Спосіб відновлювальної термічної обробки лопаток деформівних дисперсійно твердіючих жаростійких нікелевих сплавів, перегрітих у процесі експлуатації

1. Способ восстановительной термической обработки лопаток из деформируемых дисперсионно твердеющих жаропрочных никелевых сплавов, перегретых в процессе эксплуатации, включающий нагрев, изотер Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу ремонта деталей, в частности - рабочих лопаток, после работы их в составе газовых турбин и турбокомпрессоров, и может быть использовано для устранения структурных повреждений, вызванных экстремальными условиями эксплуатации двигателей, и восстановления мех а н и ч е с к и х и ж а р о п р о ч н ы х свойств материала. Известны способы восстановления деталей из жаропрочных сплпиов, согласно которым повышение свойств материала в деталях после эксплуатации достигается за мимескую выдержку для выделения и коагуляции у -фазы и охлаждение, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что нагрев проводят до оптимальной температуры дисперсионного твердения, выдержку осуществляют в течение времени, необходимого для достижения размера частиц у -фазы 0,05-0,5 мкм, а охлаждение проводят до 500-550°С со скоростью не менее 50°С/ч, далее на воздухе. 2. Способ по п . 1 , о т л и ч а ю щ и й с я тем, что выдержку лопаток из сплава ЭИ 437-ВД проводят в течение 5-8 ч. 3. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что выдержку лопаток из сплава ЭИ 867-ВД проводят в течение 4-6 ч. 4. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что нагрев, выдержку и охлаждение до 500-550°С ведут в среде аргона. счет применения высокотемпературных нагреоов в однофазной области; 1. Нагрев в течение 4-6 часов при температуре 1040-1100°С, охлаждение на воздухе и последующее старение при 840-860°С о течение 15-20 ч [1]. 2. Нагрев в однофазной области при температуре 1160-1220°С в течение времени, необходимого для перевода о твердый раствор не менее 50% объемной части упрочняющей у1-фазы [2] К недостаткам вышеприведенных способов следует отнести следующее: 1. Оба способа имеют своей целью устранение повреждений, накопленных в ляя 15917 структуре материала D процессе длительной эксплуатации в нормальных (близких к заданным) условиям работы, т с. не связанных с нарушением температурных условий эксплуатации двигателя 5 2 Для перекрытых деталей нагрев D однофазной области не целесообразен, ибо • данный нагрев уже произошел D эксплуатации вследствие кратковременного завышения рабочего (температурного) режима 10 двигателя 3. Предлагаемые высокотемпературные нагревы D области температуры полного растворения у1-фазы в воздушном среде не по гут быть использованы для деталей с тон- 15 кимп цюмками и достаточно ажурными профилями пера из-за необратимых процессов окисления кромок и изменения геометрических размеров деталей. А Обаспособамогутбьпьиспольэоваиы 20 лишь при условии наличия вакуумного оборудования (печей) для термообработки, Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности является способ термической обработки лопаток из 25 никелевых жаропрочных сплавов после экс-* плуатацпи, включающий нагрев при температуре 840 0GO°C в течение 3-G ч с охлаждением на воздууе [3] Недостатки данного способа состоят в 30 том, что: Конкретная температура восстановления (Q'lO-BGO^C) может реализовать свойства лишь конкретного жаропрочного сплава, папример, ЭИ893 для которого и разработана 35 авторами данная термообработка. Для