Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля с применением различного вида отходов, и может быть использовано при получении литых прутковых (шихтовых) заготовок для литья изделий, преимущественно монокристаллических рабочих лопаток газотурбинных двигателей, секторов статора, створок реактивного сопла и др.

В качестве отходов могут применяться как отходы литейного производства (литники, литниковые чаши, бракованные лопатки), так и утилизированные детали, отработавшие ресурс в газотурбинном двигателе.

Отходы загрязнены примесями, неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, сульфидами и др.) и содержат повышенное количество газов (кислорода и азота). Между тем, получить высококачественные лопатки с бездефектной монокристаллической структурой возможно только при использовании для их отливки металла с ультранизким содержанием в них вредных примесей кислорода, азота и серы.

Отличительной особенностью безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов является то, что углерод в них является вредной примесью, так как образует карбиды в монокристаллах, которые являются зародышами для образования равноосных зерен. Его остаточное содержание в сплаве не должно превышать 0,008%.

Известен способ получения безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в 2 стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома и активных легирующих металлов, рафинирование расплава кальцием и редкоземельными металлами в вакууме, в котором шихтовые материалы содержат до 70% отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, 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 (RU 2274671 С1, 05.10.2004).

Недостатком данного способа является невозможность использования при плавке 100% отходов и невозможность обеспечения в сплаве низкого содержания вредных примесей (кислорода, азота и серы менее 0,001% каждого), которое требуется для получения монокристаллических отливок с высоким выходом годного.

Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме чистых шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование расплава в вакууме с введением окислителя в атмосфере инертного газа с последующим введением в вакууме хрома, активных легирующих элементов, редкоземельных металлов (РЗМ) и рафинирование кальцием, в котором после обезуглероживающего рафинирования в расплав вводят до 40% отходов литейных жаропрочных сплавов, а рафинирование кальцием осуществляют введением кальция в виде лигатуры никель-кальций в три стадии: 1-ую стадию - после введения отходов, 2-ю стадию - после введения хрома, а 3-ю стадию рафинирования совмещают с введением РЗМ (RU 2310004 С2, 10.11.2007).

Недостатком способа является строгое ограничение количества вводимых отходов и недостаточно полная очистка сплавов от неметаллических включений (оксидов и нитридов).

Известен способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление металлошихты, состоящей из отходов, рафинирование ее в вакууме при температуре расплава 1500-1700°С и присадку РЗМ в количестве 0,015-0,20% от массы металлошихты, в котором при рафинировании металлошихты вводят 0,001-0,05% углерода от ее массы и осуществляют циклическую обработку расплава путем нагрева и охлаждения, при соотношении продолжительности нагрева и охлаждения в цикле (0,5-1,0):(1,0-1,5), а перед присадкой РЗМ вводят кальций и/или магний (RU 2392338 С1, 20.06.2010).

Данный способ рафинирования не может применяться для получения безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов, в которых углерод является вредной примесью.

Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий загрузку и расплавление отходов литейного производства никелевых сплавов, рафинирование отходов в вакууме и введение РЗМ. 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. В качестве РЗМ можно использовать один или несколько элементов из группы: церий, иттрий, лантан, скандий (RU 2190680 С1, 10.10.2002).

Недостатком способа-прототипа является неполное удаление из сплавов вредных примесей кислорода, азота и серы (остаточное содержание кислорода 0,0008-0,0015%, азота - 0,0007-0,0012%), серы -0,0007-0,0012%), что вызывает понижение жаропрочности (времени до разрушения при испытании на длительную прочность), а также снижение выхода годного при отливке деталей с монокристаллической структурой.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение содержания вредных примесей кислорода, азота и серы и, как следствие, повышение жаропрочности получаемого сплава, а также выхода годного монокристаллов.

Технический результат достигается предложенным способом производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающим расплавление состоящей из отходов металлошихты, высокотемпературное рафинирование расплава в вакууме при температуре 1500-1700°С, введение по меньшей мере одного редкоземельного металла, при этом после высокотемпературного рафинирования в течение от 10 до 20 мин в расплав вводят кальций в количестве 0,025-0,10% от массы металлошихты под давлением инертного газа 40-100 мм рт. ст., создают вакуум и вводят по меньшей мере один редкоземельный металл в количестве 0,001-0,10%) от массы металлошихты, затем под вакуумом в расплав последовательно вводят кальций в количестве 0,005-0,02% от массы металлошихты и по меньшей мере один редкоземельный металл в количестве 0,01-0,50%) от массы металлошихты.

В предлагаемом способе возможно использовать металлошихту, содержащую до 100%) отходов жаропрочных сплавов на основе никеля литейного производства и/или утилизированные детали после окончания эксплуатации.

В качестве не менее одного редкоземельного металла в расплав предпочтительно вводить церий и/или лантан и/или иттрий и/или празеодим и/или неодим и/или скандий и/или диспрозий в виде гранул лигатуры никель-редкоземельный металл.

