CC BY
7
МЕТАЛЛУРГИЯ ГРАНУЛ. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор Г.С. Гарибов
УДК 621.762
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-4-61-65
О ФАКТОРАХ, ВЛИЯЮЩИХ НА СОДЕРЖАНИЕ КИСЛОРОДА В ГРАНУЛАХ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ PREP
Евгений Иванович Старовойтенко, канд. техн. наук, Марина Валерьевна Зенина, канд. техн. наук
Всероссийский институт легких сплавов, Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены факторы, связанные с особенностями технологии метода PREP, влияющие в определенной степени на содержание кислорода в гранулах жаропрочных никелевых сплавов в процессе их изготовления. Предложен ряд технологических приемов, уменьшающих содержание кислорода в гранулах.
Ключевые слова: плазменная плавка; центробежное распыление; гранулы; содержание кислорода; фрактографические исследования
About the Factors Influencing the Oxygen Content in Powder Particles Produced by PREP. Cand. of Sci. (Eng.) Evgeniy I. Starovoitenko, Cand. of Sci. (Eng.) Marina V. Zenina
All-Russian Institute of Light Alloys, Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. The paper describes the factors associated with the peculiarities of the PREP technology, which control, to a certain extent, the oxygen content in powder particles of heat-resistant nickel alloys during their production process. A number of technological methods are proposed to reduce the oxygen content in the powder particles.
Keywords: plasma melting; centrifugal spraying; powder particles; oxygen content; fractographic studies
Опыт производства гранул методом плазменной плавки и центробежного распыления литых быстровращающихся заготовок (метод PREP) показал, что содержание кислорода в гранулах жаропрочных никелевых сплавов (ЖНС), как правило, увеличивается по сравнению с его содержанием в исходной литой шлифованной заготовке (ЛШЗ) [1]. Чем меньше размер гранул, тем больше они насыщаются кислородом. Анализ литературных данных [2] и наши экспериментальные результаты (табл. 1) показывают, что при содержании кислорода в исходном слитке вакуумно-индукци-онного переплава (ВИП) 0,0015-0,0019 % мас. после его распыления в установке типа УЦР гранулы содержат 0,0042-0,005 % мас. кисло-
Таблица 1 Содержание кислорода в серийных сплавах ЭП741НП и ЭИ698П
Период, год Содержание кислорода, % мас.
в ЛШЗ после PREP после ЭСС
Требования СТП 809-116 - - m 0,007
2014 0,0015 0,0048 0,005
2015 0,0017 0,005 0,0054
2016 0,0019 0,0047 0,0051
2017 0,0017 0,0042 0,0047
2018 0,0015 0,0042 0,0046
Среднее значение 0,0017 0,0045 0,0050
рода. Электростатическая сепарация (ЭСС), обеспечивающая отделение из гранул примесных частиц, уменьшает в них число шлаковых включений с высоким содержанием оксидов. Тем не менее, содержание кислорода после ЭСС не уменьшается, а, как правило, несколько подрастает ~ до 0,005 % мас.
Для гранул ЖНС мелких фракций (<30 мкм), которые широко применяют в аддитивных технологиях для повышения точности воспроизведения формы изделия, содержание кислорода после PREP увеличивается сильнее, чем в случае более крупных гранул. Практика показала, что при использовании гранул ЖНС мелких фракций для изготовления критических деталей авиационных ГТД увеличивается их долговечность, что подтверждается результатами испытаний на МЦУ. Это происходит потому, что при сепарации гранул уменьшается вероятность попадания в них крупных неметаллических включений, которые, являясь концентраторами напряжений в компактном материале, снижают его характеристику сопротивления МЦУ
Избыточное содержание кислорода в гранулах приводит к образованию оксидов на их поверхности, что препятствует диффузионному сращиванию частиц при ГИП. Для мелких гранул при фиксированной массе их активная поверхность, адсорбирующая кислород, возрастает. Соответственно возрастает и его содержание (табл. 2).
