СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕЗУГЛЕРОДИСТЫХ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ Российский патент 2007 года по МПК C22C1/03 C22C19/05 C22C1/06 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых коррозионно-стойких литейных жаропрочных сплавов, предназначенных для литья лопаток стационарных энергетических и газоперекачивающих газотурбинных установок и других деталей с монокристаллической структурой.

Этот класс литейных коррозионно-стойких жаропрочных сплавов отличается от известных жаропрочных сплавов повышенным (14-20% мас.) содержанием хрома, который обеспечивает высокую коррозионную стойкость в агрессивной среде продуктов сгорания топлива. Так же, для повышения коррозионно-стойкости сплавов, необходимо понизить в них содержание примесей углерода, серы, кислорода и азота, которые могут присутствовать в сплаве в виде сульфидов, нитридов, окисных плен и их комплексных соединений, т.к. наличие таких включений снижает коррозионную стойкость сплавов.

Известен способ выплавки сплава на основе никеля, включающий загрузку в завалку никеля, хрома, ванадия и других тугоплавких металлов и расплавление этой шихты в индукционной печи. Далее расплав нагревают до 1600-1630°С и проводят рафинирование его от кислорода и серы (авт. св. СССР №1638194).

Недостатком известного способа является то, что хром при выплавке присаживается в печь вместе с другими компонентами шихты, что, учитывая длительность расплавления основной шихты, может приводить к его значительному угару. Кроме того, перегрев расплава до 1600-1630°С и проведение рафинирования при этой температуре также приводит к увеличенному угару и окислению хрома, что не позволит получать в готовом сплаве содержание хрома в нужных пределах.

Известен способ выплавки сплава с высоким содержание хрома 20-30 мас.%. Выплавку ведут в две стадии: сначала в открытой индукционной печи, затем полученные заготовки переплавляют в вакуумно-индукционной печи при температуре, близкой к температуре кипения расплава, и проводят рафинирование, которое обеспечивается всплытием на поверхность соединений неметаллов (заявка Японии №60-50853).

Недостатком указанного способа является то, что предварительная выплавка в открытой печи при атмосферном давлении с последующим переплавом в вакуумной при повышенных температурах приводит к значительному угару и окислению хрома. Кроме того, сам процесс выплавки значительно удлиняется.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование в две стадии с введением окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт.ст. и последующим введением в вакууме хрома, активных легирующих элементов, РЗМ, в котором после введения в расплав активных легирующих элементов проводят рафинирование кальцием в количестве 0,02-0,20% от массы расплава под давлением инертного газа 20-130 мм рт.ст., затем создают вакуум и вводят лантан (патент РФ №2221067).

Недостатком прототипа является то, что он не позволяет выплавлять сплавы с высоким содержанием хрома из-за большого угара и окисления, в том числе с использованием в шихте отходов. Кроме того, значительно увеличивается продолжительность технологического процесса, получаемый сплав имеет достаточно низкую жаростойкость.

Технической задачей изобретения является разработка способа производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, который позволяет снизить потери хрома на угар и окисление при выплавке сплавов, что позволит получать содержание хрома в готовом металле в нужных пределах за счет снижения содержания в сплаве кислорода (не более 0,0010%) и использовать при выплавке до 40 мас.% отходов, повысить жаростойкость сплава при сохранении содержания углерода, серы и азота на уровне содержания этих элементов в способе-прототипе.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме чистых шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование с введением окислителя в атмосфере инертного газа с последующим введением в вакууме хрома, активных легирующих элементов, РЗМ и рафинирование кальцием, в котором после обезуглероживающего рафинирования в расплав вводят до 40 мас.% отходов литейных жаропрочных сплавов, а рафинирование кальцием осуществляют введением кальция в виде лигатуры Ni-Ca в три стадии: 1-ую стадию - после введения отходов, 2-ую стадию - перед введением хрома, а 3-ю стадию рафинирования совмещают с введением РЗМ.

На первой и третьей стадиях рафинирования количество кальция, вводимого в виде лигатуры Ni-Ca, составляет 0,005-0,010% от массы расплава.

На 2-ой стадии рафинирования количество кальция, вводимого в виде лигатуры Ni-Ca, определяют по формуле

где K_Ca - количество кальция, вводимого в расплав;

n - безразмерный коэффициент пропорциональности, равный 0,002;

K_ш - количество выплавляемого сплава;

K_Cr - количество хрома вводимого в расплав;

Л_Ca - содержание кальция в лигатуре никель-кальций.

Авторами установлено, что, если после введения отходов в расплав не провести рафинирование кальцием в виде лигатуры Ni-Ca, то окисные включения, переходящие в расплав после присадки отходов, не удаляются.

Также было установлено, что предварительное рафирование расплава кальцием перед введением хрома позволяет уменьшить угар и окисление хрома и тем самым получать в готовом сплаве содержание хрома в узких пределах.

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ можно использовать преимущественно для сплавов следующих систем: Ni-Co-Cr-W-Mo-Al-Ti-Re-Ta, Ni-Cr-Co-Mo-Al-Ti-Nb-B, Ni-Cr-Co-Mo-W-Al-Hf.

В качестве примера использовали сплав системы Ni-Co-Cr-W-Mo-Al-Ti-Re-Та. Шихта на плавку состояла из чистых шихтовых материалов и до 40 мас.% отходов. Всего было сделано 4 плавки.

