СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЛОЖНОФАСОННЫХ ОТЛИВОК ИЗ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ Российский патент 1998 года по МПК B22D25/00 

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к способам изготовления отливок роторов.

Известен способ изготовления цельнолитых облопаченных роторов методом литья по выплавляемым моделям, включающий формовку керамической формы опорным наполнителем, заливку горячей формы сплавом (а.с. СССР N 145994, B 22 D 25/00).

Однако известный способ не обеспечивает получение высоких показателей механических свойств отливок роторов по следующим причинам:
1. Не регламентирована высота слоя чугунной дроби в соотношении к толщине самой отливки, что приводит к формированию в роторе явно выраженной столбчатой макроструктуры и получению большой анизотропии свойств в радиальном и осевом направлении. Кроме того, использование в качестве наполнителя чугунной дроби приводит к образованию на ней окалины при прокалке формы и нарушению условий направленного теплоотвода при кристаллизации.

2. Не регламентированы оптимальные температурные условия кристаллизации, а именно температура формы и температура заливаемого сплава, которые определяют условия формирования карбидов MeC.

Известны способы литья роторов газовых турбин, в которых главными требованиями к материалу для литья роторов являются высокое сопротивление ползучести и термической усталости в лопатках, высокие пределы прочности и текучести, а также пластичность при средних температурах в диске (Ч.Симс, В. Хагель, "Жаропрочные сплавы", М., Металлургия, 1996, стр. 237-241).

Для достижения указанных показателей разработана специальная группа сплавов инконель 713C, MM-004, B-1900, IN-100, Mar-M246. Разработка этих сплавов производилась исходя из двух основополагающих решений. Например, сплава инконель 713 C с пониженным содержанием углерода для исключения формирования в роторах массивных карбидов MeC. Вместе с тем известно, что почти полное удаление углерода ухудшает упрочнение карбидами MeC по границам зерен и снижает сопротивление ползучести при высоких температурах.

Остальные сплавы разработаны с учетом их модифицирования добавками гафния для исключения формирования в отливках роторов карбидов MeC в виде китайских иероглифов.

Однако, достигнутые показатели указанных сплавов не обеспечивают необходимый уровень свойств, регламентированный отраслевыми 210-ОТУ и М010-ОТУ5 для детали "Ротор" (показатели сплавов приведены в табл. 10, Ч.Симс, В.Хагель "Жаропрочные сплавы", М., Металлургия, 1996).

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления сложнофасонных отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающей формовку керамической формы опорным наполнителем, заливку сплава в нагретую форму, термическую обработку отливок (Курдюмов А.В. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Учебник для вузов, М., Металлургия, 1986, с. 258-260).

Однако известный способ не обеспечивает получение высоких показателей механических свойств отливок роторов по следующим причинам:
1. Не регламентирована высота слоя опорного наполнителя в соотношении к толщине самой отливки, что приводит к формированию явно выраженной столбчатой макроструктуры и получению большой анизотропии свойств в радиальном и осевом направлении детали.

2. Не регламентированы оптимальные температурные условия кристаллизации, а именно температура формы и температура заливаемого сплава, которые определяют условия формирования в отливках карбидов MeC полиэдрической формы и исключают образование этих карбидов в виде китайских иероглифов.

3. Не регламентированы условия, исключающие образование в процессе термической обработки (гомогенизации) двойных карбидов M₆C(Ni₃W₃C) и условия для формирования в отливках оптимальной дисперсности упрочняющей γ′-фазы, в результате которых невозможно регламентировать высокие показатели сопротивления ползучести, пределы прочности и текучести, а также высокие значения ударной вязкости.

Целью изобретения является формирование в деталях (роторах) равнозернистой макроструктуры и исключение анизотропии свойств, формирование карбидов MeC (TiC, TiN) полиэдрической формы, измельчение карбидов MeC, исключение образования охрупчивающих карбидов M₆C (Ni₃W₃C), обеспечение оптимальной дисперсности упрочняющей γ′- фазы, повышение механических свойств отливок при низких, средних и высоких температурах, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность работы ротора турбины.

Известен способ отливок, при котором азот используется в качестве модификатора (а.с. СССР N 1057177, B 22 D 25/00).

Азот при выплавке жаропрочных сплавов типа ЖС образует карбонид ТiN, фаза ТiN твердая и хрупкая, ее выделения снижают пластичность и ударную вязкость сплавов фазы. TiN играют полезную роль сплавов, являясь основным его модификатором, измельчая зерна и оси дендритов, при этом повышается плотность сплавов и уменьшается склонность к межкристаллической пористости (Н.Ф. Лашко. Структура и фазовый состав литейных жаропрочных сплавов типа ЖС, М., ВИАМ, ОНТИ, 1964, стр. 13).

Однако содержание азота, при котором появляется модифицирующий эффект в сплавах ЖС, не определено. По ОСТ1. 90127-85 и ОСТ1. 90126-85 в сплаве ЖС6К содержание азота не нормируется.

