×
01.03.2019
219.016.d176

Результат интеллектуальной деятельности: СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАТРАВОК И СПОСОБ ЕГО ВЫПЛАВКИ

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
02158781
Дата охранного документа
10.11.2000
Аннотация: Для получения монокристаллических тугоплавких затравок предложен сплав, содержащий, мас.%: один элемент из группы, включающeй рений и родий, 25-50; иттрий 0,001-0,100 и никель - остальное. Способ выплавки этого сплава включает загрузку шихты, ее расплавление под вакуумом, многократное термоциклирование расплава путем нагрева до температуры 1660 - 1780С, выдержки при этой температуре и охлаждения до температуры 1630 - 1650C с одновременным электромагнитным перемешиванием, раскисление расплава и его разливку, при этом продолжительность нагрева и выдержки расплава относится к периоду охлаждения и перемешивания расплава как (2-3) : (1-1,5). Использование изобретения позволит получать тугоплавкий никелевый сплав высокого качества для изготовления затравок. Применение затравок из никелевого сплава с повышенной температурой плавления расширит возможности технологического процесса, позволит повысить рабочие температуры при отливке монокристаллических лопаток ГТД и ГТУ заданной КГО, увеличит выход годного по макроструктуре на 7-10%. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при получении монокристаллических изделий из жаропрочных сплавов заданной кристаллографической ориентации, например лопаток ГТД и ГТУ.

Для получения монокристаллических отливок из жаропрочных сплавов используют затравки из того же жаропрочного никелевого сплава или из чистого никеля, как в патентах США N 3915761, 3857436, 4580613; a.c. СССР N 462393 и др.

Однако в этих случаях требуются сложные устройства, предохраняющие затравку от преждевременного ее расплавления и для создания необходимого температурного градиента на ней.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является никелевый сплав для затравки по патенту РФ N 2021877, принятый нами за прототип.

Согласно прототипу для получения монокристаллических изделий из жаропрочных сплавов используют тугоплавкую затравку из сплава Ni-(5-20%)W, имеющего температуру плавления на 20-170oC выше, чем температура плавления сплава отливки.

Основным недостатком этого прототипа является то, что максимальные температуры плавления системы Ni-W ~ 1500-1510oC, в то время как максимальные рабочие температуры для получения монокристальных отливок находятся в диапазоне 1500-1580oC, что создает трудности в сохранении затравок без расплавления и дополнительно требует предохранять торцевую ее поверхность от образования окисной пленки нанесением слоя защитного покрытия.

Сплавы для затравок могут быть выплавлены в открытых индукционных печах. Способ выплавки включает загрузку шихты, ее расплавление, раскисление и слив металла (a. c. СССР N 372916). Данный способ выплавки сплава в открытых индукционных печах не позволяет получать сплав высокого качества. Раскисление кальцием малоэффективно, поскольку на воздухе последний окисляется на поверхности расплава.

За прототип нами принят способ выплавки жаропрочного никелевого сплава для затравок в вакуумной индукционной печи. (Окороков, Шалимов "Производство стали и сплавов в вакуумных индукционных печах", Металлургия, 1972 г.).

Процесс плавки включает загрузку шихты, ее расплавление под вакуумом, раскисление расплава углеродом, рафинирование расплава от примесей и слив металла. Для быстрого и равномерного распределения легирующих элементов в объеме металла применяют электромагнитное перемешивание.

Однако рассмотренный способ не может быть использован для выплавки сплавов на Ni-основе с повышенным содержанием тугоплавких элементов. Это связано с тем, что известная технология не регламентирует температурный режим плавки, который гарантировал бы эффективную гомогенизацию расплава, содержащего значительное количество тугоплавких металлов, температура плавления которых значительно выше температуры плавления никеля. В результате не происходит полного их растворения, и часть металлов остается после слива в плавильном тигле.

Технической задачей данного изобретения является разработка нового сплава на никелевой основе для монокристаллических затравок, имеющего повышенную температуру плавления, и способа его выплавки, обеспечивающего полную гомогенизацию сплава и его высокое качество, что позволит повысить выход годного при литье монокристаллических лопаток по макроструктуре.

Поставленная цель достигается тем, что предложен сплав, имеющий химсостав при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Один элемент из группы, включающей рений и родий - 25-50
Иттрий - 0,001-0,100
Никель - Остальное
Из химических элементов, повышающих температуру плавления никеля, до настоящего времени использовали только W в чистом виде или W с добавками Mo и Cr. Однако введение одного элемента из группы рений и родий (25-50%) с добавками иттрия позволит повысить температуру плавления сплава выше 1600oC, что превысит рабочие температуры процесса при получении монокристаллов жаропрочных сплавов, а это в свою очередь исключит возможность расплавления затравок независимо от местоположения формы с затравкой в нагревателе.

