Порошковых заготовок

В сегодняшней практике значение противоусталостной стойкости, как факт ра, определяющего долговечность деталей из суперсплавов, во все большей м ре превосходит значение характеристик их длительной прочности. Это полож ние .относится к изделиям и из деформируемых, и из литейных сплавов. Место зарождения усталостного разрушения стали главным образом оксидные включ иия. В конце 1970-х гг. предприняты самые крупные шаги [6] в части прои водства чистых порошковых суперсплавов, предназначенных для последующе] консолидирования в ниде сверхвысоконадежных дисков из деформируемого nopoi кового материала. Пришли к заключению, что после обычной вакуума индукционной ныпланки суперсплава его загразненность можно существенно сн зить путем рафинирующего электронно-лучевого переплава на холодном поду, i и процессе производства порошка на поверхности порошинок образуется окси; иая пленка, и это приводит к некоторой утрате преимуществ, полученных бл годаря предшествующим операциям по очистке сплава. В то же нремя на лиге; иом производстве изделий из суперсплавов стали применять керамические се чатые фильтры (с плотностью 4—8 ячеек/см), чтобы снизить количество включ иий, оставшихся в материале после вакуумно-индукционной плавки. Материа получаемый после электронно-лучевого переплава на холодном поду, по CBOI чистоте являлется шагом вперед; этот материал относится к числк кандидатнь для применения в особо ответственных изделиях, однако его продолжают иссл довать, поскольку он дает низкий полезный выход в литейном производстве и за все еще чрезмерно остаточного содержания неметаллических включени Итак, желательно иметь материал повышенной чистоты, однако реализовать ei преимущества не удастся, пока в распоряжении не будет усовершенствованнь тиглей для переплава и изложниц, не усугубляющих проблему "загрязнен^ Гарнисажные печи, подобные тем, что многие годы используют при литье тит; новых сплавов, — привлекательный вариант оборудования, которое может бы-использовано при производстве литых конструкций, а при соответствующе видоизменении (использовании электронного пучка), в производстве отливе направленной кристаллизации [7].

Еще одна область применения порошковых суперсплавов — это изготовлеии располагающихся на выходе каждого контура турбины неподвижных направляющи лопаток; имеются также хорошие перспективы и для использования листовых ма териалов в качестве обшивки камер сгорания. Такие листы изготавливаются и УДО сплавов. При этом порошки исходных элементов или готовой лигатуры пере мешиваются в твердом состоянии с очень мелкими частицами оксидов и за сче механического легирования происходит формирование однородной смеси части порошка. Затем этот порошок методом горячей экструзии консолидируется д максимально возможной плотности и подвергается направленной рекристаллиза ции до получения специфической кристаллографической текстуры, в результат чего формируется анизотропная, но стабильная структура. Такие материалы мс гут применяться до температур около 1100 °С. Наличие дисперсных выделени оксидов гаравтирует высокую прочность этих материалов за счет действия ме ханизма защемления дислокаций (упрочнение Орована) при температурах^ боле высоких, чем область эффективного упрочняющего действия выделений у' -фазь Эти сплавы также вследствие образования на их поверхности оксидного ело! имеющего хорошее сцепление с матрицей, обладают хорошей коррозионной стой костью в агрессивных средах.

За период, прошедший со времени начала разработки и применения изделий из порошковых суперсплавов, были опробованы практически все сколь-нибудь известные технологические процессы их производства. Однако из-за высокой химической активности легирующих элементов, входящих в состав суперсплавов, распространение получили лишь процессы, протекающие в инертной атмосфере (в газовой среде или вакууме). Как было установлено ранее, содержание кислорода и азота в рабочей среде должно быть минимальным, а прочное соединение частиц порошка в прессованной детали возможно лишь в случае, когда их поверхности свободны от оксидов, нитридов и карбидов [5]. Всем этим требованиям удовлетворяют такие технологические процессы, как распыление в атмосфере инертного или растворимого газа, процесс с вращающимся электродом и центробежное распыление (так называемый процесс быстрого затвердевания). Требования к порошкам с дисперсными оксидами отличаются от обычных и такие порошки изготавливаются методом механического легирования.

Обычно сплавы из распыленных порошков представляют с бой материалы с высокой объемной долей -у'-фазы и содерж; в своем составе тугоплавкие элементы, так что их получ ние традиционными методами литья и деформации невозмож] из-за неприемлемо сильной сегрегации компонентов. В ви, порошков эти сплавы по своему химическому составу чаг всего близки к обычным сплавам, за исключением более ни кого содержания углерода в порошках. Это связано с не» лательностью образования в порошковых сплавах карбиде препятствующих контролируемому изменению размера исходи го зерна в сплаве, что на практике проявляется в декор ровании поверхости частиц порошка карбидами, затрудняющ! их соединение в процессе консолидации при изготовлен] изделия (эффект первичных порошковых границ, т.е. сох[ нения в консолидированном материале границ между исходи ми частицами порошка). Наибольшее распространение получ ли порошковые сплавы Rene' 95, низкоуглеродистый IN-K MERL-76 и низкоуглеродистый Astroloy. Разрабатываются другие сплавы, предназначенные специально для порошков методов производства, однако эта работа еще не законче] Типичные химические составы порошковых суперсплавов пре ставлены в табл. 17.1.

Термомеханическая обработка порошковых суперсплавов пре следует несколько целей. В порядке их важности это:

Ковка порошковых суперсплавов может поризводиться ра: ными способами, но наиболее широко применяется операць изотермической ковки, когда и оснастка и обрабатываемы металл находятся при одной и той же температуре. Hanpi мер, консолидированный при температуре ниже сольв^ (температуры растворимости у-фазы) порошок сплав Rene 95 имеет мелкозернистую (2—5 мкм) структуру и облг дает сверхпластическими свойствами [25], т.е. при малы скоростях деформации пластическое течение этого материал протекает при очень небольших напряжениях. Результате! деформации является увеличение напряжения до пиковог значения и последующее разупрочняющее течение материала постоянной скоростью накопления деформации.

Таблица 173. Механические свойства порошковых суперсплавов [24]

Одной из положительных характерных особенностей порошковых суперсплавов является их мелкозернистая однородная структура. Обычно размер зерна в современных порошковых суперсплавах соответствует 7—12 баллу ASTM. Для иллюстрации на рис. 17.10 представлены типичные микроструктуры литого и деформированного сплава Rene 95 и порошковых сплавов Rene' 95, полученных горячим изостатическим прессованием, а также экструзией с изотермической ковкой. ГИП порошковые сплавы имеют более мелкое (8 балл ASTM) и однородное зерно, чем литой и деформированный сплав, а термообработанный после экструзии сплав обладает еще более мелкозернистой структурой (11-12 балл ASTM). В табл. 17.4 приведены сравнительные данные по механическим свойствам этих трех материалов [25]. В полном соответствии с соотношением Петча прочность и пластичность при растяжении с измельчением зерна возрастают [26].

Дефекты третьего типа, или первичные порошковые границы (ППГ)1, представляют собой "размытые" дефекты и, как правило, занимают гораздо больший объем материала, чем дефекты первого и второго типа. Как показано на рис. 17.15, дефекты третьего типа отличаются характерной полунепрерывной сеткой из мелких оксидных или карбидных выделений вокруг поверхности исходной частицы порошка. Ядро исходной примесной частицы можно считать центром области, оказывающей загрязняющее воздействие. На рис. 17.15,/! представлен пример дефекта типа ППГ с сохранившимся ядром в виде включения частицы огнеупора. Дефекты типа первичных порошковых границ вызывают появление на фрактограмме усталостного излома характерных особенностей типа шаров или впадин, что видно на рис. 17.15,5. Дл появления дефектов третьего типа необходим источим кислорода или углерода, вступающих в реакцию с поверх ностью порошка в процессе ГИП. В зависимости от природы i числа загрязняющих включений дефекты типа ППГ могут рас пространяться на область от нескольких десятков квадрат ных микрометров до области, площадь которой на несколько1 порядков величины превышает максимальный размер 160 • 103 мкм2, . приведенный в табл. 17.8. Таким образом, дефекты типа первичных порошковых границ оказывают наиболее значительное влияние на ухудшение динамических свойств порошковых суперсплавов.

