Результат интеллектуальной деятельности: Способ модифицирования жаропрочных никельхромовых сплавов

Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию жаропрочных никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений.

Повышение эффективности и надежности работы изделий, применяемых в космонавтике, автомобилестроении, двигателестроении газотурбинных двигателей, авиации турбореактивных двигателей, теплоэнергетике, в газовом хозяйстве во многом определяется достигнутым уровнем служебных характеристик литых изделий из никелевых жаропрочных сплавов. Прогресс в этой области связан с использованием технологических приемов физического и химического воздействия на жидкий металл в процессе плавки, разливки, сварки.

Достижение высокого уровня физико-механических свойств металла и производства годных изделий высокого качества требует решения комплекса задач практического и теоретического плана, связанного с выплавкой и формированием требуемой структуры отливок. Существенные резервы управления структурой и служебными свойствами отливок открывает использование методов энергетического воздействия на жидкий металл, среди которых важное место занимают модифицирование ультрадисперсными порошками (УДП) и высокотемпературная обработка расплавов (ВТОР).

Обзор предшествующего уровня техники показал, что известны способы обработки никелевых сплавов модификаторами в жидком состоянии, например, щелочноземельными металлами или редкоземельными элементами, при которой в металлический расплав при заданных условиях вводят модифицирующие элементы, после чего осуществляют разливку расплава (а.с. СССР 369162 А1, С22С1/03, 01.01.1973 и а.с. СССР 320340 А1, B22D21/00, 01.01.1971, соответственно).

Также из уровня техники известен способ получения отливок, в котором брикет модификатора, содержащий никель, хром и молибден, вводят в расплав, находящийся при температуре 1900°С за 3-5 минут до слива расплава в изложницу для обеспечения равномерности распределения добавок в сплаве (патент РФ 2337167 C2, 27.10.2008).

Основным препятствием для прямого введения дисперсных синтетическизх тугоплавких частиц в металлические расплавы являются высокие значения поверхностных натяжений расплавов и наличие загрязнений на поверхности порошков.

Основным недостатком известных методов суспензионного модифицирования является неоднородность суспензии, обусловленная неравномерным распределением частиц в объеме расплава, возможностью седиментации по плотности и низкой устойчивостью от коагуляции и растворения.

Достижения теории и практики активного воздействия на расплав при раскислении, микролегировании и модифицировании позволяют утверждать, что устранение этого недостатка обеспечит значительный эффект в направленном воздействии на структуру металла и повышения физико-механических свойств отливок.

В тоже время практический интерес представляет другой метод модифицирования, который заключается в введении тугоплавких частиц в жидкий металл в виде брикета. Данный метод наиболее целесообразно применять при значительных объемах модифицируемого металла.

В качестве наиболее близкого аналога данного изобретения может быть получение монокристальной отливки, при котором в расплав никелевого сплава подвергают модифицированию смесью ультрадисперсных порошков тугоплавкого соединения, такого как карбиды и/или нитриды, и/или карбонитриды, и/или оксикарбонитриды титана или ниобия, и одного из металлов, образующих с ним устойчивые химические соединения, в количестве не более 0,1% от массы обрабатываемого расплава, затем расплав заливают в литейную форму, нагретую до температуры выше температуры ликвидуса сплава, и проводят направленную кристаллизацию (патент РФ 2068317 С1, B22D27/04, 27.10.1996). Полученные монокристальные отливки обладают высокими механическими и служебными свойствами и могут быть использованы при изготовлении турбинных лопаток.

Задача, решаемая в результате реализации заявленного изобретения, заключается в разработке технологии введения модификатора в жидкий металл с учетом технологических и технических требований существующего процесса изготовления отливок.

Технический результат - создание простого способа введения модификатора без значительных изменений конструкции плавильно-заливочного оборудования литейного комплекса, обеспечение равномерности распределения тугоплавких частиц по всему объему расплава находящегося в плавильной емкости и предотвращение растворения, коагуляции и всплывания тугоплавких частиц, что повлечет за собой получение сплава с высокими прочностными характеристиками и мелкозернистой однородной структурой.

