МОДИФИКАТОР ДЛЯ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
MODIFYING AGENT FOR NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, а именно к модифицированию жаропрочных сплавов на основе никеля типа ЖС ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений.
Из уровня техники известен модификатор для никелевых сплавов, содержащий 0,5-1,5 мас.% азота, 1,7-6,8 мас.% титана, 30-50 мас.% хрома, 0,1-1,0 мас.% бора, остальное никель. Модификатор способствует измельчению структуры и упрочнению сплава частицами нитрида титана (а.с. СССР 384918, Институт проблем литья Украинской ССР, 01.10.1973).
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.
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 и марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%:
карбонитрид титана
2,5
титан
19-21
хром
1,4-1,6
молибден
9-11
вольфрам
9-11
ниобий
9-11
алюминий
32-38
никель
9-11
марганец
0,9-1,1
при этом размер частиц ультрадисперсного порошка карбонитрида титана составляет 0,01-0,05 мкм, размер частиц порошка титана составляет 0,01-0,1 мкм, а размер частиц порошков хрома, молибдена, вольфрама, ниобия и алюминия составляет 4-50 мкм, а размер частиц никеля и марганца не превышает 20-30 мкм.
Содержание титана превышает содержание карбонитрида титана приблизительно в 10 раз, поскольку это необходимо для созданий на частицах карбонитрида плакирующего слоя титана. При этом при содержании титана меньше 19 мас.% не обеспечивается полное плакирование зерен карбонитрида, а при содержании титана более 21 мас.% снижается температура продуктов экзотермической реакции с никелем.
Содержание алюминия от 32 до 38 мас.% выбрано для обеспечения прохождения устойчивых СВС процессов, в результате чего частицы модификатора под воздействием тепловой энергии металлотермической реакции, выделяемой при сгорании алюминия внутри брикета, будут «разрывать» брикет изнутри и разносить по всему объему частицы карбонитрида титана, служащие зародышами кристаллизации. При содержании алюминия ниже 32 мас.% в модификаторе не будет создаваться достаточное усилие для разлета частиц по объему расплава, при содержании, превышающем 38 мас.% происходит перенасыщение расплава алюминием, что отрицательно сказывается на свойствах сплава.
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 около 3%.
Размер частиц карбонитрида титана ниже 0,01 мкм способствует агрегированию частиц, увеличению времени роста модифицированной фазы и снижает однородность распределения центров кристаллизации, выше 0,05 мкм - снижает однородность модифицированного металла.
Размер частиц титана 0,01-0,1 мкм обусловлен тем, что при размере частиц ниже 0,01 мкм происходит агрегирование частиц, а при размере частиц выше 0,1 мкм наблюдается неоднородное плакирование титаном частиц карбонитрида.
Размер частиц хрома, молибдена, вольфрама, ниобия и алюминия ниже 4 мкм приводит к агрегированию частиц, а выше 50 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 20-30 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.%: 2,5 карбонитрида титана, 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.
Никелевый сплав, полученный с использованием такого модификатора, имеет однородную дендритную структуру с размером макрозерна 0,5-1,5 мм и содержащую глобулярные карбиды с размером 4-8 мкм.
Таблица 1
Физико-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, 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.