Влияние горячего изостатического прессования и термообработки на структуру и свойства отливок из жаропрочного никелевого сплава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74.045:669.24:21.981

Канд. техн. наук П. Д. Жеманюк1, В. В. Клочихин1, Н. А. Лысенко1, д-р техн. наук В. В. Наумик2

гАО «МОТОР СИЧ», 2Запорожский национальный технический университет; г. Запорожье

ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕГО ИЗОСТАТИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ И ТЕРМООБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА

В процессе горячего изостатического прессования лопаток происходит «залечивание» микропор и рыхлот, не выходящих на поверхность деталей, что способствует стабилизации структуры и свойств материала. Последующая термообработка способствует повышению структурной однородности сплава, релаксации напряжений и положительно влияет на пластические характеристики сплава при сохранении прочностных и жаропрочных свойств. Обработка ГИП и последующая гомогенизация обеспечивают получение наиболее благоприятного сочетания прочностных, пластических характеристик и длительной прочности.

Ключевые слова: лопатка, горячее изостатическое прессование, микропоры, усадочные рыхлоты, «<рафт»-структура, термообработка, структурная однородность, пластичность, прочность, жаропрочность.

Литые детали горячего тракта авиационных двигателей, изготавливаемые из жаропрочных никелевых сплавов, характеризуются сложной конфигурацией и часто отбраковываются по причине наличия внутренних несплошностей усадочного характера.

Эффективным способом исправления внутренних дефектов ответственных отливок из алюминиевых, титановых и жаропрочных никелевых сплавов является метод горячего изостатическо-го прессования (ГИП), сущность которого состоит во всестороннем сжатии отливок специальными жидкостями или газами при высоких температурах [1].

Последующая термическая обработка позволяет снять остаточные напряжения и повысить пластичность материала при сохранении уровня прочностных свойств [2, 3].

Методика исследований

Провели исследования качества материала рабочих лопаток, отлитых из жаропрочного никелевого сплава ЖС3ДК-ВИ после горячего изос-татического прессования, а также после ГИП и термической обработки по стандартному режиму (гомогенизация при температуре 1210+10 °С в течение 4 часов в вакууме) в сравнении с аналогичными лопатками без проведения операции ГИП.

Процесс горячего изостатического прессования проводили по следующему режиму. При начальном давлении 38 МПа лопатки нагревали от

комнатной температуры до 1040 ± 10 ° С со скоростью 810 ° С /мин и выдерживали 1,5 часа. Далее давление поднимали до 120 МПа, нагревали лопатки до температуры 1210 ± 10 ° С со скоростью 4 °С/мин и выдерживали их в течение 2 часов. После давление поднимали до 160 МПа и охлаждали отливки до температуры 300 °С со скоростью 26 ° С/мин.

Основной материал исследований

Анализ химического состава материала исследуемых лопаток показал, что содержание элементов в них находится на одном уровне и отвечает требованиям ОСТ190126-85.

Люминесцентным контролем методом ЛЮМ1-ОВ в осевом сечении хвостовика и поперечном сечении пера лопаток до проведения операции ГИП выявлено точечное свечение. В аналогичных сечениях лопаток после проведения операции ГИП, а также после ГИП и термической обработки по стандартному режиму свечения люминофора не обнаружены.

Металлографическими исследованиями нетравленых микрошлифов, изготовленных в осевом сечении хвостовика и поперечном сечении пера лопаток без проведения операции ГИП, обнаружены единичные микропоры, а также усадочные рыхлоты размером до 250 мкм (рис. 1, табл. 1).

