Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых жаропрочных сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей и других деталей с монокристаллической структурой. Предложен способ производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе. Способ включает расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в две стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома и активных легирующих элементов, рафинирование расплава кальцием и редкоземельными металлами в вакууме. Шихтовые материалы содержат до 70% отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, которые присаживают после введения хрома, а перед рафинированием кальцием и редкоземельными металлами расплав нагревают до температуры, превышающей температуру ликвидус сплава не менее чем на 250°С, с последующей выдержкой при этой температуре. Технический результат - повышение коэффициента использования металла, выхода годного при выплавке и отливке деталей ГТД с монокристаллической структурой. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых жаропрочных сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей и других деталей с монокристаллической структурой.

В литейных жаропрочных безуглеродистых сплавах углерод, сера, азот и кислород являются вредными примесями. Углерод и сера образуют, соответственно, карбиды и сульфиды, которые снижают температуру начала плавления сплавов. Кислород и азот образуют тугоплавкие оксиды и нитриды, которые могут являться центрами гетерогенного зарождения равноосных зерен в монокристаллических отливках. Снижение температуры плавления металла и наличие равноосных зерен снижают эксплуатационные характеристики монокристаллов и могут служить причиной преждевременного их разрушения. Поэтому содержание примесей не должно превышать: углерода - 0,005%, серы, азота и кислорода - 0,001% каждого.

Известен способ производства жаропрочных никелевых сплавов, включающий присадку кальция в вакуумных индукционных печах в количестве 0,05-1,0% от массы металла в тигель вместе с основными шихтовыми материалами под давлением инертного газа - аргона 200 мм рт. ст. (Авт. свидетельство СССР №372916).

Недостатком этого способа является то, что расплавление материалов в атмосфере инертного газа затрудняет удаление вредных примесей цветных металлов (свинца, висмута, сурьмы и др.) из расплава. Кроме того, куски кальция во время расплавления шихты могут прилипать к стенкам керамического тигля, выполненного из шпинели, и образовывать с материалом тигля легкоплавкие соединения типа CaO-MgO, СаО-Al₂О₃ и др., которые загрязняют готовый металл.

Известен способ снижения содержания серы в жаропрочных никелевых сплавах при плавке в вакууме, при котором расплав контактирует с кальцийсодержащим реагентом, например, когда тигель изготовлен из окиси кальция (Патент США №5922148).

Недостатком данного способа является то, что тигель из окиси кальция, применяющийся в известном способе, является термически нестойким, растрескивается и быстро (через 2-3 плавки) разрушается, при этом разрушившаяся керамика тигля загрязняет металл неметаллическими включениями.

Наиболее близким к заявленному является способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования в две стадии с введением окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт. ст. и введением в вакууме редкоземельных металлов, последующим введением хрома и активных легирующих элементов, рафинирование расплава введением кальция в количестве 0,02-0,2% в атмосфере инертного газа 20-130 мм рт. ст. и лантана в количестве 0,01-0,3% от массы металла в вакууме 1·10^-2-5·10^-4 мм рт. ст. (Патент РФ №2221067).

Недостатком этого способа является недостаточно высокий выход годного металла и невозможность использования в процессе выплавки сплавов отходов, образовавшихся при выплавке предыдущих плавок (недоливки, скрапина, сплесы), при обработке полученных заготовок (головная и донная обрезь, стружка) и литейных образующихся при отливке изделий с монокристаллической структурой, что существенно повышает стоимость сплава.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение экономической эффективности способа выплавки безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля путем увеличения выхода годного металла и максимального использования отходов производства, повышение эксплуатационных свойств металла при сохранении низкого содержания вредных примесей.

Технический результат достигается тем, что предложен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в две стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома и активных легирующих элементов, рафинирование расплава кальцием и редкоземельными металлами в вакууме, в котором шихтовые материалы содержат до 70% отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, которые присаживают после введения хрома, а перед рафинированием кальцием и редкоземельными металлами расплав нагревают до температуры, превышающей температуру ликвидус сплава не менее чем на 250°С, с последующей выдержкой при этой температуре.

