При равноосной кристаллизации скорость охлаждения сплавов почти такая же, как и при термической обработке в вакууме, поэтому частицы g'-фазы, выделившиеся во время кристаллизации, мало отличаются по размерам от частиц, выделяющихся в процессе охлаждения при термической обработке, и дальнейшего измельчения частиц не происходит.
Термическая обработка стабилизирует структуру сплавов, увеличивает объёмное содержание g'-фазы, уменьшает степень её неоднородности по химическому составу и по размерам, снижает уровень ликвации, что в итоге приводит к существенному повышению характеристик долговечности лопаток турбин.
Особое значение приобретает термическая обработка лопаток турбин при ремонте, когда требуется восстановить начальную структуру и свойства сплавов, претерпевших существенные изменения в процессе эксплуатации при длительном воздействии на детали термомеханических нагрузок. Своевременное восстановление тонкой структуры сплавов при ремонте обеспечивает двух-трёхкратное увеличение их ресурса.
Направленная кристаллизация сообщает сплавам повышение предела выносливости, длительной прочности и пластичности.
| Марка сплава | ЖС6К | ЖС6У | ЖС6Ф | ЖС6К-НК | ЖС6У-НК | ЖС6Ф-НК |
| s-1900 | 250 | 290 | 260 | 260 | 310 | 350 |
| s1001000 | 160 | 170 | 180 | 175 | 185 | 190 |
| d20 | 5 | 6 | 6 | 6 | 8 | 9 |
Развитие направленной кристаллизации обеспечило решение задачи получения эвтектик с ориентированной структурой, представляющих собой естественные композиционные жаропрочные сплавы. Температурный уровень их работы существенно выше, чем у сплавов с равноосной и направленной структурами. При высоких температурах основным упрочнителем жаропрочных композиционных сплавов системы g/g¢-МеС являются волокна МеС, которые обладают высокой температурной стабильностью.
Весьма перспективными являются керамические материалы на основе Si3N4, SiC, окисленных эвтектик, которые позволяют обеспечить работу лопаток турбин высокотемпературных двигателей при рабочих температурах до 1550-2200°С.
Рассмотрим некоторые марки сплавов, применяемых для изготовления дисков турбин.
Диски последних ступеней компрессоров и диски турбин авиадвигателей подвержены высоким нагрузкам и неравномерному нагреву. Так, например, обод нагревается до 550-800°С, а ступица дисков турбин нагревается до 300-500°С. диски содержат большое количество концентраторов напряжений, поэтому материалы для дисков турбин должны иметь следующие свойства:
1. Высокую прочность и жаропрочность во всём диапазоне рабочих температур.
2. Низкую чувствительность к концентрации напряжений.
3. Высокую пластичность при длительном и кратковременном нагружении.
4. Высокое сопротивление малоцикловой усталости.
5. Стабильность структуры и фазового состава сплава.
6. Хорошую технологичность.
Выполнение этих требований достигается упрочнением твёрдого раствора, увеличением объёмног содержания g¢-фазы, контролем за выделением карбидов и g¢-фазы по границам зёрен, исключением охрупчивающих фаз и очисткой сплавов от вредных примесей.
Дисковые сплавы на основе никеля представляют собой сложнолегированные композиции, трудно поддающиеся деформированию. В них недопустимы охрупчивающие фазы типа s, m, c и другие, не должно быть крупных выделений карбидов, зональных ликвационных неоднородностей.
В современных отечественных авиадвигателях применяются сплавы для дисков, не уступающие по свойствам лучшим зарубежным дисковым сплавам, а по длительной прочности превосходящие их.
В дисковых сплавах применяется принцип многокомпонентного легирования, развитый при разработке жаропрочных сплавов для лопаток турбин.
В настоящее время для изготовления дисков турбин применяются деформируемые сплавы ХН77ТЮР (ЭИ437БУ), ХН73МБТЮ (ЭИ698), ХН62БМКТЮ (ЭП742), ЭП741 и др.
Химический состав сплавов
| Марка материала | Ni | C | Cr | Co | Mo | Y | Nb | Al | Ti | Sg¢, % |
| ХН77ТЮР (ЭИ437БУ) | Основа | 0,07 | 21 | - | - | - | - | 0,8 | 2,7 | 10 |
| ХН73МБТЮ (ЭИ698) | Основа | 0,08 | 15 | - | 3 | 2 | 2 | 1,5 | 2,5 | 22 |
| ХН62БМКТЮ (ЭП742) | Основа | 0,08 | 14 | 10 | 5 | - | 2 | 2,6 | 2,6 | 32 |
Штамповка до термической обработки сообщает дискам текстуру деформации, которая связана с дендритным характером кристаллизации слитков и неодинаковой пластической деформацией различных участков заготовок дисков. Увеличение количества g'-фазы усиливает текстуру деформации дисков, ухудшает технологичность. Современные сплавы для дисков содержат до 60% упрочняющей g¢-фазы. При высоком содержании g¢-фазы усиливается неоднородность её распределения, возникает глубокая разнозернистость. Поэтому перед закалкой проводят отжиг при температурах 900-1100°С для повышения однородности зёрен.