Проведение операции горячего изостатичес-кого прессования способствует «залечиванию» пор и рыхлот. В структуре исследованных лопаток после ГИП микропоры и рыхлоты практически

© П. Д. Жеманюк, В. В. Клочихин, Н. А. Лысенко, В. В. Наумик, 2013

о

х 200

1

х 700

Рис. 1. Усадочная рыхлота и микропористость в материале исследованных лопаток без проведения ГИП (0) и зоны

их «залечивания» после ГИП (1)

Таблица 1 — Параметры структурных составляющих в лопатках из сплава ЖС3ДК-ВИ

Состояние материала и место сечения Размеры структурных составляющих, мкм

карбиды эвтектика типа (у-"/) микропоры и рыхлота

глобулярные типа МС эвтектические типа М6С

литое перо 2...10 6.. .30 (единичные до 45) 5...10 15...250

хвостовик 3...20 10...40 (единичные до 80) 15...50 15...220

после ГИП без т/о перо 2...8 6.. .30 (единичные до 50) - единичные до 4

хвостовик 2...20 10...40 (единичные до 76) - единичные до 6

после ГИП и т/о перо 1,5...6 6.. .25 (единичные до 40) - единичные до 4

хвостовик 2...15 8...30 (единичные до 65) - единичные до 6

отсутствуют. Размер выявленных после ГИП единичных микропор составляет ~ 6 мкм, что более чем в 40 раз меньше по сравнению с порами, обнаруженными в лопатках до проведения операции ГИП (рис. 1, табл. 1).

Карбиды типа МеС выделяются, в основном, в виде дискретных глобулярных частиц с наличием пластин эвтектических карбидов, располагающихся преимущественно на границах зерен и в междендритных пространствах; проведение операции ГИП и термической обработки существенно не влияет на их размеры и распределение (рис. 2).

Металлографическим исследованием установлено, что микроструктура исследованных лопаток без проведения операции ГИП представляет собой у-твердый раствор с наличием интерме-таллидной у'- фазы, карбидов, карбонитридов и небольшого количества эвтектической фазы (у-у'); соответствует литому состоянию сплава ЖС3ДК-ВИ (рис. 3). Размер карбидов типа МС, а также расстояние между осями дендритов второго порядка в пере лопаток примерно в 1,5...2,5

раза меньше, чем в хвостовой части. Эвтектика типа (у-у') в пере в ~ 35 раз меньше, чем в хвостовике (см. рис. 3, табл. 1).

В процессе горячего изостатического прессования при температуре 1210 ° С и давлении 160 МПа произошло полное растворение эвтектической фазы (у-у') в у-матрице (см. рис. 3, табл. 1). Микроструктура материала рабочих лопаток после ГИП удовлетворительная и соответствует шкале микроструктур, утвержденной ВИАМ.

При микроструктурном исследовании методами оптической (микроскоп «№орИо1;-32») и растровой электронной микроскопии (микроскоп «1БМ Т-300») на травленых микрошлифах, вырезанных из рабочих лопаток после ГИП в местах полного либо частичного «залечивания» микро-пор, усадочной рыхлоты, а также вокруг некоторых карбидов типа МС выявлены зоны кратерообразной формы с наличием концентрически расположенных вытянутых частиц упрочняющей интерметаллидной у'-фазы, характерных для «рафт»-структуры (рис. 4).

Хвостовая часть лопатки Перо лопатки

0

2

Рис. 2. Нетравленая структура исследованных лопаток х 100:

0 — без проведения операции ГИП; 2 — после проведения операции ГИП и термической обработки

Хвостовая часть лопатки Перо лопатки

1

2

Рис. 3. Микроструктура исследованных лопаток х 500:

0 — без проведения операции ГИП; 1 — после ГИП; 2 — после проведения операции ГИП и термической обработки

Установлено, что по мере приближения к центру указанных областей, соответственно направлению результирующих напряжений, наблюдается увеличение плотности и искажения интер-металлидных частиц, размер которых находится на уровне 0,15...0,25 мкм. Следовательно, в результате пластической деформации, инициируемой процессом горячего изостатического прес-

сования, концентрация искажений структурных компонентов в локальном объеме материала, в прилежащих к микропорам, карбидам и т. д. зонах, существенно возрастает. В зонах «залечивания» микропор наряду с мелкими интерметал-лидными частицами также наблюдается скопление скоагулированных частиц у'- фазы размером 1,4...5,2 мкм.

а х700 бх7500

Рис. 4. «Рафт»-структуры в материале исследованных лопаток после ГИП: а — оптическая микроскопия; б — электронная растровая микроскопия

Таким образом, материал рабочих лопаток после ГИП характеризуется структурной неоднородностью вследствие образования «рафт»-структуры в виде зональных участков, сосредоточенных в местах «залечивания» пор, рыхлоты, а также вокруг некоторых карбидов.

