Термообработки сплава на основе никеля, сплавов на основе никеля и изделий, содержащих сплавы на основе никеля

Термообработки сплава на основе никеля, сплавов на основе никеля и изделий, содержащих сплавы на основе никеля

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Варианты осуществления настоящего изобретения в целом относятся к способам термообработки сплавов на основе никеля.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Сплав 718 (UNS 07718) является одним из наиболее широко используемых сплавов на основе никеля и описан в целом в патенте США №3046108, описание которого полностью включено сюда по ссылке. Сплав 718 содержит элементные компоненты в пределах, приведенных на следующей таблице, плюс случайные примеси.

[0003] Широкое использование сплава 718 по меньшей мере частично обусловлено отдельными преимущественными свойствами сплава. Например, сплав 718 имеет высокую прочность и свойства длительной прочности до примерно 1200°F (648,9°C). Дополнительно, сплав 718 имеет хорошие технологические характеристики, такие как подходящая жидкотекучесть и обрабатываемость давлением в горячем состоянии, а также хорошую свариваемость. Эти характеристики позволяют безо всяких сложностей изготавливать детали из сплава 718 и, при необходимости, чинить эти детали. Как будет показано ниже, некоторые из выгодных свойств сплава 718 обусловлены полученной в результате дисперсионного твердения микроструктурой сплава, которая, преимущественно, упрочнена выделениями γʺ-фазы.

[0004] Дисперсионно-твердеющие сплавы на основе никеля содержат две основные упрочняющие фазы: выделения γ'-фазы (или "гамма штрих") и выделения γʺ-фазы (или "гамма два штриха"). И γ'-фаза, и γʺ-фаза являются стехиометрическими, интерметаллическими соединениями с высоким содержанием никеля. Тем не менее, γ'-фаза обычно содержит алюминий и титан (т.е. Ni₃(Al, Ti)) в качестве основных легирующих элементов, тогда как γʺ-фаза содержит преимущественно ниобий (т.е. Ni₃Nb). Хотя и γ'-фаза, и γʺ-фаза образуют когерентные выделения в гранецентрированной кубической аустенитной матрице, поскольку несовпадение энергий деформации, связанное с выделениями γʺ-фазы (которые имеют объемоцентрированную тетрагональную кристаллическую структуру), больше, чем аналогичное несовпадение у выделений γ'-фазы (которые имеют гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру), выделения γʺ-фазы имеют тенденцию быть более эффективными упрочняющими компонентами, чем выделения γ'-фазы. То есть, при одинаковых объемной доле и размере частиц выделений, сплавы на основе никеля, упрочненные преимущественно выделениями γʺ-фазы, в целом прочнее, чем сплавы на основе никеля, упрочненные преимущественно выделениями γ'-фазы.

[0005] Одним из недостатков сплавов на основе никеля, включающих упрочненную выделениями γʺ-фазы микроструктуру, является то, что γʺ-фаза является нестабильной при температурах выше примерно 1200°F (648,9°C) и преобразуется в более стабильную δ-фазу (или "дельта-фаза"). И хотя выделения δ-фазы имеют такой же состав, как и выделения γʺ-фазы (т.е. Ni₃Nb)), выделения δ-фазы имеют орторомбическую кристаллическую структуру и являются некогенентыми с аустенитной матрицей. Таким образом, упрочняющий эффект выделений δ-фазы на матрицу обычно считается незначительным. Таким образом, результатом трансформации в δ-фазу является то, что некоторые механические свойства сплава 718, такие как ресурс длительной прочности, быстро ухудшаются при температурах выше примерно 1200°F (648,9°C). Таким образом, использование сплава 718 обычно ограничивается применениями, в которых сплав подвергается воздействию температур ниже 1200°F (648,9°C).