Передача монокристаллической структуры и кристаллографической ориентации от затравки к отливке происходит при этом не за счет расплавления части затравки, а за счет растворения торцевой части затравки заливаемым в форму расплавом.

При введении в сплав одного элемента из группы Re (Re) в количестве менее 25% температура плавления сплава снижается до значений ниже 1520oC, т.е. до уровня сплава из Ni-W.

Введение в сплав одного из указанных тугоплавких элементов в количестве, превышающем 50%, нецелесообразно из-за удорожания сплава; из-за того, что температура плавления полученного затравочного сплава (свыше 2500oC) значительно превысит максимальные рабочие температуры процесса литья монокристаллов из жаропрочных сплавов, в том числе и максимально возможные температуры нагрева керамических форм и стержней; а также из-за повышения несоответствия между кристаллическими решетками сплавов затравки и отливки. Последнее приведет к затруднению передачи ориентации от затравки в отливку и снижению выхода годного.

Способ получения предложенного сплава включает следующие операции: загрузку шихты, состоящей из никеля и рения (или родия), ее расплавление в вакуумной индукционной печи, проведение двух-четырехразового термоциклирования расплава до температуры 1660-1780oC при подаче максимальной мощности на индуктор, выдержку расплава при этой температуре, охлаждение расплава до температуры 1630-1650oC и одновременное электромагнитное перемешивание расплава, а затем разливку металла. При этом соотношение продолжительности периодов нагрева и выдержки расплава к периоду охлаждения и перемешивания в цикле равно (2-3) : (1- 1,5). За 1-10 мин до начала разливки расплав раскисляют иттрием.

Сплавы, предназначенные для изготовления затравок для отливки монокристаллических лопаток, должны быть полностью гомогенными по составу и иметь низкое содержание неметаллических включений, прежде всего оксидов. Однако получение гомогенного металла при сплавлении рения (или родия), имеющего температуру плавления 3340oC (1966oC - для Rh) и удельный вес - 20,9 г/см3 (12,4 г/см3 - у Rh) с никелем, температура плавления которого равна 1455oC и удельный вес 8,90 г/см3, является довольно сложной задачей. В связи с этим для проведения эффективной гомогенизации и раскисления металла необходим правильный выбор температурного режима плавки и перемешивания.

Нагрев металла до температуры менее 1660oC не позволяет полностью расплавить и растворить рений (родий) в расплаве. Нагрев металла свыше 1780oC не приводит к улучшению растворения и распределения рения (родия) в расплаве, однако при этом возможно взаимодействие расплава с керамической футеровкой тигля и загрязнение металла неметаллическими включениями.

Нагрев металла до температуры 1660 - 1780oC и последующая выдержка способствуют полному растворению рения (родия) в расплаве. Последующее перемешивание металла позволяет выравнить концентрацию рения (родия) по высоте жидкой ванны. Отключение подогрева металла, находящегося в тигле печи в период перемешивания, позволяет уменьшить взаимодействие расплава с керамической футеровкой тигля и предотвратить засорение металла неметаллическими включениями.

Соотношение продолжительности периода нагрева и выдержки расплава к периоду охлаждения и перемешивания в цикле должно составлять (2-3) : (1-1,5). При большем соотношении не удается обеспечить удовлетворительного усреднения расплава, поскольку основное количество рения (родия) остается в нижней части тигля. При этом температура расплава смещается в область очень высоких температур, в результате чего имеет место взаимодействие расплава с футеровкой тигля и загрязнение неметаллическими включениями. При меньшем соотношении дальнейшего усреднения расплава не происходит, температура расплава смещается в область очень низких температур, жидкотекучесть (вязкость) расплава снижается и условия усреднения расплава заметно ухудшаются. Оптимальное количество циклов составляет от 2 до 4.

Перед сливом расплав раскисляют иттрием, который вводят в расплав за 1-10 мин до начала разливки, при этом остаточное содержание иттрия в металле должно быть в пределах 0,001-0,100%. При введении иттрия менее чем за 1 мин до слива процесс раскисления расплава не успевает закончиться и в готовом расплаве наблюдается повышенное содержание неметаллических включений. При введении иттрия более чем за 10 мин до начала разливки имеет место вторичное окисление расплава, поскольку иттрий взаимодействует с керамическим материалом тигля.

