Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на основе никеля для изготовления лопаток и других деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок (ГТД и ГТУ).

Получить высококачественные лопатки ГТД с бездефектной структурой из литейных жаропрочных сплавов можно только при использовании для их отливки сплавов с пониженным содержанием в них вредных примесей кислорода, азота, серы. Это обусловлено тем, что образующиеся при содержании этих элементов в сплаве выше критического значения твердые частицы оксидов, нитридов и сульфидов являются концентраторами напряжений, инициирующими зарождение микротрещин в условиях высокотемпературной ползучести и усталостных нагрузок. Таким образом, эти неметаллические включения существенно снижают эксплуатационные свойства сплавов, прежде всего характеристики длительной прочности и усталости.

Известен способ производства литейных жаропрочных сплавов для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающий расплавление исходных компонентов, введение в расплав редкоземельных металлов (РЗМ), например, церия, лантана, иттрия и скандия, в вакууме и разливку с получением шихтовой заготовки, расплавление шихтовой заготовки, заливку в литейную форму и направленную кристаллизацию. Перед введением РЗМ проводят раскисление расплава, а РЗМ вводят в количестве, определяемом из следующего уравнения: П=K*τ/v_кp, где τ - выдержка после введения РЗМ до начала разливки, мин; v_кp - скорость направленной кристаллизации отливки, мм/мин; K=0,03-0,04 - эмпирический коэффициент пропорциональности (RU 2035521 С1, 20.05.1995).

Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет получить в готовом металле низкие содержания серы, кислорода и азота ≤0,003% каждого.

Известен способ изготовления суперсплавов с ультранизким содержанием серы до ≤0,0001%, что обеспечивается за счет осуществления вакуумной плавки сплавов в тигле из оксида кальция (десульфирующий агент) (US 5922148 А, 13.07.1999).

Недостатком указанного способа является то, что оксид кальция относится к термически нестойким соединениям (в отличие от оксида магния и алюминия), и поэтому после проведения в нем нескольких плавок он начинает растрескиваться и разрушаться, при этом оксид кальция загрязняет металл.

Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов и проведение обезуглероживающего рафинирования в две стадии с введением окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт.ст. и последующее введение в вакууме редкоземельных металлов (РЗМ), хрома и активных легирующих элементов, в котором 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 10^-2-5⋅10^-4 мм рт.ст., после чего вводят лантан в количестве 0,01-0,3% от массы расплава (RU 2221067 С1, 10.01.2004).

Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет обеспечить получение в готовом металле низкого содержания примесей кислорода, азота и серы ≤0,003% каждого. Кроме того, создание в печи давления 20-130 мм рт.ст. перед присадкой кальция и последующего создания вакуума увеличивает продолжительность плавки.

Наиболее близким аналогом является способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, содержащих до 70% по массе отходов литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок. В качестве одной из рафинирующих добавок вводят гидрид по крайне мере одного из входящих в состав металла из группы: титан, тантал, ниобий, ванадий и гафний, в количестве, определяемом содержанием водорода 0,005-0,1% от массы шихтовых материалов, при этом гидрид вводят в расплав в атмосфере инертного газа при давлении 50-200 мм рт.ст. и температуре расплава на 100-240°С выше температуры ликвидус сплава. (RU 2344186 С2, п. 2 ф.и., 20.01.2009).

Недостатком способа-прототипа является то, что он не позволяет получить в сплаве требуемое низкое содержание примесей серы, кислорода и азота - до 0,002% каждого, и не может обеспечить высокие характеристики длительной прочности.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе с пониженным содержанием примесей и высокими характеристиками жаропрочности.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение содержания серы, кислорода и азота до 0,001-0,002% каждого и, как следствие, повышение жаропрочности сплавов на никелевой основе.

Технический результат достигается предложенным способом производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих металлов, при этом в качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят барий в количестве 0,001-0,10% от массы расплава и по меньшей мере один редкоземельный металл в количестве 0,01-0,50% от массы расплава, а после присадки активных легирующих металлов проводят рафинирование расплава в вакууме 10^-1-5⋅10^-3 мм рт.ст. при температуре 1600-1700°С в течение от 5 до 40 минут, во время которого расплав перемешивают, а плавильный тигель наклоняют от одного до трех раз с возвратом в первоначальное положение после каждого наклона.

В качестве по меньшей мере одного редкоземельного металла в расплав вводят лантан и/или церий и/или иттрий и/или скандий и/или празеодим и/или неодим в виде гранул лигатуры никель-редкоземельный металл.

В качестве шихтовых материалов можно использовать отходы литейных жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 100% металлошихты.

