Способ получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа вкна на основе интерметаллида ni3al (варианты) и изделия, полученные этими способами

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения литейных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃Al, которые могут быть использованы при изготовлении изделий, работающих длительное время при высоких температурах в окислительных средах. Способ включает расплавление исходной шихты, содержащей никель, молибден, вольфрам и, если необходимо, кобальт. Рафинируют полученный расплав при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 минут от примесей углерода, кислорода и азота. Последовательно вводят в расплав химически активные элементы, в качестве которых используют технический хром, титан, алюминий, цирконий и РЗМ. Первым вводят технический хром при температуре рафинирования и выдерживают расплав в течение 5-10 минут. Вводят титан и выдерживают расплав в течение 5-10 минут, а затем вводят в расплав при температуре 1500-1550°С порциями алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней РЗМ, при выдержке расплава после введения каждой порции в течение 5-10 минут. Осуществляют разливку и кристаллизацию расплава. По другому варианту хром может быть введен как компонент исходной шихты. Повышается прочность и жаропрочность получаемых сплавов и, как следствие, надежность и ресурс работы выполненных из них изделий. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения литейных сплавов или изделий из сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃AL, и может быть использовано в авиационной и автомобильной промышленности, судостроении для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих длительное время при высоких температурах в окислительных средах.

Основным определяющим свойством сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации при высокой температуре, является жаропрочность. Условия длительной высокотемпературной работы деталей под напряжением, при термоциклировании и знакопеременных нагрузках способствует интенсификации диффузионных процессов в материале. Это приводит к снижению жаропрочности гетерофазных (γ+γ′) - никелевых суперсплавов из-за деградации структуры, связанной с уменьшением или полным исчезновением вторичных выделений упрочающей фазы γ′_вт вследствии повышения ее растворимости в материале матрицы (γ) и укрупнению не растворившихся частиц γ′_вт. Необходимо создание в материале термостабильной структуры, обеспечивающей сохранение высоких характеристик жаропрочности вплоть до предплавильных температур.

Повышение жаропрочности литейных интерметаллидных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃AL, содержащих до 10-15 об.% γ-твердого раствора на основе никеля, может быть достигнуто за счет формирования в них стабильных первичных выделений γ′-фазы (γ′_перв) с упорядоченной ГЦК кристаллической решеткой, имеющей более высокую прочность межатомных связей по сравнению с прочностью межатомных связей в неупорядоченной ГЦК решетке γ-твердого раствора на основе никеля. Характерной особенностью указанных выделений γ′_перв является то, что они формируются уже в расплаве при выплавке сплавов и последующем литье, и имеют сложное строение. В связи с чем разработка способов выплавки низколегированных сплавов на основе интерметаллида Ni₃AL имеет актуальное значение.

Известен способ получения сплава на основе интерметаллида Ni₃AL (Патент США №4126495, опубликован 21.11.1978 г.), по которому в плавильный тигель вакуумной индукционной печи (ВИП) одновременно загружают все шихтовые материалы (Ni, Co, Cr, W, Та, Мо, Nb, Al, Ti, Be, Zr, С), производят вакуумирование в ВИП до остаточного давления 10^-1-10^-2 мм рт.ст., после чего начинают нагрев шихты. Первым плавится Al, который образует расплав на дне тигля и растворяет осадок загрузки шихты за короткий период времени. После полного расплавления шихты, расплав перегревается до 3200°F (1700°С) в пределах контролируемого периода до 10 мин. При этой температуре производится 5-минутная выдержка расплава, а затем его охлаждение до 3050°F (~1760°C). При этой температуре вводятся такие добавки, как бор и Р3М, а затем расплав немедленно заливают в предварительно прокаленные (~843-900°С) оболочковые маршаллитовые формы.

Недостатком способа является то, что при введении всех элементов затрудняется удаление из расплава С и О в виде СО вследствие связывания углерода и кислорода в термодинамические стабильные карбиды и оксикарбиды, затрудняющие формирование в расплаве упрочняющей фазы - γ′_перв. В результате сплавы и изделия, изготовленные из них, имеют низкую жаропрочностью.

Известен способ получения сплава на основе интерметаллида Ni₃AL, включающий расплавление никеля, хрома, вольфрама, молибдена и рения, обезуглероживающее рафинирование, раскисление иттрием, введение в расплав хрома и титана, понижение температуры, порционное введение алюминия, добавление в расплав кальция и лантана (патент РФ №2278902, опубликован 27.06.2006).

Способ позволяет получать сплавы повышенной чистоты. Однако они имеют невысокую жаропрочность при рабочих температурах, превышающих 1000°С.

