Способ изготовления кольцевых заготовок из стареющих жаропрочных материалов

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ СТАРЕЮЩИХ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ, при котором осуществляют операции нагрева заготовок, до температуры гомогенного состояния и последующую раскатку, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и расширения номенклатуры изготавливаемых колец, заготовки перед раскаткой охлаждают со скоростью 1-3 град/мин до температуры на 40-100^oС ниже температуры полного растворения - фазы выдерживают в течение 0,5-2,0, затем подстуживают на воздухе не более чем на 130-70^o, а раскатку производят в условиях, близких к изотермическим.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности, к способам изготовления кольцевых заготовок для деталей газотурбинных двигателей и может найти применение в отраслях машиностроительной промышленности, где изготавливаются различные кольцеобразные изделия из стареющих материалов, в особенности с сечениями малой толщины.
Известен способ изготовления кольцевых заготовок из стареющих жаропрочных материалов, при котором осуществляют операции нагрева заготовок до температуры гомогенного состояния и последующую раскатку.
Недостаток способа заключается в том, что вследствие очень узкого температурного интервала деформирования и высокого сопротивления деформированию, обусловленных высокой склонностью стареющих жаропрочных материалов к распаду в условиях монотонного охлаждения при деформировании, на изготавливаемых кольцевых заготовках образуются трещины. Причем, чем меньше толщина сечения и чем сложнее конфигурация изготавливаемой заготовки, тем труднее избежать образования трещин.
Кроме того, из-за высокого сопротивления деформированию невозможно изготавливать кольца с сечениями малой толщины.
Цель изобретения - повышение качества и расширение номенклатуры изготавливаемых изделий.
Эта цель достигается тем, что в способе изготовления кольцевых заготовок из стареющих жаропрочных материалов, при котором осуществляют нагрев заготовок до температуры гомогенного состояния и последующую раскатку, заготовку перед раскаткой охлаждают со скоростью 1 - 3 град/мин до температуры на 40 - 100^оС ниже температуры полного растворения ' -фазы, выдерживают в течение 0,5 - 2,0 ч, затем подстуживают на воздухе не более чем на 130-70^оС, а раскатку производят в условиях, близких к изотермическим.
В результате охлаждения с печью до температур гетерогенного состояния, выдержки при этих температурах и последующего подстуживания на воздухе обеспечиваются условия для выделения избыточной фазы в виде относительно крупных некогерентных частиц. При образовании этих частиц из твердого раствора выделяется большая часть атомов элементов, образующих ' - фазу, вследствие чего резко понижается степень пересыщенности его и, как следствие, уменьшается склонность к распаду в условиях понижения температуры при последующей раскатке. Одновременно выделение крупных частиц ' - фазы обусловливает смещение нижнего предела температурного интервала деформирования в область более низких температур за счет смещения в эту область интервала повышенной пластичности. Все это, в конечном итоге, обусловливает возможность начинать и проводить деформирование при более низких температурах с получением большого теплового эффекта деформации, обеспечивающего поддержание изотермических условий деформирования.
Таким образом, предлагаемый режим нагрева заготовок под раскатку позволяет повысить деформируемость стареющих сплавов при раскатке кольцевых заготовок как за счет расширения температурного интервала повышенной пластичности, так и за счет обеспечения деформации в условиях, близких к изотермическим.
Температура выдержки в области температур гетерогенного состояния подбирается исходя из условий получения состояния стареющего материала, характеризующегося достаточно крупными некогерентными выделениями и пониженной в результате этого склонностью к распаду в процессе деформирования, что, в конечном итоге, позволяет проводить его интенсивно, на большую степень, с большим тепловым эффектом. Для получения наибольшего повышения деформируемости эта температура должна быть на 40 - 100^оС, ниже температуры полного растворения ' -фазы. Если она ниже температуры растворения ' -фазы менее чем на 40^оС, то выдержка при ней и последующее подстуживание на воздухе не обеспечивает выделения частиц нужной морфологии и, как следствие, высокой деформируемости кольцевых заготовок с сечениями малой толщины. В том случае, когда эта температура ниже температуры растворения ' -фазы более чем на 100^оС, сокращается температурный интервал подстуживания и, вследствие этого, уменьшается время, необходимое на транспортировку заготовки от печи до стана и на установку в валки. Подстуживание более чем на 130 - 70^оС до температур, которые ниже температуры полного растворения ' -фазы более чем на 170^оС, приводит к понижению начальной пластичности ниже допустимого уровня и сильно затрудняет деформирование.
Продолжительность выдержки в области температур гетерогенного состояния подбирается исходя из условий выделения и роста частиц избыточной фазы, некогерентных по отношению к матрице. Зарождение и некоторый рост размеров частиц происходит уже при замедленном охлаждении до температуры гетерогенного состояния. Выдержка при этой температуре способствует выравниванию размеров частиц ' -фазы и химического состава матрицы. После замедленного охлаждения со скоростью 1-3 град/мин для получения необходимой деформируемости оптимальная продолжительность выдержки в области температур гетерогенного состояния равна 0,5-2,0 ч.
