Способ производства жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты)
Владельцы патента RU 2682266:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при изготовлении лопаток, дисков, створок и других деталей газотурбинных двигателей. Способ производства жаропрочных сплавов на основе никеля включает расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение, вакуумную высокотемпературную обработку расплава при давлении 10-2-10-4 мм рт.ст. и температуре 1600-1750°С в течение не менее 3 мин, введение в него рафинирующих добавок и фильтрацию расплава через нагретый пенокерамический фильтр. В качестве рафинирующих добавок в расплав вводят один или более щелочноземельных металлов в количестве не более 0,025% каждого от массы расплава в следующей последовательности: барий, кальций, магний с выдержкой не менее 2 мин после введения каждого металла, после чего вводят один или более редкоземельных металлов в количестве 0,01-0,3% от массы расплава, причем не более 0,1% каждого. При необходимости после расплавления в вакууме шихтовых углеродсодержащих материалов проводят обезуглероживающее рафинирование расплава. Снижается содержание кислорода и азота, а также щелочноземельных металлов. Повышается длительная прочность как безуглеродистых, так и содержащих углерод жаропрочных сплавов на основе никеля. Также повышается выход годного по монокристальности для литейных монокристаллических жаропрочных сплавов на основе никеля. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 пр.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, в том числе коррозионностойких, как безуглеродистых, так и содержащих углерод, которые могут быть использованы для изготовления лопаток, дисков, створок и других деталей газотурбинных двигателей.
Для получения высококачественных бездефектных деталей двигателя необходимо применение жаропрочных материалов с ультравысокой чистотой по вредным примесям, в частности по сере, кислороду и азоту. Это обусловлено тем, что данные примеси образуют с компонентами сплавов неметаллические включения, например, сульфиды, оксиды, нитриды, которые являются концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин при эксплуатации деталей, и ухудшают механические свойства жаропрочных литейных и деформируемых сплавов, такие как длительная прочность, пластичность и усталость. При направленной кристаллизации деталей с монокристаллической структурой из жаропрочных сплавов на основе никеля неметаллические включения могут являться источниками гетерогенного зарождения «паразитных» зерен, закрывать каналы дендритов и снижать жидкотекучесть кристаллизующейся в последнюю очередь жидкости, вызывая появление микропористости и существенно снижая выход годного, а также уровень и стабильность их эксплуатационных свойств.
Для снижения содержания примесей серы, кислорода и азота в расплав при выплавке вводят рафинирующие добавки - щелочноземельные (ЩЗМ) и редкоземельные (РЗМ) металлы. При использовании в производстве жаропрочных сплавов на основе никеля отходов (головные и донные части слитков, отходы литейного производства: части литниковых и питательных систем, отходы производства деформируемых сплавов: обрезь со штамповочными дефектами, бракованные детали, детали, отработавшие свой ресурс и др.), имеющих повышенную загрязненность примесями, количество вводимых рафинирующих добавок увеличивают. Между тем, температуры плавления рафинирующих добавок, особенно ЩЗМ, значительно ниже рабочих температур жаропрочных сплавов на основе никеля, следовательно, повышенное остаточное содержание этих металлов в сплаве может привести к снижению его жаропрочности. Для получения стабильно высоких механических и эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов на основе никеля содержание РЗМ в них должно находиться на оптимальном уровне, поскольку повышенное содержание этих металлов может привести к образованию нежелательных фаз и отрицательно повлиять на выход годного при литье монокристаллов из данных сплавов. Следовательно, при выборе количества рафинирующих добавок при выплавке жаропрочных сплавов на основе никеля следует учитывать не только обеспечение высокой чистоты по вредным примесям, но и достижение оптимального содержания РЗМ в отливке, а также минимизацию остаточного содержания ЩЗМ.
Известен способ получения литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий загрузку и расплавление отходов литейного производства сплавов на основе никеля, рафинирование отходов в вакууме и введение РЗМ. Рафинирование отходов осуществляют в вакууме 3⋅10-2-10-3 при температуре расплава 1500-1700° в течение 2-8 минут, а РЗМ вводят в количестве 0,015-0,2% от массы отходов (RU 2190680 С1, 10.10.2002).