«Залечивание» микропор, располагающихся на поверхности деталей, не происходит. Это согласуется с механизмом баротермического воздействия, при котором устранение, а также уменьшение микропористости может быть достигнуто применительно только к внутренним объемам металла.

Термообработка по стандартному режиму (1210 ° С, 4 часа) после газостатирования способствует практически полной перекристаллизации упрочняющей у'- фазы. Интерметаллидная у'- фаза растворяется в у- матрице и повторно выделяется в виде дисперсных частиц кубической формы с наличием небольшого количества скоагулирован-ных частиц. В результате указанных структурных изменений происходит устранение зональных участков «рафт»-структуры, образовавшейся в процессе

ГИП в местах «залечивания» пор и вокруг карбидов, что приводит к повышению структурной однородности сплава (см. рис. 3).

Состояние упрочняющей интерметаллидной у'-фазы в осях и межосных пространствах денд-ритов пера и хвостовика рабочих лопаток в литом состоянии и после проведения ГИП изучали на микрошлифах после электролитического травления в реактиве, состоящем из 80 мл Н3РО4 и 10 г СГО3, с использованием электронного растрового микроскопа «1БМ Т-300».

Исследованиями установлено, что до проведения ГИП частицы у'-фазы имеют кубическую форму и образуют блоки, состоящие из четырех частиц (рис. 5). Размер у -частиц, измеренный по стороне эквивалентного по площади квадрата, в осях дендритов составляет 0,17...0,29 мкм (табл. 2).

Существенных различий в морфологии и величине интерметаллидной фазы, выделившейся в межосных пространствах и осях дендритов, как в хвостовой части, так и в пере лопатки, не наблюдается (рис. 5, см. табл. 2).

Рис. 5. Интерметаллидная фаза в материале лопаток из сплава ЖС3ДК-ВИ х 10000: 0 — в литом состоянии; 1 — после ГИП

Таблица 2 — Размеры частиц у'-фазы в материале рабочих лопаток из сплава ЖС3ДК-ВИ, в литом состоянии и после проведения ГИП

Зона замера Размер частиц у' - фазы, мкм

до ГИП после ГИП

перо оси 0,17...0,29 0,11.0,20 (микрочастицы - 0,07.0,10 мкм)

межосья 0,17...0,31 0,12.0,23 (микрочастицы - 0,07.0,10 мкм)

хвостовик оси 0,19.0,33 0,12.0,22 (микрочастицы - 0,09.0,12 мкм)

межосья 0,20.0,35 0,14.0,25 (микрочастицы - 0,09.0,12 мкм)

В структуре лопаток после газостатирования наблюдается измельчение интерметаллидной у '-фазы (см. рис. 5) примерно в 1,5 раза в сравнении с исходным сплавом (см. табл. 2). Кроме того, в материале лопаток после изостатического прессования обнаружено выделение небольшого количества микрочастиц у - фазы размером

0,07...0,12 мкм, а также зональные междендрит-ные выделения скоагулированных интерметал-лидных частиц, размер которых достигает 5,2 мкм в зонах «залечивания» микропор и усадочной рыхлоты (см. рис. 3).

В результате ГИП под воздействием высокого давления преимущественно в межосных пространствах дендритов формируются у ' -частицы с неравновесной морфологией, заметно отличающейся от кубической, с наличием 60-градусных углов по их сечениям, а также в виде зональных участков «рафт»-структуры в местах «залечивания» пор, рыхлот и вокруг некоторых карбидов типа МС.

Механические и жаропрочные свойства определяли на пальчиковых образцах (0 12 мм), отлитых методом равноосной кристаллизации из сплава ЖС3ДК-ВИ, как до термообработки, так и после гомогенизации при температуре 1210 ± 10 ° С в течение 4 часов с охлаждением на воздухе (табл. 3).

Из данных, представленных в таблице 3, видно, что механические и жаропрочные свойства

всех исследованных образцов отвечают требованиям ОСТ1 90126-85.