Пример
Сплав на никелевой основе для монокристаллических затравок с расчетным содержанием рения в сплаве 33% выплавляли в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 100 кг. На дно тигля загрузили часть никеля, затем послойно загрузили рений и остальной никель. При плавке поддерживали вакуум в печи не свыше 4•10-2 мм рт.ст. После расплавления шихты и нагрева металла до температуры 1660oC в течение 6 мин приступали к гомогенизирующей обработке (термоциклированию) расплава. Для этого металл выдерживали при указанной температуре в течение 4 мин, затем отключали мощность и через 2 мин включали электромагнитное перемешивание на 3 мин. Температура расплава после окончания перемешивания составляла 1630oC. Всего провели 3 таких цикла. В конце последнего цикла за 5 мин до начала разливки металла в расплав добавили раскислитель - иттрий в виде лигатуры никель-иттрий. После окончания процесса раскисления приступили к сливу металла в чугунные кокили.

В табл. 1 приведен химсостав предлагаемого сплава для затравок при различном соотношении компонентов.

В табл. 2 приведены различные технологические параметры выплавки некоторых сплавов для монокристаллических затравок из табл. 1. Для оценки качества сплава исследовали металл из первого и последнего кокилей на содержание рения (родия) и кислорода.

Как видно из табл. 2, использование композиций согласно изобретению позволяет получить качественный гомогенный сплав по тугоплавким элементам и с низким содержанием кислорода (плавки 2, 3, 4, 8, 9). Для сравнения с предлагаемым способом приведена плавка 1, выплавленная в соответствии с прототипом. Видно, что плавка 1 не позволила получить качественную отливку (большой брак по химсоставу). Отклонение от предлагаемых параметров ведет к браку по содержанию рения (родия) (плавка 6) или к снижению качества металла вследствие загрязнения его кислородом (плавки 5, 7).

Использование изобретения позволит получать тугоплавкий никелевый сплав высокого качества для изготовления затравок. Применение затравок из никелевого сплава с повышенной температурой плавления расширит возможности технологического процесса, позволит повысить рабочие температуры при отливке монокристаллических лопаток ГТД и ГТУ заданной КГО, увеличит выход годного по макроструктуре на 7-10%.

1.Сплавнаникелевойосноведлямонокристаллическихзатравок,содержащийтугоплавкийэлемент,отличающийсятем,чтоондополнительносодержититтрий,авкачестветугоплавкогоэлементасодержитодинэлементизгруппы,включающейренийиродий,приследующемсоотношениикомпонентов,мас.%:Одинэлементизгруппы,включающейренийиродий-25-50Иттрий-0,001-0,1Никель-Остальное2.Способвыплавкисплавананикелевойосноведлямонокристаллическойзатравки,отличающийсятем,чтоосуществляютзагрузкушихты,еерасплавлениеподвакуумом,термоциклированиерасплавапутемнагревадотемпературы1660-1780C,выдержкиприэтойтемпературеиохлаждениядотемпературы1630-1650Cсодновременнымэлектромагнитнымперемешиваниемвпроцессеохлаждения,раскислениерасплаваиегоразливку,приэтомпродолжительностьнагреваивыдержкирасплаваотноситсякпериодуохлажденияиперемешиваниярасплавакак(2-3):(1-1,5).13.Способпоп.2,отличающийсятем,чтораскислениепроводятза1-10миндоначаларазливки.34.Способпоп.2,отличающийсятем,чтотермоциклированиерасплаваосуществляютнеменеедвухраз.4
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 11-14 из 14.
10.04.2019
№219.017.0b13

Устройство для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой, в частности лопаток ГТД и ГТУ. Устройство содержит вакуумную камеру, внутри которой размещены индукционная печь, печь подогрева форм с наружной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02152844
Дата охранного документа: 20.07.2000
10.04.2019
№219.017.0b15

Высокопрочная конструкционная сталь

Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию высокопрочных конструкционных сталей, которые могут быть использованы для изготовления крупногабаритных высоконагруженных деталей в различных областях машиностроения, например в авиа- и космической технике. Предложенная высокопрочная...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02155820
Дата охранного документа: 10.09.2000
29.04.2019
№219.017.471b