Кальций предпочтительно вводить в расплав в виде гранул лигатуры никель-кальций.

Экспериментально установлено, что комплексное последовательное введение в расплав заявленных количеств кальция и редкоземельных металлов в две стадии и при указанных режимах позволяет более эффективно очистить расплав от примесей, чем при их введении в одну стадию, и тем самым обеспечить получение в сплавах более низкого содержания кислорода, азота и серы и, как следствие, повысить жаропрочность сплава и выход годного монокристаллов.

На 1-ой стадии проводится предварительное рафинирование расплава от примесей за счет введения, в основном, повышенного количества кальция, а на 2-ой стадии проводится окончательное рафинирование расплава за счет введения, в основном, повышенного количества редкоземельного(-ых) металла(-ов).

Кальций предпочтительно вводить в расплав в виде гранул лигатуры никель-кальций. Металлический кальций имеет высокую упругость пара (1,6 атм. при 1600°С) и поэтому интенсивно испаряется при плавке в вакууме. При введении кальция в виде лигатуры с никелем его активность снижается и испарение уменьшается, что позволяет более полно проводить рафинирование расплава от вредных примесей.

Для дополнительного снижения скорости испарения кальция из расплава лигатуру кальция с никелем вводят под давлением инертного газа 40-100 мм рт. ст. Такой диапазон давления инертного газа был установлен опытным путем при проведении плавок, что позволяет максимально понизить скорость испарения кальция из расплава. При повышении давления инертного газа свыше 100 мм рт. ст. скорость испарения кальция из расплава практически не изменилась.

В отличие от первой стадии, на второй стадии количество вводимого кальция существенно меньше и поэтому его испарение даже в условиях вакуума незначительно.

При продолжительности высокотемпературного рафинирования в течение 10-20 минут отмечается максимальная степень рафинирования расплава от примесей. При уменьшении продолжительности менее 10 минут рафинирование расплава происходит недостаточно полно, а при увеличении продолжительности более 20 минут наблюдается взаимодействие расплава с материалом керамического плавильного тигля, восстановление и переход примесей, содержащихся в керамике тигля, в расплав.

Предлагаемый способ позволяет получать в литейных жаропрочных сплавах на никелевой основе содержание кислорода, азота и серы ≤ 0,0007% каждого. Тем самым устраняется вероятность образования в монокристаллах безуглеродистых жаропрочных никелевых сплавов оксидов, нитридов и сульфидов, которые являются зародышами для образования равноосных зерен и источником зарождения микротрещин в условиях высокотемпературной ползучести и усталостных нагрузок. В результате повышаются жаропрочные свойства сплавов и выход годного по монокристаллам.

Примеры осуществления.

Предлагаемым способом осуществили выплавку безуглеродистого литейного жаропрочного сплава на основе никеля системы Ni-Co-Cr-W-Mo-Al-Ta-Ru-Re. Всего было выплавлено 3 плавки. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 20 кг. При проведении плавок применяли отходы как литейного производства, так и утилизированные детали после окончания эксплуатации. Для сравнения выплавили одну плавку того же сплава с применением отходов литейного производства способом-прототипом. Все плавки проводили с использованием 100% отходов.

Технологические параметры плавок указаны в таблице 1.

Затем полученные слитки переплавили в установке направленной кристаллизации и получили заготовки диметром 16 мм и длиной 180 мм с монокристаллической структурой и осевой ориентацией, близкой к кристаллографической ориентации<001>.

Далее из этих заготовок изготовили образцы и провели их испытания на длительную прочность на испытательной машине Kappa50LA фирмы Zwick по ГОСТ 10145. От каждой плавки было испытано по два образца.

В полученном металле контролировали содержание примесей кислорода, азота и серы методом газового анализа на газоанализаторах LECO CS600 и LECO ТС600.

Полученные результаты по содержанию примесей, времени до разрушения при испытании на длительную прочность и выходу годного по монокристаллам приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что на плавках 1-3, выплавленных по предлагаемому способу, получены пониженные значения содержания кислорода (0,0004-0,0007%), азота (0,0002-0,0005%) и серы (0,0001-0,0005%) в сравнении с металлом, выплавленным способом-прототипом (кислорода - 0,0015%; азота - 0,0015%; серы - 0,0012%). Жаропрочные свойства сплава (время до разрушения при испытании на длительную прочность), полученного предлагаемым способом, повысились в 1,5-1,9 раз, а выход годного по монокристаллам повысился в 1,25-1,35 раз.

Предлагаемое изобретение обеспечивает использование при плавке 100% до отходов, что позволяет сэкономить дорогостоящие шихтовые материалы (кобальт, никель, тантал, рутений, рений, вольфрам и др.) и снизить стоимость готовой продукции (лопаток турбины газотурбинных двигателей и других деталей) из литейных жаропрочных сплавов на 30-50%, а также повысить жаропрочные свойства сплавов и тем самым повысить ресурс и надежность работы газотурбинных двигателей.