Способ термической обработки сплава КХ28М6 системы Co-Cr-Mo, получаемого методом селективного лазерного сплавления
Термическая обработка Кобальтовый сплав Селективное лазерное сплавление
Изобретение относится к термической обработке а именно к процессам старения жаропрочного сплава в защитной среде. Способ термической обработки заключается в гомогенизации жаропрочного сплава с целью перевода крупных зернограничных карбидных выделений в твердый раствор при температуре 1150-1200°С в течение 6,0 часов и последующем старении сплава при температуре 800°С в течение 2,0 часов для формирования карбидных соединений и ГПУ-фазы (ε-фаза, ε-мартенсит). Необходимость гомогенизации перед проведением старения объясняется необходимостью полного устранения анизотропии свойств материала в разных направлениях осей, что является эффектом получения деталей методом селективного лазерного сплавления (СЛС) из металлопорошковой композиции (МПК). Обеспечивается получение более высоких прочностных свойств материала при данном способе термической обработки с учетом сохранения удовлетворительной пластичности материала.
Изобретение относится к термической обработке кобальтового жаропрочного сплава КХ28М6, получаемого методом СЛС, а именно к способу термической обработки, формирующему карбидные соединения и ГПУ-фазу для повышения прочностных свойств посредством гомогенизации и последующего старения сплава.
Известны способы применения старения после гомогенизации к различным кобальтовым жаропрочным сплавам при температуре 800°С в течение 2,0 часов для повышения прочностных свойств [Симс, Ч.Т. Суперсплавы 2. Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок : [пер. с англ.] / под ред. Ч.Т. Симса, Н.С. Столофа, У.К. Хагеля: в 2 кн. / под ред. Р.Е. Шалина. – М. : Металлургия, 1995. – Кн. 1. – 385 с.; Hamid Reza Erfanian Nazif Toosi The Effect of Rapid Solidification and Heat Treatment on Microstructure and Electrochemical Properties of Advanced Biomaterial Co-Cr-Mo-C Alloy / University of Wisconsin-Milwauke / October 2019. – 142 p.]
Но данные способы применяются для сплавов, не соответствующих по химическому составу сплаву КХ28М6, а также полученные другим способом производства (литье, ковка).
Наиболее близким к заявляемому способу являются применения старения к кобальтовому жаропрочному СЛС-сплаву аналогичной системы Co-Cr-Mo при температурах от 750-1200°С [Yuka Kajimaa, Atsushi Takaichi, Nuttaphon Kittikundecha, Takayuki Nakamoto, Takahiro Kimura, Naoyuki Nomura, Akira Kawasaki, Takao Hanawa, Hidekazu Takahashi, Noriyuki Wakabayashi Effect of heat-treatment temperature on microstructures and mechanical properties of Co–Cr–Mo alloys fabricated by selective laser melting / Materials Science & Engineering, A 726 (2018). – p. 21-31.; Seyed Mohammad Javad Razavi, Andrea Avanzini, Giovanna Cornacchia, Luca Giorleo, Filippo Berto / Effect of heat treatment on fatigue behavior of as-built notched Co-Cr-Mo parts produced by Selective Laser Melting / International Journal of Fatigue 142 (2021) 105926, 15 p.]. Но данные способы подразумевают применение в качестве ТО только гомогенизацию при температуре 1150-1200°С с предварительным прогревом до 850°С либо горячее изостатическое прессование (при 1200°С, давление 1020 бар, 4 часа) либо только изотермическое старение от 750 до 1050°С. Все перечисленные выше способы отличны от предлагаемого способа ТО, включающего в себя гомогенизацию и последующее старение для повышения прочностных свойств сплава.
Основной целью предлагаемого изобретения является увеличение кратковременных прочностных свойств (предела прочности, текучести) при сохранении удовлетворительной пластичности синтезируемого СЛС-материала (относительное удлинение – не менее 10%) за счет повторного выделения карбидных соединений и ГПУ-фазы в микроструктуре.
