Модификатор для жаропрочных никелевых сплавов
MODIFYING AGENT FOR HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к модифицированию жаропрочных сплавов на основе никеля типа ЖС ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений.
Повышение эффективности и надежности работы изделий, применяемых в авиации, космонавтике, автомобилестроении, 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 открывают использование методов энергетического воздействия на жидкий металл, среди которых важное место занимают модифицирование ультрадисперсными порошками (УДП) и высокотемпературная обработка расплавов (ВТОР).
Из уровня техники известен модификатор для никелевых сплавов, содержащий 0,5-+1,5 мас. % азота, 1,7-6,18 мас. % титана, 30-50 мас. % хрома, 0,1-1,0 мас. % бора, остальное никель. Модификатор способствует измельчению структуры и упрочнению сплава частицами нитрида титана (АС СССР 384918, Институт проблем литья Украинской ССР, 01.01.1973).
В качестве наиболее близкого аналога выбран модификатор для улучшения свойств отливок из жаропрочных сплавов, содержащий 20-25 мас.% молибдена, 60-70 мас. % хрома, никель – остальное (патент РФ 2337167 C2, 27.10.2008).
Недостатком известных модификаторов является то, что модифицирование тугоплавкими металлами и частицами тугоплавких соединений, сформированных в виде лигатуры или вводимых в виде порошка с размером частиц больше микрометра, не обеспечивает равномерного распределения их по объему расплава.
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.
Задача, решаемая в результате реализации заявленного изобретения, заключается в выборе оптимального химико-физического состава модификатора, обеспечивающего  эффективное воздействие на микро- и макроструктуру.
Техническим результатом изобретения является получение сплава с мелким зерном, равномерно распределенным по объему, и обеспечение высоких стабильных физико-механических свойств.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известный модификатор, содержащий молибден, хром и никель, дополнительно вводят ультрадисперсный порошок карбонитрида титана, порошки титана, вольфрама, ниобия, алюминия, магния, железа и марганца при следующем соотношении компонентов, мас. %:
карбонитрид титана
1,0 - 5,0
титан
18,0 - 22,0
хром
2,0 - 4,0
молибден
8,0 - 10,0
вольфрам
8,0 - 10,0
ниобий
8,0 - 10,0
алюминий
10,0 - 15,0
магний
10,0 - 15,0
никель
8,0 - 10,0
марганец
2,0 - 5,0
железо
5,0 – 10,0,
при этом размер частиц ультрадисперсного порошка карбонитрида титана составляет 0,01-0,10 мкм, размер частиц порошка титана составляет 0,01-0,50 мкм, а размер частиц порошков никеля, хрома, молибдена, вольфрама и ниобия составляет 10-60 мкм, а размер частиц алюминия, магния, марганца не превышает 30-40 мкм.
Содержание титана превышает содержание карбонитрида титана приблизительно в 8-10 раз, поскольку это необходимо для созданий на частицах карбонитрида плакирующего слоя титана. При этом при содержании титана меньше 18 мас.% не обеспечивается полное плакирование зерен карбонитрида, а при  содержании титана более 22 мас. % снижается температура продуктов экзотермической реакции с никелем.
Содержание алюминия и магния от 10 до 15 мас.%  выбрано  для обеспечения прохождения устойчивых СВС процессов, в результате чего частицы модификатора под воздействием тепловой энергии металлотермической реакции, выделяемой при сгорании алюминия, магния, марганца, железа внутри брикета, будут «разрывать» брикет изнутри и разносить по всему объему частицы карбонитрида титана с плакируемым слоем титана, служащие зародышами кристаллизации. При содержании алюминия ниже 10 мас.%, магния ниже 10 мас.%, железа ниже 5 мас.%, марганца ниже 2 мас.%, в модификаторе не будет создаваться достаточное усилие для разлета частиц по объему расплава, при содержании алюминия, превышающем 15 мас.%, магния, превышающем 15 мас.%, железа, превышающем 10 мас.%, марганца, превышающем 5 мас.%, происходит перенасыщение расплава алюминием, магнием, марганцем, железом, что отрицательно сказывается на химическом составе, и как следствие физико-механических свойствах сплава и служебных характеристиках готового изделия.