Данный способ не обеспечивает глубокого рафинирования расплава от серы и кислорода, поскольку включает только вакуумное рафинирование и введение РЗМ (без ЩЗМ).
Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме чистых шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование с введением окислителя в атмосфере инертного газа и последующее введение в вакууме хрома, активных легирующих элементов, РЗМ и рафинирование кальцием (RU 2310004 С2, 10.11.2007).
Данный способ не позволяет получить в сплаве требуемое ультранизкое содержание азота и кислорода, поскольку не включает вакуумную высокотемпературную обработку расплава, не обеспечивает минимизацию содержания кальция и не позволяет повысить уровень механических свойств.
Известен способ получения жаропрочных сплавов на основе никеля с ультранизким содержанием серы, который включает плавление в тигле шихты в виде чистых шихтовых материалов, либо в виде отходов или смеси отходов и чистых шихтовых материалов, введение в шихту до или после образования расплава рафинирующей добавки (оксидов кальция и магния) в виде десульфурирующего вещества, разливку расплава через фильтр в оболочковую форму для кристаллизации в виде отливок (US 5922148 А, 13.07.1999).
Использование в качестве рафинирующей добавки оксидов кальция и магния и отсутствие высокотемпературной обработки расплава не обеспечивают получение в сплаве ультранизкого содержания кислорода и азота и минимизацию содержания ЩЗМ, что не позволяет повысить длительную прочность жаропрочных сплавов на основе никеля.
Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, 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 редкоземельных металлов, хрома и активных легирующих элементов, при этом после введения в расплав активных легирующих элементов вводят кальций в количестве 0,02-0,20% от массы расплава под давлением инертного газа 20-130 мм рт.ст., затем создают вакуум, после чего вводят лантан (RU 2221067 С1, 10.01.2004).
Данный способ не обеспечивает получение в сплаве ультранизкого содержания примесей азота и кислорода, поскольку не включает высокотемпературную обработку расплава в вакууме, не обеспечивает минимизацию содержания ЩЗМ и не позволяет существенно повысить длительную прочность сплавов.
Известен способ получения литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий загрузку и расплавление отходов литейного производства никелевых сплавов, рафинирование отходов в вакууме, введение РЗМ, при этом рафинирование отходов осуществляют в вакууме 3⋅10-2-10-3 мм рт.ст. при температуре расплава 1500-1700°С в течение 2-8 мин, а РЗМ вводят в количестве 0,015-0,20% от массы отходов (RU 2190680 С1, 10.10.2002).
Данный способ не предусматривает введение щелочноземельных металлов и, следовательно, не может обеспечить ультранизкое содержание примесей в сплавах и не позволяет повысить их длительную прочность.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа производства безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля является способ, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава, введение отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок, отличающийся тем, что в качестве рафинирующих добавок в расплав вводят кальций и/или магний в количестве 0,001-0,10% от массы расплава в виде гранул кальций- или магнийсодержащей лигатуры в вакууме 1×10-2-5×10-4 мм рт.ст., затем в расплав вводят один или более редкоземельных металлов в виде никель - или кобальтсодержащей лигатуры, включающей редкоземельные металлы, после чего производят фильтрацию расплава через нагретый пенокерамический фильтр (RU 2541330 С1, пункт 1 формулы изобретения, 10.02.2015).
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа производства жаропрочных сплавов на основе никеля (как углеродсодержащих, так и безуглеродистых) является способ, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, введение отходов литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок, отличающийся тем, что в качестве рафинирующих добавок в расплав вводят кальций и/или магний в количестве 0,001-0,10% от массы расплава в виде гранул кальций-или магнийсодержащей лигатуры в вакууме 1×10-2-5×10-4 мм рт.ст., затем в расплав вводят один или более редкоземельных металлов в виде никель-или кобальтсодержащей лигатуры, включающей редкоземельные металлы, после чего производят фильтрацию расплава через нагретый пенокерамический фильтр (RU 2541330 С1, пункт 4 формулы изобретения, 10.02.2015). РЗМ вводят в расплав в количестве 0,01-0,50% от массы расплава (RU 2541330 С1, п.п. 2, 5 формулы изобретения).