Технический результат достигается тем, что после проведенной гомогенизации частиц карбидов M23C6 переходят в твердый раствор (ГЦК-фазу – γ-фазу), формируются равноосные зерна, устраняются основные внутренние напряжения материала. А последующее старение кобальтового сплава в температурном интервале 750-1000°С (температуре ниже перехода ГПУ-фазы в ГЦК-фазу) позволяет в материале, прошедшем гомогенизацию, повторно выделить карбиды M23C6 в виде частиц, которые теперь мельче и более равномерно распределяются в структуре сплава. Обычно при самой низкой температуре образуются наиболее тонкие выделения, что дает наибольший прирост прочности с паданием уровня пластичности. Поиск оптимального режима старения СЛС-сплава после гомогенизации позволит получить удовлетворительно соотношение прочности и пластичности.
Сплав КХ28М6, полученный методом СЛС, после построения демонстрирует мелкоячеистую микроструктуру, содержащую выделения карбидов, как следствие сильных температурных градиентов во время плавления МПК и последующего быстрого охлаждения сплава, происходящего во время процесса СЛС. Быстрое затвердевание соседних дорожек МПК, полученных при работе лазера в процессе СЛС, образует сеть перекрывающихся ванн расплава в плоскости XY и границы полуцилиндрических ванн расплава в плоскости Z, что является типичной микроструктурой готовых образцов, полученных методом СЛС. 
Согласно фазовой диаграмме ε-фаза (ГПУ-фаза) более стабильна при комнатной температуре, но превращение ГЦК в ГПУ не происходит при нормальных условиях охлаждения. Это превращение может быть вызвано термически (закалкой от температур, соответствующих области стабильности ГЦК-фазы), изотермически (путем старения при температурах от 750 °C до 950 °C) или посредством пластической деформации. Быстрое затвердевание материала, связанное с процессом СЛС, препятствует образованию мартенситной структуры. Поэтому в состоянии после построения слоев преобладает γ-фаза, поскольку сплавы остаются в мартенситном поле в течение короткого времени. В частности, для исходного сплава СЛС системы Co-Cr-Mo, обнаружено присутствие смеси γ-фазы и ε-фазы, а количественный анализ показал процентное содержание ε-фазы до 30%.
Применение только процедуры изотермического старения после СЛС показало на микроструктуре большое количество внутризеренных дефектов – микротрещин, а также выделившихся карбидных пленок и пластинчатых фаз по границам зерен. «Дорожки» наплавленного материала после СЛС исчезли, но зерна материала не равноосны, остаточные напряжения не устранены. Соотношение γ/ε фаз не претерпело существенного изменения при сравнении с микроструктурой после построения методом СЛС. 
В исследовании [Yuka Kajimaa, Atsushi Takaichi, Nuttaphon Kittikundecha, Takayuki Nakamoto, Takahiro Kimura, Naoyuki Nomura, Akira Kawasaki, Takao Hanawa, Hidekazu Takahashi, Noriyuki Wakabayashi Effect of heat-treatment temperature on microstructures and mechanical properties of Co–Cr–Mo alloys fabricated by selective laser melting / Materials Science & Engineering, A 726 (2018). – p. 21-31.; Seyed Mohammad Javad Razavi, Andrea Avanzini, Giovanna Cornacchia, Luca Giorleo, Filippo Berto / Effect of heat treatment on fatigue behavior of as-built notched Co-Cr-Mo parts produced by Selective Laser Melting / International Journal of Fatigue 142 (2021) 105926, 15 p.] для проведения термической обработки, образцы нагревали со скоростью 60°С/мин до 750°С, 900°С и выдержке при этой температуре в течение 6 ч. в аргоне. Термообработанные образцы охлаждались до комнатной температуры (примерно 20 °C) внутри печи. Образцы, нагретые до 750 °C, демонстрируют четко очерченные границы неравноосных зерен, которые не столь отчетливы в образцах, обработанных при 900°C. Также внутри зерен образцов из сплава, нагретых до 750°C, наблюдались смесь карбидов и ε-фазы в виде полос, тогда как в зернах образцов, нагретых до 900°C, карбиды и ε-фаза находятся в мелкодисперсном состоянии, что в свою очередь, также влияет на механические свойства.
