Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при выплавке безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе для литья лопаток с монокристаллической структурой газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. Предложен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе. Способ включает расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование в среде инертного газа, раскисление, последующее введение легирующих элементов, хрома, титана, алюминия, затем кальция и лантана. Алюминий вводят порционно в количестве, необходимом для получения интерметаллидного сплава на основе Ni₃Al, а перед его введением температуру расплава снижают до Т_лик. + 90-100°C. Кальций вводят в количестве 0,002-0,015% от массы расплава. Лантан вводят в количестве 0,05-0,50% от массы расплава. Использование предлагаемого способа позволит выплавлять интерметаллидные сплавы на основе Ni₃Al повышенной чистоты, это обеспечит повышение ресурса и надежности монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при выплавке безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе для литья лопаток с монокристаллической структурой газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.

Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование с использованием окислителя в количестве, превышающем необходимое для окисления углерода до его диоксида в 2,0-8,5 раз, раскисление, введение активных легирующих элементов, в котором обезуглероживающее рафинирование ведут в две стадии: I стадия проводят введение окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт.ст, затем проводят раскисление и газ удаляют; II стадия - осуществляют введение редкоземельных металлов в количестве 2,0-20,0 раз, превышающем количество углерода, оставшегося в расплаве после I стадии рафинирования. После II стадии рафинирования перед введением активных легирующих элементов в расплав вводят хром. (Патент РФ №2074569).

Недостатком известного способа является то, что при его осуществлении происходит окисление части вводимых РЗМ, что снижает их рафинирующую способность. Кроме того, способ не может быть использован при выплавке безуглеродистых литейных жаропрочных интерметаллидных никелевых сплавов.

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 указанного способа является то, что тигель из окиси кальция, применяющийся в известном способе, является термически нестойким, при открывании печи впитывает атмосферную влагу, что приводит к его разрушению при частых теплосменах через 2-3 плавки, при этом разрушившаяся керамика тигля загрязняет металл.

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 РЗМ, хрома, активных легирующих элементов и кальция, в котором вводят кальций в количестве 0,02-0,20% от массы расплава под давлением инертного газа 20-130 мм рт.ст., затем создают вакуум 10^-2-5.10^-4 мм рт.ст., после чего вводят лантан. Лантан вводят в количестве 0,01-0,30% от массы расплава. (Патент РФ 2221067).

Недостатком способа-прототипа является то, что указанный способ не позволяет выплавлять сплавы с высоким содержанием алюминия и проводить глубокое рафинирование сплава от серы и газов.

Технической задачей изобретения является разработка способа производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, который позволяет выплавлять интерметаллидные сплавы на основе Ni₃Al повышенной чистоты.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование в среде инертного газа, раскисление, последующее введение легирующих элементов, хрома, титана, алюминия, затем кальция и лантана, в котором алюминий вводят порционно в количестве, необходимом для получения интерметаллидного сплава на основе Ni₃Al, а перед его введением температуру расплава снижают до Т_лик.+90-100°C.

Кальций вводят в количестве 0,002-0,015% от массы расплава.

Лантан вводят в количестве 0,05-0,50% от массы расплава.

Присутствие в металле неметаллических включений (сульфидов, оксидов, нитридов) приводит к зарождению центров паразитных равноосных зерен в монокристаллических отливках, что существенно понижает качество отливок. Поэтому необходимо понизить содержание кислорода, азота и серы.

Авторами установлено, что снижение температуры до Т_ликв.+90-100°C и порционное введение легирующего элемента - алюминия - в количестве, необходимом для получения сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, позволяет получать интерметаллидные никелевые сплавы повышенной чистоты.

Введение кальция и лантана в заданных количествах позволяет дополнительно повысить чистоту интерметаллидного сплава.

Примеры осуществления.

По предлагаемому способу осуществили выплавку безуглеродистого жаропрочного сплава на никелевой основе системы Ni-Co-Cr-W-Mo-Al-Ti-Re, содержащего алюминий в количестве 7,5-15%. Всего было сделано 3 плавки.

Пример 1. Плавки проводили в вакуумно-индукционной печи в тигле емкостью до 10 кг. В тигель загрузили шихтовые материалы: никель, кобальт, вольфрам, молибден, рений. Шихту расплавили под вакуумом 5·10^-3 мм рт.ст. После расплавления шихты произвели обезуглероживающее рафинирование в среде инертного газа (аргон) при давлении 50-70 мм рт.ст. После завершения процесса обезуглероживания газ откачали и ввели раскислитель иттрий. Затем в расплав ввели легирующие элементы хром и титан. После чего температуру расплава на всех плавках понизили до Т_ликв.+90-100°C и алюминий вводили порциями. После введения всего алюминия в расплав добавили 0,002% кальция, а затем 0,05% лантана.

Примеры 2, 3 аналогичны примеру 1, результаты приведены в таблице.

Введение кальция и лантана осуществляли под вакуумом 5·10^-3-5·10^-4 мм рт.ст.

Технологические параметры плавок и полученные результаты по содержанию серы и газов (кислород и азот) приведены в таблице. Там же приведены технологические параметры плавки по способу-прототипу.

№№п.п.	Технологические параметры плавки после введения легирующих элементов	Содержание	Жаропрочность t=975°C, σ=30 кгс/мм2, в часах
	Кислород, % массы	Азот, мас.%		Сера, мас.%
Масса вводимого алюминия,%	Масса вводимого кальция, мас.%	Масса вводимого лантана, мас.%
		1,5		-	-	-	-	-
		3,0	-	-	-	-	-
3,0		0,002	0,05	0,0009	0,0010	0,0005	73
2		2,0	-	-	-	-	-
		2,5	-	-	-	-	-
		2,5	-	-	-	-	-
3,0		0,008	0,25	0,0009	0,0007	0,00039	78
3		2,5	-	-	-	-	-
		3,0	-	-	-	-	-
		2,5	-	-	-	-	-
		3,0	-	-	-	-	-
4,0	0,015	0,50	0,00085	0,0005	0,00029	82
4		Способ-прототип	0,0015	0,0013	0,0010	62

Из таблицы видно, что при использовании предлагаемого способа содержание серы в расплаве по сравнению со способом-прототипом снизилось в 2-3 раза, а азота и кислорода в 1,5-2 раза, что позволило повысить жаропрочность сплавов.

Использование предлагаемого способа позволит выплавлять интерметаллидные сплавы на основе Ni₃Al повышенной чистоты, это обеспечит повышение ресурса и надежности монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей и газотурбинных установок.

1. Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование в среде инертного газа и раскисление, последующее введение легирующих элементов хрома, титана, алюминия, затем кальция и лантана, отличающийся тем, что алюминий вводят порционно в количестве, необходимом для получения сплава на основе интерметаллида Ni₃Al, а перед его введением температуру расплава снижают до Т_лик. + 90-100°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кальций вводят в количестве 0,002-0,015% от массы расплава.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что лантан вводят в количестве 0,05-0,50% от массы расплава.