Модификатор для жаропрочных никельхромовых сплавов
MODIFIER FOR HEAT-RESISTANT NICKEL-CHROMIUM ALLOYS

Изобретение относится к области металлургии, а именно, к модифицированию жаропрочных сплавов на основе тугоплавких элементов никеля, хрома, молибдена, кобальта, вольфрама типа: ЭП-202, ЖС3-ДК, ЖС6-К ультрадисперсными порошковыми комплексами (УДПК) тугоплавких соединений.
Повышение эффективности и надежности работы изделий, применяемых в космонавтике, автомобилестроении, двигателестроении газотурбинных двигателей, авиации турбореактивных двигателей, теплоэнергетике, в нефтехимической промышленности, в газовом хозяйстве во многом определяется достигнутым уровнем служебных характеристик литых изделий запорной арматуры: фитингов, ретурбентов, фланцев, переходов, заглушек, тройников, трубных заготовок, реторт; а также лопаток, роторов, дисков для газотурбинных двигателей из никельхромовых 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 открывает 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 (а.с. СССР 384918, Институт проблем литья Украинской ССР, 01.01.1973).
В качестве наиболее близкого аналога выбран модификатор для улучшения свойств отливок из жаропрочных никельхромовых сплавов, содержащий 20-25 мас. % молибдена, 60-70 мас. % хрома, никель - остальное (патент РФ 2337167 С2, 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, кобальта, алюминия, магния, железа и марганца при следующем соотношении компонентов, мас. %:
карбонитрид титана
2,0-7,0
титан
15,0-20,0
хром
5,0-6,0
молибден
5,0-6,0
вольфрам
5,0-6,0
кобальт
5,0-6,0
алюминий
12,0-15,0
магний
8,0-12,0
никель
10,0-15,0
марганец
4,0-5,0
железо
2,0-5,0
при этом размер частиц ультрадисперсного порошка карбонитрида титана составляет 0,01-0,10 мкм, размер частиц порошка титана составляет 0,10-0,50 мкм, а размер частиц порошков никеля, хрома, молибдена, вольфрама и кобальта составляет 50-100 мкм, а размер частиц алюминия, магния, марганца не превышает 40-60 мкм.
Содержание титана превышает содержание карбонитрида титана приблизительно в 4-10 раз, поскольку это необходимо для созданий на частицах карбонитрида титана, устойчивого, равномерного по своей толщине всей поверхности частицы, плакирующего слоя титана. При этом при содержании титана меньше 10,0 мас. % не обеспечивается полное плакирование зерен карбонитрида титана, а при содержании титана более 20,0 мас. % снижается температура продуктов экзотермической реакции с никелем.
Содержание алюминия от 12, до 15,0 мас. %, магния от 8,0 до 12,0 мас. %, марганца от 4,0 до 5,0 мас. %, железа от 2,0 до 5,0 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 жидкого металла, находящегося в плавильной емкости, частицы карбонитрида титана с плакируемым слоем титана, служащие зародышами кристаллизации при остывании и кристаллизации отливки.
При содержании алюминия ниже 12,0 мас. %, магния ниже 8,0 мас. %, железа ниже 2,0 мас. %, марганца ниже 4,0 мас. %, в модификаторе не будет создаваться достаточное усилие для разлета частиц по объему расплава, при содержании алюминия, превышающем 15,0 мас. %, магния превышающем 12,0 мас. %, железа превышающем 5,0 мас. %, марганца превышающем 5,0 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, кобальта 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 химический состав сплава.
Содержание никеля выбрано из условия образования модификатором матрицы на основе МеС с содержанием никеля от 10,0-15,0%.
Размер частиц карбонитрида титана ниже 0,05 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 0,1-0,50 мкм обусловлен тем, что при размере частиц ниже 0,1 мкм происходит агрегирование частиц, а при размере частиц выше 0,50 мкм наблюдается неоднородное плакирование титаном частиц карбонитрида титана.
Размер частиц хрома, молибдена, вольфрама, кобальта ниже 50,0 мкм приводит к агрегированию частиц, а выше 100,0 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 80,0-100,0 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. %: 5,0 карбонитрида титана, 15,0 титана, 5,0 хрома, 5,0 молибдена, 5,0 вольфрама, 5,0 кобальта, 12,0 никеля, 10,0 алюминия, 12,0 магния, 5,0 железа,5,0 марганца.
Из полученной смеси формируют брикет путем прессования при 30,0-40,0 МПа и спекания при температуре 800-850°C в вакууме в течение 20-25 мин.
Жаропрочный никельхромовый сплав ЖС6-К следующего химического состава, с соотношении, мас. %: Ni - основа; 0,18 углерода, 10,52 хрома, 5,54 алюминия, 4,25 титана, 4,16 молибдена, 5,32 вольфрама, 5,21 кобальта, 0,010 серы, 0,012 фосфора, 1,84 железа, 0,35 кремния, 0,38 марганца, 0,032 циркония, 0,022 цезия, 0,018 бора, полученный с использованием такого модификатора, имеет однородную дендритную структуру с размером макрозерна 0,32-2,35 мм и содержащую глобулярные карбиды с размером 0,8-4,3 мкм.
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 с высокие физико-механические свойства отливки.