Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки
Рассмотрена свариваемость жаропрочного сплава на никелевой основе с дисперсионным упрочнением. Показано, что трещиностойкость сплава можно повысить путем оптимизации режима термической обработки до сварки и снижения скорости охлаждения после сварки....
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2008
|
| Series: | Автоматическая сварка |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99976 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки / А.Б. Малый // Автоматическая сварка. — 2008. — № 8 (664). — С. 11-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99976 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-999762025-02-23T19:59:31Z Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки Improvement of ChS-104 nickel-base alloy weldability by optimization of heat treatment mode Малый, А.Б. Научно-технический раздел Рассмотрена свариваемость жаропрочного сплава на никелевой основе с дисперсионным упрочнением. Показано, что трещиностойкость сплава можно повысить путем оптимизации режима термической обработки до сварки и снижения скорости охлаждения после сварки. The paper deals with weldability of a high-temperature nickel-base alloy with dispersion strengthening. It is shown that the alloy cracking resistance can be increased by optimization of the heat treatment mode before welding and lowering the cooling rate after welding. 2008 Article Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки / А.Б. Малый // Автоматическая сварка. — 2008. — № 8 (664). — С. 11-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99976 621.791:669.24 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Малый, А.Б. Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрена свариваемость жаропрочного сплава на никелевой основе с дисперсионным упрочнением. Показано, что трещиностойкость сплава можно повысить путем оптимизации режима термической обработки до сварки и
снижения скорости охлаждения после сварки. |
| format |
Article |
| author |
Малый, А.Б. |
| author_facet |
Малый, А.Б. |
| author_sort |
Малый, А.Б. |
| title |
Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки |
| title_short |
Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки |
| title_full |
Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки |
| title_fullStr |
Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки |
| title_full_unstemmed |
Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки |
| title_sort |
улучшение свариваемости сплава на никелевой основе чс-104 путем оптимизации режима термической обработки |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99976 |
| citation_txt |
Улучшение свариваемости сплава на никелевой основе ЧС-104 путем оптимизации режима термической обработки / А.Б. Малый // Автоматическая сварка. — 2008. — № 8 (664). — С. 11-14. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT malyjab ulučšeniesvarivaemostisplavananikelevojosnovečs104putemoptimizaciirežimatermičeskojobrabotki AT malyjab improvementofchs104nickelbasealloyweldabilitybyoptimizationofheattreatmentmode |
| first_indexed |
2025-11-24T21:19:48Z |
| last_indexed |
2025-11-24T21:19:48Z |
| _version_ |
1849708184160174080 |
| fulltext |
УДК 621.791:669.24
УЛУЧШЕНИЕ СВАРИВАЕМОСТИ СПЛАВА
НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ЧС-104 ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ
РЕЖИМА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
А. Б. МАЛЫЙ, инж. (ГП НПКГ «Зоря-Машпроект», г. Николаев)
Рассмотрена свариваемость жаропрочного сплава на никелевой основе с дисперсионным упрочнением. Показано,
что трещиностойкость сплава можно повысить путем оптимизации режима термической обработки до сварки и
снижения скорости охлаждения после сварки.
К л ю ч е в ы е с л о в а : термоупрочняемые никелевые спла-
вы, γ′-фаза, дуговая сварка, горячие трещины, термическая
обработка, перестаривание, длительная прочность
Литые никелевые сплавы с дисперсионным уп-
рочнением в результате выделения γ′-фазы при-
надлежат к несвариваемым или ограниченно сва-
риваемым конструкционным материалам. При-
чиной тому является повышенная склонность
сварных соединений к образованию трещин как
при сварке, так и при последующей термической
обработке. Отмеченное выше относится к спосо-
бам сварки плавлением, для которых характерен
концентрированный нагрев, создающий значи-
тельные градиенты температур в зоне термичес-
кого влияния (ЗТВ). Использование равномерного
нагрева для получения сварных либо паяных со-
единений, как правило, препятствует образова-
нию трещин, однако такие способы соединения
характеризуются значительной трудоемкостью и
имеют ограниченные возможности.
Известно, что ухудшение свариваемости и
стойкости сварных соединений никелевых спла-
вов к образованию трещин при послесварочной
термической обработке находятся в прямой за-
висимости от содержания γ′-фазы. Это в полной
мере относится и к литейному сплаву ЧС-104,
используемому на предприятии для изготовления
сопловых лопаток всех ступеней турбинной части
газотурбинных установок, работающих вплоть до
температуры 950 °С. Химический состав этого
сплава следующий, мас. %: 0,07…0,14 C;
20,0…21,8 Cr; 10,3…12,0 Co; 0,3…0,9 Mo; 3…4
W; 2,1…2,9 Al; 3,1…3,9 Ti; 0,15…0,35 Nb; ≤ 0,3
Mn; ≤ 0,3 Si; ≤ 0,008 S; 0,008 Р; 0,015 B; ≤ 0,5
Fe; Ni — основа. Из приведенного химического
состава сплава видно, что в нем содержится дос-
таточная для ухудшения свариваемости массовая
доля титана и алюминия. Согласно теоретической
оценке стойкости сварных соединений к образо-
ванию трещин при послесварочной термической
обработке, сплав находится в наиболее неблагоп-
риятной области (рис. 1), и для предотвращения
образования трещин необходимо многоступенча-
тое перестаривание перед сваркой [1].
