СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЛИТКОВ И ЛИТЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF INGOTS AND CAST ARTICLES OUT OF INTERMETALLIC ALLOYS

Изобретение относится к способу изготовления интерметаллических отливок, например отливок на основе алюминида титана, позволяющему получать данные отливки в большом количестве и свободными от вредных загрязнений, возникающих вследствие реакции между интерметаллическим расплавом, материалами форм (плавильных тиглей) и технологическими газами, содержащимися в плавильной камере.
2
3
2
3
Многие сплавы, содержащие высокий процент по массе химически активного металла, например титана, вступают в реакцию с кислородом воздуха, углекислым газом и парами воды и наиболее распространенными материалами футеровки тигля до такой степени, что сплав загрязняется до неприемлемого уровня. В результате такие сплавы обычно плавят в водоохлаждаемых металлических (например, медных) тиглях с использованием электрической дуги или индукционного нагрева для образования тепла в загрузке сплава (US 4738713 [1]). Используют также тигли из высокотемпературной оксидной керамики на основе оксидов иттрия- YO (WO 2005025778 [2]) или кальция -СаО (ЕР 0526159 [3]; JP 2243558 [4]; JP 3083848 [5]; US 5102450 [6]). Последний неудобен в промышленном применении в связи с гигроскопичностью с образованием гидроксида Са(ОН), а также связыванием углекислого газа в карбонат кальция СаСО, приводящими к разложению тигля при хранении на воздухе.
Известные способы плавки являются недостаточно эффективными в отношении использования электрической энергии. Полученные слитки и изделия содержат значительное количество примесей, в основном оксидной природы. Кроме того, степень достигаемого перегрева расплава ограничена и определяется термостойкостью материала тигля.
Известен способ изготовления интерметаллических отливок, описанный в US 5042561 [7]. Известный способ изготовления интерметаллических отливок включает приготовление расплава из первого твердого и второго металлов в емкости с использованием нагрева и заливку расплава в форму для образования отливки после затвердевания расплава. Для того чтобы указанные интерметаллические сплавы можно было использовать для изготовления таких деталей, как, например, выхлопные клапаны двигателей внутреннего сгорания или лопасти газосжигающих турбин, эти сплавы необходимо плавить и отливать без вредных загрязнений, обусловленных контактом расплава с атмосферным воздухом. Для этого плавку осуществляют в атмосфере инертного газа. Недостатком известного способа является образование в расплаве вредных примесей, обусловленных контактом расплава со стенками тигля и форм.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является способ изготовления интерметаллических отливок, известный из RU 2107582 [8]. Способ осуществляют следующим образом: загрузку, состоящую из твердого первого металла (титана), помещают в одну емкость, загрузку из второго металла, который реагирует экзотермически с первым металлом (алюминий), расплавляют в другой емкости. Расплавленную загрузку, состоящую из второго металла, вводят в емкость, содержащую первый металл, так чтобы он контактировал с другой загрузкой. Загрузки, состоящие из первого и второго металлов, быстро нагревают (например, посредством индуктивных токов) в емкости для их экзотермической реакции и образуют расплав, нагретый до температуры литья без применения давления. В частности, экзотермическая реакция между первым и вторым металлами действительно уменьшает время содержания интерметаллического расплава в емкости. В свою очередь, это уменьшенное время нахождения уменьшает потенциальную возможность загрязнения расплава в результате его реакции с материалом емкости. Для того чтобы исключить вредную реакцию расплава и отливки с воздухом, во время осуществления способа используют такое средство, как, например, вакуум или инертный газ. При этом плавление загрузок осуществляют в емкости, футерованной графитом, а формы для литья по выплавляемым моделям имеют внутреннее облицовочное покрытие из двуокиси циркония или оксида иттрия и наружные опорные слои из двуокиси циркония или оксида алюминия, образующие корпус формы.
