Способ производства жаропрочных сплавов на никелевой основе для монокристального литья

Способ производства жаропрочных сплавов на никелевой основе для монокристального литья

Реферат

 

Изобретение относится к цветной металлургии, конкретно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля для монокристального литья. Цель изобретения - повышение жаропрочности сплавов за счет снижения в них концентрации углерода, что достигается предварительной переплавкой на воздухе части неактивных шихтовых материалов, например никеля или кобальта, после чего в вакууме проводят обезуглероживающее рафинирование расплава и введение активных легирующих элементов. Предварительный переплав неактивных шихтовых материалов позволяет провести насыщение расплава кислородом, что при последующем рафинировании в вакууме способствует более глубокому обезуглероживанию за счет взаимодействия углерода с кислородом. 2 табл.

Изобретение относится к цветной металлургии, конкретно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе для монокристального литья, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых сплавов, предназначенных преимущественно для получения лопаток газотурбинных авиационных двигателей. Целью изобретения является повышение жаропрочных свойств за счет снижения концентрации углерода в сплаве. В предлагаемом способе, включающем расплавление в вакууме неактивных шихтовых материалов и последовательное введение в расплав активных легирующих элементов, часть неактивных шихтовых материалов предварительно переплавляют на воздухе, а после расплавления шихты под вакуумом проводят обезуглероживающее рафинирование расплава с последующим введением активных легирующих элементов. В качестве неактивного шихтового материала используют никель, который переплавляют и выдерживают при температуре 1620-1700^оС в течение 5-25 мин. Обезуглероживающее рафинирование проводят при температуре 1550-1750^оС в течение 10-40 мин при остаточном давлении воздуха в плавильном пространстве печи не свыше 5,3 МПа (4 10^-2 мм рт.ст.). Предварительный переплав шихтовых материалов на воздухе позволяет провести насыщение металла кислородом. При последующем расплавлении шихты под вакуумом в расплаве создается окислительный потенциал. В результате активно протекает реакция обезуглероживания металла. Избыточное содержание в расплаве кислорода, глубокий вакуум и изотермическая выдержка жидкого металла при повышенной температуре способствуют глубокому обезуглероживанию расплава. При этом концентрация углерода может быть понижена до 0,006% и менее. К неактивным шихтовым материалам относятся материалы, обладающие более низким сродством к кислороду, чем углерод, например никель, кобальт и другие элементы, входящие в состав жаропрочных сплавов. Однако наиболее предпочтительно использовать для переплава на воздухе основу жаропрочных сплавов - никель. Целесообразность переплава на воздухе никеля определяется тем, что во-первых, никель входит в состав сплавов в значительном количестве (около 55-75%) и насыщение его кислородом позволяет создать в расплаве при последующем вакуумном переплаве достаточный окислительный потенциал, во-вторых, экономическими соображениями: никель является наименее дорогостоящим по сравнению с другими неактивными шихтовыми материалами и неизбежные некоторые потери металла при переплаве на воздухе не приводят к заметному удорожанию получаемого сплава. Переплав никеля на воздухе можно проводить в открытых индукционных печах. Для повышения эффективности насыщения жидкого металла кислородом плавку целесообразно вести без наведения шлака. После расплавления температуру металла доводят до 1620-1700^оС и выдерживают в течение 5-25 мин. При температуре менее 1620^оС заметного насыщения металла кислородом воздуха не происходит. Увеличение температуры свыше 1620^оС ведет к резкой интенсификации процесса насыщения расплавленного металла кислородом. Дальнейшее повышение температуры вплоть до 1700^оС влечет за собой снижение интенсивности насыщения жидкого металла кислородом и при температуре 1700^оС дальнейшего насыщения расплава кислородом воздуха практически не происходит. Таким образом максимальный эффект при использовании предлагаемого способа достигается в интервале температур 1620-1700^оС во время выдержки расплава на воздухе. Выдержка расплава на воздухе менее 5 мин не обеспечивает заметного насыщения металла кислородом воздуха. Выдержка