Патент на изобретение №2344186

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛИТЕЙНЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, как безуглеродистых, так и содержащих углерод, и предназначено для изготовления лопаток газотурбинных двигателей и деталей с направленной и монокристаллической структурой. В вакууме расплавляют углеродсодержащие шихтовые материалы, содержащие до 70% по массе отходов литейных жаропрочных сплавов на основе никеля. Вводят активные легирующие элементы и рафинирующие добавки. В качестве одной из рафинирующих добавок вводят гидрид по крайней мере одного из входящих в состав сплава металла из группы титан, тантал, ниобий, ванадий и гафний в количестве, определяемом содержанием водорода 0,005-0,1% от массы шихтовых материалов. Гидрид вводят в расплав в атмосфере инертного газа при давлении 50-200 мм рт.ст. и температуре расплава на 100-240°С выше температуры ликвидус сплава. При производстве безуглеродистых сплавов после расплавления шихтовых материалов проводят обезуглероживающее рафинирование расплава в две стадии в атмосфере инертного газа и вводят хром. Увеличивается выход годного и повышаются эксплуатационные свойства сплавов при рабочих температурах. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке жаропрочных сплавов, безуглеродистых и содержащих углерод, предназначенных для литья лопаток газотурбинных двигателей и других деталей с направленной и монокристаллической структурой.

В литейных жаропрочных сплавах азот и кислород являются вредными примесями. Образующиеся в металле тугоплавкие нитриды и оксиды являются центрами гетерогенного зарождения равноосных зерен в монокристаллических отливках, а также концентраторами напряжений, что приводит к преждевременному разрушению изделий в процессе их эксплуатации. В связи с этим содержание газов в жаропрочных сплавах с направленной и монокристаллической структурой не должно превышать: кислорода – 0,0007%, азота – 0,0005%.

Известен способ получения сплава никеля с кальцием, включающий раскисление сплава водородом, которое осуществляется обдувом поверхности расплавленного никеля струей водорода при непрерывном удалении образующихся газообразных продуктов (А.с. СССР №248227).

Недостатком способа является высокое содержание кислорода и азота в сплаве, что недопустимо при литье лопаток. Кроме того, применение чистого водорода при обдувке повышает взрывоопасность производства.

Известен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование расплава в две стадии с введением окислителя в атмосфере инертного газа и последующим введением в вакууме редкоземельных металлов, хрома и активных легирующих элементов, при этом после введения в расплав активных легирующих элементов вводят кальций в количестве 0,02-0,2% от массы расплава под давлением инертного газа 20-130 мм рт.ст., затем создают вакуум, после чего вводят лантан (Патент РФ №2221067).

Недостатками способа являются высокое содержание кислорода и азота в расплаве, низкий выход годного при отливке изделий, невозможность использования отходов жаропрочных сплавов.

Наиболее близким к предлагаемому способу производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля является способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в две стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома, введение до 70% отходов безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля и активных легирующих элементов, рафинирование расплава кальцием и редкоземельными металлами в вакууме, а перед рафинированием кальцием и редкоземельными металлами расплав нагревают до температуры, превышающей температуру ликвидус сплава не менее чем на 250°С, с последующей выдержкой при этой температуре (Патент РФ №2274671).

Недостатками способа-прототипа являются недостаточно полное удаление кислорода и азота из металла, недостаточно высокие эксплуатационные свойства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, низкий выход годного при отливке изделий.

Известен способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, содержащих углерод, взятый нами за прототип, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, содержащих до 80% отходов литейных жаропрочных сплавов, рафинирование в течение 10-20 мин при определенной температуре, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок (РЗМ) в количестве 0,01-0,05 мас.% (Патент РФ №1709738).

Недостатками способа являются недостаточно полное удаление кислорода и азота из металла, недостаточно высокие эксплуатационные свойства жаропрочных сплавов, невозможность выплавки безуглеродистых жаропрочных сплавов на никелевой основе, низкий выход годного при отливке изделий с направленной и монокристаллической структурой.

Технической задачей предлагаемого способа является повышение чистоты по азоту и кислороду жаропрочных сплавов как для безуглеродистых, так и для сплавов, содержащих углерод, увеличение выхода годного при литье изделий с монокристаллической и направленной структурой и повышение эксплуатационных свойств жаропрочных сплавов.

