СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
NICKEL ALLOY MODIFYING METHOD

Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию никелевых сплавов ультрадисперсными тугоплавкими частицами карбидонитрида титана.
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 A1, C22C 1/03, 01.01.1973 и а.с. СССР 320340 A1, B22D 21/00, 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°C, 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 синтетических тугоплавких частиц в металлические расплавы являются высокие значения поверхностных натяжений расплавов и наличие загрязнений на поверхности порошков. В то же 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 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 C1, B22D 27/04, 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, обеспечение равномерности распределения тугоплавких частиц по объему расплава и предотвращение растворения, коагуляции и всплывания тугоплавких частиц, что повлечет за собой получение сплава с высокими прочностными характеристиками и мелкозернистой однородной структурой.
Технический результат достигается тем, что в способе модифицирования никелевых сплавов осуществляют введение в расплав модификатора, содержащего ультрадисперсные тугоплавкие частицы карбонитрида титана и частицы титана, хрома, молибдена, вольфрама, ниобия, алюминия, никеля и марганца, причем модификатор вводят в расплав, нагретый до 1480-1600°C, в виде брикета с плотностью 1,05-1,2 от плотности расплава и пористостью 1,0-5,0 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 60 мас.% тепловой эффект реакции не достаточен для создания в порах брикета давления, достаточного для равномерного распределения частиц модификатора, а превышение 80 мас.% приведет к спеканию частиц модификатора.
Плотность брикета обусловлена необходимостью равномерного распределения модификатора по объему расплава, причем плотность брикета ниже 1,05 от плотности расплава препятствует погружению брикета в расплав и способствует концентрированию модификатора в верхней части расплава. Превышение плотности в 1,2 от плотности расплава приводит к быстрому погружению брикета в расплав и скапливанию модификатора и 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 до 5 об.%. Пористость менее 1 об.% препятствует отделению частиц модификатора друг от друга, а более 5 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 создают 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.
Температура нагрева расплава 1480-1600°C усиливает эффект модифицирования в 1,3-1,8 раз и обеспечивает выделение карбидов в компактной форме и измельчение макроструктуры, при этом при температуре выше 1600°C эффект измельчения макроструктуры практически полностью исчезает.
Пример. Порошки компонентов модификатора с заданными размерами частиц смешивают в следующем соотношении, мас.%: 2,5 ультрадисперсные тугоплавкие частицы карбонитрида титана; и добавленные частицы: 20 титана, 1,5 хрома, 10 молибдена, 10 вольфрама, 10 ниобия, 35 алюминия, 10 никеля, 1 марганца. Из полученной смеси формируют брикет путем прессования при 20-50 МПа и спекания при температуре 850-900°C в вакууме в течение 30 мин. Брикет имеет плотность 1,1 от плотности расплава сплава и пористость порядка 3 об.%.
Модификатор вводят в расплав, нагретый до температуры 1480°C. Наибольшее измельчение зерна достигается в течение 3-5 минут после ввода модификатора в расплав. Отливку никелевого сплава с модифицированной макро- и микроструктурой получают путем электрошлакового литья.
Модифицирование позволяет получить никелевый сплав с однородной дендритной структурой с размером макрозерна 0,5-1,5 мм, содержащей глобулярные карбиды с размером 4-8 мкм.
Таблица 1Физико-механические свойства сплава ЖС6-У
Объект исследования
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>, МПа
Форма карбидов
Средний размер зерна, мм
Сплав по прототипу
855
глобулярная
3-5
Сплав, модифицированный TiCN
1100
глобулярная
0,5-1,5
Таким образом, модифицирование никелевых сплавов ультрадисперсными тугоплавкими частицами карбидонитрида титана по предложенной технологии обеспечивает увеличение дисперсности структуры, снижение дендритной ликвации и возрастание механических и эксплуатационных свойств сплава.