Для получения оптимальной структуры и необходимых свойств диски подвергаются закалке и старению.
| Марка стали | Термическая обработка | Механические свойства | Tэксп, °С | ||
| s100750, МПа | d, % | KCU, МДж/м2 | |||
| ХН77ТЮР (ЭИ437БУ) | Закалка с 1080°С, 8 ч на воздухе. Старение при 750°С, 16 ч. | 350 | 15 | 0,5 | 700 |
| ХН73МБТЮ (ЭИ698) | Первая закалка с 1120°С, 2 ч на воздухе. Вторая закалка с 1000°С, 3 ч на воздухе. Старение при 800°С, 8 ч. | 420 | 17 | 0,5 | 750 |
| ХН62БМКТЮ (ЭП742) | Первая закалка с 1150°С, 8 ч на воздухе. Вторая закалка с 1050°С, 4 ч на воздухе. Старение при 850°С, 8 ч. | 520 | 20 | 0,5 | 800 |
| ЭП975 | Закалка с 1200°С, 8 ч на воздухе. Старение при 900°С, 8 ч. | 750 | 14 | 0,45 | 850 |
Более высокая жаропрочность сплавов ЭП742 и ЭП975 обусловлена снижением содержания хрома до 8-10% и введением вольфрама, молибдена, кобальта, увеличением количества g¢-фазы до 60%. В сплаве ЭП975 суммарное содержание (W+Mo)=10-12%, а (Al+Ti)=7,5%. При увеличении суммарного содержания g¢-фазы до 60% в структуре появляется неравновесная (g-g¢)-эвтектика, поэтому нагрев при закалке производится ступенчато, чтобы избежать оплавления эвтектики. Охлаждение дисков при закалке проводят в масле или сжатым воздухом.
Двойную закалку применяют для улучшения вязкости и пластичности сплавов. При первой закалке обеспечивается достаточно полное растворение упрочняющих фаз, гомогенизация сплава. При нагреве под повторную закалку по границам зерен выделяются и коагулируют частицы карбидов, происходит частичный распад пересыщенного твердого раствора с образование достаточно крупных частиц g¢-фазы. Карбиды выделяющиеся при 1000-1050°С, равномерно распределяются по объёму. При отсутствии второй закалки однократная закалка со старением приводит к образованию по границам зерен сплошной карбидной сетки, которая снижает пластичность.
При старении происходит дополнительное выделение частиц g¢-фазы и упрочнение сплавов. Наличие небольшого количества сравнительно крупных сферических частиц g¢-фазы, сформированных во время нагрева под вторую закалку, и мелкодисперсных выделений частиц g¢-фазы, выделевшихся при старении, обеспечивает максимальную долговечность дисков из сплавов ЭИ698 и ЭП742.
Окончательная структура сплавов состоит из g-твердого раствора, g¢-фазы и карбидов.
Существенное расширение возможностей дальнейшего легирования сплавов для дисков обеспечивает использование металлургии гранул, когда подавляется развитие ликвации, уменьшаются размеры выделений первичной g¢-фазы и карбидов, повышается технологичность и экономичность использования металла. Размеры гранул обычно составляют 0,02-0,4 мм.
При распылении сплавов на гранулы достигается очень высокая (до 106 °С с-1) скорость кристаллизации, из грубой дендритной она становится зеренной без видимых с увеличением до 40000 частиц выделений g¢-фазы, измельчаются и частицы карбидов.
Компактирование дисков производится при температуре закалки сплавов в газостатах. Технология прессования дисков из порошков требует тщательной очистки среды от кислорода, паров воды и других примесей. Наличие пленок (Al2O3, TiO2, TiC) на поверхности гранул ускоряет разрушения. Углерод не должен соприкасаться с атмосферой на всех этапах технологий получения дисков.
В авиатехнике для изготовления валов, дисков, лабиринтов широко применяется диспергированный сплав ЭП741П. Термическая обработка дисков из диспергированных сплавов аналогична деформируемым.
Применение в металлургии гранул обеспечивает повышение коэффициента использования металла, более высокую прочность и уменьшение массы конструкции.
Следует отметить, что в процессе эксплуатации в ступицах и ободе дисков накапливается значительная локальная пластическая деформация, возникают микротрещины. В ободе происходит дополнительное выделение g¢-фазы. В итоге снижается сопротивление малоцикловой усталости.