Способ обработки поверхности изделия

Изобретение может быть использовано в авиационном и энергетическом газотурбиностроении. Способ включает предварительную подготовку поверхности изделия, размещение в зоне обработки изделия и токопроводящего материала, создание вакуума в зоне обработки, подачу отрицательного потенциала на изделие...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002164550
Дата охранного документа: 27.03.2001
09.05.2019
№219.017.5135

Способ изготовления листов из алюминиевых сплавов

Способ изготовления листов из алюминиевых сплавов включает гомогенизацию, охлаждение со скоростью 5-50°С/ч до 100-150°С, нагрев до температуры горячей прокатки 360-450°С, горячую прокатку, отжиг горячекатаной заготовки, перед холодной прокаткой листовую заготовку отжигают при температуре...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002158783
Дата охранного документа: 10.11.2000
Показаны записи 31-40 из 61.
09.05.2019
№219.017.4aa9

Способ получения элемента соплового аппарата турбины и соплового аппарата турбины

Изобретение может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой из никелевых жаропрочных сплавов. Изготавливают модель элемента соплового аппарата, состоящую из стартовой и лопаточной частей. Стартовую часть модели изготавливают в виде двух пластин в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002265496
Дата охранного документа: 10.12.2005
09.05.2019
№219.017.4aaa

Способ получения элемента рабочего колеса турбины и рабочего колеса турбины

Изобретение может быть использовано при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой из никелевых жаропрочных сплавов. Изготавливают модель элемента колеса турбины, состоящего из дисковой и лопаточной частей. Дисковую часть модели изготавливают в виде двух пластин, имеющих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002265497
Дата охранного документа: 10.12.2005
09.05.2019
№219.017.4b7a

Способ термической обработки изделий из жаропрочных, деформируемых, дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической обработке изделий из жаропрочных, деформируемых, дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой основе. Предложен способ термической обработки изделий из жаропрочных, деформируемых, дисперсионно-твердеющих сплавов на никелевой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002256723
Дата охранного документа: 20.07.2005
09.05.2019
№219.017.4b7e

Жаростойкий сплав на основе интерметаллида nial и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным жаростойким сплавам на основе интерметаллида NiAl и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с монокристаллической структурой, таким как, например, рабочие и сопловые лопатки, проставки соплового аппарата...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002256714
Дата охранного документа: 20.07.2005
09.05.2019
№219.017.4b7f

Жаропрочный литейный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению жаропрочных литейных сплавов на основе никеля, и может быть использовано для получения методом направленной кристаллизации деталей узлов газотурбинных двигателей и установок, преимущественно турбинных лопаток с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002256715
Дата охранного документа: 20.07.2005
09.05.2019
№219.017.4baf

Клеевая композиция

Изобретение относится к области получения клеевых композиций для склеивания сырых (невулканизованных) резин с металлами в процессе вулканизации при изготовлении резинометаллических конструкций в авиационной, автомобильной технике и судостроении. Технической задачей предлагаемого изобретения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02230765
Дата охранного документа: 20.06.2004
09.05.2019
№219.017.4bc2

Устройство для дробления и измельчения

Устройство для дробления и измельчения содержит камеру дробления, приемное окно, неподвижный и подвижный дробящие конусы с зубьями, выпускную щель, выпускное окно, причем зубья расположены на конусах напротив друг друга по спиральной образующей с уменьшением их размера пропорционально...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02226430
Дата охранного документа: 10.04.2004
09.05.2019
№219.017.50c2

Сплав на основе титана и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к созданию титановых сплавов, предназначенных для использования в качестве конструкционного материала, работающего при повышенных температурах. Сплав имеет следующий химический состав, мас.%: алюминий 4,5-7,3, молибден 0,4 - 3,8, цирконий 3,0-5,0, олово 1,5-3,5, ниобий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02175992
Дата охранного документа: 20.11.2001
09.05.2019
№219.017.50fd

Конструкционная сталь и изделие, выполненное из нее

Изобретение относится к металлургии, а именно к созданию конструкционных высокопрочных коррозионно-стойких сталей. Предложена конструкционная сталь, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 1,4-1,55; кремний 1,25-2,0; марганец 0,1-0,35; хром 14-16; ванадий 3,0-4,5; молибден...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02184172
Дата охранного документа: 27.06.2002
09.05.2019
№219.017.5105

Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам алюминиевых сплавов, и может быть использовано в разработке конструкционных материалов для изготовления изделий авиакосмической техники, в том числе и работающих при криогенных температурах. Сплав также может использоваться в качестве...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 02180929
Дата охранного документа: 27.03.2002
+ добавить свой РИД