Барий предпочтительно вводить в виде гранул лигатуры алюминий-барий.

Авторами установлено, что проведение рафинирования расплава в пониженном вакууме 10^-1-5⋅10^-3 мм рт.ст. позволяет сократить испарение хрома, который отличается повышенной упругостью пара. При изменении угла наклона тигля увеличивается площадь поверхности расплава и поэтому процесс удаления примесей и газов с поверхности проходит более интенсивно. Угол наклона выбирается исходя из геометрической формы тигля и уровня расплава в нем таким образом, чтобы расплав не переливался через края тигля.

Заявленный температурный и временной режим рафинирования расплава позволяет более полно осуществлять диссоциацию неметаллических включений в виде нитридов и оксидов в условиях вакуума и тем самым обеспечивать очистку расплава от кислорода и азота.

Упругость пара бария при повышенных температурах существенно ниже, чем у кальция и магния. Например, при температуре 1600°С упругость пара бария составляет 275 мм рт.ст., кальция - 1,6 атм, магния - 17,6 атм. Поскольку барий имеет пониженную упругость пара, его испарение из расплава происходит более медленно, чем у кальция и магния, и поэтому более полно происходит рафинирование расплава от примесей.

Барий предпочтительно вводить в виде гранул лигатуры алюминий-барий, которая в сравнении с чистым барием обладает большей технологичностью: она легко измельчается, не требует специальных условий хранения и за счет повышенной температуры плавления обеспечивает более полное усвоение бария и его равномерное распределение в объеме расплава жаропрочных сплавов на основе никеля.

Совместное введение бария и РЗМ позволяет дополнительно понизить в сплаве содержание серы и кислорода за счет образования тугоплавких соединений в виде сульфидов и оксидов, которые адсорбируются на поверхности керамического тигля при плавке.

Таким образом, соблюдение предлагаемых температурно-временных параметров плавки с одновременным изменением угла наклона плавильного тигля, обеспечение необходимого вакуума, использование в качестве рафинирующей добавки бария в заданных количествах совместно с РЗМ обеспечивает рафинирование металла от примеси серы, газов и неметаллических включений и позволяет получать жаропрочные никелевые сплавы с повышенной чистотой по сульфидам, оксидным пленам и нитридным кластерам. При этом повышаются жаропрочные свойства сплава.

Пример осуществления.

По предлагаемому способу осуществили выплавку литейного жаропрочного сплава на никелевой основе системы Ni-Co-Cr-Al-Ti-W-Mo-Ta-Nb. Всего было выплавлено 7 плавок. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи в тигле вместимостью 10 кг. После расплавления шихты, состоящей из никеля, хрома, кобальта, вольфрама, молибдена, в расплав последовательно присадили активные металлы - титан, тантал, ниобий, алюминий. После этого проводили рафинирование расплава в вакууме, во время которого тигель наклоняли один-три раза с возвратом в первоначальное положение. Исходя из уровня расплава тигель наклоняли под углом 60 град относительно горизонтальной оси.

Затем на поверхность расплава последовательно присадили барий в виде алюмобариевой лигатуры и РЗМ в виде лигатур с никелем, после чего расплав залили в стальную трубу.

Технологические параметры плавок указаны в таблице 1.

Далее проводили отбор проб и измеряли концентрацию вредных примесей серы, кислорода и азота в полученном сплаве ИК-методом на газоанализаторах CS-600, ТС-600 фирмы «Leco».

Испытания на длительную прочность проводили на термически обработанных образцах на оборудовании «ZST 2/3» по ГОСТ 10145.

Полученные результаты по содержанию серы, кислорода и азота и время до разрушения при испытании на длительную прочность приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что на плавках 1-7, полученных предлагаемым способом, получены пониженные значения содержания серы (0,001-0,002%), кислорода (0,001-0,002%) и азота (0,0015-0,002%) в сравнении с металлом, выплавленным способом-прототипом (0,003% S; 0,003% О и 0,003% N). Жаропрочные свойства сплава, полученного предлагаемым способом, повысились в 1,5-2 раза.

Предлагаемый способ позволяет получать в литейных жаропрочных сплавах на никелевой основе содержание серы, кислорода и азота ≤0,002% каждого. Тем самым устраняется вероятность образования в сплавах дефектов в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов и нитридов и тем самым исключается образование микротрещин в условиях высокотемпературной ползучести и усталостных нагрузок. В результате повышаются эксплуатационные свойства сплавов, в том числе его жаропрочность.

Использование изобретения позволит повысить жаропрочные свойства литейных жаропрочных никелевых сплавов и тем самым повысить ресурс и надежность работы газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ).