СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ ИЗ ЛИТЕЙНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА Российский патент 2005 года по МПК B22D27/04 

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано при получении отливок из интерметаллидных сплавов с направленной и монокристаллической структурой, в частности лопаток авиационных газотурбинных двигателей и стационарных газотурбинных установок, створок ГТД и других деталей ответственного назначения.

Как правило, высокотемпературные лопатки газовых турбин получают методом направленной кристаллизации из супержаропрочных никелевых сплавов. Высокий уровень жаропрочности этих сплавов в интервале температур 900-1100°С достигается благодаря многокомпонентному легированию, сложной термической обработке, в результате которой сплав упрочняется дисперсными частицами γ’-фазы сплава, оптимального размера и морфологии, а также благодаря прогрессивной технологии литья - методу направленной кристаллизации (патенты РФ №2108406, 2190686, 2198233, патенты США №5366695, 5173255, 4725322; патенты Великобритании №2033270, 2100633, 2106138; патенты Франции №2531357, 2614404).

Основным недостатком всех перечисленных аналогов является, как правило, необходимость применения высокотемпературной многоступенчатой длительной термообработки, в особенности сплавов, легированных танталом и рением, для формирования оптимальной структуры и свойств жаропрочных сплавов независимо от способа их получения, а также их интенсивное разупрочнение при кратковременных забросах температур до 1150-1200°С при эксплуатации изделия.

Известны конструкционные материалы на основе интерметаллида Ni₃АI, в которых в отличие от традиционных никелевых сплавов, упрочнение достигается не за счет выделения дисперсных упрочняющих частиц, а в результате образования упорядоченной структуры на основе интерметаллидного соединения Ni₃АI. Интерметаллидные сплавы экономно легированы, имеют более низкую плотность, чем жаропрочные сплавы. Структура этого класса материалов термостабильна до температуры 1250°С, что позволяет их применять для изготовления теплонагруженных деталей ГТД (элементов камер сгорания, створок реактивного сопла, лопаток турбин и др.) и получать методом точного литья (статья: Е.Н.Каблов, В.П.Бунтушкин и др. “Сплав на основе интерметаллида Ni₃Аl - перспективный материал для лопаток турбин”, “Металловедение и термобработка металлов”, №7, 2002 г., стр.16-19).

Поскольку интерметаллидные сплавы не чувствительны к термообработке, то повышение эксплуатационных свойств в изделиях из сплавов этого класса возможно лишь путем получения оптимальной структуры в процессе литья и направленной кристаллизации. Существующие методы литья не обеспечивают достаточной жаропрочности этих сплавов в интервале температур 900-1100°С.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ получения монокристаллических отливок из литейных никелевых сплавов.

Согласно прототипу монокристаллические отливки из жаропрочных никелевых сплавов получают методом направленной кристаллизации с применением тугоплавких затравок путем размещения формы с затравкой в нагревателе, имеющем участки с постоянным в средней части и с переменным у торцов температурными полями, в области постоянного по высоте теплового поля. Нагрев формы ведут до температуры выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава с расположением затравки в области температур ниже температуры ликвидуса сплава затравки. Форму после заполнения жаропрочным сплавом перемещают до погружения в охладитель со скоростью 2-1000 мм/мин до положения затравки не ниже уровня, соответствующего изотерме ликвидус жаропрочного сплава, а дальнейшее перемещение осуществляют со скоростью погружения (патент РФ №2010672).

Недостатком способа, изложенного в прототипе, является невозможность получения оптимальной структуры в отливках в процессе плавки и направленной кристаллизации для обеспечения эксплуатационных свойств интерметаллидных сплавов, необходимость применения термообработки для всех отливок из жаропрочных сплавов, полученных в диапазоне указанных скоростей перемещения формы с расплавом с целью оптимизации размеров структурных составляющих и повышения эксплуатационных характеристик сплава.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение жаропрочности интерметаллидных никелевых литейных сплавов в литых изделиях с монокристаллической и направленной структурой и повышение качества отливок за счет получения оптимальной структуры сплава в процессе литья и направленной кристаллизации без применения специальной термической обработки.

Для достижения поставленной задачи предлагается способ получения отливки из литейного никелевого сплава направленной кристаллизацией с использованием тугоплавкой затравки, включающий размещение керамической формы с затравкой в нагревателе, имеющем участки с постоянным в средней части и с переменным у торцов температурными полями, нагрев формы выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава с расположением затравки в области температур ниже температуры ликвидуса сплава затравки, заполнение формы расплавом и погружение в охладитель, отличающийся тем, что в качестве литейного никелевого сплава используют интерметаллидный никелевый сплав, расплав которого перед заливкой в форму перегревают, вначале на 250-290°С выше температуры ликвидус сплава с выдержкой не более 3 мин, затем - на 170-220°С выше температуры ликвидус сплава с выдержкой не более 10 мин, затем охлаждают до температуры заливки со скоростью 10-50 град/мин. После кристаллизации форму с отливкой перемещают обратно из охладителя в нагреватель и выдерживают при температуре 1100-1150°С не менее 15-20 минут. Направленную кристаллизацию осуществляют при скорости охлаждения 40-240 град/мин, а заливку расплава проводят в керамические формы с тугоплавкой монокристаллической затравкой ориентации [111].

