CC BY
22
УДК: 621.74.045:669.14.018.066
В. В. Клочихин, Э. И. Цивирко
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РАФИНИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ЛИТЬЯ МОНОКРИСТАЛЬНЫХ
ЛОПАТОК
Исследовано влияние высокотемпературной обработки расплава индукционной плавкой (ВТОР ВИП) и высокотемпературной обработкой расплава совмещенной индукционной и электронно-лучевой плавкой (ВТОР ВИП + ЭЛП) и низкотемпературного вакуумного рафинирования на структуру и свойства отливок из жаропрочного никелевого сплава. Разработанные технологии обеспечивают рафинирование литейных отходов сплава по экзогенным и эндогенным неметаллическим включениям А^Оз, МдО, 31С>2, ТэЭ, ЛЫ, Т (С, Ы) и газам О2 и N2, Повышение чистоты сплавов улучшает кристаллографическое и дендритное совершенство монокристаллов, механические свойства и длительную прочность материала отливок.
Современные технологии литья монокристальных лопаток чрезвычайно сложны и дорогостоящи. Цена литейных жаропрочных сплавов, содержащих Re и Ta, выросла до 420 $ США за 1 кг, а цена одной охлаждаемой лопатки с монокристальной структурой весом 0,1 кг оценивается в 1500 - 2000 $ США. При этом достигнутое повышение ресурса лопаток неадекватно вложенным на совершенствование технологии и сплавов затратам и сложившимся на мировом рынке ценам.
Давление экономических факторов активизировало в последние годы проведение исследований по вовлечению в плавку возвратных отходов, состоящих из литниковых систем, забракованных отливок и лопаток, отработавших ресурс. Экспериментальные плавки с прямым во-влечением отходов без рафинирования показали, что сплав загрязняется вредными примесями О2, N2, Б, Б1, №, К и неметаллическими включениями А12О3, МдО, БЮ2, ™, Т1(С^).
Источниками загрязнения О2 и N2 является внутреннее натекание с поверхности плавильной камеры и тигля адсорбированных и атмосферных газов через несплошности конструкции плавильных установок, окислы и нитриды элементов, образующихся при остывании отливок после развакууми-рования плавильной камеры.
Аэродинамические профили лопаток, отработавших ресурс, содержат О2, N2, Б, Б1, № и К и продукты взаимодействия этих элементов с металлическими элементами сплавов.
Поверхность литниковых систем загрязнена Б1, БЮ2, А12О3, а на внутренней поверхности забракованных охлаждаемых лопаток остаются алюминаты натрия и калия, образующиеся при удалении керамических стержней в расплавах или растворах щелочей. Плавильные тигли загрязняют расплав неметаллическими включениями А12О3, МдО,
© В. В. Клочихин, Э. И. Цивирко, 2007
бю2.
Накопление в сплаве нитридов и карбонитридов титана приводит к появлению на поверхности лопаток дефекта, выявляемого при люминесцентном контроле в виде мелкого равномерно распределённого свечения, получившего название «звёздное небо». Загрязнение сплава № и К вызывает щелочную коррозию, также выявляемую при капиллярной дефектоскопии в виде коррозионных раковин. Увеличение содержания Б1 приводит к снижению длительной прочности [1].
Повышение содержания Б в сплавах, содержащих Та, вызывает образование соединения ТаБ, способствующего образованию паразитных кристаллов при литье монокристальных лопаток [2].
Возникшие проблемы повышения чистоты сплавов вызвали необходимость разработки технологии их рафинирования.
Исследования по разработке технологии рафинирования переплава отходов жаропрочных никелевых сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ выполнялось по трем направлениям:
- совмещенная вакуумно-индукционная и электронно-лучевая плавка (ВИП+ЭЛП);
- низкотемпературный переплав методом направленной кристаллизации в проходных установках ПМП-4М;
- получение мерных шихтовых заготовок из возврата сплавов методом высокотемпературной обработки расплава вакуумной индукционной плавкой (ВТОР ВИП).
Совмещенная вакуумно-индукционная и электронно-лучевая плавка (ВИП+ЭЛП)
Проведены экспериментальные работы по рафинирующему переплаву сплава ЖС26-ВИ в установке УППФ-3М, переоборудованной для совмещенной индукционной и электронно-лучевой плав-
ки (рис. 1).
