RU1360232C

RU1360232C - Process for thermotreatment of discs of heat resistant nickel alloys

Info

Publication number: RU1360232C
Authority: RU
Inventors: Б.С. Ломберг; Л.П. Чударева; Е.В. Бабурина; Н.И. Самборская; Л.К. Долгачева; И.М. Хацинская; Г.Г. Георгиева; Г.И. Морозова; В.Г. Скляренко
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов
Priority date: 1986-01-16
Filing date: 1986-01-16
Publication date: 1994-08-30

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: the process comprises preheating discs to a recrystallization initial temperature of 1100-1180 C, keeping them for 4-6 hr and heating them to a temperature of complete dissolution of the γ′-phase or higher, but not higher than by 10 C and keeping them for 8-16 hr. The discs are then hardened at a rate of 80-100 C/hr to a temperature by 40 C lower than the γ′-phase complete dissolution temperature. The discs are then cooled in the air at a rate of 40-50 C/min and then subjected to ageing according to the following conditions: they are heated up to 910-970 C, kept for 6-24 hr, cooled to 800-850 C at a rate of 10-30 C/hr, kept for 8-24 hr and cooled in the air. The process can be accomplished on alloys 575 to obtain an ultimate strength of 1400-1480 MPa at 20 C, a conventional yield limit of 1000-1100 MPa, an elongation of 17-24% at 20 C, a 100-hr heat resistance of 800 MPa at 750 C and 480 MPa at 850 C, and insensitivity to stress concentrators; the process can also be accomplished on alloys 137 to obtain an ultimate strength of 1350-1420 MPa at 20 C, a conventional yield point of 1020-1150 C at 20 C, an elongation of 15-20% at 20 C, a 100-hr heat resistance of 750 MPa at 750 C, and 420-440 MPa at 850 C, and insensitivity to stress concentrators. EFFECT: improved strength, plasticity, heat resistance and insensitivity to stress concentrators at 750-850 C. 3 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии никелевых сплавов, а именно к термообработке высокотемпературных дисков ГТД. The invention relates to the metallurgy of nickel alloys, namely, to heat treatment of high-temperature GTD disks.

Целью изобретения является повышение прочности, пластичности, жаропрочности и нечувствительности к концентраторам напряжений при температуре 750-850^оС.The aim of the invention is to increase the strength, ductility, heat resistance and insensitivity to stress concentrators at a temperature of 750-850 ^about C.

Работу проводили на материале штамповок дисков, химический состав которого приведен в табл.1. The work was carried out on the material of stamping disks, the chemical composition of which is given in table 1.

Температура полного растворения γ'-фазы данных конкретных плавок для сплава ЭП 975 составляла 1200^оС, для сплава ВЖ 137 составляла 1250^оС.The temperature of complete dissolution of the γ'-phase data for the specific heats of the alloy was 1200 EP 975 ^C, for an alloy VZ 137 was 1250 ^C.

Размеры штамповок: для сплава ЭП 975 - диаметр 520 мм; для сплава ВЖ 137 - диаметр 500 мм. Sizes of stampings: for alloy EP 975 - diameter 520 mm; for VZh 137 alloy - diameter is 500 mm.

Варианты термообработки приведены в табл. 2 (числитель - данные для сплава ЭП 975; знаменатель - для сплава ВЖ 137). Heat treatment options are given in table. 2 (numerator - data for alloy EP 975; denominator - for alloy VZh 137).

Образцы всех видов исследований изготавливали из заготовок, вырезанных в радиальном направлении из всех зон штамповки. Samples of all types of studies were made from blanks cut in the radial direction from all stamping zones.

Введение предварительного нагрева под закалку с выдержкой 4-6 ч при температуре начала собирательной рекристаллизации позволило получить эффект ликвидации разнозернистости, характерной для заготовок, деформированных в сверхпластичном состоянии. Это связано с релаксацией напряжений, возникающих в сверхпластичной структуре. Отрицательное влияние разнозернистости особенно сильно проявляется на жаропрочности и чувствительности к надрезу заготовок из высоколегированных сплавов. The introduction of preheating for quenching with a holding time of 4–6 h at a temperature of the onset of collective recrystallization made it possible to obtain the effect of eliminating the heterogeneity characteristic of workpieces deformed in a superplastic state. This is due to relaxation of stresses arising in the superplastic structure. The negative effect of different grain sizes is especially pronounced on the heat resistance and notch sensitivity of workpieces made of high alloy alloys.

