3
METHOD OF RECEIVING OF CASTABLE HEAT-RESISTANT ALLOY OR PRODUCTS OF ALLOY OF TYPE VKNS ON BASIS OF INTERMETALLIDE NiAl (VERSIONS) AND PRODUCTS RECEIVED BY THESE METHODS
3
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЕЙНОГО ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА ИЛИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ СПЛАВА ТИПА ВКНА НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА NiAl (ВАРИАНТЫ) И ИЗДЕЛИЯ, ПОЛУЧЕННЫЕ ЭТИМИ СПОСОБАМИ

3
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу получения литейных сплавов или изделий из сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида NiAL, и может быть использовано в авиационной и автомобильной промышленности, судостроении для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих длительное время при высоких температурах в окислительных средах.
вт
вт
Основным определяющим свойством сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации при высокой температуре, является жаропрочность. Условия длительной высокотемпературной работы деталей под напряжением, при термоциклировании и знакопеременных нагрузках способствует интенсификации диффузионных процессов в материале. Это приводит к снижению жаропрочности гетерофазных (γ+γ′) - никелевых суперсплавов из-за деградации структуры, связанной с уменьшением или полным исчезновением вторичных выделений упрочающей фазы γ′ вследствии повышения ее растворимости в материале матрицы (γ) и укрупнению не растворившихся частиц γ′. Необходимо создание в материале термостабильной структуры, обеспечивающей сохранение высоких характеристик жаропрочности вплоть до предплавильных температур.
3
перв
перв
3
Повышение жаропрочности литейных интерметаллидных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида NiAL, содержащих до 10-15 об.% γ-твердого раствора на основе никеля, может быть достигнуто за счет формирования в них стабильных первичных выделений γ′-фазы (γ′) с упорядоченной ГЦК кристаллической решеткой, имеющей более высокую прочность межатомных связей по сравнению с прочностью межатомных связей в неупорядоченной ГЦК решетке γ-твердого раствора на основе никеля. Характерной особенностью указанных выделений γ′ является то, что они формируются уже в расплаве при выплавке сплавов и последующем литье, и имеют сложное строение. В связи с чем разработка способов выплавки низколегированных сплавов на основе интерметаллида NiAL имеет актуальное значение.
3
-1
-2
Известен способ получения сплава на основе интерметаллида NiAL (Патент США №4126495, опубликован 21.11.1978 г.), по которому в плавильный тигель вакуумной индукционной печи (ВИП) одновременно загружают все шихтовые материалы (Ni, Co, Cr, W, Та, Мо, Nb, Al, Ti, Be, Zr, С), производят вакуумирование в ВИП до остаточного давления 10-10 мм рт.ст., после чего начинают нагрев шихты. Первым плавится Al, который образует расплав на дне тигля и растворяет осадок загрузки шихты за короткий период времени. После полного расплавления шихты, расплав перегревается до 3200°F (1700°С) в пределах контролируемого периода до 10 мин. При этой температуре производится 5-минутная выдержка расплава, а затем его охлаждение до 3050°F (~1760°C). При этой температуре вводятся такие добавки, как бор и Р3М, а затем расплав немедленно заливают в предварительно прокаленные (~843-900°С) оболочковые маршаллитовые формы.
перв
Недостатком способа является то, что при введении всех элементов затрудняется удаление из расплава С и О в виде СО вследствие связывания углерода и кислорода в термодинамические стабильные карбиды и оксикарбиды, затрудняющие формирование в расплаве упрочняющей фазы - γ′. В результате сплавы и изделия, изготовленные из них, имеют низкую жаропрочностью.
3
Известен способ получения сплава на основе интерметаллида NiAL, включающий расплавление никеля, хрома, вольфрама, молибдена и рения, обезуглероживающее рафинирование, раскисление иттрием, введение в расплав хрома и титана, понижение температуры, порционное введение алюминия, добавление в расплав кальция и лантана (патент РФ №2278902, опубликован 27.06.2006).
Способ позволяет получать сплавы повышенной чистоты. Однако они имеют невысокую жаропрочность при рабочих температурах, превышающих 1000°С.
3
Наиболее близким к предложенному изобретению является способ получения литейных жаропрочных сплавов на основе интерметаллида NiAL и изделий, выполненных из них, включающий расплавление элементов с невысокой химической активностью, таких как Ni, Co, Cr, W, Та, Мо, Nb, Re, и углерода в количестве, достаточном для раскисления шихты в процессе расплавления, введение в расплав легирующих элементов с повышенной химической активностью, таких как Ti, Al, Zr и т.д., введение наиболее активных к кислороду элементов бора и РЗМ (Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. / Под редакцией Ч.Т.Симсы и др. Суперсплавы II, кн. 2,- М.: Металлургия, 1995, с.134).
перв.
Последовательность введения компонентов шихты и температурные режимы плавки в известном способе не способствуют образованию достаточного количества фазы γ′ В результате сплав и изделия, полученные этим способом, не обладают достаточной прочностью и жаростойкостью при рабочих температурах 1000-1200°С.
3
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа получения литейных жаропрочных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида NiAL и изделий из них, обладающих высоким ресурсом работы.
Техническим результатом изобретения является повышение прочности и жаропрочности сплавов и изделий из сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида
3
NiAL, а также повышение ресурса их работы.
Технический результат достигается двумя вариантами способа получения литейных сплавов типа ВКНА.