В соответствии с диаграммой состояния Ni-Al интерметаллидные литейные никелевые сплавы с 7-9,5% AI имеют основу – γ‘-фазу (легированное соединение Ni₃Аl) с прослойками - γ-фазы до 10%. Интерметаллидные сплавы дополнительно могут содержать β-фазу (NiAl). Установлено, что если в микроструктуре сплава содержится незначительное количество этой фазы, то они имеют более высокую жаропрочность при Т=900-1200°С, чем сплавы, в которых эта фаза отсутствует.

Микроструктурные исследования показали, что если расплав интерметаллидного никелевого сплава перед заливкой его в форму перегревают в тигле на 250-290°С выше температуры ликвидус (Тлик.) сплава с выдержкой не более 3 мин, то микроструктура сплава состоит из матрицы сплава – γ‘-фазы, прослоек - γ-фазы и дополнительно содержит до 5% β-фазы, окруженной выделениями γ‘эвт. При этом вокруг β-фазы концентрируются такие элементы, как Мо, Со, замедляющие диффузионные процессы в сплаве, и следовательно, процесс разупрочнения сплава.

Если перегрев расплава в тигле составляет менее чем на 250°С выше Тлик. сплава, то β-фаза в сплаве отсутствует. При перегревах расплава в тигле более чем на 290°С выше Тлик. сплава начинается процесс взаимодействия расплава и материала тигля, что вызывает изменение химического и фазового состава сплава и ухудшение его жаропрочных характеристик.

Второй перегрев расплава в тигле индуктора проводят при температуре выше на 170-220°С Тлик. сплава в течение не более 10 мин с целью очистки расплава перед сливом. При перегреве расплава менее чем на 170°С выше Тлик. сплава эффект очистки расплава не проявляется.

Охлаждение расплава в тигле после первого перегрева проводят с фиксированной скоростью не более 10-50 град/мин. При повышенных скоростях охлаждения (более 50 град/мин) в расплаве возможно выпадение нежелательных избыточных фаз, являющихся дополнительными гетерогенными центрами кристаллизации. Снижение скорости до значений, ниже указанного диапазона, технологически нецелесообразно из-за увеличения всего времени техпроцесса.

Направленную кристаллизацию отливок из интерметаллидного никелевого сплава осуществляют при скорости охлаждения в диапазоне от 40 до 240 град/мин в зависимости от поперечного сечения отливки и состава сплава.

После окончания кристаллизации формы с отливками перемещают из зоны охлаждения в нагреватель при температурах, не превышающих 1100-1150°С в зависимости от Тсолидус заливаемого сплава, и выдерживают 15-20 мин для снятия литейных напряжений.

Пример 1. В вакуумной установке УВНК-9 для направленной кристаллизации отливали монокристаллические образцы диаметром 16 мм, длиной 150 мм из нового интерметаллидного сплава типа ВКНА, содержащего 1% Re (Тлик. = 1390°С). Сплав в количестве 8 кг загружали в индукционную плавильную печь установки. В печи подогрева форм на специальной подвеске размещали два блока керамических форм с установленными в них тугоплавкими затравками с кристаллографической ориентацией [111]. В установке создавали вакуум 1·10^-3 мм рт.ст. Включали печь подогрева форм и проводили нагрев форм до температуры 1540±10°С. В индукционной печи расплавляли мерную шихтовую заготовку сплава ВКНА, перегревали расплав до температуры 1680°С, что на 290°С выше Тлик. сплава, выдерживали при этой температуре 3 минуты, охлаждали расплав со скоростью 50 град/мин до 1500°С, осуществляли второй перегрев до температуры 1610°С (на 220°С выше Тлик. сплава), выдерживали при этой температуре 10 мин, доводили температуру расплава до 1540±10°С и заливали его в горячие формы путем поворота индуктора. После 1-2 минут выдержки расплава в форме начинали процесс направленной кристаллизации путем перемещения формы с расплавом из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 8 мм/мин, что эквивалентно скорости охлаждения 40 град/мин. После окончания процесса кристаллизации в печи подогрева форм устанавливали температуру 1150°С и выдерживали отливки в формах при указанной температуре 15-20 минут для снятия литейных напряжений. После чего формы с образцами с помощью механизма горизонтального перемещения транспортировали в шлюзовую камеру установки и извлекали в атмосферу цеха. Образцы очищали от керамики, выявляли макроструктуру образцов путем травления в смеси соляной кислоты и перекиси водорода. Из 18 полученных образцов 17 имели монокристаллическую структуру, что составляет 94%.