Так как усталостная долговечность современных порошковых суперсплавов ограничивается наличием в них дефектов, то исследование процессов распространения трещин в материалах для аэрокосмической промышленности приобретает все более важное значение. В большинстве случаев при проведении таких исследований задается определенный начальный

Для получения комплекса высоких прочностных и вязкостных свойств для порошковых суперсплавов используют термомеханическую обработку (ТМО), формирующую в металле «ожерельчатую» структуру. Это -двойная микроструктура из крупных деформированных зерен, окаймленных мелкими рекристаллизованными зернами. Ее получают при деформации сплавов на 40...50 % при температуре ниже У-сольвуса, рекристаллизации выше У-сольвуса и повторной деформации на 40...50% ниже у-сольвуса.

Типовыми деталями, изготавливаемыми из порошковых заготовок, являются шестерни, кулачки, звездочки, накладки, шайбы, заглушки, гайки, втулки, храповики, фланцы, детали измерительных инструментов и др.

7,3. Классификация порошковых заготовок по группам сложности

При анализе возможности производства порошковых заготовок учитывают сложность изготовления пресс-форм, количество и трудоемкость операции, влияние конфигурации детали на равномерность плотности заготовки по всему сечению. Наиболее целесообразно изготавливать методами порошковой металлургии заготовки из цветных металлов и сплавов (1...7 групп сложности), стальные и чугунные детали крупносерийного производства (1...5 групп сложности) .

На третьем этапе для сравнения с другими видами заготовок анализируют годовую программу выпуска порошковых заготовок, которая должна быть не ниже критической, коэффициент использования материала и себестоимость изготовления заготовки с учетом последующей механической обработки.

Рис. 7.2. Примеры конструкций порошковых заготовок:

Рис. 7.3. Обеспечение технологичности порошковых заготовок с выступающими частями, выступами и выемками: слева — нетехнологичный вариант, справа — технологичный вариант конструкции заготовки

При прессовании в закрытых пресс-формах получают заготовки заданной формы и размеров. Однако допуски на их размеры по длине и поперечному сечению более высокие по сравнению с точной механической обработкой. Точность изготовления порошковых заготовок зависит от точности пресса, пресс-форм, стабильности упругих последействий при холодном прессовании и объемных изменений при спекании, износа пресс-форм, роста линейных размеров полуфабрикатов и изделий при хранении и т. д. Упругое последействие зависит от ряда технологических факторов: дисперсности и формы частиц порошка, содержания оксидов, твердости материала частиц, давления, прессования, наличия смазок и пр. Упругое последействие в заготовках из порошков хрупких и твердых материалов всегда больше, чем в изделиях из мягких и пластичных порошков. Оно сильнее проявляется по высоте заготовок (до 5...6 %), чем по диаметру (не более 2...3 %). Упругое последействие облегчает снятие заготовок с пуансона за счет увеличения охватывающих размеров, но препятствуют их извлечению из пресс-форм при наличии всевозможных выступов, ребер и пр.

Точность геометрической формы и взаимного расположения поверхностей прессовок (круглость, соосность) практически не зависят от схемы прессования и определяются в основном точностью пресс-форм. Поэтому точность изготовления пресс-форм должна быть на 1 квалитет выше заданной точности порошковых заготовок.

Для повышения точности пористых порошковых заготовок применяют калибрование путем обжатия их после спекания в калибровочных пресс-формах при припуске 0,5...1,0 %. Усилие при калибровке составляет 10...25 % усилия холодного прессования. Упругое расширение после калибрования достигает 0,1 %. Отклонения диаметральных размеров калиброванных изделий от соответствующих размеров матрицы или стержня калибрующей пресс-формы не превышает 5...10 мкм.

7.4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОРОШКОВЫХ ЗАГОТОВОК

Экономическая эффективность изготовления порошковых заготовок тем больше, чем больше их серийность. Поэтому такая технология доступна только при годовой программе выпуска в несколько тысяч штук. Опыт промышленности показывает, что заготовки из литья и проката черных металлов целесообразно переводить на изготовление из порошков при серийности ГО 000 шт., а заготовки из цветных металлов — при серийности 2000...3000 шт. При использовании групповой технологии изготовление порошковых заготовок может быть целесообразным и при годовой программе в несколько сотен штук. Экономически эффективная программа выпуска порошковых заготовок зависит от их группы сложности, массы, вида порошкового материала и других факторов. Экономически эффективные программы выпуска для заготовок на основе железа представлены в табл. 7.5. Сравнение потенциальных возможностей производства заготовок методами порошковой металлургии и литья приведено в табл. 7.6.