Для достижения технического результата в способе модифицирования никелевых сплавов, при котором в расплав вводят модификатор, содержащий ультрадисперсные тугоплавкие частицы, используют модификатор, который дополнительно содержит 55-65 мас. % частиц металлов, взаимодействующих с компонентами расплава, причем модификатор вводят в расплав, нагретый до температуры от 1510 до менее 1520 °С, в виде брикета с плотностью от 1,03 до менее 1,05 от плотности расплава и пористостью 1,5-4,0 об. %.

Количество содержащихся в модификаторе частиц металлов определено из условия протекания экзотермической реакции, а именно, теплового эффекта реакции, который обеспечивает самораспространяющийся фронт реакции и послойное отделение частиц модификатора, и их диффузию в объем расплава.

При содержании частиц металлов ниже 55-65 мас. % тепловой эффект реакции не достаточен для создания в порах брикета давления, достаточного для равномерного распределения частиц модификатора, а превышение 65-80 мас. % приведет к спеканию частиц модификатора.

Плотность брикета обусловлена необходимостью равномерного распределения модификатора по объему расплава, причем плотность брикета ниже 1,03 от плотности расплава препятствует погружению брикета в расплав и способствует концентрированию модификатора в верхней части расплава. Превышение плотности в 1,05 от плотности расплава приводит к быстрому погружению брикета в расплав и скапливанию модификатора в нижней части расплава.

Для обеспечения равномерного отделения частиц модификатора друг от друга в результате протекания экзотермической реакции по мере погружения в расплав брикет имеет пористость от 1,5 до 4,0 об. %. Пористость менее 1,5 об. % препятствует отделению частиц модификатора друг от друга, а более 4,0 об. % приводит к распаду брикета в верхней части расплава и загрязнению модификатора газовыми примесями.

При попадании в жидкий металл брикет начинает нагреваться, и содержащиеся в нем легкоплавкие элементы начинают выделять газы при СВС процессах, которые сначала попадают в поры брикета, где состоят в дальнейшем большое и избыточное давление, в результате дальнейшего нагрева брикета и за счет этих сил (газа) происходит разрушение брикета на большое количество составляющих, которые в результате СВС процессов получают большую кинетическую энергию и равномерно разлетаются во все стороны по объему жидкого металла находящегося в плавильной ёмкости.

Температура нагрева расплава 1510-1520°С усиливает эффект модифицирования в 1,5-2,2 раз и обеспечивает выделение карбидов в компактной форме и измельчение макроструктуры, при этом при температуре выше 1520°С эффект измельчения макроструктуры практически полностью исчезает.

Пример.

Порошки компонентов модификатора с заданными размерами частиц смешивают в следующем соотношении, мас. %: 5,0 карбонитрида титана, 15,0 титана, 5,0 хрома, 5,0 молибдена, 5,0 вольфрама, 5,0 кобальта, 12,0 никеля, 10,0 алюминия, 12,0 магния, 5,0 железа, 5,0 марганца.

Из полученной смеси формируют брикет путем прессования при 30,0-40,0 МПа и спекания при температуре 800-900 °С в вакууме в течение 20-25 мин.

Брикет имеет плотность 1,05 от плотности расплава сплава и пористость порядка 2 об. %. Модификатор вводят в расплав, нагретый до температуры 1520°С. Наибольшее измельчение зерна, достигается в течение 3-4 минут после ввода модификатора в расплав. Отливку никелевого сплава с модифицированной макро- и микроструктурой получают путем электрошлакового литья.

Жаропрочный никелевый сплав ЖС6-К следующего химического состава, с соотношении, мас. %: Ni (никель) - основа; 0,18 углерода, 10,52 хрома, 5,54 алюминия, 4,25 титана, 4,16 молибдена, 5,32 вольфрама, 5,21 кобальта, 0,010 серы, 0,012 фосфора, 1,84 железа, 0,35 кремния, 0,38 марганца, 0,032 циркония, 0,022 цезия, 0,018 бора, полученный с использованием такого модификатора, имеет однородную дендритную структуру с размером макрозерна 0,32-2,35 мм и содержащую глобулярные карбиды с размером 1,0-4,3 мкм

Таблица 1

Физико-механические свойства сплава ЖС6-К

Таким образом, модифицирование никелевого сплава ультрадисперсными тугоплавкими частицами по предложенной технологии обеспечивает увеличение дисперсности структуры, получать мелкое равноосное зерно по всему объему отливки, снижение дендритной ликвации и возрастание физико-механических свойств сплава и эксплуатационных характеристик изделия.