2.2.3 Термическая обработка жаропрочных никелевых сплавов

В никелевых сплавах оптимальное сочетание количества, формы ,

размеров и распределение упрочняющей фазы достигается упрочнением

термической обработки, состоящей из закалки и старения. Температура нагрева под закалку должна быть достаточно высокой для наиболее полного растворения γ’-фазы. Она обычно изменяется от 1080 до 1220°С в зависимости от состава сплава. Чем больше жаропрочные характеристики сплава, тем выше у них температуры полного растворения γ’-фазы. В некоторых сплавах при температурах нагрева под закалку не только растворяется γ’-фаза, но и выделяются карбиды типа Me₆C.

В ряде случаях применяют двойную закалку, состоящую из закалки на воздухе с высоких температур, достаточных для растворения γ’-фазы, и повторной закалки с более низких температур (1000-1050 °С).

Цель высокотемпературного нагрева под первую закалку заключается в достаточно полном растворении упрочняющих фаз, а второй , более низкотемпературный, нагрев обеспечивает определенную гетерогенизацию структуры. При нагреве под повторную закалку по границам зерен выделяются и коагулируют карбиды.

Двойная закалка обеспечивает более высокие пластические свойства состаренных сплавов по сравнению с одинарной закалкой. Карбиды, выделяющиеся при 1000-1050 °С, равномерно распределяются по объему. Если повторную закалку не делать и проводить старение после высокотемпературной закалки, то карбиды образуют по границам зерен сплошную сетку, снижающую пластичность.

При закалке сплавы, как правило, охлаждают на воздухе, поскольку резкое охлаждение в воде вызывает образование трещин, особенно в высоколегированных сплавах малой пластичности. Закаленный γ-раствор неоднороден, в процессе охлаждения в нем перераспределяются легирующие элементы и образуются обогащенные алюминием и титаном области размером от8 до 100 нм. В сложно легированных сплавах, а также в сплавах с высоким содержанием алюминия даже при охлаждении в воде происходит частичный

распад пересыщенного γ-раствора по схеме γ→ γ’ с выделением

тонкодисперсных частиц упрочняющей фазы. Длительность нагрева под закалку довольно велика и составляет 2 - 12 ч. Нагрев под закалку осуществляется в печах с защитной средой или в вакууме во избежание обеднения поверхностного слоя легирующими элементами.

Последующее старение проводят при температуре выше ожидаемой в условиях эксплуатации или, по крайней мере, равной рабочей температуре. Температура старения составляет от 700 до 950 °С в зависимости от состава сплава. В процессе старения из пересыщенного твердого раствора выделяется фаза γ’. Если частичный распад γ→ γ’ прошел уже на стадии охлаждения, то выделяющиеся ранее частицы укрупняются и, кроме того, образуются новые частицы.

Из-за малой межфазной энергии высокодисперсная структура сплавов остается стабильной длительное время (тысячи часов) при довольно высокой температуре. При длительном воздействии слишком высоких температур в никелевых сплавах происходят следующие структурные изменения:

а) коагуляция частиц упрочняющей γ’-фазы; в некоторых сплавах при этом нарушается когерентность γ’-частиц с матрицей;

б) дополнительное выделение и коагуляция карбидных и боридных частиц;

в) Формирование по границам зерен зон, обедненных карбидообразующими элементами;

г) образование выделений фазы типа Ni₃Ti пластинчатой формы (в сплавах содержащих титан).

Большинство протекающих при этом процессов приводит к снижению характеристик жаропрочности. В связи с этим сплавы обладают наиболее высокой жаропрочностью после старения при некоторых оптимальных температурах.

Жаропрочные никелевые сплавы часто подвергают ступенчатому старению, причем температура второй ступени несколько ниже, чем первой. Цель ступенчатого старения – обеспечение возможности более полного выделения γ’-фазы.

За формирование дисперсной структуры высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов ответственны все этапы термической обработки.

В последнее время жаропрочные никелевые сплавы перед деформацией подвергают гомогенизационному отжигу, который включает высокотемпературный нагрев для устранения последствий дендритной ликвации и медленное охлаждение с целью гетерогенизации структуры. В этом случае считают целесообразным снижать температуру нагрева под твердую закалку почти до значений сольвуса, но достаточных, конечно, для полного растворения γ’-фазы.

Для снятия остаточных напряжений после механической обработки применяют отжиг при температурах ниже температур нагрева под закалку, но выше температур старения, а затем для восстановления жаропрочных свойств готовые изделия подвергают дополнительному старению.