Пример конкретного выполнения способа.
Предлагаемое изобретение использовали для изготовления раскатных кольцевых заготовок с сечениями малой толщины (10-5 мм) из сплава БЖ101ВД с температурой полного растворения ' -фазы, равной 1120^оС. Раскатку производили на стане КПС-1000М со скоростью 1,5-2,0 м/с. В качестве исходных использовались сварные кольцевые заготовки из горячекатаных профилей с прямоугольным сечением 83 х 38 мм. Внутренний диаметр исходной заготовки 250 мм.
Вариант 1. Заготовки под раскатку нагревали в камерной электрической печи при 1160^оС в течение 1,5-2,0 ч, охлаждали с печью до 1120-1100^оС, выдерживали при этой температуре 1,5-2,0 ч, извлекали из печи, подстуживали до 1020-950^оС, во время подстуживания заготовку транспортировали от печи к стану и устанавливали в валки, а затем производили раскатку. Температура начала деформации 1020 - 950^оС, температура конца деформации 950^оС. В результате раскатки на наружной поверхности образовывалась сетка трещин глубиной до 1,5 - 2,5 мм. Необходимые степень деформации 50 % и диаметр заготовки 524 мм не были получены. Заготовки раскатывались только до 410 - 490 мм, при этом становились заметными трещины. Трещины образовывались потому, что условия прокатки были близки к условиям деформирования после нагрева в области температур гомогенного состояния. Следовательно, указанный режим нагрева под раскатку неприемлем для изготовления кольцевых заготовок с малой толщиной сечения.
Вариант 2. Заготовки под раскатку нагревали при 1160^оС в течение 1,5 - 2,0 ч, охлаждали с печью до 1080 - 1050^оС, выдерживали при этой температуре 1,5 - 2,0 ч, извлекали из печи, подстуживали до 980 - 950^оС, во время подстуживания заготовку транспортировали от печи к стану и устанавливали в валки, а затем проводили раскатку. Температура начала деформации 980 - 950^оС, температура конца деформации 950 - 1000^оС. В процессе раскатки диаметр увеличивался до 524 мм при изменении сечения до 88 х 19 мм ( = 50%), до 829 мм при изменении сечения до 90 х 12 мм ( = 68%) и до 1240 мм при изменении сечения до 91 х 8 мм ( = 79%). Полученные кольцевые заготовки имели гладкую поверхность без дефектов. Высокая степень обработки сварного шва, сваренного контактно-стыковой сваркой, позволила получить механические свойства в нем, практически равные свойствам основного металла. Уровень всех показателей механических свойств, определяемых при испытании на растяжение, весьма высок и стабилен по всему контуру получаемой кольцевой заготовки, в том числе и в зоне сварного шва.
Вариант 3. Заготовки под раскатку нагревали при 1160^оС в течение 1,5 - 2,0 ч, охлаждали с печью до 1020 - 1000^оС, выдерживали при этой температуре 1,5 - 2,0 ч, извлекали из печи, транспортировали к стану и устанавливали в валки. Деформирование начинали при 920 - 900^оС. Заготовки в этих условиях не раскатывались, т.к. не хватало усилия стана (при 900^оС предел текучести сплава ВЖ101ВД возрастает по сравнению с 950^оС в 1,5 - 1,6 раза). Уменьшили сечение исходной заготовки до 40 х 38 мм. При раскатке эта заготовка разрушалась вследствие недостаточной начальной пластичности, которая при 900^оС ниже, чем при 950^оС, в 2 - 3 раза.
В рассмотренных вариантах изготовления оптимальным режимом нагрева в заданных условиях доставки заготовок от печи до стана является режим, указанный в варианте 2, где осуществляется прокатка сплава ВЖ101ВД после охлаждения с печью с 1160^оС до температуры, которая на 40 - 70^оС ниже температуры полного растворения ' - фазы и последующего подстуживания на 100^оС, т.е. подстуживание до температуры, которая ниже температуры полного растворения ' - фазы не более чем на 170^оС, так как при этом гарантируется сохранение достаточного уровня начальной пластичности.
Использование предлагаемого способа, в сравнении с известными, обеспечивает следующие преимущества:
предотвращение образования трещин горячей раскатки за счет подавления распада в процессе раскатки;
обеспечение возможности получения кольцевых заготовок с сечениями малой толщины за счет создания условий деформирования, близких к изотермическим;
повышение коэффициента использования металла за счет получения заготовок с сечениями, наиболее приближенными к сечению чистовых деталей.
Предлагаемый способ обеспечивает повышение качества и расширение номенклатуры изготавливаемых колец.