Способ производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе

 

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе. Цель - повышение жаропрочности за счет уменьшения содержания углерода и снижение себестоимости. Это достигается тем, что предварительно переплавленные в вакууме шихтовые материалы рафинируют путем введения в расплав окислителя, например оксида никеля, в количестве, превышающем стехиометрически необходимое для окисления углерода до его диоксида в 2,0 - 8,5 раз, с последующим раскислением. В качестве раскислителя используют лигатуру никель-кальций в определенном количестве. Использование изобретения позволяет повысить длительную прочность сплавов на никелевой основе в среднем на 50-60 %. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, конкретнее к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых сплавов, предназначенных для литья лопаток газотурбинных авиационных двигателей по методу направленной кристаллизации. Целью изобретения является повышение жаропрочных свойств посредством снижения остаточного содержания углерода и снижение себестоимости. Изобретение заключается в том, что в способе производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающем расплавление под вакуумом неактивных шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование расплава и последовательное введение в расплав активных легирующих элементов, согласно изобретению, обезуглероживающее рафинирование осуществляют введением в жидкий металл окислителя в виде порошка оксида никеля в количестве, превышающем стехиометрически необходимое для окисления углерода расплава до оксида углерода в 2,0-8,5 раз, после чего производят раскисление металла с последующим введением активных легирующих элементов. Раскисление жидкого металла можно осуществлять кальцием, который присаживают в виде лигатуры никель - кальций в количестве, устанавливаемом по следующей формуле: Q_л= n · , (1) где Q_л - количество лигатуры никель - кальций, кг; К_NiO - количество оксида никеля, % от общей массы металлошихты на плавку; М_ш - масса металлошихты, кг; M_Ca - содержание кальция в лигатуре никель - кальций, %; n = 0,03-0,1 - безразмерный эмпирический коэффициент пропорциональности. Раскисление жидкого металла осуществляют при температуре 1530-1580^оС с выдержкой после присадки лигатуры никель-кальций в течение 5-25 мин. Введение в расплав окислителя в виде порошка оксида никеля позволяет создать в жидком металле заданный окислительный потенциал, а за счет развитой поверхности взаимодействия порошка с жидким металлом ускорить протекание окислительных реакций до весьма низких остаточных содержаний углерода в расплаве. Присадка порошка оксида никеля в количестве, превышающем стехиометрически необходимое для окисления углерода расплава до оксида углерода менее чем в 2,0 раз, не обеспечивает существенного снижения остаточного содержания углерода в металле по равнению прототипом, при этом цель изобретения в части повышения жаропрочных свойств не реализуется. Присадка порошка оксида никеля в количестве, превышающем стехиометричеки необходимое для окисления углерода расплава до оксида углерода более чем в 8,5 раз, не приводит к дальнейшему обезуглероживанию металла, при этом в готовом сплаве наблюдаются оксидные включения, которые ведут к резкому снижению жаропрочных свойств. Введение в расплав избыточного количества оксида никеля предполагает обязательную операцию раскисления металла, без которой непрореагировавшая часть оксида никеля может вступать во взаимодействие с вводимыми в жидкий металл после проведения обезуглероживающего рафинирования активными легирующими элементами, входящими в состав сплава, что может привести к наличию в готовом сплаве оксидных включений, отрицательно влияющих на жаропрочные свойства. Раскисление расплава предпочтительно осуществлять кальцием, поскольку остаточное количество кальция после раскисления металла эффективно удаляется при выдержке жидкого металла в вакууме. Однако возможно использование других раскислителей, например редкоземельных металлов. Так как РЗМ полностью не удаляется из расплава в условиях вакуумной плавки, то их использование целесообразно лишь для обработки тех сплавов, химический состав которых предполагает наличие этих элементов. Кальций целесообразно вводить в виде тяжелой лигатуры никель-кальций, с содержанием кальция 3-10%, использование которой обеспечивает более полное усвоение кальция расплавом и направленное его использование для раскисления жидкого металла. Чистый металлический кальций применять менее предпочтительно ввиду значительного его угара и практически неконтролируемого усвоения расплавом. Количество вводимой в расплав для раскисления лигатуры никель-кальций должно быть увязано с количеством присаживаемого для обезуглероживания оксида никеля в соответствии с эмпирической зависимостью (1). В случае присадки меньшего количества раскислителя в готовом сплаве могут остаться окисные включения. При введении в жидкий металл большего количества раскислителя в металле возможно остаточное содержание самого раскислителя, что также может оказывать отрицательное влияние на свойства готового сплава. Присадка раскислителя при температуре менее 1510^оС не обеспечивает качественного раскисления металла и удаления остаточного материала раскислителя при последующей выдержке расплава, что отрицательно влияет на жаропрочные свойства сплава. Присадка раскислителя при температуре свыше 1580^оС ведет к повышенному угару материала раскислителя и также препятствует качественному раскислению металла. Кроме того, перегрев расплава после введения в него кальция ведет к усиленному размыванию футеровки и восстановлению ее компонентов