[0006] Для того чтобы образовалась желаемая микроструктура, получаемая в результате дисперсионного твердения, сплавы на основе никеля подвергают термообработке или способу дисперсионного твердения. Способ дисперсионного твердения сплава на основе никеля обычно включает термообработку сплава на твердый раствор путем нагревания сплава до температуры, достаточной для растворения практически всех выделений γ'-фазы и γʺ-фазы в сплаве (т.е. температуры, близкой, равной или превышающей температуру растворения выделений), охлаждение сплава от температуры термообработки на твердый раствор и после этого старение сплава в один или более этапов старения. Старение осуществляют при температурах ниже температуры растворения гамма-выделений для того, чтобы позволить желаемым выделениям развиваться управляемым способом.

[0007] Развитие желаемой микроструктуры в сплаве на основе никеля зависит и от состава сплава и от способа дисперсионного твердения (т.е. процессов термообработки на твердый раствор и старения). Например, типичная процедура дисперсионного твердения сплава 718 для эксплуатации в условиях высокой температуры включает термообработку сплава на твердый раствор при температуре 1750°F (954,4°C) в течение от 1 до 2 часов, охлаждение сплава на воздухе с последующим старением сплава в двухэтапном процессе старения. Первый этап старения включает нагрев сплава при первой температуре старения 1325°F (718,3°C) в течение 8 часов, охлаждение сплава со скоростью примерно 50-100°F в час (28-55,6°C в час) до второй температуры старения 1150°F (621,2°C) и старение сплава при второй температуре старения в течение 8 часов. После этого сплав охлаждают на воздухе до комнатной температуры. Полученная в результате дисперсионного твердения микроструктура, которая появляется в результате вышеописанной термообработки, состоит из отдельных выделений γ'-фазы и γʺ-фазы, но преимущественно упрочнена выделениями γʺ-фазы с незначительными количествами выделений γ'-фазы, которые играют вторичную роль в упрочнении.

[0008] В стремлении повысить допустимые температуры эксплуатации сплавов на основе никеля разработано несколько упрочненных γ'-фазой сплавов на основе никеля. Примером такого сплава является сплав Waspaloy на основе никеля (UNS N07001), который коммерчески доступен как сплав ATI Waspaloy от ATI Allvac, г. Монро, шт. Северная Каролина, США. Так как сплав Waspaloy на основе никеля содержит более высокие уровни легирующих добавок, включая никель, кобальт и молибден, чем сплав 718, сплав Waspaloy обычно более дорогостоящий, чем сплав 718. Кроме того, из-за более быстрой кинетики образования выделений γ'-фазы по сравнения с выделениями γʺ-фазы обычно считается, что обрабатываемость давлением в горячем состоянии и свариваемость сплава Waspaloy хуже, чем у сплава 718.

[0009] Другим упрочненным γ'-фазой сплавом на основе никеля является сплав ATI 718Plus^®, который коммерчески доступен от ATI Allvac, г. Монро, шт. Северная Каролина. Сплав ATI 718Plus^® раскрыт в патенте США №6730264 (далее - "264-ый патент США"), который полностью включен сюда по ссылке. Признаком сплава ATI 718Plus^® является то, что уровни алюминия, титана и/или ниобия в этом сплаве и их относительное соотношение регулируют таким образом, который обеспечивает термостабильную микроструктуру и выгодные механические свойства при высоких температурах, в том числе существенное сопротивление разрушению и ползучести. Содержание алюминия и титана в сплаве ATI 718Plus^®, в сочетании с содержанием ниобия, приводит к упрочнению сплава γ'-фазой и γʺ-фазой, при этом γ'-фаза становится преобладающей упрочняющей фазой. В отличие от состава с относительно высоким содержанием титана/низким содержанием алюминия, типичного для некоторых других жаропрочных сплавов на основе никеля, состав сплава ATI 718Plus^® имеет относительно высокое отношение атомного процента алюминия к атомному проценту титана, что, как полагают, повышает термостабильность. Характеристики термостабильности сплава ATI 718Plus^® важны для поддержания хороших механических свойств, таких как свойства длительной прочности, после длительного времени воздействия высоких температур.