3
По первому варианту технический результат достигается тем, что в способе получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа ВКНА на основе интерметаллида NiAL, включающем расплавление никеля, молибдена, вольфрама, и, если необходимо, кобальта, рафинирование расплава от примесей углерода, кислорода, азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию, рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 мин, после чего при этой же температуре в расплав вводят низкоуглеродистый хром, а затем титан с выдержкой расплава после введения каждого элемента 5-10 минут, затем при температуре 1500-1550°С порциями вводят в расплав алюминий, причем с первой порцией вводят цирконий, а с последней - РЗМ, и выдерживают расплав 5-10 мин. При этом хром можно вводить в расплав 2-3 порциями.
3
По второму варианту в способе получения литейного жаропрочного сплава или изделия из сплава типа ВКНА на основе интерметаллида NiAL, включающем расплавление никеля, молибдена, вольфрама, хрома и, если необходимо, кобальта, рафинирование расплава от примесей углерода, кислорода, азота, последовательное введение в расплав химически активных элементов, разливку и кристаллизацию, рафинирование осуществляют при температуре 1480-1500°С в течение 5-10 минут, затем при этой же температуре в расплав вводят титан, выдерживают расплав 5-10 минут, затем при температуре 1500-1550°С вводят порциями алюминий, причем с первой порцией в расплав вводят цирконий, а с последней Р3М, и выдерживают расплав 5-10 мин. Во втором варианте в исходной шихте можно использовать технический хром с содержанием углерода ≤0,03 мас.%.
В обоих вариантах выполнения способа титан можно вводить 2-3 порциями, алюминий - 2-4 порциями, а в качестве Р3М вводят лантан.
Для получения фасонных изделий с монокристаллической и/или столбчатой структурой разливку и кристаллизацию осуществляют по выплавляемым моделям с вертикально направленной кристаллизацией.
При этом при получении изделий с поликристаллической структурой в расплав перед разливкой вводят 0,12-0,2 мас.% углерода от массы расплава, а при получении изделий со столбчатой структурой в расплав перед разливкой вводят 0,02-0,08 мас.% углерода от массы расплава.
3
Технический результат достигается также изделием из литейного сплава типа ВКНА на основе интерметаллида NiAL, полученным по одному из заявленных способов.
Сущность изобретения заключается в следующем.
3
перв
При выплавке литейных жаропрочных сплавов типа ВКНА на основе интерметаллида NiAL необходимо проведение комплекса мероприятий, обеспечивающих формирование при кристаллизации частиц тугоплавких ядер-оксидов с оболочкой из β-фазы (NiAl) и выделений γ′ - фазы, которая формирует внешнюю оболочку зародышей зерен, обеспечивающую термостабильность и жаропрочность сплава.
перв
x
y
3
Экспериментально установлено, что постадийное введение в расплав элементов с повышенной химической активностью, таких как Cr, Ti, Al, Zr, Р3М при заявленных режимах нагрева и выдержки, исключающих как перегрев, так и охлаждение расплава, приводит к формированию дисперсных выделений фазы γ′, состоящих из ядер-оксидов типа Al (Ti, Zr, La)O с оболочкой из β-фазы и внешней оболочкой из γ′-фазы (NiAl).
Введение наименее активного циркония с первой порцией алюминия, а наиболее активного РЗМ с последней порцией алюминия позволяет сформировать в расплаве стойкие тугоплавкие ядра-оксиды для последующего стабильного выделения на них упрочняющей γ′-фазы.
Процесс проводят с пониженным до минимума содержанием углерода, который вводят в расплав, в случае необходимости, перед разливкой в кокиль, что позволяет исключить в процессе плавки образование карбидов, препятствующих формированию в расплаве тугоплавких ядер-оксидов.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами:
Выплавляли сплавы ВКНА-4У-МК, ВКНА-1В-НК и ВКНА-РК, химический состав которых приведен в таблице 1.
В таблице 2 приведена последовательность введения легирующих элементов, температурные и временные режимы при выплавке сплавов ВКНА-4У-МК (примеры I, II, III), BKHA-1B-HK (примеры I, II, III), ВКНА-РК (пример III) по предложенной технологии и по известной (пример IV).
После разливки в кокили отбирали стружку на химический анализ. Содержание легирующих элементов и примесей определяли по стандартным методикам.
Во всех случаях перед последующими операциями литые заготовки протачивали по поверхности на глубину 1-2 мм для удаления слоя, контактирующего с чугуном кокилей, затем разрезали на мерные заготовки весом по 6 кг для последующего литья образцов и изделий методами направленной кристаллизации (НК) или равноосной кристаллизации (РК).
В таблице 3 приведены свойства литейных жаропрочных сплавов ВКНА-1В-НК, ВКНА-4У-МК, ВКНА-РК, полученных предложенными способами (I, II, III) и по способу-прототипу (IV). Из таблицы 3 видно, что сплавы, выплавленные по предложенным способам, имеют характеристики 100-, 500- и 1000-часовой прочности при температурах 100, 1100 и 1200°С, почти в 2 раза превышающие аналогичные характеристики сплава, полученного по способу-прототипу, и повышение рабочих температур на 100°С.
Изделия, выплавленные по предложенным способам, имеют повышенные надежность и ресурс работы.
Таблица 1
Химический состав исследуемых сплавов на основе интерметаллида Ni<sub>3</sub>AL.
Марка сплава
Al
Cr
W
Мо
Ti
С
Со
Zr
La
Ni
ВКНА-1В-НК
8,50
5,50
3,00
3,50
1,15
≤0,02
-
0,03
0,015
Осн.
ВКНА-4У-МК
8,50
5,00
2,15
5,00
0,90
≤0,02
4,00
0,03
0,015
Осн.
ВКНА-РК
8,50
5,00
2,15
5,00
0,90
0,15
4,00
0,25
0,015
Осн.