом возрастает до 736 МПа.
В промышленных условиях для никелевых сплавов реализована скорость охлаждения при кристаллизации 10в3—10в5 К/с. Переход к методам сверхбыстрого охлаждения жаропрочных никелевых сплавов (RSR-методы) достигается повышением интенсивности теплоотвода и уменьшением размера гранул до 30—50 мкм (с увеличением скорости охлаждения до 10в5—10в6 К/с), что приводит к получению структур, обладающих высокой однородностью, в том числе по распределению частиц γ-фазы, образованию аномально пересыщенных твердых растворов. Например, для сплава типа ЭП975П установлено увеличение периода решетки твердого раствора с уменьшением размера гранул, т.е. с увеличением скорости охлаждения при кристаллизации. При этом в гранулах меньших размеров наблюдалось снижение количества дисперсной γ-фазы, что свидетельствует о наличии аномального пересыщения быстрозакаленных порошков высоколегированных никелевых сплавов.
При повышении скорости охлаждения до 10в5—10в6 К/с экспериментально установлено возрастание температуры начала плавления быстрозакаленных высоколегированных никелевых сплавов примерно на 50—100 °С по сравнению с традиционными слитками (рис. 14.6). Это способствует увеличению температурного интервала термической обработки дисперсионно-твердеющих никелевых сплавов, в котором могут быть переведены в раствор метастабильные или даже стабильные (карбидные) фазы.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Особое значение при разработке и корректировке состава гранулируемых жаропрочных никелевых сплавов имеет пересыщение γ-твердого раствора углеродом.
В условиях высоких скоростей охлаждения расплава повышается содержание в твердом растворе углерода, обладающего ограниченной равновесной растворимостью в никеле, вследствие чего при последующих термических воздействиях происходит его выделение из твердого раствора с образованием карбидов МеС и Ме23С6 высокой дисперсности. Этот процесс можно целенаправленно регулировать при ГИП и термической обработке.
При разработке технологии ГИП и термической обработки высоколегированных порошковых никелевых сплавов особое внимание уделяется вопросам формирования карбидных фаз. Высокая степень пересыщения твердого раствора по углероду в быстрозакаленных гранулах может приводить в процессе длительного нагрева компактируемой заготовки к выделению на поверхности гранул «сетки», состоящей из дискретных карбидов типа МеС. Следует отметить, что местами преимущественного выделения МеС на поверхности гранул являются в основном частицы оксидов, содержащие алюминий и магний. Таким образом, «сетка», выделяющаяся на поверхности гранул в процессе их нагрева до температуры ГИП, состоит из частиц сложных оксикарбидов на основе ТiС, NbС и оксидов.
Выделение таких фаз может приводить к межгранульному разрушению сплавов и к существенному снижению их механических и эксплуатационных характеристик.
Для предотвращения этого явления необходимо: строго контролировать технологию производства и переработки гранул с целью предотвращения их значительного (> 0,007 % O2) окисления; регламентировать содержание углерода в сплаве в пределах 0,02— 0,08 %; осуществлять предварительное компактирование при температурах более низких, чем температура интенсивного образования карбидов МеС на свободных поверхностях (950—1050 °С).
Снижению содержания кислорода способствуют применение инертной атмосферы при обработке порошка (без контакта с воздухом) и вакуумная термическая дегазация гранул в тонком слое.
Выбор температуры горячего изостатического прессования определяется с учетом формирования беспористой мелкозернистой структуры и температуры сольвуса γ-фазы.
Для получения оптимальной величины зерна (30—80 мкм) и беспористой структуры ГИП проводят, как правило, при температурах, превышающих на 10—20 °С температуру полного растворения γ-фазы.
Проведение ГИП полуфабрикатов никелевого жаропрочного сплава ЭП741НП в двухфазной (γ+γ)-области способствует получению структуры, состоящей из участков с литой дендритно-ячеистой структурой и участков с мелким рекристалл изо ванным зерном (рис. 14.7). При этом рекристаллизованных участков тем больше, чем выше температура ГИП и продолжительнее выдержка под давлением.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы

Зоны начала рекристаллизации соответствуют осям дендритов, которые обеднены ниобием и титаном. В межосных участках в результате обогащения их выделениями γ- и карбидной фаз рекристаллизация затруднена. При больших степенях деформации зародыши рекристаллизации образуются по границам зерен.