[0010] Сплав ATI 718Plus^® может быть подвергнут обработке, включающей отпуск на твердый раствор, охлаждение и старение. Типичная термообработка сплава ATI 718Plus^® проиллюстрирована на ФИГ. 1 в виде схематического представления профиля зависимости время - температура термообработки. Типичная термообработка сплава ATI 718Plus^® включает термообработку на твердый раствор при температурах между 1750°F (954,4°C) и 1800°F (982,2°C) для растворения любой γ'-фазы и γʺ-фазы и выделения небольшого количества δ-фазы. Количество выделяющейся δ-фазы обычно составляет примерно менее половины равновесного содержания при низкой температуре. За термообработкой на твердый раствор осуществляют старение при 1450°F (787,8°C) в течение от 2 до 8 часов, а затем при 1300°F (704,4°C) в течение дополнительных 8 часов для выделения когерентных частиц γ'-фазы. Сплав может быть дополнительно переработан в изделие или в любую другую желаемую форму.

[0011] Дополнительные термообработки для упрочнения сплава ATI 718Plus раскрыты в патентах США №7156932, 7491275 и 7527702, каждый из которых полностью включен сюда по ссылке. Патент США №7531054 (далее - "054-ый патент США") раскрывает термообработку сплава ATI 718Plus^®, которая включает непосредственное старение. В способе по 054-му патенту США после горячей обработки сплава ATI 718Plus^® давлением сплав быстро и сразу охлаждают до температуры старения в примерно 1400°F (760°C) для того, чтобы предотвратить формирование крупнозернистых выделений γ'-фазы. Охлажденный сплав состаривают при этой температуре старения или далее охлаждают до комнатной температуры.

[0012] В общем, дисперсионно-твердеющие сплавы не предназначены для использования при температурах выше их температур дисперсионного твердения. Дисперсионно-твердеющие никелевые сплавы не используют в тех применениях, где сплав может испытывать термоциклирование, при котором сплавы могут повторно подвергаться воздействию температур выше их температур дисперсионного твердения, а затем охлаждаться до температур ниже их температур дисперсионного твердения. Обычные методы дисперсионного твердения сплавов на основе никеля, как вкратце изложено выше, не приводят к постоянным механическим свойствам в течение периода эксплуатации сплавов на основе никеля, которые подвергались воздействию термоциклирования, при котором температуры превышают температуру дисперсионного твердения сплавов.

[0013] Было бы желательным обеспечить термообработку дисперсионно-твердеющих сплавов на основе никеля, которая обеспечивает прочную микроструктуру и придает свойства, которые не поддаются значительному влиянию термоциклирования. Обработанный таким способом сплав на основе никеля может быть выгодным для использования в, например, облицовке и сотовом заполнителе систем теплозащиты гиперзвуковых летательных аппаратов, а также в качестве материала в других изделиях, которые испытывают термоциклирование при эксплуатации.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0014] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения способ термообработки сплава типа 718 на основе никеля включает нагревание сплава типа 718 на основе никеля до температуры термообработки и выдерживание сплава типа 718 на основе никеля при температуре термообработки в течение времени термообработки, достаточного для образования в сплаве на основе никеля равновесной или близкой к равновесной концентрации зернограничных выделений δ-фазы. Термообработка приводит к образованию до 25 массовых процентов общего количества γ'-фазы и γʺ-фазы в сплаве на основе никеля. После выдерживания сплава типа 718 при температуре термообработки в течение времени термообработки, сплав типа 718 на основе никеля охлаждают и сохраняют зернограничные выделения δ-фазы в сплаве.

[0015] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения способ термообработки сплава на основе никеля включает нагревание сплава на основе никеля до температуры термообработки в диапазоне температур термообработки от температуры на 20°F больше, чем точка перегиба диаграммы время-температура-превращение ("диаграмма изотермического превращения", также называемая иногда "ТТТ-диаграммой") для выделения дельта-фазы, до 100°F (55,6°C) ниже точки перегиба диаграммы изотермического превращения, и выдерживание сплава на основе никеля в диапазоне температур термообработки в течение времени термообработки в диапазоне от 30 минут до 300 минут. После выдерживания сплава на основе никеля в диапазоне температур термообработки в течение времени термообработки, сплав на основе никеля охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. В неограничивающем варианте осуществления настоящего изобретения сплав на основе никеля охлаждают при скорости охлаждения не большей, чем 1°F в минуту (0,56°C в минуту).