При содержании хрома, молибдена, вольфрама, ниобия ниже минимальных значений увеличивается размер зерна никеля, в случае содержаний указанных компонентов выше максимальных значений прерывается распространение экзотермической реакции по брикету модификатора и не обеспечивается заданный состав сплава.
Содержание никеля выбрано из условия образования модификатором матрицы на основе МеС с содержанием никеля от 2,5-3,5 %.
Размер частиц карбонитрида титана ниже 0,01 мкм способствует агрегированию частиц, увеличению времени роста модифицированной фазы и снижает однородность распределения центров кристаллизации, выше 0,50 мкм – снижает однородность модифицированного металла.
Размер частиц титана 0,01-0,50 мкм обусловлен тем, что при размере частиц ниже 0,01 мкм происходит агрегирование частиц, а при размере частиц выше 0,50 мкм наблюдается неоднородное плакирование титаном частиц карбонитрида.
Размер частиц  хрома, молибдена, вольфрама, ниобия ниже 10 мкм приводит к агрегированию частиц, а выше 60 мкм прерывается распространение  экзотермической реакции по брикету модификатора.
Размер частиц марганца и никеля не оказывает непосредственного влияния на технический результат и может составлять не более 30-40 мкм.
Введение модификатора в широком диапазоне температурно-временных параметров плавки влияет на характер выделений карбидных включений в металле, среди которых наиболее распространенным является карбид МеС, имеющий в никелевых сплавах скелетообразную или строчечную морфологию. Применение технологии комплексного модифицирования приводит к уменьшению размеров и изменению  дендритной ячейки, что вызвано увеличением темпа кристаллизации модифицированного сплава на первом этапе кристаллизации. Кроме того, изменяется морфология и топография карбидной фазы – от выделений типа пленок, выстроенных в цепочку и имеющих форму вида «китайский иероглиф», образующих каркас по границам зерен, до компактных округлой формы включений. Кроме того, после модифицирования значительно снижается дендритная ликвация, а элементы перераспределяются более равномерно, обеспечивая выравнивание состава между осями дендритов и межосными участками.
Возможность достижения указанного технического результата подтверждается следующим примером.
Пример.
Порошки компонентов модификатора с заданными размерами частиц смешивают в следующем соотношении, мас. %: 3,0 карбонитрида титана, 20 титана, 3,0 хрома, 9 молибдена, 9 вольфрама, 9 ниобия, 9 никеля, 10 алюминия, 10 магния, 7 железа, 3 марганца. Из полученной смеси формируют брикет путем прессования при 20-40 МПа и спекания при температуре 820-920 °С в вакууме в течение 25-30 мин.
Никелевый сплав, полученный с использованием такого  модификатора, имеет однородную дендритную структуру с размером макрозерна 0,3-1,4 мм, содержащую глобулярные карбиды с размером 2-6 мкм.
Таблица 1
Физико-механические свойства сплава ЖС6-У
Объект исследования
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>, МПа
Предел текучестиσ<sub>0,2</sub>, МПа
KCU,MДж/м<sup>2</sup>
Форма карбидов
Размер карбидов, мкм
Средний размер зерна, мм
ОСТ 90126-85
960
800
-
-
-
-
Сплав по прототипу
855
730
0,12
игольчатая
6-16
3-8
Сплав ЖС6У, модифицированный TiCN+Ti
1220
1070
0,32
глобулярная
0,7-3,2
0,3-1,4
Таким образом, использование модификатора, содержащего плакированные титаном ультрадисперсные частицы карбонитрида титана,  позволяет эффективно и целенаправленно воздействовать на микро- и макроструктуру никелевого сплава и получать мелкое равноосное зерно по всему объему отливки, обеспечивающее высокие физико-механические свойства отливки.