Способ модифицирования жаропрочных никелевых сплавов
METHOD OF MODIFYING HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к модифицированию жаропрочных никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений.
Повышение эффективности и надежности работы изделий, применяемых в авиации, космонавтике, автомобилестроении, теплоэнергетике, в газовом хозяйстве, во многом определяется достигнутым уровнем служебных характеристик литых изделий из никелевых 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 открывают использование методов энергетического воздействия на жидкий металл, среди которых важное место занимают модифицирование ультрадисперсными порошками (УДП) и высокотемпературная обработка расплавов (ВТОР).
Обзор предшествующего уровня техники показал, что известны способы обработки никелевых сплавов модификаторами в жидком состоянии, например, щелочно-земельными металлами или редкоземельными элементами, при которой в металлический расплав при заданных условиях вводят модифицирующие элементы, после чего осуществляют разливку расплава (а.с. СССР 369162 А1, С22С 1/03, 01.01.1973 и а.с. СССР 320340 А1, 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°С 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.
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 повышение физико-механических свойств отливок.
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 С1, 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 литейного комплекса, обеспечение равномерности распределения тугоплавких частиц по всему объему расплава, находящегося в плавильной емкости, и предотвращение растворения, коагуляции и всплывания тугоплавких частиц, что повлечет за собой получение сплава с высокими прочностными характеристиками и мелкозернистой однородной структурой.
Для достижения технического результата в способе модифицирования никелевых сплавов, при котором в расплав вводят модификатор, содержащий ультрадисперсные тугоплавкие частицы, используют модификатор, который дополнительно содержит 55-65 мас. % частиц металлов, взаимодействующих с компонентами расплава, причем модификатор вводят в расплав, нагретый до 1520-1620°С, в виде брикета с плотностью 1,02-1,10 от плотности расплава и пористостью 0,5-4,0 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 55 мас. % тепловой эффект реакции не достаточен для создания в порах брикета давления, достаточного для равномерного распределения частиц модификатора, а превышение 65 мас. % приведет к спеканию частиц модификатора.
Плотность брикета обусловлена необходимостью равномерного распределения  модификатора по объему расплава, причем плотность брикета ниже 1,02 от плотности расплава препятствует погружению брикета в расплав и способствует концентрированию модификатора в верхней части расплава. Превышение плотности в 1,1 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 0,5 до 4,0 об.%. Пористость менее 0,5 об. % препятствует отделению частиц модификатора друг от друга, а более 4,0 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 состоят 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 1520-1620°С усиливает эффект модифицирования в 1,5-2,0 раз и обеспечивает выделение карбидов в компактной форме и измельчение макроструктуры, при этом при температуре выше 1620°С эффект измельчения макроструктуры практически полностью исчезает.
Пример
Порошки компонентов модификатора с заданными размерами частиц смешивают в следующем соотношении, мас. %: 3 карбонитрида титана, 20 титана, 3 хрома, 9 молибдена, 9 вольфрама, 9 ниобия, 10 алюминия, 10 магния, 7 железа, 10 никеля, 2 марганца. Из полученной смеси формируют брикет путем прессования при 20-40 МПа и спекания при температуре 850-900°С в вакууме в течение 25-30 мин. Брикет имеет плотность 1,05 от плотности расплава сплава и пористость порядка 2 об. %.
Модификатор вводят в расплав, нагретый до температуры 1550°С. Наибольшее измельчение зерна достигается  в течение 3-4 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 0,3-1,4 мм, содержащей глобулярные карбиды с размером 2-6 мкм.
Таблица 1
Физико-механические свойства сплава ЖС6-У
Объект исследования
Временное сопротивление разрыву, σ<sub>в</sub>, МПа
Предел текучестиσ<sub>0,2</sub>, МПа
KCU,MДж/м<sup>2</sup>
Форма карбидов
Размер карбидов, мкм
Средний размер зерна, мм
ОСТ 90126-85
960
800
-
-
-
-
Сплав по прототипу
855
730
0,12
игольчатая
6-16
3-8
Сплав ЖС6У, модифицированный TiCN+Ti
1220
1070
0,32
глобулярная
0,7-3,2
0,3-1,4
Таким образом, модифицирование никелевых сплавов ультрадисперсными тугоплавкими частицами по предложенной технологии обеспечивает увеличение дисперсности структуры, снижение дендритной ликвации и возрастание механических и эксплуатационных свойств сплава.