сплавов, отличающихся от ЭИ893 леїированиєм (а следовательно, количеством у1-фэзы и природой карбидных фаз, присутствующих в сплаве) темпераіура 840-8 60° С не являет- 40 ел оптимальной с точки зрения обеспечения необходимого уровня эксплуатационных ссопете Перечисленные- недостатки не позволяют полностью устранить структурные по- 45 врежденкя и изменения в фазовом составе лопаток, забракованных по перегреву, и восстановить рабочие свойства материала до уроьня исходного металла 50 В основу изобретения поставлена задача повышения работоспособности лопаток из деформируемых дисперсионно твердеющих жаропрочных никелевых сплавов, перегретых п процессе эксплуатации путем 55 восстановительной термической обработки так,чтобы получитьисходиые величины предела усталости, длительной прочности и твердости. Задача решается следующим образом детали, имеющие перегрев, т.е нагретые в эксплуатации до температур, значительно превышающих расчетные (близких к температуре частичного или полного растворения у1-фазы) подвергают нагреву до оптимальной температуры дисперсионного упрочнения сплава, выдержке до получения размера частиц у^фазы (0.01-0,06 и 0,1-0,5 мкм соответственно, сплавам ЭИ 437Б и ЭИ867-ВД) и охлаждению со скоростью >50°С/ч до 500550°С В случае изготовления лопаток из сплава ЭИ437-ВД это время составляет 5-8 ч, о из сплава ЭИ867-ВД 4-6 ч Термообработка проводится в защитной атмосфере предпочтительно в аргоне. Контроль лопаток на перегрев осуществляется различными методами, о зависимости от количества у -фазы в сплаве. Так, например, на лопатках из сплава ЭИ867-ВД (где у1-фээа типа МзА! составляет 28-30%) посредством микроанализа, па шлифе, изготовленном вдоль входной кромки пера лопатки, прихватывая и замок (хвостовик); на лопатках из сплава ЭИ437Б-ВД (у1-фэза типа NI3AINI составляет 8-12%) методом замера твердости вдоль спинки пера, также прихватывая замок. Замок в обоих случаях является критерием оценки исходного состояния материала лопаток. Пример осуществления. Исследование по определению контрольных параметров материала лопаток было проведено на штамповках, с сечением по ntpy, позволяющим изготовление полномерных образцов, для испытания кратковременной и длительной прочности С целью имитации эксплуатационных перегревов штамповки подвергались нагревам в электропечах при температурах 1ООО...125О°С для сплава Э И 0 6 7 - В Д и 850. . 1050°С для сплава ЭИ437Б-ВД с интервалом в 50°С и последующим охлаждением на воздухе После чего проводили восстановительную термообработку (старение) при температурах 950 и 700 °С (в среде аргона) соответственно сплавам, со скоростью охлаждения = 50°С/ч (охлаждение на воздухе не опустимо из-за окисления поверхности). С целью определения возможности повторных неоднократных ремонтов, цикл "перегрев-восстановление" повторялся до 3 раз (табл.1,2). Испытания длительной прочности показали, что перегрев сплава хотя и приводит к небольшому снижению длительной прочности, однако по абсолютным значениям дли 1D917 тельной прочности находится значительно выше норм ТУ ( > 50 ч) Кратковременная и длительная прочность непосредственно после перегрева и перегрева с восстановлением по принятому 5 режиму (950°С охлаждение на воздухе) на лопатки из сплава ЭИ867-ВД приведены в табл.3. Таким образом, на основании приведенных в таблицах 1, 2, 3 результатов была ус- 10 тановлена возможности восстановления свойств перегретых в эксплуатации лопаток до уровня неработавшего металла. Изучение