[0016] В неограничивающем варианте осуществления настоящего изобретения сплав на основе никеля содержит, в массовых процентах, от 0,01 до 0,05 углерода, до 0,35 марганца, до 0,035 кремния, от 0,004 до 0,020 фосфора, до 0,025 серы, от 17,00 до 21,00 хрома, от 2,50 до 3,10 молибдена, от 5,20 до 5,80 ниобия, от 0,50 до 1,00 титана, от 1,20 до 1,70 алюминия, от 8,00 до 10,00 кобальта, от 8,00 до 10,00 железа, от 0,008 до 1,40 вольфрама, от 0,003 до 0,008 бора, никель и случайные примеси.

[0017] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложен сплав типа 718 на основе никеля, содержащий никель, хром и железо. Сплав на основе никеля упрочнен ниобием и, необязательно, одной или более из легирующих добавок алюминия и титана, а также сплав содержит аустенитную матрицу, включающую границы аустенитных зерен. Равновесная или близкая к равновесной концентрация выделений δ-фазы существует на границах аустенитных зерен в сплаве типа 718, а сплав содержит до 25 массовых процентов выделений γ'- и γʺ-фазы.

[0018] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения способ (процесс) изготовления изделия включает по меньшей мере один из раскрытых здесь способов. В некоторых неограничивающих вариантах осуществления способ может быть адаптирован для изготовления изделия производства, выбранного из облицовки, сотового заполнителя и сотовой панели системы теплозащиты гиперзвукового летательного аппарата.

[0019] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения изделие содержит раскрытый здесь сплав. Такое изделие может быть выбрано из, но без ограничения ими, облицовки, сотового заполнителя и сотовой панели системы теплозащиты гиперзвукового летательного аппарата.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0020] Признаки и преимущества раскрытых здесь сплавов и способов могут быть лучше поняты при обращении к прилагаемым чертежам, на которых:

[0021] ФИГ. 1 - диаграмма температура - время термообработки в случае традиционной в уровне техники термообработки для упрочнения сплавов на основе никеля;

[0022] ФИГ. 2 - схематическое представление одного примера металлической системы теплозащиты;

[0023] ФИГ. 3А - схематическое представление одного примера сотовой панели;

[0024] ФИГ. 3В - схематическое представление одного примера сотовой панели в разобранном виде;

[0025] ФИГ. 4 - технологическая схема неограничивающего варианта осуществления термообработки сплава на основе никеля в соответствии с настоящим изобретением;

[0026] ФИГ. 5А - кривая время-температура-превращение для жаропрочного сплава 718 на основе никеля;

[0027] ФИГ. 5В - кривая время-температура-превращение для сплава ATI 718Plus;

[0028] ФИГ. 6 - схематический график температура-время для неограничивающего варианта осуществления способа термообработки сплава на основе никеля в соответствии с настоящим изобретением;

[0029] ФИГ. 7 - схематическое представление термоциклирования, используемого для оценивания неограничивающих вариантов осуществления способов термообработки сплавов на основе никеля в соответствии с настоящим изобретением;

[0030] ФИГ. 8 иллюстрирует графики предела прочности при растяжении как функции числа термических циклов для сплава ATI 718Plus^®, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C) и 1550°F (843,3°C);

[0031] ФИГ. 9 иллюстрирует графики относительного остаточного предела прочности при растяжении как функции числа термических циклов для сплава ATI 718Plus^®, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C) и 1550°F (843,3°C);

[0032] ФИГ. 10 иллюстрирует графики предела текучести как функции числа термических циклов для сплава ATI 718Plus^®, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C) и 1550°F (843,3°C);