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ получения литейных жаропрочных сплавов на основе интерметаллида Ni₃AL и изделий, выполненных из них, включающий расплавление элементов с невысокой химической активностью, таких как Ni, Co, Cr, W, Та, Мо, Nb, Re, и углерода в количестве, достаточном для раскисления шихты в процессе расплавления, введение в расплав легирующих элементов с повышенной химической активностью, таких как Ti, Al, Zr и т.д., введение наиболее активных к кислороду элементов бора и РЗМ (Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. / Под редакцией Ч.Т.Симсы и др. Суперсплавы II, кн. 2,- М.: Металлургия, 1995, с.134).

Последовательность введения компонентов шихты и температурные режимы плавки в известном способе не способствуют образованию достаточного количества фазы γ′_перв. В результате сплав и изделия, полученные этим способом, не обладают достаточной прочностью и жаростойкостью при рабочих температурах 1000-1200°С.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа получения литейных жаропрочных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃AL и изделий из них, обладающих высоким ресурсом работы.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и жаропрочности сплавов и изделий из сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида

Ni₃AL, а также повышение ресурса их работы.

Технический результат достигается двумя вариантами способа получения литейных сплавов типа ВКНА.

По первому варианту технический результат достигается тем, что в способе получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃AL, включающем расплавление никеля, молибдена, вольфрама, и, если необходимо, кобальта, рафинирование расплава от примесей углерода, кислорода, азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию, рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 мин, после чего при этой же температуре в расплав вводят низкоуглеродистый хром, а затем титан с выдержкой расплава после введения каждого элемента 5-10 минут, затем при температуре 1500-1550°С порциями вводят в расплав алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней - РЗМ, и выдерживают расплав 5-10 мин. При этом хром можно вводить в расплав 2-3 порциями.

По второму варианту в способе получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃AL, включающем расплавление никеля, молибдена, вольфрама, хрома и, если необходимо, кобальта, рафинирование расплава от примесей углерода, кислорода, азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию, рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 минут, затем при этой же температуре в расплав вводят титан, выдерживают расплав 5-10 минут, затем при температуре 1500-1550°С вводят порциями алюминий, причем с первой порцией в расплав вводят цирконий, а с последней Р3М, и выдерживают расплав 5-10 мин. Во втором варианте в исходной шихте можно использовать технический хром с содержанием углерода ≤0,03 мас.%.

В обоих вариантах выполнения способа титан можно вводить 2-3 порциями, алюминий - 2-4 порциями, а в качестве Р3М вводят лантан.

Для получения фасонных изделий с монокристаллической и/или столбчатой структурой разливку и кристаллизацию осуществляют по выплавляемым моделям с вертикально направленной кристаллизацией.

При этом при получении изделий с поликристаллической структурой в расплав перед разливкой вводят 0,12-0,2 мас.% углерода от массы расплава, а при получении изделий со столбчатой структурой в расплав перед разливкой вводят 0,02-0,08 мас.% углерода от массы расплава.

Технический результат достигается также изделием из литейного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃AL, полученным по одному из заявленных способов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

При выплавке литейных жаропрочных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃AL необходимо проведение комплекса мероприятий, обеспечивающих формирование при кристаллизации частиц тугоплавких ядер-оксидов с оболочкой из β-фазы (NiAl) и выделений γ′_перв - фазы, которая формирует внешнюю оболочку зародышей зерен, обеспечивающую термостабильность и жаропрочность сплава.

Экспериментально установлено, что постадийное введение в расплав элементов с повышенной химической активностью, таких как Cr, Ti, Al, Zr, Р3М при заявленных режимах нагрева и выдержки, исключающих как перегрев, так и охлаждение расплава, приводит к формированию дисперсных выделений фазы γ′_перв, состоящих из ядер-оксидов типа Al (Ti, Zr, La)_xO_y с оболочкой из β-фазы и внешней оболочкой из γ′-фазы (Ni₃Al).

Введение наименее активного циркония с первой порцией алюминия, а наиболее активного РЗМ с последней порцией алюминия позволяет сформировать в расплаве стойкие тугоплавкие ядра-оксиды для последующего стабильного выделения на них упрочняющей γ′-фазы.

Процесс проводят с пониженным до минимума содержанием углерода, который вводят в расплав, в случае необходимости, перед разливкой в кокиль, что позволяет исключить в процессе плавки образование карбидов, препятствующих формированию в расплаве тугоплавких ядер-оксидов.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами:

Выплавляли сплавы ВКНА-4У-МК, ВКНА-1В-НК и ВКНА-РК, химический состав которых приведен в таблице 1.