кальцием. В результате металл загрязняется материалом футеровки, что ведет к снижению жаропрочных свойств. Выдержка расплава после введения раскислителя в течение менее 5 мин не позволяет завершиться процессом раскисления металла и удаления остаточного кальция из расплава, что оказывает негативное влияние на качество полученного сплава. Выдержка расплава после введения раскислителя свыше 25 мин не обеспечивает дальнейшего рафинирования жидкого металла и ведет к необоснованному задерживанию металлургического оборудования. П р и м е р 1. Осуществляли выплавку безуглеродистого жаропрочного сплава для монокристального литья на никелевой основе системы Ni-Co-Cr-Al-Ti-W-Mo-Re-Nb. Плавку вели в вакуумно-индукционной печи с тиглем емкостью 100 кг. В тигель печи загружали неактивные шихтовые материалы: никель, кобальт, хром, вольфрам, молибден и рений общей массой 92 кг. Шихту расплавляли под вакуумом. После расплавления шихты отбирали пробу. Проведение экспресс-анализа на углерод показало его содержание в пробе металла, равное 0,018% . Расплав нагревали до температуры 1680^оС, включали электромагнитное перемешивание жидкого металла и присаживали оксид никеля в количестве 0,825 кг, превышающем стехиометрически необходимое для окисления углерода расплава до диоксида углерода в 4 раза. Расплав выдерживали при 1680-1700^оС в течение 20 мин. Затем температуру расплава понижали до 1550^оС и при включенном электромагнитном перемешивании жидкого металла проводили раскисление введением в расплав лигатуры никель-кальций с содержанием кальция 5%. Количество лигатуры составило 0,91 кг, что соответствовало требованиям формулы (1) при n = 0,06. Расплав выдерживали при температуре 1540-1560^оС в течение 15 мин. После этого температуру металла снижали до 1470^оС и последовательно присаживали активные легирующие элементы: ниобий, титан и алюминий. Перед сливом металла отбирали пробу. Содержание углерода составило менее 0,001%. Химический состав сплава полностью соответствовал техническим требованиям. П р и м е р 2. При температуре 1550^оС при включенном электромагнитном перемешивании жидкого металла проводили раскисление путем введения в расплав комплексного раскислителя: лигатур ферро-церий, никель-иттрий, лантана в количестве 0,005% от общей массы шихты на плавку каждого элемента. Содержание углерода в полученном металле составило менее 0,01%, длительная прочность τ₂₇¹⁰⁰⁰ = 104 ч. П р и м е р 3. При температуре 1550^оС при включенном электромагнитном перемешивании жидкого металла проводили раскисление введением в расплав церия (0,15% от общей массы шихты) в виде лигатуры ферро-церий. За 5 мин до слива расплава металл дополнительно раскисляли путем введения 0,01% церия, 0,005% иттрия, 0,005% лантана. Содержание углерода в готовом сплаве составило менее 0,001%, длительная прочность τ₂₇¹⁰⁰⁰ = 101 ч. В таблице приведены результаты опробования описанного способа, а также способа-прототипа (пример 1). Примеры 2 и 6 не соответствуют требованиям основного пункта формулы изобретения в части количества вводимого оксида никеля, что негативно отражается на жаропрочности сплава. Примеры 3-5 соответствуют предлагаемой технологии, что обеспечивает длительную прочность сплава на уровне 110-120 ч при Т = 1000^оС и σ= 27 кгс/мм². Примеры 7-10 иллюстрируют влияние требований п.2 формулы изобретения на достигаемый результат. Как видно из таблицы, отклонение от регламентируемой зависимости в ту или иную сторону ведет к некоторому снижению жаропрочных свойств. Недостаточное время выдержки после присадки раскислителя ведет к понижению жаропрочных свойств вследствие неудовлетворительного рафинирования металла (пример 11). Увеличение выдержки более 25 мин (пример 14) не приводит к дальнейшему увеличению свойств, но влечет за собой необоснованное увеличение времени задалживания дорогостоящего металлургического оборудования и, следовательно, неоправданное завышение себестоимости выплавляемого сплава. При понижении температуры менее 1510^оС (пример 15) отмечается снижение жаропрочных свойств вследствие понижения эффективности раскисления расплава. Повышение температуры свыше 1580^оС (пример 18) также ведет к понижению жаропрочности сплава ввиду неконтролируемого угара раскислителя и усилению взаимодействия расплава, в который введен высокоактивный элемент-раскислитель, с материалом тигля. Использование изобретения позволяет повысить длительную прочность безуглеродистых сплавов на никелевой основе в среднем на 50-60%, что обеспечивает соответствующее увеличение ресурса авиационных газотурбинных двигателей, а также понизить себестоимость сплава за счет устранения операции предлагаемого переплава части шихты в открытых индукционных печах.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование расплава и введение легирующих элементов, отличающийся тем, что, с целью повышения жаропрочных свойств и снижения себестоимости, рафинирование осуществляют введением в расплав окислителя в количестве, превышающем стехиометрически необходимое для окисления углерода до его диоксида в 2,0 - 8,5 раза, с последующим раскислением. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве раскислителя используют лигатуру никель-кальций в количестве где Q_л - количество лигатуры никель - кальций, кг;
K_NiO - количество оксида никеля, % от общей массы металлошихты на плавку;
M_ш - масса металлошихты, кг;
K_Са - содержание кальция в лигатуре, %;
n = 0,03 - 0,10 - безразмерный эмпирический коэффициент пропорциональности. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что раскисление осуществляют при 1510 - 1580^oС с выдержкой после присадки лигатуры в течение 5 - 25 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2