[0033] ФИГ. 11 иллюстрирует графики относительного остаточного предела текучести как функции числа термических циклов для сплава ATI 718Plus^®, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C) и 1550°F (843,3°C);

[0034] ФИГ. 12 иллюстрирует графики процентного удлинения как функции числа термических циклов для сплава ATI 718Plus^®, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C) и 1550°F (843,3°C);

[0035] ФИГ. 13 иллюстрирует графики относительного процентного удлинения как функции числа термических циклов для сплава ATI 718Plus^®, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C) и 1550°F (843,3°C);

[0036] ФИГ. 14 иллюстрирует графики предела прочности при растяжении как функции числа термических циклов для сплава 718, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C);

[0037] ФИГ. 15 иллюстрирует графики относительного остаточного предела прочности при растяжении как функции числа термических циклов для сплава 718, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C);

[0038] ФИГ. 16 иллюстрирует графики предела текучести как функции числа термических циклов для сплава типа 718, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C);

[0039] ФИГ. 17 иллюстрирует графики относительного остаточного предела текучести как функции числа термических циклов для сплава 718, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C);

[0040] ФИГ. 18 иллюстрирует графики процентного удлинения как функции числа термических циклов для сплава 718, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C);

[0041] ФИГ. 19 иллюстрирует графики относительного процентного удлинения как функции числа термических циклов для сплава 718, обработанного неограничивающими способами термообработки в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению с обычными способами термообработки γ'/γʺ до и после термоциклирования до 1650°F (898,9°C);

[0042] ФИГ. 20А - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с неограничивающим вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0043] ФИГ. 20В - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с неограничивающим вариантом осуществления настоящего изобретения, после 5 термических циклов от температуры окружающей среды до 1650°F (898,9°C) и обратно до температуры окружающей среды;

[0044] ФИГ. 20С - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с обычной термообработкой γ'/γʺ;

[0045] ФИГ. 20D - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с обычной термообработкой γ'/γʺ, после 5 термических циклов от температуры окружающей среды до 1650°F (898,9°C) и обратно до температуры окружающей среды;

[0046] ФИГ. 21А - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с неограничивающим вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0047] ФИГ. 21В - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с неограничивающим вариантом осуществления настоящего изобретения, после 5 термических циклов от температуры окружающей среды до 1550°F (843,3°C) и обратно до температуры окружающей среды;

[0048] ФИГ. 21С - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с обычной термообработкой γ'/γʺ;

[0049] ФИГ. 21D - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава ATI 718Plus^®, термообработанного в соответствии с обычной термообработкой γ'/γʺ, после 5 термических циклов от температуры окружающей среды до 1550°F (843,3°C) и обратно до температуры окружающей среды;

[0050] ФИГ. 22А - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава 718, термообработанного в соответствии с неограничивающим вариантом осуществления настоящего изобретения;

[0051] ФИГ. 22В - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава 718, термообработанного в соответствии с неограничивающим вариантом осуществления настоящего изобретения, после 5 термических циклов от температуры окружающей среды до 1650°F (898,9°C) и обратно до температуры окружающей среды;

[0052J ФИГ. 22С - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава типа 718, термообработанного в соответствии с обычной термообработкой γ'/γʺ; и

[0053] ФИГ. 22D - полученное с помощью оптической микроскопии темного поля микроизображение участка поверхности листа сплава 718, термообработанного в соответствии с обычной термообработкой γ'/γʺ, после 5 термических циклов от температуры окружающей среды до 1650°F (898,9°C) и обратно до температуры окружающей среды.

[0054] Читатель может оценить вышеуказанные подробности, так же как и другие, после рассмотрения следующего подробного описания некоторых неограничивающих вариантов осуществления настоящего изобретения.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ НЕКОТОРЫХ НЕОГРАНИЧИВАЮЩИХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[0055] В настоящем описании неограничивающих вариантов осуществления настоящего изобретения, кроме производственных примеров или там, где указано иное, все числа, выражающие количества или характеристики, во всех случаях следует понимать как модифицированные термином "примерно". По крайней мере, и не в качестве попытки ограничить применение теории эквивалентов по отношению к объему формулы изобретения, каждый числовой параметр следует по меньшей мере истолковывать с учетом числа приведенных значащих цифр и с применением обычных методов округления.