Недостатками данных способов являются:
- отсутствие вакуумной высокотемпературной обработки расплава, способствующей его эффективной дегазации и удалению примесей азота и кислорода;
- применение в качестве рафинирующих добавок кальция и/или магния, которые вводят без учета их склонности к испарению в вакууме, что не обеспечивает высокой эффективности рафинирующего эффекта, достижения минимальных остаточных содержаний данных ЩЗМ и, соответственно, не приводит к повышению длительной прочности сплавов и выхода годного при литье монокристаллов из жаропрочных сплавов на основе никеля.
Общий недостаток известных способов заключается в несоблюдении оптимального содержания РЗМ в полученных сплавах. Способы, не предусматривающие введение РЗМ, либо предусматривающие введение небольшого количества в сплавы, не обеспечивают получение низких содержаний примесей, что приводит к снижению длительной прочности. Для снижения содержания примесей в расплав вводят РЗМ в количестве, которое в ряде случаев может оказаться избыточным, что также приводит к снижению длительной прочности.
Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является снижение содержания кислорода и азота, а также щелочноземельных металлов, и повышение длительной прочности как безуглеродистых, так и содержащих углерод жаропрочных сплавов на основе никеля. Техническим результатом также является повышение выхода годного по монокристальности для литейных монокристаллических жаропрочных сплавов на основе никеля.
Технический результат достигается предложенным способом производства жаропрочных сплавов на основе никеля, включающим расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава, введение в него рафинирующих добавок и фильтрацию расплава через нагретый пенокерамический фильтр, при этом после проведения обезуглероживающего рафинирования расплава проводят вакуумную высокотемпературную обработку расплава при давлении 10-2-10-4 мм рт. ст. и температуре 1600-1750°С в течение не менее 3 минут, в качестве рафинирующих добавок в расплав вводят один или более щелочноземельных металлов в количестве не более 0,025% каждого от массы расплава в следующей последовательности: барий, кальций, магний с выдержкой не менее 2 минут после введения каждого металла, после чего вводят один или более редкоземельных металлов в количестве 0,01-0,3% от массы расплава, но не более 0,1% каждого.
В качестве углеродсодержащих шихтовых материалов допускается использование отходов углеродсодержащих жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 100% металлошихты.
В случае использования отходов безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля и активных легирующих элементов, их вводят после проведения обезуглероживающего рафинирования расплава, а вакуумную высокотемпературную обработку расплава проводят до или после введения активных легирующих элементов.
Обезуглероживающее рафинирование расплава предпочтительно проводить в атмосфере инертного газа при давлении 10-400 мм рт. ст.
В расплав вводят один или более редкоземельных металлов из группы: иттрий, лантан, диспрозий, празеодим, неодим, эрбий, церий, скандий, самарий, гадолиний.
Щелочноземельные и редкоземельные металлы допускается вводить в расплав в виде бинарных сплавов с металлами, входящими в состав сплава.
Для достижения технического результата также предложен способ производства жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, введение рафинирующих добавок и фильтрацию расплава через нагретый пенокерамический фильтр, при этом после расплавления в вакууме шихтовых материалов проводят вакуумную высокотемпературную обработку расплава при давлении 10-2-10-4 мм рт. ст. и температуре 1600-1750°С в течение не менее 3 минут, в качестве рафинирующих добавок в расплав вводят один или более щелочноземельных металлов в количестве не более 0,025% каждого от массы расплава в следующей последовательности: барий, кальций, магний с выдержкой не менее 2 минут после введения каждого металла, после чего вводят один или более редкоземельных металлов в количестве 0,01-0,3% от массы расплава, но не более 0,1% каждого.
В качестве шихтовых материалов допускается использование отходов жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 100% металлошихты.
В случае использования активных легирующих элементов, их вводят в расплав после расплавления в вакууме шихтовых материалов, а вакуумную высокотемпературную обработку расплава проводят до или после введения активных легирующих элементов.
Щелочноземельные и редкоземельные металлы допускается вводить в расплав в виде бинарных сплавов с металлами, входящими в состав сплава.
В расплав вводят один или несколько редкоземельных металлов из группы: иттрий, лантан, диспрозий, празеодим, неодим, эрбий, церий, скандий, самарий, гадолиний.
Предлагаемые способы предусматривают получение жаропрочных сплавов на основе никеля как безуглеродистых, так и содержащих углерод. При получении безуглеродистых сплавов проводят обезуглероживающее рафинирование расплава. Способом без обезуглероживающего рафинирования расплава могут быть получены сплавы как содержащие углерод, так не содержащие (в случае использования безуглеродистых шихтовых материалов).
Проведение вакуумной высокотемпературной обработки расплава при давлении 10-2-10-4 мм рт.ст. и температуре 1600-1750°С в течение не менее 3 минут обеспечивает глубокую очистку расплава от примесей кислорода и азота, поскольку во время нее происходит ускорение диффузионных процессов в расплаве, а за счет пониженного давления осуществляется его дегазация.
Установлено, что высокотемпературная обработка, введение в качестве рафинирующих добавок в расплав одного или более щелочноземельных металлов в количестве не более 0,025% каждого от массы расплава в следующей последовательности: барий, кальций, магний с выдержкой не менее 2 минут после введения каждого металла, с последующим введением одного или нескольких редкоземельных металлов в заданных количествах позволяет обеспечить минимизацию остаточного содержания щелочноземельных металлов и глубокую очистку расплава от примесей серы, кислорода и азота.
Введение в расплав в качестве рафинирующих добавок одного или более щелочноземельных металлов в количестве не более 0,025% каждого от массы расплава в следующей последовательности: барий, кальций, магний с выдержкой не менее 2 минут после введения каждого металла, способствует удалению из расплава серы и кислорода. Последовательность их введения обусловлена значением давления упругости насыщенного пара, а, следовательно, склонности к испарению в вакууме каждого из данных щелочноземельных металлов. Наименее склонен к испарению в вакууме барий, поэтому его вводят первым, за счет чего увеличивается время его нахождения в расплаве. Наиболее склонен к испарению магний, поэтому его вводят в последнюю очередь - после кальция. Соблюдение данного порядка введения рафинирующих добавок, либо введение одной из добавок обеспечивает:
- эффективное раскисление расплава и удаление из него серы,
- получение низкого остаточного содержания легкоплавких щелочноземельных металлов в готовом сплаве, что оказывает положительное влияние на его жаропрочность,
- высокую стабильность усвоения РЗМ за счет предварительного рафинирования расплава от примесей серы, кислорода и азота, включающего вакуумную высокотемпературную обработку расплава и последовательное введение щелочноземельных металлов, что позволяет регламентировать количество вводимых РЗМ в пределах 0,01-0,3% от массы расплава, но не более 0,1% каждого. Это, в свою очередь, позволяет избежать возможного переизбытка РЗМ в получаемых сплавах, приводящего к снижению длительной прочности.
Проведение обезуглероживающего рафинирования в атмосфере инертного газа при давлении 10-400 мм рт.ст. позволяет обеспечивать снижение примеси углерода в расплаве за счет его окисления и удаления в газообразном виде. Давление инертного газа в камере печи в указанном диапазоне улучшает усвоение кислородосодержащей обезуглероживающей присадки (например, закиси никеля NiO) и более полного прохождения процесса обезуглероживания.
Примеры осуществления изобретения.
Примеры 1-5.
Предлагаемым способом осуществляли выплавку литейного безуглеродистого монокристаллического жаропрочного сплава на основе никеля системы Ni-Cr-Co-W-Ti-Al-Nb-Mo. Всего было выполнено 5 плавок. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи. Масса шихты в тигле составляла 20 кг. В тигель загружали углеродсодержащие шихтовые материалы: никель, кобальт, вольфрам, молибден. На 1-й плавке использовали только свежие шихтовые материалы, на 2-й плавке использовали отходы безуглеродистого жаропрочного сплава на основе никеля в количестве 10% от массы плавки, на 3-й - 50%, на 4-й - 70%, на 5-й плавке - 100% отходов углеродсодержащего жаропрочного сплава, т.е. без применения свежих шихтовых материалов.
