СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ Советский патент 1995 года по МПК C22C1/02 

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 τ₂₂¹⁰⁰⁰ = =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 τ₂₂¹⁰⁰⁰ = 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.

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.

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЬНОГО ЛИТЬЯ.