Термическая обработка по стандартному режиму после газостатирования способствует повышению пластичности сплава за счет повышения структурной однородности сплава и релаксации напряжений, возникших в процессе горячего изостатического прессования.

Макроструктурными исследованиями установлено, что размер макрозерна всех опытных образцов и лопаток в процессе ГИП и термической обработки по стандартному режиму существенно не изменились.

В ходе фрактографических исследований также не выявлено существенных различий в макроизломах опытных образцов.

Микроструктура пальчиковых образцов 0 10 мм различных опытных вариантов аналогична структуре соответствующих лопаток.

Известен способ термической обработки отливок из жаропрочных никелевых сплавов с различной скоростью охлаждения в высоковакуумных печах для закалки и гомогенизации газом под высоким давлением в потоке аргона с применением принудительного механического обдува вентиляторами.

Исследовали рабочие лопатки из сплавов ЖС6К-ВИ и ЖС26-ВИ (ВНК), термообработанные в печах типа «1р8еп» и «^БСО/ШАЯ^СК 10.0УРТ-4035/36ИУ» по следующим режимам:

Таблица 3 — Механические и жаропрочные свойства сплава ЖС3ДК-ВИ до и после операции горячего изостатического прессования

Состояние материала Механические свойства при 20 °С Время до разрушения под нагрузкой 35 кгс/мм2 при 850 °С, час

°в, кгс/мм2 б, % % КС и, кгс-м/см2 НВ, МПа

литое + т/о 114,5 18,0 18,5 3,00 341 477

113,0 15,6 15,4 2,88 341 398

после ГИП 108,3 16,0 18,3 3,13 321 335

103,7 12,8 18,3 3,00 321 361

после ГИП + т/о 113,0 26,8 17,2 3,50 321 292,5

321

105,4 15,2 15,4 3,13 377

ОСТ1 90126-85 > 95,0 > 7,0 - > 3,0 - > 50,0

гомогенизация при температурах 1220...1265 ° С в течение от 1 ч 30 мин до 5 ч 30 мин с охлаждением в потоке аргона под давлением 2,0... 2,2 бара при скорости вращения вентилятора 1500... 3000 об/мин. Лопатки располагались на верхнем и нижнем поддонах печей, при этом обеспечивалась скорость охлаждения их от 60 до 200 °С в минуту.

При металлографическом исследовании установлено, что микроструктура материала рабочих лопаток, термообработанных с различной скоростью охлаждения, как на верхнем, так и на нижнем поддоне, существенных различий не имеет. Микроструктура представляет собой у- твердый раствор, упрочненный интерметаллидной у - фазой, с наличием карбидов, карбонитридов и небольшого количества эвтектической (у-у' )-фазы, соответствует нормально термообработанному состоянию сплава ЖС6К-ВИ и ЖС26-ВИ (ВНК) согласно утвержденной ВИАМ шкале микроструктур (рис. 6).

При этом следует отметить, что термическая обработка деталей на верхнем поддоне способствует получению более однородной структуры материала с существенным снижением ликвации между осями и межосными пространствами дендритов.

61 °С/мин

В структуре лопаток, термообработанных на нижнем поддоне, наблюдается заметная разница между осями и межосными пространствами денд-ритов, что свидетельствует о некотором снижении температуры гомогенизации.

Охлаждение рабочих лопаток после термической обработки на нижнем поддоне со скоростями до 100...110 ° С /мин. приводит к образованию зональных (редко встречающихся) участков с наличием разрозненных выделений скоагулиро-ванных у - частиц по границам зерен (см. рис. 6). При этом следует отметить, что в материале лопатки, охлажденной со скоростью 66,6 ° С /мин, практически все частицы у'-фазы находятся в скоагулированном состоянии. Высокие скорости охлаждения способствуют получению однородной структуры материала с меньшей межосной и дендритной ликвацией. Увеличение скорости охлаждения до 200 °С/мин приводит к выделению упрочняющей у - фазы в более дисперсном состоянии (см. рис. 6).

Наиболее благоприятное структурное состояние наблюдается в рабочих лопатках из сплава ЖС6К-ВИ, термообработанных на верхнем поддоне при охлаждении со средней скоростью (порядка 95,0 ... 110 ° С /мин).