Наличие избыточных выделений первичной γ'-фазы в структуре высоколегированных сплавов типа ЭП 975 и ВЖ 137 предполагает использование закалок из однофазной области. Однако, несмотря на высокую тугоплавкость первичной избыточной фазы, обогащенной по легированию Al, Nb, W, Ta, эвтектический характер ее выделения приводит к оплавлению и потере всех свойств в случае перегрева по отношению к температуре полного растворения γ'-фазы на 20-30^оС. При неполном ее растворении (нагрев ниже температуры полного растворения γ'-фазы), когда наблюдается присутствие в окончательно термообработанной структуре сплавов избыточной фазы на стыках граней зерен, резко повышается чувствительность к концентраторам напряжений. Эффект устранения чувствительности к концентраторам напряжений достигается за счет длительных (8-16 ч) выдержек под закалку с температуры равной или большей на 5-10^оС температуры полного растворения γ'-фазы в сочетании с последующими режимами охлаждения и дисперсионного твердения.The presence of excess precipitates of the primary γ'-phase in the structure of high-alloy alloys of the EP 975 and VZh 137 types suggests the use of quenching from the single-phase region. However, despite the high refractoriness of the primary excess phase enriched in Al, Nb, W, Ta alloying, the eutectic nature of its release leads to melting and loss of all properties in the case of overheating with respect to the temperature of complete dissolution of the γ'-phase by 20-30 ^o C. When it is incompletely dissolved (heating below the temperature of the complete dissolution of the γ'-phase), when the presence of an excess phase at the joints of the grain faces in the finally heat-treated alloy structure is observed, the sensitivity to stress concentrators increases sharply. The effect of eliminating the sensitivity to stress concentrators achieved due to long-term (8-16 hours) Extracts for quenching from a temperature equal to or higher by 5-10 ^{° C} temperature of complete dissolution of the γ'-phase in conjunction with the following modes of cooling and precipitation hardening.

Особенностью указанной группы сплавов является то, что максимальное количество упрочняющей γ'-фазы выделяется уже в процессе закалки, независимо от скорости охлаждения (воздух, печь). Однако скорость охлаждения в процессе закалки оказывает существенное влияние на соотношение доли крупных (до 0,8-1,0 мкм) и мелких (0,1-0,2 мкм) выделений γ'-фазы. Совместно с последующим старением она контролирует процессы упрочнения и разупрочнения сплавов. Оптимальным является ступенчатое охлаждение с температуры закалки, равной температуре полного растворения γ'-фазы до температуры на 40^оС ниже температуры полного растворения γ'-фазы со скоростью 60-80^оС/ч и последующее охлаждение на воздухе со скоростью 40-50^оС/ч. Предлагаемый режим закалки позволяет достичь высоких параметров жаропрочности, длительной пластичности и нечувствительности к концентраторам напряжений. Однако при этом не обеспечиваются характеристики кратковременных свойств. Эффект повышения прочностных и ударных свойств при комнатной температуре в сочетании с высокой жаропрочностью был получен при сочетании закалки и старения по предлагаемому режиму.A feature of this group of alloys is that the maximum amount of the strengthening γ'-phase is released already in the quenching process, regardless of the cooling rate (air, furnace). However, the cooling rate during the quenching process has a significant effect on the ratio of the proportion of large (up to 0.8-1.0 μm) and small (0.1-0.2 μm) precipitates of the γ'-phase. Together with subsequent aging, it controls the processes of hardening and softening of alloys. Optimum is stepwise cooling from tempering temperature equal to the temperature of complete dissolution of the γ'-phase to a temperature 40 ^{° C} below the temperature of complete dissolution of the γ'-phase at a rate ^of 60-80 C / h, followed by cooling in air at ^about 40-50 S / h The proposed quenching mode allows to achieve high parameters of heat resistance, long plasticity and insensitivity to stress concentrators. However, this does not provide characteristics of short-term properties. The effect of increasing the strength and impact properties at room temperature in combination with high heat resistance was obtained by combining hardening and aging according to the proposed regime.

Для сплавов типа ЭП 985 и ВЖ 137, имеющих практически предельное содержание легирующих, выделяется упрочняющая γ'-фаза в виде двух модификаций по составу: одна из них более богата такими элементами, как Al, Ti, Nb, Hf, Cr (γ₁), другая содержит эти элементы в меньшем количестве (γ₂').For alloys of the EP 985 and VZh 137 types, which have an almost limiting alloying content, a strengthening γ'-phase is distinguished in the form of two modifications in composition: one of them is richer in elements such as Al, Ti, Nb, Hf, Cr (γ ₁ ) , the other contains these elements in a smaller amount (γ ₂ ').

Практически все возможное количество γ'-фазы выделяется при закалке и дальнейшее старение ведет лишь к перераспределению модификаций γ'-фазы и изменению ее дисперсности и морфологии. Almost the entire possible amount of the γ'-phase is released during quenching and further aging only leads to a redistribution of modifications of the γ'-phase and a change in its dispersion and morphology.