Сплав хорошо поддается пайке высокотемпе-
ратурными припоями, однако необходимость со-
единения лопаток в «пакеты» и восстановления
их сложных геометрических размеров при браке
литья требует использования сварки плавлением,
а именно, электронно-лучевой для соединения в
«пакеты» и аргонодуговой (АДС) для восстанов-
ления размеров лопаток. Таким образом, исправ-
ление дефектов литья пайкой в вакуумных печах
осуществляется на тех частях лопатки (на пере),
где качественно исправить дефект сваркой не
представляется возможным. Там, где возможно
исправление сваркой (на бандажных полках), при-
© А. Б. Малый, 2008
Рис. 1. Влияние содержания титана и алюминия на склон-
ность никелевых сплавов к образованию трещин при терми-
ческой обработке сварных соединений: I — гомогенные и
слабостареющие сплавы (содержание γ′-фазы 3…5 об. %), не
склонные к образованию трещин при сварке и термообработ-
ке; II — дисперсионно-твердеющие сплавы (содержание γ′-
фазы не более 18…20 об. %) с умеренной склонностью к
образованию трещин; III — дисперсионно-твердеющие спла-
вы (содержание γ′-фазы более 20…25 об. %) с высокой склон-
ностью к образованию трещин
8/2008 11
меняется АДС с использованием присадочной
проволоки ЭП533. Следует отметить, что выбор
проволоки этого типа наиболее оптимален с точки
зрения прочностных характеристик и коррозион-
ной стойкости сварных соединений [2–5].
Рекомендуемая разработчиком (ЦНИИ КМ
«Прометей») для данного сплава термообработка
состоит из следующих операций: гомогенизации
1170 °С, 4,5 ч, охлаждения на воздухе; старения
при 1050 °С, 4,5 ч, охлаждения на воздухе; то
же при 850 °С, 16–17 ч, охлаждения на воздухе.
Считается, что именно такая последовательность
операций и, что очень важно, с быстрым охлаж-
дением (на воздухе) позволяет достичь наилучших
прочностных свойств материала. Кроме того, сог-
ласно классической теории для предотвращения об-
разования трещин такие сплавы необходимо сва-
ривать в закаленном на твердый раствор состоянии
(после гомогенизации с быстрым охлаждением) [5,
6]. Однако при выполнении АДС с использованием
присадочных проволок ЭП533, ЭИ602, ЭП648 после
каждого из этапов термообработки замечено обра-
зование трещины длиной 0,2…3,5 мм в ЗТВ сплава
ЧС-104 (рис. 2). Контроль осуществляли методом
люминесцентной дефектоскопии и путем металлог-
рафического исследования. Уменьшение тепловло-
жения в деталь положительного эффекта не дава-
ло — трещины не исчезали. Они обнаруживались
непосредственно после сварки без последующей
термообработки. Следует отметить, что при сварке
в полностью состаренном состоянии количество об-
наруженных трещин в 3,5 раза меньше, чем при
сварке сплава после гомогенизации (23 трещины
на десяти исправленных местах по сравнению с
81 трещиной при том же количестве исправлений).
Из полученных результатов следует, что если
трещины возникают в ЗТВ (в металле шва тре-
щины не образуются), то основной металл к свар-
ке следует подготавливать путем предваритель-
ного перестаривания [7–9].
Разработчик приводит также второй режим
термообработки, который состоит из гомогени-
зации 1170 °С, 4,5 ч, охлаждения в печи до
900…950 °С, выдержки 2 ч, затем охлаждения на
воздухе; старения 850 °С, 17 ч, охлаждения на
воздухе.
При такой термической обработке сваривае-
мость материала должна улучшаться, однако в за-
висимости от температуры испытаний кратков-
ременная и длительная прочность снижаются со-
ответственно на 6…9 % (в 1,3…2,3 раза). Ряд ло-
паток и «пакетов» подвергаются согласно техно-
логии, принятой операции алюмосилицирования,
которая подразумевает выполнение диффузион-
ного отжига при 1030…1050 °С. Таким образом
эффект старения устраняется, и после сварки эту
операцию необходимо повторить. При быстром
охлаждении (от 1170 до 950 °С) в течение
15…20 мин улучшение свариваемости после пол-
ной термообработки по второму варианту не про-
исходит. Установлено, что на свариваемость спла-
ва в наибольшей степени влияет скорость охлаж-
дения после температуры гомогенизации. Для пре-
дотвращения образования трещин после сварки ско-
рость охлаждения должна составлять 2…31 °С/мин
в диапазоне температур 1170…950 °С. Последую-
щая скорость охлаждения на свариваемость вли-
яния не оказывает. Термообработка по штатной
технологии (старение при 1050 °С, 4 ч, охлаж-
дение на воздух и старение при 850 °С, 16…17 ч,
охлаждение на воздухе) к появлению трещин не
приводит.