После расплавления шихты в вакууме на всех плавках провели обезуглероживающее рафинирование расплава при давлении:
на 1-й плавке - 10 мм рт.ст.;
на 2-й плавке - 100 мм рт.ст.;
на 3-й плавке - 200 мм рт.ст.;
на 4-й плавке - 300 мм рт.ст;
на 5-й плавке - 400 мм рт.ст.
Далее последовательно ввели отходы выплавляемого сплава (на 2-й, 3-й и 4-й плавках) и активные легирующие элементы - хром, ниобий, титан, алюминий (на 1-й, 2-й, 3-й и 4-й плавках).
Высокотемпературную обработку на 1-й и 2-й плавках проводили до введения активных легирующих элементов, на 3-й и 4-й - после введения активных легирующих элементов, на 5-ой плавке - после проведения обезуглероживающего рафинирования, по следующему режиму:
на 1-й плавке при давлении (1-5)×10-2 мм рт.ст. и температуре 1600-1630°С в течение 15 минут;
на 2-й плавке при давлении (5-9)×10-3 мм рт.ст. и температуре 1630-1660°С в течение 10 минут;
на 3-й плавке при давлении (1-5)×10-3 мм рт.ст. и температуре 1660-1690°С в течение 7 минут;
на 4-й плавке при давлении (5-9)×10-4 мм рт.ст. и температуре 1690-1720°С в течение 5 минут;
на 5-й плавке при давлении (1-5)×10-4 мм рт.ст. и температуре 1720-1750°С в течение 3 минут.
Далее на 1-й, 2-й и 3-й плавках в расплав ввели последовательно барий в виде лигатуры алюминий-барий, кальций и магний в виде лигатур с никелем:
на 1-й плавке - по 0,005% от массы расплава каждого с выдержкой 2 мин;
на 2-й - по 0,010% от массы расплава каждого с выдержкой 2,5 мин;
на 3-й - по 0,015% от массы расплава каждого с выдержкой 3 мин.
На 4-й плавке в расплав ввели последовательно барий в виде лигатуры алюминий-барий и кальций в виде лигатуры с никелем - по 0,020% от массы расплава каждого с выдержкой 3,5 мин;
На 5-й плавке в расплав ввели барий в виде лигатуры алюминий-барий в количестве 0,025% от массы расплава с выдержкой 4 мин.
Затем в расплав ввели редкоземельные металлы в виде лигатур с никелем:
на 1-й плавке - 0,05% церия, 0,05% иттрия, 0,05% лантана, 0,05% празеодима, 0,05% неодима, 0,05% скандия;
на 2-й - 0,100% церия, 0,025% иттрия, 0,025% эрбия, 0,025% самария, 0,025% гадолиния;
на 3-й - 0,025% церия, 0,025% иттрия, 0,025% диспрозия, 0,025% празеодима;
на 4-й - 0,015% церия, 0,015% иттрия, 0,020% лантана;
на 5-й - 0,01% церия.
После этого приступили к разливке расплава в стальную трубу через керамическую воронку с установленным пенокерамическим фильтром.
Содержание серы определяли на газоанализаторе CS-600 фирмы «Leco» по ГОСТ 24018.8, содержание кислорода и азота на газоанализаторе ТСН600 фирмы «Leco» по ГОСТ 17745, содержания РЗМ - масс-спектрометрическим методом на установке iCAPQ фирмы «Thermo Fisher Scientific)) в соответствии с МИ 1.2.054-2013.
Из полученных сплавов были отлиты заготовки с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией 001, из которых изготовили образцы для испытаний на длительную прочность на машине ZST2/3-ВИЭТ фирмы «Schenck» в соответствии с ГОСТ 10145.