Плавки проводили в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 10 кг. В тигель загрузили чистые шихтовые материалы: никель, кобальт, вольфрам, молибден, рений. Чистые шихтовые материалы расплавляли под вакуумом 1·10^-2 мм рт.ст. После расплавления чистых шихтовых материалов в атмосфере инертного газа произвели обезуглероживающее рафинирование расплава с введением окислителя. После этого газ откачали и под вакуумом ввели отходы литейных жаропрочных сплавов. Затем провели первую стадию рафинирования путем введения в расплав кальция в виде лигатуры Ni-Ca. Далее провели вторую стадию рафинирования кальцием, затем ввели хром и последовательно активные легирующие элементы: тантал, титан, алюминий.

Затем провели третью стадию рафинирования, совмещая ее с введением в расплав РЗМ. Количество отходов и содержание кальция на первых и третьих стадиях рафинирования приведены в таблице, а расчет содержания кальция на второй стадии рафинирования проводили по формуле

На первую плавку на второй стадии рафинирования необходимо кальция:

Остальные плавки рассчитывали аналогично первой.

На первой плавке на второй стадии рафинирования присадили 0,0025 мас.% кальция при расчетном содержании хрома 14 мас.%.

На второй плавке, на второй стадии рафинирования, присадили 0,0030 мас.% кальция при расчетном содержании хрома 16 мас.%.

На третьей плавке, на второй стадии рафинирования, присадили 0,0033 мас.% кальция при расчетном содержании хрома 18 мас.%.

На четвертой плавке, на второй стадии рафинирования, присадили 0,0037 мас.% кальция при расчетном содержании хрома 20 мас.%.

Технологические параметры плавок и полученные результаты по содержанию хрома в готовом металле и примесей приведены в таблице. Там же приведены технологические параметры плавки по способу-прототипу и полученные результаты.

Из таблицы видно, что на всех плавках угар хрома в готовом металле не превышает в узких пределах ±0,3 мас.%, получены низкие содержания кислорода 0,0006-0,00073 мас.%, при низком содержании серы 0,0005-0,0007 мас.% и углерода 0,0025-0,0031 мас.%. Жаростойкость (стойкость сплава к окислению при повышенных температурах) предлагаемого сплава по сравнению с прототипом повышается в 1,5 раза.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать безуглеродистые литейные жаропрочные сплавы с минимальными потерями по хрому, использовать при этом до 40 мас.% отходов, получая в готовом сплаве минимальное содержание кислорода. При этом в получаемом сплаве содержание других вредных примесей (углерод, сера и азот) находится на уровне способа-прототипа.

Использование изобретения позволяет повысить жаростойкость сплава в 1,5 раза, тем самым повышается ресурс и надежность работы стационарных газотурбинных установок.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых коррозионно-стойких литейных жаропрочных сплавов, предназначенных для литья лопаток стационарных энергетических и газоперекачивающих газотурбинных установок и других деталей с монокристаллической структурой. Техническим результатом является снижение потерь хрома на угар и окисление при выплавке сплавов, что позволит получать содержание хрома в готовом металле в нужных пределах за счет снижения содержания в сплаве кислорода (не более 0,0010%) и использовать при выплавке до 40 мас.% отходов, повысить жаростойкость сплава при сохранении содержания углерода, серы и азота. Способ включает расплавление в вакууме чистых шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование с введением окислителя в атмосфере инертного газа и последующее введение в вакууме хрома, активных легирующих элементов, РЗМ и рафинирование кальцием. При этом после обезуглероживающего рафинирования в расплав вводят до 40 мас.% отходов литейных жаропрочных сплавов, а рафинирование кальцием осуществляют введением кальция в виде лигатуры Ni-Ca в три стадии: 1-ую стадию - после введения шихтовых материалов, 2-ую стадию - перед введением хрома, а 3-ю стадию рафинирования совмещают с введением РЗМ. На первой и третьей стадиях рафинирования кальций вводят в количестве 0,005-0,010% от массы расплава. На второй стадии рафинирования кальций вводят в количестве, которое определяется по формуле

где K_Ca - количество кальция, водимого в расплав;

n - безразмерный коэффициент пропорциональности, равный 0,002;

K_Ш - количество выплавляемого сплава;

K_Cr - количество хрома, вводимого в расплав;

Л_Ca - содержание кальция в лигатуре никель-кальций.

Использование изобретения позволяет повысить жаростойкость сплава в 1,5 раза, тем самым повышаются ресурс и надежность работы стационарных газотурбинных установок. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме чистых шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование с введением окислителя в атмосфере инертного газа и последующее введение в вакууме хрома, активных легирующих элементов, РЗМ и рафинирование кальцием, отличающийся тем, что после обезуглероживающего рафинирования в расплав вводят до 40 мас.% отходов литейных жаропрочных сплавов, а рафинирование кальцием осуществляют введением кальция в виде лигатуры Ni-Ca в три стадии: 1-ю стадию - после введения отходов, 2-ю стадию - перед введением хрома, а 3-ю стадию рафинирования совмещают с введением РЗМ.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на первой и третьей стадиях рафинирования количество кальция, вводимого в виде лигатуры Ni-Ca, составляет 0,005-0,010% от массы расплава.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на второй стадии рафинирования количество кальция, вводимого в виде лигатуры Ni-Ca, определяют по формуле:

где K_Ca - количество кальция, вводимого в расплав;

n - безразмерный коэффициент пропорциональности, равный 0,002;

K_ш - количество выплавляемого сплава;

K_Cr - количество хрома, вводимого в расплав;

Л_Ca - содержание кальция в лигатуре Ni-Ca.