расплава в интервале 5-25 мин позволяет провести оптимальное насыщение металла кислородом. Увеличение выдержки более 25 мин практически не приводит к дальнейшему насыщению металла кислородом. При расплавлении под вакуумом предварительно переплавленных на воздухе неактивных шихтовых материалов происходит активное взаимодействие углерода и растворенного в металле кислорода с интенсивным выделением СО₂. При всплытии на поверхность металла пузырьков СО₂ осуществляется дополнительное рафинирование металла от неметаллических включений, а также азота. На процесс обезуглероживающего рафинирования металла существенное влияние оказывают давление воздуха в плавильном пространстве печи, температура расплава и время выдержки расплава при данной температуре. При давлении воздуха в плавильном пространстве печи свыше 5,3 МПа (4 10^-2 мм рт.ст.) не удается интенсифицировать реакцию взаимодействия углерода с растворенным в металле кислородом и обеспечить глубокое обезуглероживание расплава. В металле остается существенное количество углерода и непрореагировавшего кислорода, что ведет к падению жаропрочных свойств сплавов. При температуре ниже 1550^оС также не удается обеспечить глубокого обезуглероживания расплава. При температуре свыше 1750^оС помимо активного обезуглероживания расплава отмечается испарение отдельных компонентов сплава, обладающих повышенной упругостью паров, в частности, хрома. Кроме того имеет место активизация взаимодействия рафинируемого металла с футеровкой тигля и, как следствие этого, происходит загрязнение металла вредными примесями, например кремнием. В результате снижаются жаропрочные свойства сплавов. Проведение рафинирования металла менее 10 мин не обеспечивает глубокого обезуглероживания расплава, так как реакция взаимодействия углерода и растворенного в металле кислорода не успевает завершиться, продолжается кипение расплава, вследствие выделения СО₂. Проведение рафинирования металла более 40 мин не приводит к дальнейшему обезуглероживанию расплава, но влечет за собой необоснованное увеличение продолжительности технологического процесса и создает возможность загрязнения металла вредными примесями, переходящими в расплав из футеровки тигля, особенно при проведении выдержки в диапазоне максималь- ных температур. П р и м е р 1 (известный). Осуществляют выплавку безуглеродистого жаропрочного сплава для монокристального литья следующего состава, %: Со 5,0; Сr 10,0; Al 5,4; Ti 0,9; Hf 0,1; Ta 4,0; W 10,0; Ni - остальное. Плавку ведут в вакуумно-индукционной печи с тиглем емкостью 110 кг. В тигель печи загружают неактивные шихтовые материалы: никель, кобальт, хром, вольфрам и тантал. Шихту расплавляют под вакуумом. При температуре 1470^оС в расплав последовательно вводят активные легирующие элементы - титан, затем алюминий и гафний. Перед сливом металла отбирают пробу. Содержание углерода в готовом сплаве 0,017%. Содержание других элементов, а также жаропрочные свойства после вакуумно-индукционного переплава с обезуглероживающим рафинированием приведены в табл. 1. Регламентированного максимального допустимого содержания углерода (0,01%) достичь не удается, что отрицательно сказывается на свойствах сплава. П р и м е р 2. Для снижения содержания углерода согласно предлагаемому способу при производстве безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе для монокристального литья часть неактивных шихтовых материалов предварительно переплавляют на воздухе. Плавку ведут в открытой индукционной печи МГП-150 без наведения шлака. В качестве неактивных шихтовых материалов переплавляют никель. После переплава в полученном металле определяют содержание кислорода, углерода и кремния. Данные химического и газового анализа, а также опробованные варианты технологии переплава приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, оптимальным вариантом технологии проведения открытой плавки никеля является выдержка по расплавлению при температуре 1620-1700^оС в течение 5-25 мин (варианты 3-4). При меньшей выдержке и более низкой температуре отмечается недостаточное насыщение металла кислородом (вариант 1). При более длительных выдержках и высоких температурах существенного прироста насыщения металла кислородом не происходит, но при этом отмечается возрастание содержания в металле кремния, который является вредной примесью в жаропрочных сплавах. Замер температуры осуществляют термопарой погружения. Слив металла осуществляют при температуре 1600-1640^оС. Затем полученный никель открытого переплава на воздухе загружают вместе с другими неактивными шихтовыми материалами (кобальтом, хромом, вольфрамом и танталом) в тигель емкостью 110 кг индукционно-вакуумной печи ОКБ-736. Плавку ведут при остаточном давлении воздуха в плавильной печи не свыше 5,3 МПа (4 10^-2 мм рт.