Технический результат достигается тем, что предложен способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в две стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома, введение отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 70% от массы шихтовых материалов, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок, в котором в качестве одной из рафинирующих добавок вводят гидрид по крайней мере одного из входящих в состав сплава металла из группы титан, тантал, ниобий, ванадий и гафний в количестве, определяемом содержанием водорода 0,005-0,1% от массы шихтовых материалов, при этом гидрид вводят в расплав в атмосфере инертного газа при давлении 50-200 мм рт.ст. и температуре расплава на 100-240°С выше температуры ликвидус сплава.

Предложен также способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, содержащих до 70% по массе отходов литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок, в котором в качестве одной из рафинирующих добавок вводят гидрид по крайней мере одного из входящих в состав сплава металла из группы титан, тантал, ниобий, ванадий и гафний в количестве, определяемом содержанием водорода 0,005-0,1% от массы шихтовых материалов, при этом гидрид вводят в расплав в атмосфере инертного газа при давлении 50-200 мм рт.ст. и температуре расплава на 100-240°С выше температуры ликвидус сплава.

Гидриды, используемые в качестве рафинирующих добавок, должны быть пожаро- и взрывобезопасны, устойчивы на воздухе и в вакууме до 300-400°С и полностью разлагаться на водород и металл при температурах выплавки жаропрочных сплавов на основе никеля. Гидридобразующий металл должен входить в состав сплава. Этим условиям удовлетворяют гидриды Ti, Та, Nb, V и Hf.

Количество вводимого гидрида определяется содержанием водорода 0,005-0,1% от массы шихтовых материалов, которое в 10-50 раз превышает растворимость водорода в сплаве, что обеспечивает его последующее выделение из расплава в пузырьковом режиме, оптимальный по интенсивности барботаж ванны, деазотацию и раскисление расплава. Введение гидрида при давлении инертного газа 50-200 мм рт.ст. способствует более полному усвоению водорода в металле и протеканию реакций раскисления сплава. Введение гидрида при давлении инертного газа менее 50 мм рт.ст. приводит к интенсивному выделению водорода и выбросу расплава из тигля. Повышение давления инертного газа в плавильной камере более 200 мм рт.ст. не приводит к дальнейшему снижению содержания газов в металле. Температура расплава в период присадки гидрида, превышающая на 100-240°С температуру ликвидус сплава (T_L), обеспечивает достаточную жидкоподвижность металла и эффективное протекание процессов деазотации и раскисления. При температуре процесса ниже T_L+100° C увеличивается вязкость расплава, снижается скорость протекания процессов рафинирования. При температуре процесса выше T_L+240°C увеличивается угар элементов, уменьшается раскислительная способность водорода и понижается срок службы тигля, увеличивается взрывоопасность.

Последующее вакуумирование удлиняет процесс выделения водорода и приводит к более глубокому раскислению металла и его деазотации.

Пример осуществления способа.

По предлагаемому способу осуществляли выплавку наиболее широко используемых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля: сплав 1 – Ni-Cr-Mo-Co-Al-W-Ti-Nb-Re и сплав 2 – Ni-Cr-Mo-Co-Al-W-Ta-Re (сплавы без углерода), сплав 3 – Ni-Cr-Mo-Co-Al-W-Ti-C (сплав с углеродом) с температурой ликвидус 1410 и 1380°С. Шихтовые материалы на плавку состояли из чистых компонентов и отходов этих сплавов в количестве до 70% от массы шихтовых материалов. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи. Шихтовые материалы расплавляли под вакуумом 5·10^-3 мм рт.ст.

При выплавке никелевых сплавов 1 и 2 после расплавления шихтовых материалов проводили обезуглероживание в две стадии в атмосфере инертного газа и после присадки хрома, отходов безуглеродистых жаропрочных сплавов на основе никеля, активных легирующих элементов и алюминия перекрыли откачку печи вакуумными насосами и ввели в плавильную камеру инертный газ (аргон). При выплавке плавок №2-5 ввели гидрид титана (TiH₂) из расчета 0,005-0,1% водорода, при выплавке плавки №6 ввели смесь гидрида титана (TiH₂) и ниобия (NbH_2,1), а плавки №7 – гидрид тантала (TaH_1,9), после чего плавильную камеру откачали до остаточного давления 5·10^-3 мм рт.ст. После прекращения «кипения» металла в расплав ввели рафинирующие добавки (кальций и РЗМ) и разлили в изложницу.