Выдержка после нагрева расплава составляет не менее 10 минут.

В качестве редкоземельных металлов вводят один или несколько элементов из группы: лантан, иттрий, церий и скандий в количестве 0,01-0,5% от массы сплава.

Отходы безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе подвергают предварительной очистке.

В качестве отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе используют обрезь головных и донных частей отлитых шихтовых заготовок, образующихся при отливке шихтовых заготовок, недоливков, скрапины и сплесов, отходов литейного производства в виде прибылей, литников и бракованных отливок, а также стружки, образующейся при механической обработке монокристаллических отливок и поверхности шихтовых заготовок.

Количество применяемых отходов ограничивается особенностями плавильного агрегата, в данном случае - вакуумной индукционной печи, и не может превышать 70% от массы шихты. Если количество отходов будет более 70%, то процесс расплавления будет невозможен.

Отходы вводят после введения в расплав хрома для снижения содержания примесей.

Перед рафинированием кальцием расплав нагревают до температуры, превышающей температуру ликвидус не менее чем на 250°С, и выдерживают при этой температуре, что обеспечивает максимальное удаление азота и кислорода из расплава. Если температура перегрева будет менее 250°С, то процессы рафинирования не протекают. Время выдержки не менее 10 минут является оптимальным для протекания процесса рафинирования в полном объеме.

Предварительная очистка отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе производится с целью рафинирования их от примесей: азота, кислорода, серы и углерода. В случае применения отходов без предварительной очистки содержание указанных примесей в готовом сплаве может существенно возрасти. Для рафинирования готового сплава с целью удаления примесей время выдержки расплава при повышенной температуре должно быть увеличено в 5-7 раз, что приводит к существенному угару легирующих элементов, загрязнению металла неметаллическими включениями и, как следствие, падению эксплуатационных свойств металла и снижению выхода годного.

Пример осуществления способа

По предлагаемому способу осуществили выплавку безуглеродистого литейного жаропрочного сплава на никелевой основе следующих систем: Ni-Cr-Al, Ni-Cr-Al-W-Mo-Ta и Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Re-Ta-Nb-Ti с температурой ликвидус 1410°С. Шихта на плавку состояла из чистых компонентов и отходов этих сплавов в количестве до 70 % от общей массы шихты. В качестве примера представлен сплав системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Re-Ta-Nb-Ti, как наиболее сложный для проведения его рафинирования. Всего было сделано 8 плавок. Результаты по содержанию вредных примесей, эксплуатационным характеристикам и выходу годного представлены в таблице. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи. В тигель загрузили шихтовые материалы: никель, кобальт, вольфрам, молибден и рений. Шихту расплавили под вакуумом 1·10^-2. После расплавления шихты перекрыли откачку вакуумными насосами и напустили в плавильную камеру инертный газ (аргон) до давления 80 мм рт. ст. В расплав ввели окислитель, после завершения первой стадии обезуглероживания расплав раскислили и откачали газ, после чего ввели иттрий. После завершения второй стадии обезуглероживания в расплав добавили хром.

По предлагаемому способу (пл. №2-5) после введения хрома были присажены отходы. После расплавления отходов в металл присадили активные легирующие элементы: титан, тантал, ниобий и алюминий.

Затем перекрыли откачку вакуумными насосами и в плавильную камеру напустили инертный газ (аргон) до давления 80 мм рт. ст., после чего добавили 0,1% кальция. Перед введением кальция металл перегрели до температуры, превышающей температуру ликвидус сплава не менее чем на 250°С, выдерживали при этой температуре не менее 10 минут.

После введения кальция создали вакуум 5·10^-3 мм рт. ст., после чего ввели до 0,5% редкоземельных металлов.

В дальнейшем плавки проводились по различным вариантам рафинирования отходов и выплавки сплава с их применением.

Из данных, представленных в таблице, видно, что предлагаемый способ (плавки №№2-5) обеспечивает: содержание примесей на уровне металла, выплавленного по способу-прототипу на свежей шихте (пл. №1); более стабильные значения длительной прочности при рабочей температуре; более высокие пластические характеристики при рабочей температуре; более высокий выход годного.