ст.). После расплавления шихты проводят обезуглероживающее рафинирование расплава. Различные варианты технологии обезуглероживающего рафинирования приведены в табл. 1. После проведения обезуглероживающего рафинирования расплава температуру жидкого металла снижают до 1450-1470^оС и присаживают титан, затем последовательно вводят алюминий и гафний. Перед сливом металла отбирают пробу. Содержание углерода составляет в оптимальном варианте 0,003-0,006% (варианты 3-5). Жаропрочность исследуют на образцах с монокристальной структурой, отлитых методом направленной кристаллизации со скоростью кристаллизации 4 мм/мин. Как видно из табл. 1, жаропрочность сплава, полученного по оптимальной технологии обезуглероживающего рафинирования (варианты 3-5), составляет 160-182 ч при температуре испытания 1000^оС и нагрузке 22 кгс/мм². Варианты 9 и 10 соответствуют оптимальным параметрам обезуглероживающего рафинирования. Однако в первом случае при переплаве никеля на открытом воздухе не соблюдаются оптимальные параметры технологии (вариант 1 табл. 2) - недогрев при недостаточной выдержке. Никель оказывается недостаточно насыщен кислородом (0,065%) и процесс обезуглероживания при вакуумной плавке протекает не столь эффективно. Во втором случае при переплавке никеля на открытом воздухе наоборот имеет место перегрев при избыточной выдержке (вариант 7 табл. 2). Никель открытого переплава оказывается загрязненным кремнием. В результате прирост жаропрочности не столь заметен. В рассмотренном конкретном сплаве к неактивным шихтовым материалам относятся никель, кобальт, вольфрам, хром и тантал. Опробован предварительный переплав на воздухе помимо никеля также кобальта и кобальта с никелем. П р и м е р 13. Весь кобальт, входящий в состав сплава в количестве 5,0%, переплавляют предварительно на воздухе. Плавку ведут в открытой индукционной печи МГП-150 без наведения шлака. Металл выдерживают в печи в течение 10 мин. После переплава получают, %: О 0,152; С 0,008; Si 0,08. Затем в тигель вакуумно-индукционной печи ОКБ-736 емкостью 110 кг загружают неактивные шихтовые материалы: никель, кобальт (предварительно переплавленный в открытой печи), хром, вольфрам и тантал. Шихту расплавляют под вакуумом 4х х10^-3 мм рт.ст. и проводят обезуглероживающее рафинирование расплава при температуре 1650^оС в течение 25 мин. В готовом сплаве получают, %: С 0,009; Si 0,09; О 0,0007. Жаропрочность составляет ₂₂¹⁰⁰⁰ = =129 ч. П р и м е р 14. При тех же параметрах осуществляют предварительный переплав всего никеля и кобальта. После переплава получают, %: О 0,157; С 0,008; Si 0,09. Вакуумную плавку ведут при тех же параметрах, что и в примере 13. В готовом сплаве имеются, %: С 0,003; Si 0,09; О 0,0008. Жаропрочность составляет ₂₂¹⁰⁰⁰ = 184 ч. Примеры 13 и 14 показывают, что осуществление предлагаемого способа возможно при использовании и других, помимо никеля, материалов для предварительного переплава на воздухе. Таким образом (см. табл. 1), использование предлагаемого способа позволяет повысить жаропрочные свойства безуглеродистых сплавов на никелевой основе для монокристального литья на 60-80%, что обеспечивает соответствующее увеличение ресурса авиационных газотурбинных двигателей.

Формула изобретения

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ. 1. Способ производства жаропрочных сплавов на никелевой основе для монокристального литья, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов и рафинирование, отличающийся тем, что, с целью повышения жаропрочности сплавов путем снижения содержания углерода, часть шихтовых материалов предварительно переплавляют на воздухе, а рафинирование проводят в вакууме при давлении не более 5,3 МПа. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве переплавляемого шихтового материала используют никель, а переплав на воздухе ведут при 1620 - 1700^oС в течение 5 - 25 мин. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что рафинирование проводят при 1550 - 1750^oС в течение 10 - 40 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2