В таблице 2 приведена последовательность введения легирующих элементов, температурные и временные режимы при выплавке сплавов ВКНА-4У-МК (примеры I, II, III), BKHA-1B-HK (примеры I, II, III), ВКНА-РК (пример III) по предложенной технологии и по известной (пример IV).

После разливки в кокили отбирали стружку на химический анализ. Содержание легирующих элементов и примесей определяли по стандартным методикам.

Во всех случаях перед последующими операциями литые заготовки протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном кокилей, затем разрезали на мерные заготовки весом по 6 кг для последующего литья образцов и изделий методами направленной кристаллизации (НК) или равноосной кристаллизации (РК).

В таблице 3 приведены свойства литейных жаропрочных сплавов ВКНА-1В-НК, ВКНА-4У-МК, ВКНА-РК, полученных предложенными способами (I, II, III) и по способу-прототипу (IV). Из таблицы 3 видно, что сплавы, выплавленные по предложенным способам, имеют характеристики 100-, 500- и 1000-часовой прочности при температурах 100, 1100 и 1200°С, почти в 2 раза превышающие аналогичные характеристики сплава, полученного по способу-прототипу, и повышение рабочих температур на 100°С.

Изделия, выплавленные по предложенным способам, имеют повышенные надежность и ресурс работы.

Таблица 1
Химический состав исследуемых сплавов на основе интерметаллида Ni3AL.
Марка сплава	Al	Cr	W	Мо	Ti	С	Со	Zr	La	Ni
ВКНА- 1В-НК	8,50	5,50	3,00	3,50	1,15	≤0,02	-	0,03	0,015	Осн.
ВКНА- 4У-МК	8,50	5,00	2,15	5,00	0,90	≤0,02	4,00	0,03	0,015	Осн.
ВКНА-РК	8,50	5,00	2,15	5,00	0,90	0,15	4,00	0,25	0,015	Осн.

1. Способ получения литейного жаропрочного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃Al, включающий расплавление исходной шихты, содержащей никель, молибден, вольфрам и, если необходимо, кобальт, рафинирование полученного расплава от примесей углерода, кислорода и азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию расплава, отличающийся тем, что рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 мин, а в качестве химически активных элементов используют технический хром, титан, алюминий, цирконий и РЗМ, при этом первым вводят технический хром при температуре рафинирования и выдерживают расплав в течение 5-10 мин, затем вводят титан и выдерживают расплав в течение 5-10 мин, вводят в расплав при температуре 1500-1550°С порциями алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней - РЗМ, при выдержке расплава после введения каждой порции в течение 5-10 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что технический хром вводят в расплав 2-3 порциями.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что титан вводят в расплав 2-3 порциями.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что алюминий вводят в расплав 2-4 порциями.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве РЗМ используют лантан.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для получения монокристаллической и/или столбчатой структуры разливку и кристаллизацию осуществляют по выплавляемым моделям с вертикально направленной кристаллизацией.

7. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что для получения равноосной поликристаллической структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,12-0,2% от массы расплава.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что для получения столбчатой структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,02-0,08% от массы расплава.

9. Способ получения литейного жаропрочного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃Al, включающий расплавление исходной шихты, содержащей никель, молибден, вольфрам, хром и, если необходимо, кобальт, рафинирование полученного расплава от примесей углерода, кислорода и азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию расплава, отличающийся тем, что рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 мин, а в качестве химически активных элементов используют титан, алюминий, цирконий и РЗМ, при этом первым вводят титан и выдерживают расплав в течение 5-10 мин, затем при температуре 1500-1550°С в расплав вводят порциями алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней - РЗМ, при выдержке расплава после введения каждой порции в течение 5-10 мин.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что в качестве хрома используют технический хром с содержанием углерода ≤0,03 мас.%.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что титан вводят в расплав 2-3 порциями.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что алюминий вводят в расплав 2-4 порциями.

13. Способ по п.9, отличающийся тем, что в качестве РЗМ используют лантан.

14. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что для получения монокристаллической и/или столбчатой структуры разливку и кристаллизацию осуществляют по выплавляемым моделям с вертикально направленной кристаллизацией.

15. Способ по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что для получения равноосной поликристаллической структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,12-0,2% от массы расплава.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что для получения столбчатой структуры в расплав перед разливкой дополнительно вводят углерод в количестве 0,02-0,08% от массы расплава.

17. Изделие из литейного жаропрочного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида Ni₃Al, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава, полученного способом по любому из пп.1-16.