В случае использования в шихте 50% даже наиболее чистых собственных кондиционных отходов в виде обрези головных и донных частей шихтовых заготовок и недоливков, введения редкоземельных металлов аналогично пл. №5, но при выплавке металла без перегрева (пл. №6) в готовом металле существенно возрастает содержание вредных примесей, имеет место снижение эксплуатационных характеристик и выхода годного.

Выплавка металла с применением в шихте 50% собственных кондиционных отходов, с перегревом расплава до температуры 1610°С (Т=Т_L+200°С) (пл. №7), с введением редкоземельных металлов аналогично пл. №3 также приводит к более низкому выходу годного.

Выплавка металла с применением в шихте 50% собственных кондиционных отходов, перегревом расплава до температуры 1660°С (Т=T_L+250°С) и с введением редкоземельных металлов аналогично пл. №4 (пл. №8) не обеспечивает необходимого уровня содержания примесей, эксплуатационных свойств и выхода годного.

Таким образом, технический результат в предлагаемом изобретении достигается только при совокупности всех существенных признаков.

Использование изобретения позволит повысить коэффициент использования металла, выход годного при выплавке шихтовых заготовок и отливке деталей ГТД с монокристаллической структурой и понизить стоимость сплава на 15-30%.

Таблица
№ п.п.	Способ ведения плавки	Кол-во отходов	Тнагрева, °С	Выдержка мин	Содержание вредных примесей, %	Св-ва сплава при Т=1000°С, σ=27 кгс/мм2	Выход годного, %
С	S	O	N	τ, час	δ, %	χ, %
1.	Прототип	0	1520	10	0,0003	0,0008	0,0008	0,0009	220 242 235	40,2 25,3 34,5	30,4 44,7 38,1	75
2.	С применением собственных отходов с перегревом Т=ТL+250°С и введением 0,4% лантана	50	1660	10	0,0003	0,0007	0,0008	0,0005	230 244 237	37,1 42,0 39,0	40,0 37,8 42,4	80
3.	С применением собственных отходов и с перегревом Т> TL+250°С и введением 0,01% скандия	50	1700	10	0,0003	0,0007	0,0007	0,0006	239 242 231	38,8 45,4 39,0	36,2 37,5 45,0	80
4.	Выплавка с применением предварительно очищенных отходов литейного производства, с перегревом и введением иттрия и скандия в сумме 0,5%	40	1660	12	0,0002	0,0005	0,0008	0,0007	222 240 237	448 36,5 40,0	39,1 47,1 45,6	85
5.	Выплавка с применением предварительно очищенных отходов литейного производства, стружки, с перегревом и введением лантана и скандия в сумме 0,3%	70	1660	11	0,0003	0,0008	0,0008	0,0009	244 239 240	40,5 42,9 45,0	44,7 40,0 47,2	80
6.	С применением собственных отходов без перегрева	50	1520	10	0,0005	0,0012	0,0012	0,0016	181 160 209	30,4 18,1 25,0	24,5 29,2 19,5	40
7.	С применением собственных отходов и с перегревом Т= TL+200°C	50	1610	10	0,0004	0,0010	0,0011	0,0013	190 221 215	28,4 27,5 30,7	30,1 40,2 36,4	60
8.	С применением собственных отходов, время выдержки менее 10 мин	50	1660	5	0,0005	0,0009	0,0011	0,0014	187 216 207	28,1 33,9 30,0	37,4 40,1 29,0	65

1. Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в две стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома и активных легирующих элементов, рафинирование расплава кальцием и редкоземельными металлами в вакууме, отличающийся тем, что шихтовые материалы содержат до 70% отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, которые присаживают после введения хрома, а перед рафинированием кальцием и редкоземельными металлами расплав нагревают до температуры, превышающей температуру ликвидус сплава не менее чем на 250°С, с последующей выдержкой при этой температуре.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выдержка после нагрева расплава составляет не менее 10 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве редкоземельных металлов используют по меньшей мере один из элементов группы: церий, лантан, иттрий и скандий в количестве 0,01-0,5% от массы сплава.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отходы безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе подвергают предварительной очистке.