возможности повышения рабочих свойств материала лопаток за счет восста- 15 новительной термгобрабагки и практическое применение последней было выполнено на лопатках из двух сплавов: ЭИ867-ВД и ЭИ437Б-ВД, перегретых в эксплуатации. Для исследования были отобраны пере- 20 гретые в эксплуатации лопагки из сплава ЭИ867-ВД с двигателей АИ20М и'лолатки из сплава ЭИ437Б-ВД с двигателей АИ25 Перегрев на лопатках из сплава ЭИ867ВД контролировался по макро- и микро- 25 с т р у к т у р е ; на лопатках из сплава ЭИ4376-ВД - по изменению твердости. Следует отметить, что перегреву подвергается только часть пера лопатки, расположенная в зоне действия максимальных 30 температур, а именно, между l-IV сечениями, при этом, в зоне близкой к V сечению пера и в замке (хвостовике) материал сохраняет свойства, заданные термической обработкой в процессе изготовления лопаток, до 35 постановки их на двигатель. Как показала практика контроля степень перегрева лопаток из сплава Э14867ВД по макро- и микроструктурному анализу может быть различной, так как обусловлена 40 динамикой действия перегрева и находится в прямой зависимости оттемпературно-временного фактора. В зоне перегрева в структуре сплава ЭИ867-ВДу1-фаза может отсутстповэть пол- 45 ностыо, либо частично, поле шлифа в зоне перегрева состоитих зерен твердого раствора и карбидов по границам зерен, не претерпевших видимых изменении Отсутствие у -фазы выражается в ела- 50 бой траоимости микроструктуры в зоно перегрева. Экспериментально усіллошісно, что такое состояние структуры Нізбіїодоемое и пере перегретых лопаток соответствует 55 нагреву о эксплуатации до температуры 1150-1200°С. Лопатки из сплава ЭИ437Б-ВД, перегретые в эксплуатации, имеют низкую твер 6 дость (к примеру ИВ 01 п 3,9 4 5 им вместо 3,4...3,8 мм по ТУ), что свидегольстзует о их разупрочнении, вследствие поздействия на них температуры порядка 850-1000°С, Опробование режимов восстановления. Термк зской обработке по предлагаемому способу подвергались лопатки турбины, забракованные контролем по перегреву II ступени из сплава ЭИ867-ВД изделия АИ20М и 1 1 ступени из сплав** ЭИ437Б-ВД 1 изделия АИ25. Режим восстановительной термообработки, свойства материала из сплавоп ЭИ437Б-ВД и ЭИ367-ВД по предлагаемым режимам восстановительной термообработки приведены в табл.4 Опробование рекомендованных режимов восстановления на перегретых лопатках турбины из сплавов ЭИ867-ВД и ЭТ437Б-ВД проведено испытаниями па технологических двигателях изделий АИ20М и А1425ТЛ по программам эквивалентно циклических испытаний (ЭЦИ) и натурными испытаниями на усталостную прочность. Исследованиями микроструктуры, проведенными в оптическом и электронном микроскопах лопаток из сплава ЭИ867-ВД показано, что после восстановительной термической обработки лопаток морфология )'1 - фазы становится нормальной и имеет размер 0,1-О.ймкм длг, сплава ЭИ867-ВД по всему сечению пера. Твердость на лопатках турбины из сплава ЭИ437Б-ВД после восстановительной термической обработки повышается с 0 о т п . 