Как известно, при перестаривании происходит
коагуляция γ′-фазы, что отрицательно сказывается
на жаропрочных свойствах материала [7, 9]. Это
проверено практическим путем на образцах из ос-
новного материала (несварных) (таблица).
Полученные результаты свидетельствуют о не-
большом снижении длительной прочности при
сохранении кратковременной прочности и более
высокой кратковременной пластичности при вто-
ром варианте термической обработки. Однако ис-
ходя из опыта эксплуатации данный факт не яв-
ляется критичным и повторную гомогенизацию
после сварки с быстрым охлаждением для вос-
становления прочностных характеристик основ-
ного металла выполнять нецелесообразно. Про-
ведение повторной гомогенизации сварных сое-
динений опасно также тем, что велика вероят-
ность образования трещин. При этом трещины
располагаются поперек сварного шва и их длина
может достигать 12 мм. Снизить интенсивность
трещинообразования возможно путем максималь-
ного увеличения скорости нагрева в диапазоне
температур старения.
На рис. 3 и 4 представлена морфология γ′-фазы,
полученная на растровом электронном микроско-
пе «Camebax». На рис. 3, а показаны выделения
γ′-фазы, образовавшиеся при полной термообра-
ботке по режиму 1, при этом ее размер и расп-
ределение одинаковы в осевом и межосевом прос-
Рис. 2. Микроструктура ( 100) участка ЗТВ соединения
сплава ЧС-104
12 8/2008
транствах; на рис. 3, б, в — γ-фаза при полной
термообработке по режиму 2 соответственно в осе-
вом и межосевом пространствах; на рис. 3, г —
γ-фаза при полной термообработке по режиму 3,
при этом ее размер и распределение в осевом и
межосевом пространствах одинаковы. На рис. 4,
а, б показана морфология γ′-фазы непосредственно
после гомогенизации с замедленным остыванием
в печи от 1170 до 950 °С в течение 2 ч в осевом
и межосевом пространствах.
Как видно из приведенных рисунков, при
термообработке по режимам 2 и 3 γ′-фаза имеет
примерно одинаковые размер (в основном
0,15…0,20 мкм) и распределение в осевом прос-
транстве. Однако при режиме 2 γ′-фаза в межо-
севом пространстве значительно крупнее (0,3
мкм) и распределена реже. Возможно, именно
морфология γ′-фазы в межосевом пространстве
оказывает наибольшее влияние на улучшение сва-
риваемости при перестаривании. При термообра-
Влияние режима термообработки на механические свойства и длительную прочность сплава ЧС-104 при T = 900 °С
Режим термообработки
Испытания
кратковременные длительные
(σ = 205 МПа)
σв, МПа σ0,2, МПа δ, % ψ, % t, ч
Р е ж и м 1
Гомогенизация (1170 °С, 4,5 ч, охлаждение на воздухе)
Старение 1050 °С (4,5 ч, охлаждение на воздухе)
Старение (850 °С, 17 ч, охлаждение на воздухе)
505 450 20 27 104
Р е ж и м 2
Гомогенизация (1170°С, 4,5 ч, остывание в печи в течение 2 ч до
950 °С, охлаждение на воздухе)
Старение (1050 °С, 4,5 ч, охлаждение на воздухе)
Старение (850 °С, 17 ч, охлаждение на воздухе)
500 430 25 42 100
Р е ж и м 3
Гомогенизация (1170 °С, 4,5 ч, остывание в печи в течение 2 ч до
950 °С, охлаждение на воздухе)
Гомогенизация (1170 °С, 4,5 ч, охлаждение на воздухе)
Старение (1050 °С, 4,5 ч, охлаждение на воздухе)
Старение (850 °С, 17 ч, охлаждение на воздухе)
500 400 21 32 150
Пр и м е ч а н и я . 1. Требования заводской технической документации к механическим свойствам при кратковременных испыта-
ниях: σв ≥ 46 МПа, δ ≥ 7 %, ψ ≥ 14 % (образцы по ГОСТ 9456); время до разрушения при длительных испытаниях t ≥ 50 ч
(образцы по ГОСТ 10145). 2. Даны средние значения шести измерений.