Нагрев деталей из сплавов ЖС под закалку, выдержка при температуре гомогенизации и скорость последующего охлаждения являются наиболее ответственными операциями термической обработки. Относительная низкая теплопроводность сплавов ЖС требует тщательного регулирования нагрева и охлаждения (Н.Ф. Лашко, Структура и фазовый состав литейных жаропрочных сплавов типа ЖС, М., ВИАМ, ОНТИ, 1964, стр. 28).

Известен способ термической обработки сплава ЖС6К, по которому температура гомогенизации составляет 1210+15-10

Известен способ термической обработки сплава ЖС6К, по которому температура гомогенизации составляет 1210^oC, а скорость охлаждения до температуры 900^oC регламентирована в интервале 30-60^oC/мин. (Отраслевая производственная инструкция НПО "ВИАМ", ПИ1.2.325-87 "Термическая обработка деталей из жаропрочных литейных сплавов на никелевой основе", 1987, МАП).

В отличие от известных способов термической обработки, в предлагаемом способе регламентирован ступенчатый нагрев под гомогенизацию с заданными скоростями, а также, оптимизирована скорость охлаждения после гомогенизации.

Режимы нагрева под гомогенизацию и охлаждения после гомогенизации назначены исходя из следующих условий:
а) нагрев с температуры посадки отливок в печь до температуры 1170-1180^oC для исключения образования двойных карбидов M₆C /Ni₃, W₃C/, т.к. наибольшее выделение двойных карбидов наблюдается в сплаве ЖС6К при температуре 1150-1160^oC (Н.Ф.Лашко... стр. 20).

Нагрев деталей на первом этапе до более высоких температур до 1200^oC приводит к образованию структуры нагрева с характерной оторочкой по границам зерен (Н. Ф. Лашко... стр. 23). Нагрев при этом производят со скоростью 8-12^oC/мин.

При скорости нагрева менее 8^oC/мин развивается окисление по границам зерен, разупрочняющее сплав (Н.Ф.Лашко... стр. 37).

Нагрев на первом этапе со скоростью более 12^oC для деталей сложной геометрии типа "Ротор" приводит к возникновению трещин из-за сравнительно низкой теплопроводности сплава ЖС (Н.Ф.Лашко... стр. 28-29).

б) выдержка отливок при температуре 1170-1180^oC назначена для полного растворения литой упрочняющей γ′- фазы в твердом растворе.

в) нагрев на втором этапе производят с оптимальной скоростью 0,6-1^oC/мин.

Нагрев со скоростью менее 0,6^oC/мин увеличивает цикл процесса и приводит к окислению по границам зерен. Нагрев со скоростью более 1^oC/мин приводит к неполному растворению образовавшейся оторочки вокруг карбидов, т.к. процесс ее растворения носит диффузионный характер.

Скорость охлаждения отливок после гомогенизации в пределах 15-20^oC/мин для получения оптимальной дисперсности уплотняющей γ′- фазы и высоких показателей ударной вязкости (Н.Ф.Лашко... стр. 12).

По условиям эксплуатационной надежности в момент пуска и резко скачкообразного набора оборотов до 24500-25000 об/мин ротор турбины должен обладать высокими показателями комплекса механических свойств:
σ_в- предел прочности на растяжение ≥ 85 кгс/мм²;
σ₀₂- предел текучести ≥ 80 кгс/мм²;
δ - относительное удлинение ≥ 2,0%;
КСИ - ударная вязкость ≥ 1,0 кгс•м/см²;
τ97520

На фиг. 1 показана макроструктура ротора, отлитого с металлическим холодильником;
на фиг. 2 - макроструктура ротора опытного образца;
на фиг. 3 - макроструктура ротора по предлагаемому способу;
на фиг. 4 - макроструктура ротора опытного образца.

Предлагаемый способ изготовления роторов турбины реализуют следующим образом.

Готовую керамическую форму, изготовленную известным способом по выплавляемым моделям, формуют в опоку с использованием опорного наполнителя (с нижней по заливке части) с высокой теплопроводностью, например, металлической нержавеющей дроби. Толщина слоя опорного наполнителя относится к толщине отливки как 1:2-2,5.

Результаты состояния макроструктуры и качества отливок представлены в табл. 1 и на фиг. 1, 2, 3, 4.

В качестве наполнителя верхней части формы используют зернистый шамот различных фракций. Заформованную керамическую форму прокаливают при температуре 950-1050^oC, устанавливают в вакуумную плавильную установку. При достижении формой температуры 700-800^oC, производят заливку жаропрочного сплава с температурой 1560-1580^oC.

Влияние температуры формы и температуры сплава на формирование в отливках типа карбидов MeC приведено в табл. 2.