Болес высокая температура начала рекристаллизации гранулированного сплава, например ЭИ698, по сравнению с литым сплавом обусловлена более дисперсным состоянием и равномерным распределением избыточных фаз, способных блокировать зарождение и рост новых зерен. Температура полного растворения γ-фазы и компактированной заготовке и слитке сплава ЭИ698 в обоих случаях не превышает 1050 °С. В литом сплаве температурные интервалы рекристаллизации к растворения γ-фазы совпадают, а в компактированной из быстрозакаленных гранул заготовке рекристаллизация протекает при значительно более высокой температуре, чем растворение γ-фазы. Стабилизирующим фактором, задерживающим рекристаллизацию после растворения γ-фазы в гранулированном сплаве ЭИ698, являются дисперсные выделения карбидной фалы.
ГИП в однофазной γ-области обеспечивает образование полностью ре кристалл изованной структуры (см. рис. 14.7).
При горячем изостатическом прессовании в гранулируемых никелевых сплавах проходят два параллельных процесса. В участках, занятых гранулами малого размера, претерпевающих при ГИП значительную деформацию, проходят процессы рекристаллизации, сопровождающиеся ростом зерен и укрупнением частиц γ-фазы. В гранулах большого размера проходит гомогенизация с заменой литой дендритно-ячеистой структуры зеренной структурой.
Таким образом, чем меньше диапазон размеров гранул, тем однороднее зеренная структура полуфабриката. В настоящее время используют гранулы размером < 140 мкм.
На формирование структуры компактированных методом ГИП заготовок из высоколегированных никелевых сплавов значительное влияние оказывает режим термообработки.
Современные жаропрочные гранулируемые никелевые сплавы содержат 50—60 % мас. упрочняющей γ-фазы, поэтому при их традиционной закалке в твердом состоянии с любыми реальными скоростями охлаждения невозможно получить пересыщенный раствор, свободный от выделений γ-фазы. В процессе традиционной операции термической обработки закаленных сплавов — старения — происходит распад пересыщенного твердого раствора и выделение дисперсных частиц упрочняющей фазы. В случае высоколегированных никелевых сплавов при старении обычно имеет место дополнительное выделение γ-фазы и формирование ее окончательного размера.
В связи с этим формирование структуры гранулируемых никелевых сплавов, в основном, происходит в процессе охлаждения при закалке заготовки. Повышение скорости охлаждения при закалке приводит к увеличению дисперсности частиц γ-фазы и тем самым к росту прочностных характеристик, способствует повышению склонности к хрупким разрушениям и увеличению остаточных напряжений термического происхождения.
В отечественной практике при закалке полуфабрикатов из жаропрочных гранулируемых сплавов, в основном, используют воздушное охлаждение. В случае необходимости получения максимальной прочности при температурах до 650 °С применяют охлаждение а специальных синтетических средах. С целью снижения остаточных напряжений используют горячие закалочные среды.
Оптимальную температуру закалки выбирают обычно с учетом требований по свойствам, предъявляемых к материалу. В случае необходимости получения оптимального сочетания прочности и мало цикловой усталости при температурах до 650 °С, а также высокой жаропрочности при температурах до 750 °С (например, для сплавов типа ЭП741П) применяют закалку (охлаждение на воздухе) из двухфазной (γ+γ)-области с выдержкой 2—4 ч при температуре на 20—40 °С ниже температуры полного растворения γ-фазы или ступенчатое замедленное охлаждение с печью из однофазной γ-области до температур двухфазной области, как для сплава ЭП741Н П, и ускоренное (на воздухе) в двухфазной области. В первом случае формируется структура, состоящая из частиц γ-фазы двух размеров (бимодальная), во втором — состоящая из более близких по размеру частиц (монодисперсная).
При необходимости получения максимально высоких значений механических свойств при температуре до 650 °С, например, сплава ЭП962П применяют прямую закалку из γ-области, формирующую однородную мелкодисперсную структуру частиц γ-фазы.
При старении полуфабриката из сплава ЭП962П протекают процессы некоторого довыделения и коагуляции γ-фазы. Оптимальные режимы старения выбирают как с учетом влияния температуры и длительности старения на параметры γ-фазы, так и с учетом выделения вторичных карбидных фаз на границах зерен.
Следует иметь в виду, что при очень длительном термическом воздействии на выделениях карбидной фазы типа Мс23С6 образуется о (ТПУ)-фаза, а на карбидах Ме6С — μ (ТПУ)-фаэа. Наличие этих фаз резко снижает весь комплекс механических свойств.
Оптимальные химические составы отечественных жаропрочных гранулируемых сплавов из никелевой основе, обеспечивающие отсутствие таких топологически плотноупакованных фаз, установлены с учетом оценки концентрации электронных вакансий.
В табл. 14.3 представлены механические свойства отечественных и зарубежных жаропрочных гранулируемых сплавов. Следует отметить, что отечественные сплавы превосходят зарубежные по показателям жаропрочности и трещиностойкости.
Гранулируемые жаропрочные никелевые сплавы