[0056] Любой патент, публикация или другой материал раскрытия, о которых сказано, что они включены, полностью или частично, сюда по ссылке, включаются сюда только в той степени, в которой включенный материал не противоречит существующим определениям, указаниям или другому материалу раскрытия, изложенным в настоящем документе. Таким образом и по мере необходимости, раскрытие в том виде, как изложено в данном документе, заменяет собой любые противоречащие материалы, включенные сюда по ссылке. Любой материал или его часть, о которых сказано, что они включаются сюда по ссылке, но который противоречит существующим определениям, указаниям или другому материалу раскрытия, изложенным в настоящем документе, включается только в той степени, в которой не возникает никакого конфликта между этим включенным материалом и существующим материалом раскрытия.

[0057] Некоторые сплавы на основе никеля рассматриваются для использования в качестве облицовки и элементов заполнителя для сотовых панелей, которые будут использоваться в системах теплозащиты гиперзвуковых летательных аппаратов. Температура поверхности гиперзвукового летательного аппарата в процессе эксплуатации по меньшей мере один раз за полет будет циклически меняться между температурой у поверхности земли и примерно 2200°F (1204°C). Воздействие подобного термического цикла на подвергшиеся дисперсионному твердению сплавы на основе никеля может привести к изменению объемной доли и размера фаз выделений, конкретно - выделений γ'-фазы и γʺ-фазы, по сравнению с наблюдающимся после высокотемпературной пайки и дисперсионного твердения состоянием сплава на основе никеля перед осуществлением первого полета. Кроме того, следует ожидать, что различные полеты будут иметь различные профили теплового воздействия, что приведет к тому, что микроструктура и механические свойства подвергшегося дисперсионному твердению сплава на основе никеля будут меняться в зависимости от выполняемых полета или полетов.

[0058] Система теплозащиты (СТЗ) предохраняет основные компоненты гиперзвуковых летательных аппаратов и космического корабля от плавления или другого возможного повреждения, вызванного теплотой, образовывающейся при высоких скоростях и/или во время входа в атмосферу. СТЗ должна быть легкой, многократно используемой и ремонтопригодной. Схематическое представление одного примера металлической СТЗ (10), в которой используются сотовые панели, проиллюстрировано на ФИГ. 2. Металлическая СТЗ (10) может быть прикреплена к внешнему элементу жесткости (12) детали, такой как, например, емкость для криогенного топлива (не показана) гиперзвукового летательного аппарата или космического аппарата. Металлическая СТЗ (10) может содержать, например, металлические сотовые панели (14) и обернутую фольгой изоляцию (16).

[0059] Один пример сотовой панели (20) схематически изорбажен на ФИГ. 3А, а схематический вид сотовой панели (20) с пространственным разделением деталей изорбажен на ФИГ. 3В. Сотовая панель (20) содержит разделенный перегородками сотовый заполнитель (22), расположенный между и соединенный с противоположными облицовками (24), тем самым обеспечивая множество закрытых камер внутри панели. Употребляемый в данном документе термин "сотовая панель" относится к металлическому сотовому заполнителю, расположенному или проложенному между металлическими облицовками. Употребляемые в данном документе термины "сотовый" и "сотовый заполнитель" относятся к изготовленному продукту (готовому изделию) с упорядоченным расположением имеющих в целом многоугольную форму (напр., шестиугольную) ячеек, образованных из фольги сплава, которые могут применяться в качестве материала заполнителя, расположенного или проложенного между двумя облицовками из металлического материала или другого подходящего материала с обеспечением сотовой панели. Употребляемый в данном документе термин "облицовка" относится к металлической фольге, листу или плите, которая(ый) соединен(а) с металлическим сотовым заполнителем так, как в целом изображено на ФИГ. 2, с обеспечением сотовой панели. Сотовые заполнители используют для образования сотовых панелей с помощью склеивания, высокотемпературной пайки, сварки или иным образом присоединения облицовок к открытым ячейкам сотового заполнителя. Сотовая панель демонстрирует высокие свойства на сжатие и на сдвиг, но минимизируя вес, необходимый для достижения этих свойств по сравнению с монолитным материалом. Сотовые панели используют в применении к аэрокосмическому, морскому и наземному транспорту для того, чтобы уменьшить вес аппарата (транспортного средства) и снизить расход топлива. Способы образования сотового заполнителя, облицовок и сотовых панелей хорошо известны специалистам в данной области техники и поэтому дополнительно не описываются в данном документе.