Недостатком известного способа является относительно большое количество примесных частиц в получаемых отливках, что влияет на качество изделий. Это в свою очередь объясняется тем, что расплавы контактируют с графитом и керамикой, содержащей кислород. Кислород поступает в расплав главным образом из керамического материала тиглей и литьевых форм путем диффузии и при термохимическом разрушении кислородсодержащей (оксидной) керамики и растворяется в расплаве в количестве, зависящем также от температуры расплава и времени его контакта с тиглем. В процессе быстрого охлаждения и затвердевания сплава растворимость в нем кислорода резко уменьшается, что приводит к выпадению в объеме слитка частиц оксидов размерами порядка единиц/десятков микрон - так называемых оксидных микропреципитатов. Элементами, связывающимися в оксиды, могут быть как Al и Ti, так и диффундирующие из тигельных стенок металлы (Y, Са, Мg и др.). Таким образом, кислород является трудноконтролируемой и нежелательной примесью, и с этим связана одна из основных проблем воспроизводимости свойств кристаллизуемого сплава. Возможно также образование частиц карбида титана TiC при использовании графитной литьевой оснастки.
Заявляемый способ направлен на повышение качества изделий из интерметаллических сплавов путем снижения в них общего содержания кислорода (в том числе и присутствующего в составе оксидных частиц-преципитатов) с одновременной минимизацией расходов на производство.
Указанный результат достигается тем, что способ получения слитков и литых изделий из интерметаллических сплавов, содержащих в своей основе титан и алюминий, включает плавление исходной шихты в тигле и последующую кристаллизацию расплава в форме, при этом используют тигель и форму, выполненные из нитрида алюминия или футерованные изнутри нитридом алюминия, а кристаллизацию расплава осуществляют в атмосфере инертного газа.
Указанный результат достигается также тем, что в качестве инертного газа используют аргон.
Указанный результат достигается также тем, что в качестве инертного газа используют аргон с точкой росы не выше минус 70°С.
2
3
Как было установлено экспериментально, если осуществлять плавление исходной шихты для получения слитков и литых изделий из интерметаллических сплавов, содержащих в своей основе титан и алюминий в тиглях, футерованных оксидной иттриевой керамикой на основе YО, а кристаллизацию полученного расплава проводить в формах из нитрида алюминия в атмосфере инертного газа, то количество и размеры микропреципитатов в готовых изделиях существенно сокращаются. Это можно объяснить отсутствием кислорода в элементной (химической) формуле состава тигля.
Наиболее же целесообразно для сокращения количества примесей в готовых изделиях проводить не только кристаллизацию полученного расплава в формах из нитрида алюминия, но и осуществлять плавление исходной шихты для получения слитков и литых изделий также в тиглях из нитрида алюминия.
2
3
2
Учитывая высокую стоимость нитрида алюминия, целесообразно для плавления исходной шихты с целью получения слитков и литых изделий и для последующей кристаллизации использовать тигли и формы, футерованные изнутри нитридом алюминия. В этом случае корпуса форм и тиглей могут быть выполнены из более дешевой керамики на основе оксидов алюминия АlО или циркония ZrO.
Для снижения содержания примесей в получаемых слитках и литых изделиях необходимо исключить контакт расплава с кислородом атмосферного воздуха. Поэтому плавление исходной шихты и последующую кристаллизацию расплава в формах из нитрида алюминия необходимо осуществлять в вакууме или в атмосфере инертного газа. Учитывая высокую летучесть алюминия из расплава в вакууме, способную привести к неконтролируемым изменениям баланса основных компонентов в сплаве, использование инертного газа при нормальном давлении является предпочтительным. С экономической точки зрения наиболее целесообразно в качестве инертного газа использовать аргон.
При этом, как показали опыты, от степени очистки аргона зависит количество примесей в готовых изделиях. Наилучшим с точки зрения содержания количества примесей является использование аргона с точкой росы не выше минус 70°С.
Сущность заявляемого способа получения слитков и литых изделий из интерметаллических сплавов, содержащих в своей основе титан и алюминий, поясняется примерами реализации.