Для заливки используют жаропрочный сплав ЖС6К при содержании компонентов, мас.%:
Азот - 0,001 - 0,005
Углерод - 0,16 - 0,19
Алюминий - 5,0 - 5,8
Титан - 2,5 - 2,9
Кобальт - 4,0 - 5,5
Вольфрам - 4,5 - 5,5
Хром - 9,5 - 12,0
Молибден - 3,5 - 4,8
Кремний - ≤ 0,4
Марганец - ≤ 0,4
Сера - ≤ 0,015
Фосфор - ≤ 0,015
Железо - ≤ 2,0
Церий - ≤ 0,015
Бор - ≤ 0,02
Висмут - ≤ 0,0005
Свинец - ≤ 0,001
Никель - Основа
Результаты влияния содержания азота в сплаве на показатели механических свойств приведены в таблице 3.

После заливки и охлаждения, отливку ротора подвергают термической обработке (гомогенизации). Отливку нагревают до температуры 1170-1180^oC со скоростью 8-12^oC/мин, выдерживают в течение 60 мин, затем нагревают до температуры 1225^oC со скоростью 0,6-1^oC/мин.

Выбранный температурный режим нагрева исключает формирование в отливках охрупчивающих двойных карбидов M₆C. Полностью исключает формирование по границам зерен зернограничной оторочки, наличие которой резко снижает пластические свойства и, особенно, ударную вязкость сплава.

Влияние режима нагрева отливок на качество механических свойств отливок приведено в таблице 4.

Термическую обработку отливок проводят по известной нормативной документации. Охлаждение после термической обработки ведут на воздухе со скоростью 15-25^oC/мин.

Данная скорость охлаждения обеспечивает формирование в отливках оптимальной дисперсности упрочняющей γ′- фазы и оптимальное соотношение показателей пределов прочности на растяжение, предел текучести и ударную вязкость.

Влияние скорости охлаждения после термической обработки на дисперсность γ′- фазы и механические свойства приведены в таблице 5.

Сравнительные показатели механических свойств отливок роторов приведены в таблице 6.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления отливок роторов. Готовую керамическую форму, изготовленную по выплавляемым моделям, формуют в опоку с опорным наполнителем, обладающим высокой теплопроводностью, например с металлической нержавеющей дробью. Толщина слоя опорного наполнителя относится к толщине отливки как 1:2 - 2,5. В качестве наполнителя верхней части формы используют зернистый шамот различных фракций. Заформованную керамическую форму прокаливают при 950 - 1050^oC, устанавливают в вакуумную плавильную установку. При достижении формой температуры 700 - 800^oC производят заливку жаропрочного сплава на никелевой основе с температурой 1560 - 1580^oC. После заливки и охлаждения отливку ротора подвергают термической обработке (гомогенизации). Отливку нагревают до 1170 - 1180^oC со скоростью 8 - 12^oC/мин, выдерживают в течение 60 мин, затем нагревают до 1225^oC со скоростью 0,6 - 1^oC/мин. Охлаждение ведут на воздухе со скоростью 15 - 25^oC/мин. Способ обеспечивает формирование в отливках оптимальной дисперсности упрочняющей γ′- фазы и оптимальное соотношение показателей передела прочности на растяжение, предела текучести и ударной вязкости. 1 з.п. ф-лы, 6 табл., 4 ил.

\\\1 1. Способ изготовления сложнофасонных отливок из жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий формовку керамической формы опорным наполнителем, заливку сплава в горячую форму, термическую обработку отливок, отличающийся тем, что в качестве опорного наполнителя используют вещество с высокой теплопроводностью, отношение толщины слоя которого к толщине отливки составляет 1 : (2 - 2,5), сплав модифицируют азотом, заливку его производят при температуре 1560 - 1580<198>C в форму с температурой 700 - 800<198>C, а при термической обработке отливки нагревают до 1170 - 1180<198>C со скоростью 8 - 12<198>C/мин, выдерживают в течение 60 мин, затем нагревают до 1225<198>C со скоростью 0,6 - 1<198>C/мин и охлаждают на воздухе со скоростью 15 - 25<198>C/мин. \\\2 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жаропрочный сплав на никелевой основе имеет следующий состав, мас.%: \\\3 Азот \\\7 0,01 - 0,005 \\\3 Углерод \\\7 0,16 - 0,19 \\\3 Алюминий \\\7 5,0 - 5,8 \\\3 Титан \ \ \7 2,5 - 2,9 \\\3 Кобальт \\\7 4,0 - 5,5 \\\3 Вольфрам \\\7 4,5 - 5,5 \\\3 Хром \\\7 9,5 - 12,0 \\\3 Молибден \\\7 3,5 - 4,8 \\\3 Кремний \\\7 <$E<<=> 0,4 \\\3 Марганец \\\7 <$E<<=> 0,4 \\\3 Сера \\\7 <$E<<=> 0,015 \\\3 Фосфор \ \ \ 7 <$E<<= > 0,015 \\\3 Железо \\\7 <$E<<=> 2,0 \\\3 Церий \\\7 <$E<<=> 0,015 \\\3 Бор \\\7 <$E<<=> 0,02 \\\3 Висмут \\\7 <$E<<=> 0,0005 \\\ 3 Свинец \\\7 <$E<<=> 0,001 \\\3 Никель \\\7 Остальное