66,6 °С/мин

133 °С/мин 200 °С/мин

Рис. 6. Микроструктура рабочих лопаток после гомогенизации при 1220 °С, охлажденных с различной

скоростью х 500

Выводы

В процессе горячего изостатического прессования лопаток при температуре 1210 ° С и давлении 160 МПа происходит «залечивание» микро-пор и рыхлот, не выходящих на поверхность деталей (располагающихся во внутренних объемах металла), что способствует стабилизации структуры и свойств материала. Размер единичных микропор, выявленных после ГИП, уменьшился более чем в 40 раз.

Для материала рабочих лопаток и образцов (сплав ЖС3ДК-ВИ) после ГИП характерна структурная неоднородность вследствие образования «рафт»-структуры в виде зональных участков, сосредоточенных в местах «залечивания» пор и вокруг некоторых карбидов типа МС.

Термообработка по стандартному режиму (гомогенизация при температуре 1210 °С, 4 часа) после газостатирования способствует повышению структурной однородности сплава, релаксации напряжений и оказывает положительное влияние на пластические характеристики сплава при сохранении прочностных и жаропрочных свойств.

Обработка ГИП и последующая гомогенизация при температуре 1210 °С в течение 4 часов

обеспечивают получение наиболее благоприятного сочетания прочностных, пластических характеристик и длительной прочности при температуре 850 ° С и напряжении 35 кгс/мм2.

Микроструктура рабочих лопаток после гомогенизации при температурах 1220...1265 °С в течение от 1 ч 30 мин до 5 ч 30 мин с охлаждением в потоке аргона со скоростью от 60 до 200 °С в минуту соответствует нормально термообработанному состоянию сплавов ЖС6К-ВИ и ЖС26-ВИ (ВНК) согласно утвержденной ВИАМ шкале микроструктур.

Список литературы

1. Цветное литье : справочник / [ Н. М. Галдин, Д. Ф. Чернега, Д. Ф. Иванчук и др.] ; под общ. ред. Н. М. Галдина. — М. : Машиностроение, 1989. — 528 с.

2. Химушин Ф. Ф. Легирование, термическая обработка и свойства жаропрочных сталей и сплавов / Ф. Ф. Химушин. — М. : Оборонгиз, 1962. — 336 с.

3. Гуляев А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. — М. : Металлургиздат, 1948. — 556 с.

Поступила в редакцию 22.10.2012

Жеманюк П.Д., Клочихин В.В., Лисенко Н.О., Наумик В.В. Вплив гарячого ізостатичного пресування та термообробки на структуру і властивості виливків з жароміцних нікелевих сплавів

Під час гарячого ізостатичного пресування лопаток відбувається «загоювання» мікропор та рихлот, які не виходять на поверхню деталей, що сприяє стабілізації структури та властивостей матеріалу. Наступна термообробка сприяє підвищенню структурної однорідності сплаву, релаксації напружень та позитивно впливає на пластичні характеристики сплаву при збереженні властивостей міцності та жароміцності. Обробка ГП та наступна гомогенізація забезпечують отримання найбільш сприятливого поєднання характеристик міцності, пластичності та тривалої міцності.

Ключові слова: лопатка, гаряче ізостатичне пресування, мікропори, усадковірихлоти, «рафт»-структура, термообробка, структурна однорідність, пластичність, міцність, жароміцність.

Zhemanyuk P., Klochikhin V., Lysenko N., Naumik V. Effect of hot isostatic pressing and heat treatment on structure and properties of castings made of heat-resistant nickel alloy

Hot isostatic pressing of blades makes it possible to ‘cure’ micropores and shrinkage pores, which do not come out on the surface of parts, thus bringing about stabilization of structural homogeneity and properties. Subsequent heat treatment enhances structural homogeneity of alloy, ensures stress relaxation and has positive effect on plastic properties of alloy while maintaining strength and heat resistant properties. HIP treatment and subsequent homogenization provide optimum combination of strength, plastic properties and long-term strength.

Key words: blade, hot isostatic pressing, micropores, shrinkage porosity, ‘raft’ structure, heat treatment, structural homogeneity, plasticity, strength, heat resistance.