[0060] Считается, что аэрокосмическая промышленность серьезно рассматривает использование металлической СТЗ лишь в течение последних 15 лет, и сплавам, используемым для облицовки и сотового заполнителя аэрокосмических панелей, было уделено мало внимания. Как правило, при применении СТЗ избегали использования дисперсионно-твердеющих сплавов из-за присущей фазовой нестабильности микроструктуры дисперсионно-твердеющего сплава, а использовали упрочненные на твердый раствор или упрочненные дисперсной оксидной фазой сплавы.

[0061] Некоторые неограничивающие варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам термообработки сплавов на основе никеля для того, чтобы обеспечивать микроструктуру, которая, в целом, стабильна при воздействии термоциклирования. Так как микроструктура, достигаемая с помощью данных способов, остается практически неизменной в течение одного или более термических циклов, которым подвергают сплав на основе никеля, механические свойства сплава на основе никеля будут оставаться практически одинаковыми при определенной температуре, когда сплав термоциклически возвращают к этой определенной температуре. Например, неограничивающие варианты осуществления способов термообработки в соответствии с настоящим изобретением предусматривают сплав на основе никеля с некоторыми свойствами, которые при 1550°F (843,3°C) во втором термическом цикле является практически аналогичными свойствам такого же сплава на основе никеля при 1550°F (843,3°C) в десятом термическом цикле, но которые не являются такими же, как механические свойства сплава на основе никеля при, например, 1650°F (898,9°C) или при 1700°F (926,7°C).

[0062] Было установлено, что γ'-фаза мало способствует прочности сплавов с низкими объемными долями γ'-фазы, таких как, например, сплав 718, при температурах выше примерно 1500°F (815,6°C). Таким образом, было установлено, что термообработки, направленные на оптимизирование γ'-фазы, являются неблагоприятными для таких применений, как СТЗ гиперзвукового летательного аппарата, которые могут испытывать повторяющееся термоциклирование между температурой окружающей среды и температурами до 2200°F (1204°C). Термообработки, которые обеспечивают стабильную микроструктуру во время подобного термоциклирования, могут быть полезными для использования в системах теплозащиты.

[0063] Например, неограничивающий вариант осуществления в соответствии с настоящим изобретением относится к способу термообработки сплава на основе никеля для получения термостабильной микроструктуры в сплаве типа 718 на основе никеля, который способен выдерживать термоциклирование между температурами окружающей среды у поверхности земли и максимальной температурой от примерно 1450°F (787,8°C) до примерно 75°F (42°C) ниже температуры δ-сольвуса (т.е. температуры растворения δ-фазы). Термостабильной микроструктурой является такая микроструктура, которая придает сплаву механические свойства, которые практически не изменяются при воздействии термических циклов в температурном диапазоне между температурой окружающей среды и максимальной температурой в диапазоне от примерно 1450°F (787,8°C) до примерно 75°F (42°C) ниже температуры δ-сольвуса сплава. Если в процессе эксплуатации термоциклирование приводит к воздействию на сплав на основе никеля температур выше диапазона температур термообработки в соответствии с настоящим изобретением, могут происходить пагубные изменения микроструктуры и механических свойств сплавов.