2
3
Пример 1. В самом общем случае способ реализуется следующим образом. В тигель, выполненный из АlО, футерованный нитридом алюминия, загружают титан и алюминий в виде металлических гранул в количествах, близких к стехиометрическому соотношению, добавляют требуемое количество (в сумме до 15 ат.%) легирующих металлов (например, Nb, Та, Мn и др.) и помещают в высокотемпературную камеру электропечи, объем которой герметизируют, предварительно вакуумируют и через редуктор подключают к источнику аргона. В качестве источника газа использовали стандартные баллоны. После плавления исходной загрузки, перегрева расплава на 50-70°С выше точки плавления и гомогенизирующей выдержки расплава последний был разлит в керамические формы-лодочки из AlN и быстро закристаллизован в струе аргона.
Общее содержание кислорода в слитках в различных опытах составило 3500-8000 вес. ppm.
Пример 2. В частном случае способ реализуется следующим образом. В тигли, выполненные из нитрида алюминия или футерованные им, загружают титан и алюминий в виде металлических гранул в количествах, близких к стехиометрическому соотношению, добавляют требуемое количество (в сумме до 15 ат.%) легирующих металлов (например, Nb, Та, Мn и др.) и помещают в высокотемпературную камеру электропечи, объем которой герметизируют, предварительно вакуумируют и через редуктор подключают к источнику аргона. В качестве источника газа использовали стандартные баллоны. После плавления исходной загрузки, перегрева расплава на 50-70°С выше точки плавления и гомогенизирующей выдержки расплава последний был разлит в керамические формы-лодочки из AlN и быстро закристаллизован в струе аргона.
2
3
Содержание кислорода в слитках составило: при применении тиглей из AlN - 2500 вес. ppm; при применении тиглей из АlО, футерованных AlN, - 3400 вес. ppm.
Пример 3. В частном случае способ реализуется следующим образом. В тигли, выполненные из нитрида алюминия или футерованные им, загружают титан и алюминий в виде металлических гранул в количествах, близких к стехиометрическому соотношению, добавляют требуемое количество (в сумме до 15 ат.%) легирующих металлов (например, Nb, Та, Мn и др.) и помещают в высокотемпературную камеру электропечи, объем которой герметизируют, предварительно вакуумируют и через редуктор подключают к источнику аргона. В качестве источника газа использовали стандартные баллоны. После плавления исходной загрузки, перегрева расплава на 50-70°С выше точки плавления и гомогенизирующей выдержки расплава последний был разлит в керамические формы-лодочки из AlN и быстро закристаллизован в струе аргона.
2
3
Содержание кислорода в слитках составило при применении тиглей из AlN - 2500 вес. ppm; при применении тиглей из АlО, футерованных AlN, - 3400 вес ppm.
При реализации способа варьировался состав интерметаллического сплава в диапазоне, оговоренном в формуле изобретения и представляющем коммерческий интерес с точки зрения реализации полезных свойств и качеств сплава. Для удобства восприятия результаты опытов сведены в таблицу 1.
Таблица 1
№ п/п
Содержание титана, ат.%
Содержание алюминия, ат.%
Легирующие добавки
Содержание кислорода, ppm
1
55
45
нет
2500
2
49
47
2 ат.% Nb + 2 ат.% Mn
2900
3
43
55
2 ат.% Nb
3400
4
46,5
45,5
8 ат.% Nb
2200
5
47
50
1,5 ат.% Mo + 1,5 ат.% С
2700
Пример 4. В частном случае способ реализуется, как описано в примере 3. При реализации способа варьировалась чистота аргона. Для удобства восприятия результаты опытов сведены в таблицу 2.
Таблица 2
№ п/п
Содержание титана, ат.%
Содержание алюминия, ат.%
Чистота аргона по точке росы, °С
Содержание кислорода, ppm
1
55
45
минус 20
2400
2
55
45
минус 30
1900
3
55
45
минус 50
1200
4
55
45
минус 70
550