Область температур 910-970^оС является оптимальной для получения максимального количества γ'-фазы. При этом ведется облагораживание структуры сплава путем растворения наиболее грубых и коагуляции наиболее мелких выделений γ'-фазы, сформированных в процессе закалки; таким образом идет процесс выравнивания структуры.The temperature range ^of 910-970 C is optimal for obtaining the maximum number of γ'-phase. In this case, the structure of the alloy is refined by dissolving the coarsest and coagulating the smallest precipitates of the γ'-phase formed during quenching; Thus, the process of alignment of the structure proceeds.

Медленное охлаждение до температуры второго старения позволяет получить набор γ'-упрочняющей фазы различной дисперсности и таким образом обеспечить необходимый уровень свойств в широком диапазоне температур. Длительная выдержка при низкотемпературном старении приводит к дополнительному довыделению 3-5% мелкодисперсной γ'-фазы, что позволяет повысить уровень кратковременной прочности. Slow cooling to the second aging temperature makes it possible to obtain a set of γ'-hardening phase of different dispersion and thus provide the necessary level of properties in a wide temperature range. Long exposure during low-temperature aging leads to an additional addition of 3-5% of the finely dispersed γ'-phase, which allows to increase the level of short-term strength.

Результаты испытаний механических свойств по всем вариантам термообработки приведены в табл.3 (числитель - данные для сплава ЭП 975; знаменатель - для сплава ВЖ 137). The results of mechanical properties tests for all heat treatment options are given in Table 3 (the numerator is the data for the EP 975 alloy; the denominator is for the VZh 137 alloy).

Как видно из табл.3, предлагаемый способ термообработки в сравнении с прототипом повышает прочностные характеристики на кратковременный разрыв при 20^оС ( τ_в ²⁰ с 1230 МПа до 1400-1480 МПа для сплава ЭП 975 и до 1350-1420 МПа для сплава ВЖ 137) 100-часовую жаропрочность при 750^оС с 520-540 МПа до 750-800 МПа. 100-часовая жаропрочность при 850^оС для сплава ВЖ 137 достигает 420-440 МПа и для сплава ЭП 975 достигает 480 МПа, в то же время для способа-прототипа данные по 100-часовой жаропрочности при 850^оС не были получены: максимальное время работы при этой температуре материала, обработанного по режиму способа-прототипа, не превышает 10 ч.As seen from Table 3, the method of heat treatment as compared with the prior art enhances the strength characteristics for short-gap at ²⁰ ° C (τ _²⁰ MPa to 1230 MPa for the alloy 1400-1480 EP 975 MPa and up to 1350-1420 alloy VZ 137 ) 100-hour heat resistance at 750 ^о С from 520-540 MPa to 750-800 MPa. 100-hour heat resistance at 850 ^о С for VZh 137 alloy reaches 420-440 MPa and for ЭП 975 alloy reaches 480 MPa, while for the prototype method, data on 100-hour heat resistance at 850 ^о С were not obtained: maximum time work at this temperature of the material processed according to the mode of the prototype method does not exceed 10 hours

Во всех случаях предлагаемый режим обеспечивает нечувствительность к концентраторам напряжений (приведенные данные получены по образцам с острым надрезом r = 0,15 мм). In all cases, the proposed mode provides insensitivity to stress concentrators (the data are obtained from samples with a sharp notch r = 0.15 mm).

Таким образом, предлагаемый способ термообработки обеспечивает получение требуемого комплекса эксплуатационных свойств дисков турбин из сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов с рабочей температурой 750-850^оС и повышает надежность и ресурс изделия более чем в 1,5 раза.Thus, the method of heat treatment provides the required operational properties of a complex of turbine disks complexly heat resisting nickel alloys with a working temperature of 750-850 ^{° C} and increases the reliability and product life of more than 1.5 times.

Claims

1. METHOD FOR THERMAL TREATMENT OF DISKS FROM COMPLEXLY ALLOYED HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS, including hardening, holding for 8 to 16 hours, step-hardening and aging, characterized in that, in order to increase strength, ductility, heat resistance and insensitivity to concentration of 750 850 ^o С, before heating under quenching, preliminary heating is carried out to 1100 - 1180 ^o С with holding for 4-6 hours, heating under quenching is carried out in the temperature range of complete dissolution of the γ ′ phase plus 10 ^o С, quenching in the first stage is carried out with scab 80 - 100 ^o C / hour to a temperature of complete dissolution of the γ '- phase minus 40 ^o C., the second stage - at 40 - 50 ^o C / min and carried out subsequent aging.

2. The method according to claim 1, characterized in that aging is carried out first at 910 - 970 ^o C for 6 to 24 hours, then cooled at a speed of 10 - 30 ^o C / h to 800 - 850 ^o C, kept at this temperature for 8 to 24 hours and cooled in air.