СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА БЕЗУГЛЕРОДИСТЫХ ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF CARBON-FREE CAST HEAT-RESISTANT ALLOYS ON NICKEL BASE

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на никелевой основе, и может быть использовано при выплавке безуглеродистых жаропрочных сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей и других деталей с монокристаллической структурой.
В литейных жаропрочных безуглеродистых сплавах азот и кислород являются вредными примесями, поскольку они образуют тугоплавкие оксиды и нитриды, которые могут являться центрами гетерогенного зарождения равноосных зерен в монокристаллических отливках. Наличие равноосных зерен снижает эксплуатационные характеристики монокристаллов и может служить причиной преждевременного разрушения монокристаллических отливок. Поэтому содержание кислорода и азота в безуглеродистых жаропрочных сплавах не должно превышать 0,0005% каждого.
Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление под вакуумом шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование расплава, раскисление расплава и последующее введение в него активных легирующих элементов (А.с. №1584404).
Недостатком известного способа является низкая жаропрочность полученного сплава при температуре 1100°C и высокие содержания азота и кислорода в готовом металле.
Известен способ выплавки безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование расплава в две стадии введением окислителя в атмосфере инертного газа под давлением 20-150 мм рт.ст., введением магния в количестве 0,02-0,20% от массы расплава, церия и иттрия в суммарном количестве 0,01-0,10% от массы расплава, а после введения активных легирующих элементов в вакууме введение магния в количестве 0,003-0,015% от массы расплава и совместно лантана и скандия в суммарном количестве 0,01-0,50% от массы расплава (Патент РФ №2353688).
Недостатком известного способа является его взрыво- и пожароопасность, низкий выход годного при литье изделий с монокристаллической структурой из безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование в две стадии: на первой стадии проводят введение окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт.ст. и удаление газа, после чего осуществляют вторую стадию рафинирования введением редкоземельных металлов в количестве в 2,0-20,0 раз превышающем количество углерода, оставшегося в расплаве после первой стадии рафинирования и после второй стадии рафинирования перед введением активных легирующих элементов в расплав вводят хром (Патент РФ №2074569).
Недостатком этого способа является недостаточная чистота безуглеродистых жаропрочных сплавов по азоту, кислороду, пониженные эксплуатационные свойства и низкий выход годного по макроструктуре при отливке готовых изделий с монокристаллической структурой.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение чистоты безуглеродистых жаропрочных сплавов по азоту, кислороду, увеличение выхода годного при литье изделий с монокристаллической структурой и повышение эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов на никелевой основе.
-2
Технический результат достигается тем, что предложен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование в две стадии: на первой стадии осуществляют введение окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт.ст., на второй стадии - введение редкоземельных металлов в количестве в 2,0-20,0 раз превышающем количество углерода, оставшегося в расплаве после первой стадии рафинирования, а после второй стадии рафинирования в расплав вводят хром и активные легирующие элементы, в котором после первой стадии рафинирования инертный газ удаляют и при давлении газа (1-10)×10 мм рт.ст. в расплав дополнительно вводят углерод в количестве 0,001-0,010% от массы шихтовых материалов.
-2
Установлено, что при удалении инертного газа после первой стадии рафинирования и дополнительном введении углерода при давлении газа (1-10)×10 мм рт.ст. в количестве 0,001-0,010% от массы шихтовых материалов при выполнении других заявленных операциях способа достигается высокая чистота сплава по азоту и кислороду, увеличивается выход годного при литье изделий с монокристаллической структурой и повышаются эксплуатационные свойства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе.
При этом, несмотря на дополнительное введение углерода, содержание его в безуглеродистом литейном жаропрочном сплаве на никелевой основе остается в необходимых пределах.
Примеры осуществления способа
По предлагаемому способу осуществили выплавку безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе системы Ni-Co-Cr-Al-W-Mo-Re (сплав 1) и Ni-Co-Cr-Al-W-Mo-Re-Ru-Ta (сплав 2) в вакуумной индукционной печи с емкостью тигля 20 кг.