Физическая сущность этого метода основывается на возможности поверхностного перегрева зеркала расплава до Т = 1850-2000 °С при поддержании невысокой интегральной температуры (15601650 °С) в объеме тигля за счет индукционного перемешивания.
Для сравнительного исследования из той же партии литейных отходов ЖС26-ВИ на установке УППФ-3М были отлиты аналогичные по размерам слитки. Плавка осуществлялась без рафинирующего переплава при Т = 1560-1580 °С в вакууме 1,3 Па.
Данные химического анализа показывают, что содержание О2 N2 и РЬ сплава, рафинированного по технологии ВИП+ЭЛП, ниже, чем в контрольных плавках без рафинирования. Отмечается тенденция снижения содержания Б. Однако эффективность рафинирования уступает в 1,5-2 раза результатам, полученным по технологии ВТОР ВИП.
Рис. 1. Схема установки для совмещенной плавки:
1 - камера загрузки; 2 - изложница; 3 - вакуумный затвор
плавильной камеры; 4 - смотровая система; 5 - блок управления электронным лучом; 6 - плавильная камера;
7 - электронно-лучевая пушка; 8 - затвор пушки; 9 -керамический тигель; 10 - водо-охлаждаемое металлическое кольцо; 11 - индуктор; 12 - механизм загрузки шихты в тигель
Низкотемпературный переплав на проходной вакуумной установке ПМП-4М
Проведено исследование, разработка и опытно-промышленное опробование технологии низкотемпературного вакуумного рафинирования возвратных отходов никелевых сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ с формированием шихтовой заготовки методом направленной кристаллизации в проходных установках ПМП-4М.
В установке ПМП-4М в течении 45 часов при вакууме 5х10-3 мм рт. ст. проводился нагрев, расплавление, направленная кристаллизация и охлаждение исследуемых сплавов. Температура нагрева расплава не превышала 1465 °С. В рабочей зоне установки литейные формы проходили 180 позиций, находясь на каждой 15 минут, с шагом проталкивания 0,2 м.
По высоте и сечению полученных слитков сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ определяли химический состав, включая и содержание газов, изучали макро- и микроструктуру.
Химический состав сплавов ЖС26-ВИ и ЖС32-ВИ по высоте и сечению слитков (кроме их верхней части глубиной до 6 мм) удовлетворял требованиям стандарта. В верхней зоне 6 мм обнаружена повышенная по сравнению с металлом слитков массовая доля ниобия, алюминия, тантала, титана и углерода, а также азота (более чем в 3 раза) и кислорода (более чем в 100 раз), что по-видимому, является результатом очищения сплава от нит-ридных, карбонитридных и оксидных включений.
Длительный контакт металла и формы при высокой температуре способствовал диффузионному насыщению поверхности отливок кремнием из связующего формы.
Теплотехнический анализ работы установки ПМП-4М и проведенные расчеты показали, что рафинирование возвратных отходов никелевых сплавов обеспечивалось за счет удаления оксидов, нитридов и карбонитридов, имеющих удельный вес в 2 и более раз меньше плотности расплава, под влиянием кристаллизационного давления плоского фронта кристаллизации, скорость продвижения которого снизу вверх была существенно меньше скорости всплывания неметаллических включений.
Высокотемпературная обработка расплава вакуумной индукционной плавкой (ВТОР ВИП)
Экспериментальные плавки по технологии (ВТОР ВИП) осуществлялись в вакуумно-индукци-онной печи УППФ-3М. Литейные отходы после предварительной очистки расплавляли в электрокорундовом тигле в вакууме. После нагрева расплава до Ткрит = 1670 °С в плавильную камеру печи вводили аргон, для подавления кипения расплава. Затем расплав перегревали до Тпер =1850±20 °С. После выдержки при заданной температуре в течении 10...15 минут металл сливали в металлические изложницы.
Полученные результаты позволили определить оптимальные температурно-временные параметры (ВТОР ВИП) для высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов. На рис. 2 представлены технологические схемы ВИП и ВТОР ВИП.