После расплавления шихты, содержащей отходы литейных жаропрочных сплавов (сплав 3), введения активных легирующих элементов (углерода и алюминия) перекрыли откачку печи вакуумными насосами и напустили в плавильную камеру инертный газ (аргон). Ввели гидрид титана (TiH₂) из расчета 0,01% водорода и откачали плавильную камеру до остаточного давления 5·10^-3 мм рт.ст. После прекращения «кипения» металла в расплав ввели рафинирующие добавки РЗМ и разлили металл в изложницу (пл. №9).

Испытания эксплуатационных свойств сплавов (долговечности , час, и пластичности , %) производили на образцах: сплавы 1 и 2 (без углерода) – с монокристаллической структурой, сплав 3 (с углеродом) – с направленной структурой.

Результаты по содержанию вредных примесей, эксплуатационным характеристикам и выходу годного этих сплавов представлены в таблице.

В плавку №6 вводили смесь гидридов титана и ниобия в связи с невозможностью введения необходимого количества водорода за счет только одного из гидридов.

В плавку №7 вводили гидрид тантала, так как в составе сплава 3 титан и ниобий отсутствуют.

Предлагаемый способ обеспечивает снижение содержания азота в 2-4 раза, снижение содержания кислорода в 1,3-3 раза; повышение долговечности при рабочей температуре на 20-30%; повышение пластичности на 25-35%, более высокий выход годного в литейных жаропрочных сплавах на основе никеля, как в безуглеродистых (пл. №2-7), так и в сплавах с углеродом (пл. №9), по сравнению со сплавами, выплавленными по способам-прототипам (пл. №1, 8)

Использование изобретения позволит повысить выход годного за счет снижения содержания вредных примесей в сплаве, уровень эксплуатационных характеристик при рабочих температурах, повысить ресурс и надежность газотурбинных двигателей.

Таблица
№ п.п.	Способ ведения плавки	Металл-носитель водорода	Давление в плавильной камере, мм рт.ст.	Перегрев над TL, °C	Содержание газов, %		Свойства сплава, Т=1000°C, 1)2)		Выход годного, %
					O	N	, час	, %
1	Сплав 1, прототип 1	Нет	5·10-3	250	0,0008	0,0009	123	19,7	80
2	Сплав 1, 70% отходов, 0,005% водорода	Ti	100	100	0,0006	0,0003	142	24,5	90
3	Сплав 1, 60% отходов, 0,01% водорода	Ti	150	240	0,0005	0,0002	147	25,0	90
4	Сплав 1, 60% отходов, 0,005% водорода	Ti	50	150	0,0006	0,0004	145	23,9	95
5	Сплав 1, 50% отходов, 0,05% водорода	Ti	200	150	0,0005	0,0002	148	24,9	95
6	Сплав 1, 70% отходов, 0,1% водорода	Ti+Nb	150	150	0,0004	0,0002	145	24,2	90
7	Сплав 2,40% отходов, 0,05% водорода	Та	150	150	0,0003	0,0002	168	36,0	95
8	Сплав 3, прототип 2	Нет	5·10-3	250	0,0015	0,0014	124	9,2	70
9	Сплав 3, 60% отходов, 0,01% водорода	Ti	150	200	0,0005	0,0003	151	12,3	95
Примечание: 1) нагрузка при испытаниях для сплава 1-27 МПа; для сплава 2-33 МПа; для сплава 3-25 МПа 2) средние значения свойств для серийных плавок: сплав 2 – =131 час, =27,5%.

Формула изобретения

1. Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, проведение обезуглероживающего рафинирования расплава в две стадии в атмосфере инертного газа, введение хрома, введение отходов безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 70% от массы шихтовых материалов, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок, отличающийся тем, что в качестве одной из рафинирующих добавок вводят гидрид по крайней мере одного из входящих в состав сплава металла из группы титан, тантал, ниобий, ванадий и гафний, в количестве, определяемом содержанием водорода 0,005-0,1% от массы шихтовых материалов, при этом гидрид вводят в расплав в атмосфере инертного газа при давлении 50-200 мм рт.ст. и температуре расплава на 100-240°С выше температуры ликвидус сплава.

2. Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме углеродсодержащих шихтовых материалов, содержащих до 70% по массе отходов литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, введение активных легирующих элементов и рафинирующих добавок, отличающийся тем, что в качестве одной из рафинирующих добавок вводят гидрид по крайней мере одного из входящих в состав сплава металла из группы титан, тантал, ниобий, ванадий и гафний, в количестве, определяемом содержанием водорода 0,005-0,1% от массы шихтовых материалов, при этом гидрид вводят в расплав в атмосфере инертного газа при давлении 50-200 мм рт.ст. и температуре расплава на 100-240°С выше температуры ликвидус сплава.