[0064] Температура δ-сольвуса сплава 718 составляет примерно 1881°F (1027°C). Температура δ-сольвуса сплава ATI 718Plus^® составляет примерно 1840°F (1004°C). Температуры δ-сольвуса других сплавов на основе никеля известны или могут быть легко определены без ненужного экспериментирования лицом, имеющим среднюю квалификацию в металлургических отраслях.

[0065] В неограничивающем варианте осуществления согласно настоящему изобретению способ приводит к равновесной или близкой к равновесной концентрации зернограничной δ-фазы на границах зерен аустенитной матрицы, с выделением до 25 массовых процентов общего количества выделений γ'-фазы и γʺ-фазы. Учитывая такое выделение равновесной или близкой к равновесной концентрации зернограничной δ-фазы в вариантах осуществления согласно данному изобретению, варианты осуществления способов термообработки в соответствии с данным изобретением здесь называются "δ-фазными термообработками".

[0066] Варианты осуществления δ-фазных термообработок в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают объемную долю δ-фазы, которая практически не уменьшается вплоть до того момента, пока температуры в процессе эксплуатации не превысят температуру примерно на 75°F (42°C) ниже температуры δ-сольвуса. Таким образом, варианты осуществления раскрытых здесь δ-фазных термообработок обеспечивают стабильную микроструктуру в случае применений, в которых температуры могут циклически меняться вплоть до максимальной температуры примерно на 75°F (42°C) ниже температуры δ-сольвуса. Такая δ-фаза, выделившаяся на границах зерен в соответствии со способами по настоящему изобретению, также служит для предотвращения роста зерен, дополнительного стабилизирования микроструктуры. Варианты осуществления раскрытых здесь δ-фазных термообработок приводят к более низким прочностям сплавов на основе никеля ниже примерно 1500°F (815,6°C). Тем не менее, в сравнении, находясь в эксплуатации, прошедшая обычную термообработку часть сплава типа 718 на основе никеля, подвергнутая воздействию температур выше 1500°F (815,6°C), может демонстрировать относительно более высокую прочность при температурах ниже 1500°F (815,6°C) только в первом термическом цикле, которому подвергают эту часть.

[0067] Хотя это и не ограничиваясь указанным здесь, варианты осуществления раскрытых здесь δ-фазных термообработок могут использоваться в сочетании с составами сплавов на основе никеля, содержащими ниобий (Nb), включая сплавы типа 718 на основе никеля и их производные. Употребляемый в данном документе термин "сплав на основе никеля" относится к сплаву, содержащему преимущественно никель, вместе с одним или более другими легирующими элементами и случайными примесями. Употребляемый в данном документе термин "сплав типа 718 на основе никеля" означает сплав на основе никеля, как определено в данном документе, содержащий или состоящий из никеля, хрома, железа, упрочняющих добавок ниобия и, необязательно, одного или обоих из алюминия и титана, вместе со случайными примесями. Неограничивающие примеры сплавов типа 718 на основе никеля включают сплав 718 и другие сплавы, обсуждаемые ниже.

[0068] Неограничивающим примером сплава типа 718 на основе никеля, для которого неограничивающие варианты осуществления термообработок в соответствии с настоящим изобретением полагают особенно хорошо подходящими, является сплав на основе никеля, содержащий никель, хром, до 14 массовых процентов железа, упрочняющие добавки ниобия, необязательно, одну или обе из легирующих добавок алюминия и титана, и случайные примеси. Еще одним неограничивающим примером сплава типа 718 на основе никеля, для которого полагают особенно хорошо подходящими неограничивающие варианты осуществления термообработок в соответствии с настоящим изобретением, является сплав на основе никеля, как определено в данном документе, включающий хром, от 6 до 14 массовых процентов железа, упрочняющие добавки ниобия, необязательно, одну или более из легирующих добавок алюминия и титана, и случайные примеси.

[0069] Дополнительным неограничивающим примером сплавов типа 718 на основе никеля, с которым могут быть использованы варианты осуществления способов термоо