3,85...4,5 мм НВ 10/3000 до уровня исходной 0 о т п , 3,4...3,8 мм нормы ТУ, за счет вторичного выделения у -фазы в размере исходной, 0,01...0,05 мкм. Результаты испытаний на усталостную прочность натурных лопаток позволяет полностью возвратить служебные характеристики материалу лопаток к первоначальному уровню, усталостная прочность (а—і 2 0 ) но лопатках из сплава ЭИ867-ВД составляет 25 кгс/мм при норме ТУ чертежа > 2 1 кгс/мм . Таким образом, оптимальное сочетание комплекса эксплуатационных характеристик для стареющих материалов, в данном случае сплавов ЭИ867-ВД и ЭИ437Б-ВД достигнуто при использовании предлагаемого способа, и подтверждено удовлетворительным СОСТОРНИЄМ лопаток после отработки их на технологических двигателях нзде/шч АИ20М и АИ25ИЛ по проіраммлм эквивалентно циклических испытаний за гри рес/рса. 15917 Таблица Режим экспериментальных перегревов и восстановления лопаток из сплава ЭИ867-ВД 1 3 перегрев 2 перегрев 1 перегрев и восстановление и восстановление и восстановление Длительная прочность по режиму ТИ: Тисп-90°С, напряжен. 22 кгс/мм 2 , ч Исходное состояние, после стандартной термообработки: закалка 1120+10°С, 5 ч, старение 950±10°С8ч нагревы и восстановление: 1000°С, 15-60 мин+950°С, 5ч ' 1050°С, -"*950°С,-"-*'. 1100°С, -"+ -"-, -"* ' 1150°С, -"+ -"-, -"-* 1200°С, -"+ -"-, -"* * 1250°С, - я + -"-, -"~*) 108 100 102 106 127 94 101 115 118 109 90 82 88 133 145 116 113 62 90 Таблица Режим экспериментальных перегревов и восстановления лопаток из сплава ЭИ867-ВД Твердость НВ, отп. в мм 1 перегрев 2 перегрев 3 перегрев + восстанов- + восстанов- + восстановление ление ление Длительная прочность по режиму ТУ: Тисп 700°С, напряжен. 46 кгс/мм , ч Исходное состояние, после стандартной термообработки: закалка 1080±10 С, 8 ч, старение 700±10°С 16 ч нагревы и восстановление: 850°С, 5-30 мин +700°С, 8ч *' 900°С, -"+ -"-, -"-* } 950°С, -"+ -"-, -"-*J 1000°С, -"+ -"-, -"-*{ 1050°С, -"+ -"-, -*-*' 3,40 3,45 3,50 3,60 3,55 3,60 2 95 115 60 100 109 140 89 58 94 95 115 126 61 55 61 9 15ІН7 10 Таблица 3 Режимы экспериментальпых нагревоа и восстановления Кратковременная прочность Г~ра испыт. к гс/мм °С Исходное состояние, после стаі'дпртиоГі тсрмо обработки. закалка 1120±10°С, 5 ч. старение 950±10°С 8 ч нагрепы и восстановление 1000°С, 15 мин 1000°С, 15 мин ^ ( ^ С Б ч * 1 1050°С, 15-"1050°С, 15мин+950°С,5ч* } 1100°С, 15-" 1юо°с, is-^+gso^^* 1 1150°С, 15-"1150°С, I S - ' ^ + O S O X S M * 1200°С, 15-"1200°С, 15-"-+950 о С,5ч* } ИОрмы ТУ 1 2 Длительная прочность, Т^гп 900°С 22 кгс/мм 2 д. % V. % ч 50°С/ч до 500-550°С, далее на воздухе. 12 15917 Сплав Способ N-N; пп Таблица 4 Характеристика м и кростру кту р ы, Восстановительный режим термической обработки температура °С размеру' фазы, мкм скорость время ч (арг) 0ХЛ8ЖД ДО 50О-55О°С и среде аргона, далее на воздухе Предлагаемый 5 50% 0,05 а 100°/ч 0,02 6 б 4 12б°/ч 200°/ч 1407ч 0 05 0.1 0.5 840 б не воздухе полное рэстеорех. 860 840 660 3 6 3 700 (после одинарного перегрева) С90 (после 2-х перегревов) 710 (после 3-х перегревов) 550 960 ЭИ437В-ВД ЭИ8б7-Вд ЭИ437Б-ВД 1 2 3 ЭИ8С7-ВД 4 5 Прототип 6 у'-фазы 7 В 9 Нормы ТУ для лопаток из 0.01 0,01 сплава ЭИ437Б-ВД ЭИ867-ВД Продолжение табл 4 Экспериментальные свойства №1* ГіП Кратковременная прочность Длительная прочность Усталостная прочность а. д. 0 тверд отп темпер исп,°С 1 2 3 4 5 34 3.6 3 45 3.3 3.35 700 6 700 7 3.9 4.0 4.2 8 9 29 ЗО 900 -" 55 50 4.4 700 900 2 70 2 58 215 28 Упорядник Замовлення 4207 кгс/мм 2 V темпер О, исп , °С яге/мм 3 „ Г. ч до разр % 900 83 70 168 25 21 25 700 700 46 46 55 43 25 74 7 75 24 29 35 6 35.5 900 .-. 22 -• 108 98 21.5 21.5 образцы тянутся 700 образцы тянутся -* -• 700 64 900 -• 22 45 -• 220 212 Техред М.Моргентал 700 900 46 22 Коректор 240 250 Л.Лукач Тираж Підписне Державне патентне відомство України, " 254655, ГСП, КиГв-53, Львівська пл.. 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101 25