Пример 2. Аналогично примеру 1 на установке УВНК-9 отливали образцы с монокристаллической структурой из безуглеродистого интерметаллидного сплава типа ВКНА, не содержащего рения (Тлик.=1385°С). Расплав вначале перегревали до 1635°С, что на 250°С выше Тлик. сплава и охлаждали со скоростью 10 град/мин до Т=1500°С, а затем доводили температуру расплава до Т=1555°С (на 170°С выше Тлик. сплава), выдерживали 10 мин и заливали при Т=1540°С. Скорость охлаждения сплава при кристаллизации составляла 240 град/мин. После окончания процесса кристаллизации в печи подогрева форм устанавливали температуру 1100°С и выдерживали отливки в формах при этой температуре 20 минут. Выход годного по структуре около 90%.

Пример 3. Для отливки лопаток малоразмерного двигателя с направленной по всей высоте структурой на установке УВНК-9 использовали наиболее экономно легированный сплав серии ВКНА, без кобальта и рения с Тлик. сплава=1365°С, который заливали в лопаточные формы без затравок. Технологический процесс плавки и кристаллизации лопаток был аналогичен примеру 1. Температура первого перегрева составила 1655°С, температура второго перегрева 1585°С, охлаждение расплава до температуры заливки 50 град/мин. Скорость охлаждения расплава при кристаллизации 40 град/мин, температура выдержки отливок после кристаллизации в нагревателе 1150°С, 20 мин. Все полученные лопатки имели направленную структуру (выход годного 100%).

В микроструктуре всех отливок, полученных по предлагаемому способу, присутствуют фазы: γ’-матрица. сплава, в которой равномерно распределены более пластичные прослойки γ-фазы толщиной 0,7-0,9 мкм, а в междендритных областях имеются включения эвтектической (γ’+β) фазы, не создающие протяженных непрерывных цепочек и являющиеся дополнительной упрочняющей фазой в этом сплаве (см. чертеж - а, б).

На той же установке получали отливки образцов из интерметаллидного сплава, аналогичного по составу примеру 2, с использованием способа по прототипу. На чертеже (в) видны крупные выделения эвтектической γ’-фазы, которые могут образовывать цепочки по границам дендритов. β-фаза в данном случае в сплаве отсутствует.

Результаты экспериментов и некоторые механические свойства полученных образцов представлены в таблице.

Предложенный способ получения отливок из литейных никелевых сплавов на основе интерметаллида Ni₃Аl обеспечивает высокий выход годного (до 94% при литье с монокристаллической структурой по сравнению с прототипом 65%), повышение механических свойств сплавов (время до разрушения при Т-1100°С увеличивается более чем в 2 раза) благодаря созданию оптимальной структуры в процессе литья и направленной кристаллизации без применения дополнительной термообработки отливок.

Изобретение может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой, в частности лопаток авиационных газотурбинных двигателей, стационарных газотурбинных установок и других деталей ответственного назначения. В качестве литейного никелевого сплава используют интерметаллидный никелевый сплав. Перед заливкой в форму расплав перегревают на 250-290°С выше температуры ликвидус сплава, выдерживают не более 3 мин. Затем сплав перегревают на 170-220°С выше температуры ликвидус сплава с выдержкой не более 10 мин. Сплав охлаждают до температуры заливки со скоростью 10-50 град/мин и заливают в горячие формы. Направленную кристаллизацию сплава осуществляют путем перемещения формы из зоны нагрева в зону охлаждения со скоростью 40-240 град/мин. После кристаллизации форму с отливкой перемещают обратно из охладителя в нагреватель и выдерживают при температуре 1100-1150°С не менее 15-20 минут. Обеспечивается повышение выхода годного, механических свойств сплавов. 2 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ получения отливки из литейного никелевого сплава направленной кристаллизацией с использованием тугоплавкой затравки, включающий размещение керамической формы с затравкой в нагревателе, имеющем участки с постоянным в средней части и с переменным у торцов температурными полями, нагрев формы выше температуры ликвидуса жаропрочного сплава с расположением затравки в области температур ниже температуры ликвидуса сплава затравки, заполнение формы расплавом и погружение в охладитель, отличающийся тем, что в качестве литейного никелевого сплава используют интерметаллидный никелевый сплав, расплав которого перед заливкой в форму перегревают вначале на 250-290°С выше температуры ликвидус сплава с выдержкой не более 3 мин, затем - на 170-220°С выше температуры ликвидус сплава с выдержкой не более 10 мин, затем охлаждают до температуры заливки со скоростью 10-50 град/мин, а после кристаллизации форму с отливкой перемещают обратно из охладителя в нагреватель и выдерживают при температуре 1100-1150°С не менее 15-20 мин.2. Способ получения отливки из литейного никелевого сплава по п.1, отличающийся тем, что направленную кристаллизацию осуществляют при скорости охлаждения 40-240 град/мин.3. Способ получения отливки из литейного никелевого сплава по п.1, отличающийся тем, что заливку расплава проводят в керамические формы с тугоплавкой монокристаллической затравкой ориентации [111].