Количество вводимых в расплав компонентов и свойства полученных отливок приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что в сплаве, выплавленном способом-прототипом, содержание примесей кислорода и азота выше, чем в сплаве, выплавленном предложенным способом.
В отливках, полученных предложенным способом, остаточное содержание щелочноземельных и редкоземельных металлов ниже, а длительная прочность увеличилась в среднем на 53,3% на базе 100 ч и 47,3% на базе 1000 ч. Выход годного по монокристальности для выплавляемого монокристаллического жаропрочного сплава в среднем выше на 9,2%.
Примеры 6-10.
Предлагаемым способом осуществляли выплавку литейного жаропрочного сплава на основе никеля системы Ni-Cr-Co-W-Ti-Al-Nb-Mo-C. Всего было выполнено 5 плавок. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи. Масса шихты в тигле составляла 20 кг. В тигель загружали углеродсодержащие шихтовые материалы: никель, кобальт, вольфрам, молибден. На 1-й плавке использовали только свежие шихтовые материалы, на 2-й плавке использовали отходы в количестве 10% от массы плавки, на 3-й - 50%, на 4-й - 70%, на 5-й - 100%, т.е. без применения свежих шихтовых материалов.
Высокотемпературную обработку на 1-й и 2-й плавках проводили до введения активных легирующих элементов, на 3-й и 4-й - после введения активных легирующих элементов, на 5-й плавке - после расплавления в вакууме шихтовых материалов, по следующему режиму:
на 1-й плавке при давлении (1-5)×10-2 мм рт.ст. и температуре 1600-1630°С в течение 15 минут;
на 2-й плавке при давлении (5-9)×10-3 мм рт.ст. и температуре 1630-1660°С в течение 10 минут;
на 3-й плавке при давлении (1-5)×10-3 мм рт.ст. и температуре 1660-1690°С в течение 7 минут;
на 4-й плавке при давлении (5-9)×10-4 мм рт.ст. и температуре 1690-1720°С в течение 5 минут;
на 5-й плавке при давлении (1-5)×10-4 мм рт.ст. и температуре 1720-1750°С в течение 3 минут.
Далее на 1-й, 2-й и 3-й плавках в расплав ввели последовательно барий в виде лигатуры алюминий-барий, кальций и магний в виде лигатур с никелем:
на 1-й плавке - по 0,005% от массы расплава каждого с выдержкой 2 мин;
на 2-й - по 0,010% от массы расплава каждого с выдержкой 2,5 мин;
на 3-й - по 0,015% от массы расплава каждого с выдержкой 3 мин.
На 4-й плавке в расплав ввели последовательно барий в виде лигатуры алюминий-барий и кальций в виде лигатуры с никелем - по 0,020% от массы расплава каждого с выдержкой 3,5 мин;
На 5-й плавке в расплав ввели барий в виде лигатуры алюминий-барий в количестве 0,025% от массы расплава с выдержкой 4 мин.
Затем в расплав ввели редкоземельные металлы в виде лигатур с никелем:
на 1-й плавке - 0,05% церия, 0,05% иттрия, 0,05% лантана, 0,05% празеодима, 0,05% неодима, 0,05% скандия;
на 2-й - 0,100% церия, 0,025% иттрия, 0,025% эрбия, 0,025% самария, 0,025% гадолиния;
на 3-й - 0,025% церия, 0,025% иттрия, 0,025% диспрозия, 0,025% празеодима;
на 4-й - 0,015% церия, 0,015% иттрия, 0,020% лантана;
на 5-й - 0,01% церия.
После этого приступили к разливке расплава в стальную трубу через керамическую воронку с установленным пенокерамическим фильтром.
Содержание серы определяли на газоанализаторе CS-600 фирмы «Leco» по ГОСТ 24018.8, содержание кислорода и азота на газоанализаторе ТСН600 фирмы «Leco» по ГОСТ 17745, содержания РЗМ масс-спектрометрическим методом на установке iCAPQ фирмы «Thermo Fisher Scientific)) в соответствии с МИ 1.2.054-2013.