-2
Пример 1 (сплав 1). В тигель загружали шихтовые материалы: никель, кобальт, молибден, вольфрам, рений. Расплавление шихты осуществляли в вакууме. После расплавления шихты в плавильную камеру напускали инертный газ (аргон) до давления 80 мм рт.ст. и вводили в расплав окислитель (закись никеля). После этого газ удаляли и при давлении 1×10 мм рт.ст. вводили в расплав углерод из расчета 0,001% от массы шихтовых материалов. Затем в расплав вводили РЗМ в количестве 0,02%, что превышает остаточное количество углерода в расплаве не менее чем в два раза, после чего добавляли хром и алюминий.
Примеры 2 и 3 проводили аналогично примеру 1, при этом менялось количество вводимого углерода и давление (см. таблицу 1).
Пример 4 проводили по способу-прототипу.
-2
Пример 5 (сплав 2). В тигель загружали шихтовые материалы: никель, кобальт, молибден, вольфрам, рений, рутений. Расплавление шихты осуществляли в вакууме. После расплавления шихты в плавильную камеру напускали инертный газ (аргон) до давления 120 мм рт.ст. и вводили в расплав окислитель (закись никеля). После этого газ удалили и при давлении 1×10 мм рт.ст. ввели в расплав углерод из расчета 0,001% от массы шихтовых материалов. Затем в расплав ввели РЗМ в количестве 0,02%, что превышает остаточное количество углерода в расплаве, после чего добавляли хром, тантал и алюминий.
Примеры 6 и 7 проводили аналогично примеру 5, при этом менялось количество вводимого углерода и давление (см. таблицу 2).
Пример 8 проводили по способу-прототипу.
Технологические параметры плавок и полученные результаты приведены в таблицах. Там же приведены технические характеристики плавок, выплавленных по способу-прототипу.
Из таблиц видно, что в примерах 1-3 и 5-7, соответствующих предлагаемому способу, содержания азота в 8-10 раз и кислорода в 1,7-2,5 раза ниже, чем в металле, выплавленном по способу-прототипу. Содержание углерода в примерах 1-3 и 5-7, соответствующих предлагаемому способу, не превышает его содержания в металле, выплавленном по способу-прототипу (примеры 4 и 8). Жаропрочность сплавов, выплавленных по предлагаемому способу по сравнению со способом-прототипом, повысилась на 30-35%, а выход годного по монокристальности примерно в 1,5 раза.
Использование предлагаемого способа позволит повысить жаропрочные свойства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов, полностью устранить брак монокристаллических лопаток по макроструктуре. Это обеспечит повышение ресурса и надежности работы авиационных газотурбинных двигателей и позволит снизить стоимость сплавов.
Таблица 1
№ п/п
Технологические параметры плавки
Содержание примесей в металле, %
Жаропрочность при 1100°C, σ=25 кгс/мм<sup>2</sup>, в часах
Выход годного по структуре, %
С<sub>расч.</sub>, %
давление, мм рт.ст.
N<sub>2</sub>
O<sub>2</sub>
C
1
0,001
1×10<sup>-2</sup>
0,0002
0,0003
0,004
378
90
2
0,005
3×10<sup>-2</sup>
0,0002
0,0003
0,004
368
93
3
0,010
10×10<sup>-2</sup>
0,0001
0,0002
0,003
360
92
4
способ-прототип
0,0017
0,0005
0,004
286
67
Таблица 2
№ п/п
Технологические параметры плавки
Содержание примесей в металле, %
Жаропрочность при 1100°C, σ=27 кгс/мм<sup>2</sup>, в часах
Выход годного по структуре, %
С<sub>расч.</sub>, %
давление, мм рт.ст.
N<sub>2</sub>
O<sub>2</sub>
C
5
0,001
1×10<sup>-2</sup>
0,0001
0,0002
0,003
374
92
6
0,005
3×10<sup>-2</sup>
0,0002
0,0002
0,004
358
90
7
0,010
10×10<sup>-2</sup>
0,0001
0,0003
0,004
362
90
8
способ-прототип
0,0015
0,0005
0,004
275
65