¡ЭБЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007 # 113 _
Рис. 2. Технологические схемы ВИП (1) и ВТОР ВИП (2)
Опытно-промышленные плавки проводили в вакуумной печи 1Л.УАС РМ1-2-100 и заливали формы через пенокерамические фильтры.
Исследования показали, что технология ВТОР ВИП обладает существенным рафинирующим эффектом. При ВТОР ВИП происходит измельчение, диссоциация даже наиболее термостойких кластеров типа Т1(С, N и дегазация расплава. Содержание О2 и N2 в расплаве снижается с 50...80 ррт до 2...5 ррт. Получение высокооднородного расплава способствовало переохлаждению расплава при кристаллизации на 40...50 °С ниже температуры ликвидус.
При литье лопаток из сплава, рафинированного ВТОР ВИП, снижается брак лопаток при люминесцентном контроле, улучшается микроструктура, повышаются механические свойства, обеспечивая формирование более совершенной структуры лопаток.
Выводы
1. При рафинировании по технологии ВИП+ЭЛП отмечается снижение содержания О2 N2 и РЬ по сравнению с плавками без рафинирования. Отмечается тенденция снижения содержания Б.
2. Низкотемпературный вакуумный переплав возвратных отходов сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ на установке ПМП-4М позволяет свести к минимуму угар активных дорогостоящих легирующих элементов (тантал, рений, ниобий и т.п.). Присутствие большой массы углеродистых материалов в рабочем пространстве установки во время рафинирования подавляет окислительный потенциал натека-ния в плавильную камеру адсорбированных и ат-
мосферного газов. Установлено, что полнота рафинирования никелевых сплавов обеспечивалась не только всплыванием неметаллических включений, но и кристаллизационным давлением плоского фронта кристаллизации снизу вверх.
3. Высокотемпературная обработка расплава вакуумной индукционной плавкой (ВТОР ВИП) обеспечивает: получение расплава высокой однородности за счет, диссоциации неметаллических включений, снижение размеров и растворение в расплаве кластеров, снижение содержания азота в 10 раз, выделение мелких глобулизированных карбидов и равномерной у'- фазы кубической морфологии и, как следствие, повышение механических свойств исследуемых сплавов. Экономический эффект от внедрения технологии ВТОР ВИП составляет 300 тыс. $ США на 1 т рафинированного сплава ЖС32-ВИ.
Перечень ссылок
1. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов / Р.Е. Шалин, И.Л. Светлов, Е.Б. Каблов и др. - М.: Машиностроение, 1997. - 336 с.
2. Harris K., Erickson G.L., Sikkenga S.L. Development of the Rhenium Containing Superalloys CMSX-4 & CM 186 LC for Single Blade and Directionally Solidified Vane Application in Advanced Turbine Engines. / Presented at the Seventh International Symposium on Superalloys, Seven Springs, September 20-24th, 1992.
Поступила в редакцию 15.06.2007
Досл1джено вплив высокотемпературно!' обробки розплаву ¡ндукц1йною
плавкою (ВТОР В1П) i високотемпературною обробкою розплаву сполученою ¡ндущйною, електронно-променевою плавкою (ВТОР В1П+ЕПП), низькотемпературного вакуумного рафiнування на структуру i властивостi виливкв з жаром'шного нiкелевого сплаву. Роз-робленi технологи забезпечують рафiнування ливарних в'дход'в сплаву по екзогенним i ендогенним неметалiчним включенням Al2O3, Mg, Si2, Ta, Ti, Ti (C,N) i газам О2 i N2.Пiдвищення чистоти сплавiв пол1пшуекристалографiчнуi дендритнудосконалiсть монокристалiв, механ ¡чн i властивостi i тривалу мЦн¡^ь матерiалу виливкiв.
It is studied the influence of high-temperature treatment of melt by induction melting and high-temperature treatment of melt by the combination of induction and electron-beam melting on the structure and characteristics of high-temperature nickel-based alloys castings. The above said developed techniques provide refining of casting rejects of the alloy for removal of exogenous and endogenous nonmetallics Al2O^ MgO, SiO2, TaS, TiN, Ti (C, N) and gases O2 and N2. Increasing alloys purity improves crystallographic and dendritic perfection of monocrystals, mechanical properties and long-term strength of castings material.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2007 — 1Ц5 —