Количество вводимых в расплав щелочноземельных и редкоземельных металлов и свойства полученных отливок приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что в металле, выплавленном способом-прототипом, содержание примесей кислорода и азота выше, чем в металле, выплавленном предложенным способом.
Из полученных сплавов были отлиты заготовки с равноосной структурой, из которых изготовили образцы для испытаний на длительную прочность на машине ZST2/3-ВИЭТ фирмы «Schenck» в соответствии с ГОСТ 10145. В отливках, полученных предложенным способом, остаточное содержание щелочноземельных и редкоземельных металлов ниже, а длительная прочность увеличилась в среднем на 49,3% на базе 100 ч и 47,0 % на базе 1000 ч. по сравнению со сплавом, выплавленном способом-прототипом.
Таким образом, предложенные способы обеспечивают получение жаропрочных сплавов на основе никеля как безуглеродистых, так и содержащих углерод со сниженным содержанием кислорода, азота и щелочноземельных металлов, и также обеспечивают, с одной стороны, сниженное относительно прототипа содержание редкоземельных металлов и в то же время достаточное для повышения длительной прочности. В случае производства литейных жаропрочных монокристаллических сплавов на основе никеля предложенные способы позволяют повысить также выход годного.
1. Способ производства жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава, введение в него рафинирующих добавок и фильтрацию расплава через нагретый пенокерамический фильтр, отличающийся тем, что после проведения обезуглероживающего рафинирования расплава проводят вакуумную высокотемпературную обработку расплава при давлении 10-2-10-4 мм рт.ст. и температуре 1600-1750°С в течение не менее 3 мин, в качестве рафинирующих добавок в расплав вводят один или более щелочноземельных металлов в количестве не более 0,025% каждого от массы расплава в следующей последовательности: барий, кальций, магний с выдержкой не менее 2 мин после введения каждого металла, после чего вводят один или более редкоземельных металлов в количестве 0,01-0,3% от массы расплава, причем не более 0,1% каждого.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащих шихтовых материалов используют отходы жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 100% металлошихты.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после проведения обезуглероживающего рафинирования расплава в него последовательно вводят отходы безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля и активные легирующие элементы, при этом вакуумную высокотемпературную обработку расплава проводят до или после введения активных легирующих элементов.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обезуглероживающее рафинирование расплава проводят в атмосфере инертного газа при давлении 10-400 мм рт.ст.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в расплав вводят по меньшей мере один редкоземельный металл из группы, включающей иттрий, лантан, диспрозий, празеодим, неодим, эрбий, церий, скандий, самарий и гадолиний.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что щелочноземельные металлы вводят в расплав в виде бинарных сплавов с металлами, входящими в состав сплава.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что редкоземельные металлы вводят в расплав в виде бинарных сплавов с металлами, входящими в состав сплава.
8. Способ производства жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, введение рафинирующих добавок и фильтрацию расплава через нагретый пенокерамический фильтр, отличающийся тем, что после расплавления в вакууме шихтовых материалов проводят вакуумную высокотемпературную обработку расплава при давлении 10-2-10-4 мм рт.ст. и температуре 1600-1750°С в течение не менее 3 мин, в качестве рафинирующих добавок в расплав вводят один или более щелочноземельных металлов в количестве не более 0,025% каждого от массы расплава в следующей последовательности: барий, кальций, магний с выдержкой не менее 2 мин после введения каждого металла, после чего вводят один или более редкоземельных металлов в количестве 0,01-0,3% от массы расплава, причем не более 0,1% каждого.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве шихтовых материалов используют отходы жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 100% металлошихты.
10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что после расплавления в вакууме шихтовых материалов в расплав вводят активные легирующие элементы, а вакуумную высокотемпературную обработку расплава проводят до или после введения активных легирующих элементов.
11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что щелочноземельные и редкоземельные металлы вводят в расплав в виде бинарных сплавов с металлами, входящими в состав сплава.
12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в расплав вводят по меньшей мере один редкоземельный металл из группы, включающей иттрий, лантан, диспрозий, празеодим, неодим, эрбий, церий, скандий, самарий и гадолиний.