Рис. 3. Микроструктура ( 10000) сплава ЧС-104 с выделением γ′-фазы, полученная после термообработки по режиму 1 (а),
2 (б, в — соответственно в осевом и межосевом пространствах) и 3 (г)
8/2008 13
ботке по режиму 1 γ′-фаза более мелкая
(0,05…0,10 мкм) и распределена более равномер-
но. Непосредственно после гомогенизации с за-
медленным остыванием γ′-фаза наиболее скоагу-
лирована, ее размер составляет 0,25…0,30 мкм,
что приводит к снижению релаксационной стой-
кости и повышению пластичности материала. На-
блюдается также более редкое распределение γ′-
фазы (по сравнению с осевым пространством) и
неправильность ее формы. После гомогенизации
с остыванием на воздухе γ′-фаза полностью рас-
творяется в матрице и при увеличении 10000
не выявляется. В ЗТВ сплава ЧС-104 непосред-
ственно возле линии сплавления размер и расп-
ределение γ′-фазы одинаковы при всех режимах
термообработки (рис. 4, в).
Следует отметить, что чистота плавки
приобретает важное значение в решении проб-
лемы трещиноустойчивости. Так, при послесва-
рочной термообработке по режиму 2 в одном
исправленном месте все же обнаружились тре-
щины длиной 0,1…0,3 мм в количестве 2…3 шт.
при вторичном переплаве с использованием лома
до 80 %. В случае применения чистой шихты тре-
щин не наблюдается, однако на практике это ус-
ловие редко выполнимо. В процессе эксплуатации
зародившиеся микротрещины получают развитие
и по истечении 20…33 тыс. ч в участках лопаток,
где был выполнен ремонт с помощью АДС,
наблюдается появление значительного количества
трещин. Несмотря на отсутствие случаев отрыва
исправленных мест в процессе работы газотур-
бинных установок, а также повреждений проточ-
ной части, вероятность этого должна быть иск-
лючена.
Выводы
1. Для сплава ЧС-104 достигнуто существенное
повышение стойкости к образованию трещин при
сварке и послесварочной термообработке за счет
снижения скорости остывания до 2…3 °С/мин в
диапазоне температур 1170…950 °С при гомоге-
низации до сварки.
2. Для гарантированного отсутствия трещин
при сварке и послесварочной термообработке, а
также с целью обеспечения максимально высо-
кого уровня жаропрочности основного металла и
равнопрочности металла сварного соединения не-
обходимо разработать присадочный материал с
принципиально иной системой легирования, а
также процесс получения сварных соединений с
его использованием.
1. Сорокин Л. И., Тупикин В. И. Классификация жаропроч-
ных никелевых сплавов по их стойкости против образо-
вания трещин при термической обработке сварных сое-
динений // Автомат. сварка. — 1985. — № 5. —
С. 23–25.
2. Квасницкий В. Ф. Сварка и пайка жаропрочных сплавов
в судостроении // Там же. — 1985. — № 10. — С. 26–30.
3. Сорокин Л. И., Багдасаров Ю. С., Тупикин В. И. Сравни-
тельная оценка присадочных проволок для аргонодуго-
вой сварки жаропрочных сплавов // Свароч. пр-во. —
1993. — № 10. — С. З1–33.
4. Сорокин Л. И. Присадочные материалы для сварки жа-
ропрочных никелевых сплавов // Там же. — 2003. —
№ 4. — С. 35–40.
5. Сорокин Л. И. Свариваемость жаропрочных никелевых
сплавов в состаренном состоянии // Автомат. сварка. —
1983. — № 7. — С. 12–16.
6. Медовар Б. И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей
и сплавов. — М.: Машиностроение, 1966. — 430 с.
7. Земзин В. Н. Жаропрочность сварных соединений. — Л.:
Машиностроение, 1972. — 272 с.
8. Ющенко К. А., Савченко В. С., Звягинцева А. В. Влияние
термообработки и степени легирования на структурные
изменения никелевых сплавов // Автомат. сварка. —
2004. — № 7. — С. 14–16.
9. Малый А. Б., Бутенко Ю. В., Хорунов В. Ф. Проблемы
свариваемости высоколегированных сплавов на никеле-
вой основе // Там же. — 2005. — № 5. — С. 1–5.
The paper deals with weldability of a high-temperature nickel-base alloy with dispersion strengthening. It is shown that
the alloy cracking resistance can be increased by optimization of the heat treatment mode before welding and lowering
the cooling rate after welding.
Поступила в редакцию 21.01.2008
Рис. 4. Микроструктура ( 10000) сплава ЧС-104 с выделением γ′-фазы, полученная после гомогенизации с замедленным
остыванием в печи (1170…950 °С) в течение 2 ч в осевом (а) и межосевом (б) пространствах, а также металла ЗТВ при всех
режимах термообработки (в)
14 8/2008
|