Изучена микроструктура сплава КХ28М6 после построения методом СЛС, высокотемпературной гомогенизации (нагрев в вакууме до 1150°С за 2 часа, выдержка при 1150°С в течение 6 часов, охлаждение с печью до температуры 20°С) и изотермического старения ниже температуры перехода ГПУ-фазы в ГЦК-фазу (нагрев в вакууме до 800°С за 2 часа, выдержка при 800°С в течение 2,4 часов, охлаждение с печью до температуры 20°С). 
При старении в течение 2 часов длина зерна составляет от 12 до 150 мкм. Карбидные включения: на поле 2,5 х 3,5 мм – до 80 крупных включений от 4 до 40 мкм. Толщина границ: 2– 4 мкм, есть участки с карбидными включениями. Фазы: γ-фаза – зерна (светло-серый цвет); 𝜀-фаза – вдоль границ зерен (коричневый цвет – полосы, «иглы»); карбиды – по зернам и на границах зерен (темно-серый цвет, вкрапления и скопления вкраплений); фаза + карбиды – по зернам и на границах зерен  (вкрапления черного цвета). Микротвердость (среднее значение по трем замерам): 340,6 HV (34 HRC).
При старении в течение 4 часов длина зерна составляет 12-150 мкм. Карбидные включения: на поле 2,5 х 3,5 мм – до 80 крупных включений от 4 до 40 мкм. Толщина границ зерен: 2– 4 мкм, есть участки с карбидными включениями. Фазы: γ-фаза – зерна (светло-серый цвет), 𝜀-фаза – вдоль границ зерен (коричневый цвет – полосы, «иглы»); карбиды – по зернам и на границах зерен (темно-серый цвет, вкрапления и скопления вкраплений); фаза + карбиды – по зернам и на границах зерен  (вкрапления черного цвета). Микротвердость (среднее значение по трем замерам): 366 HV (37 HRC).
Способ термической обработки сплава КХ28М6 системы Co-Cr-Mo, получаемого методом селективного лазерного сплавления (СЛС) для повторного выделения карбидных соединений и ГПУ-фазы с целью повышения прочностных свойств включает в себя:
- нагрев синтезированного материала до температуры выше перехода ГПУ-фазы в ГЦК-фазу (1150-1200°С) за 2,0 часа с последующей выдержкой в течение 6,0 часов в среде аргона;
- охлаждение до комнатной температуры в печи;
- последующий нагрев синтезированного материала до температуры ниже перехода ГПУ-фазы в ГЦК-фазу (800 °С) за 2,0 часа с последующей выдержкой в течение 2,0 часов в среде аргона;
- повторное охлаждение до комнатной температуры в печи.
В отличие от применения исключительно изотермического старения при температуре ниже перехода ГПУ-фазы в ГЦК-фазу, в данном способе карбиды более равномерно распределяются в структуре сплава в равноосных зернах и их границах. Также применение гомогенизации перед старением позволяет устранить внутренние напряжения после процесса СЛС, что повышает не только пластичность материала, но  его прочность. А преимуществом перед стандартной гомогенизацией материала служит повторное выделение карбидов и ГПУ-фазы в меньшем размере и сохранение относительно удовлетворительного уровня пластичности материала (до 10% соответственно).
Аддитивные технологии, двигателестроение, аэрокосмическая область.
Сергей
Поляков
Алексеевич
Аспирант, инженер-технолог
Отсутствует
Отсутствует
-
-
РОССИЯ
Сергей
Поляков
Алексеевич
Аспирант, инженер-технолог
РОССИЯ
53.49.21
Термическая и химико-термическая обработка металлов и сплавов
53.39.31
Порошковая металлургия цветных металлов и их сплавов
02.05.PZ
METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING
02.05.QF
MATERIALS SCIENCE, CHARACTERIZATION & TESTING
Сергей
Поляков
Алексеевич
РОССИЯ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ФОНД СОДЕЙСТВИЯ РАЗВИТИЮ МАЛЫХ ФОРМ ПРЕДПРИЯТИЙ В НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ СФЕРЕ"
1027739479734
СЕРГЕЙ
ПОЛЯКОВ
ГЕННАДЬЕВИЧ
Организация
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере"
Федеральные государственные бюджетные учреждения
Сергей
Поляков
Алексеевич
Физическое лицо
РОССИЯ