Фрактографические исследования образцов из сплава ВВ751П, разрушенных при ис-
Таблица 2 Содержание кислорода в гранулах сплава ВВ751П различных фракций
Номер партии Фракция гранул, мкм Содержание кислорода, % мас.
Требования СПТ 809-116 -70 <0,007
1 -25 0,039
-50 + 25 0,01
-70 0,0065
2 -25 0,047
-50 + 25 0,01
-70 0,0063
3 -25 0,02
-50 + 25 0,015
-70 0,0063
пытаниях, показали, что в тех из них, которые получены из гранул крупностью менее 25 мкм, выявляется преимущественно межгранульное разрушение (см. рисунок).
Причины повышения содержания кислорода в гранулах традиционно связывают с чистотой рабочего газа, одномоментно заполняющего камеру для распыления гранул. Этот газ циркулирует в течение всего цикла работы УЦР пока распыляется партия, содержащая до 63 заготовок 0 80 мм, длиной 700 мм и общей массой ~ 1500 кг.
Микрофрактограммы разрушенных образцов, изготовленных из гранул сплава ВВ751П фракции -25 мкм, после испытаний на КСи (а) и длительную прочность при 650 °С (б)
Если рассчитать количество кислорода, который может содержаться во всем объеме рабочего газа (аргоне марки 4,4 высокой степени очистки) при норме содержания в нем кислорода по ТУ 2114-005-53373468-2006 не более 10 ppm, то для установки с объемом газового пространства в 2,5 м3 содержание кислорода составит 0,025 л или по массе 0,035 г.
В то же время прирост содержания кислорода на 20 ppm в гранулах общей массой -1500 кг, полученных от распыления партии из 63 заготовок, должен составить -30 г.
Сопоставление количества кислорода, находящегося в свежем рабочем газе (0,035 г), и фактического его прироста (-30 г) в партии гранул общей массой -1500 кг убедительно доказывает, что кислородосодержание в газе не может являться причиной наблюдаемого его повышения в гранулах.
В одной из ранних публикаций по проблеме содержания кислорода в гранулах ЖНС [1] приведены опытные данные по его изменению, начиная от выплавки исходных заготовок до получения из них гранул методом PREP. Рассмотрены также механизмы дополнительного окисления гранул при их получении в установке типа УЦР. Количественные оценки роли этих механизмов показывают, что в случае применения рабочих газов высокой степени очистки (не более 10 ppm) для смешения и формирования из них плазмообразующего газа прирост содержания кислорода в гранулах слишком мал, чтобы явиться причиной наблюдаемого повышения его содержания в гранулах после PREP (см. табл. 1).
Рабочий газ в процессе циркуляции при работе установки, очевидно, постоянно под-питывается источником кислорода, например, влагой и другими адсорбированными газами, содержащимися на поверхности заготовок и на стенках камеры распыления установки. Размер этих поверхностей достаточно велик. Напри-
мер, поверхность комплекта из 63 заготовок в кассете составляет -10 м2, а общая площадь всех стен камер установки превышает 15 м2.
В работе [1] адсорбцию кислорода и азота на стенках камер установки связывают с возгонами. Они выпадают на стенках камеры и представляют собой своеобразную «губку» с развитой адсорбирующей поверхностью. Кислород и азот в камеру установки поступают из воздуха во время загрузки новой партии заготовок или при длительной паузе в работе. Технологический прием для удаления основного количества адсорбентов из слоя возгонов, предлагаемый в [1], заключается в предварительном подогреве стен камеры установки горячей водой температурой 80-90 °С, запускаемой в рубашки охлаждения перед пуском в работу установки, с последующей вакуумной откачкой. В сочетании с механическим удалением возгонов при чистке стен, эффект от применения такой обработки рабочего пространства установки может выразиться в снижении содержания кислорода в гранулах - на 30 ррт. Подобный эффект уменьшения содержания кислорода и азота подтверждается в [3].
К сожалению, ни в одной из публикаций [1-3] ничего не говорится о том, как образуются упомянутые возгоны. Их роль при этом ограничивается только способностью возгона адсорбировать газы на стенках камеры. Мы считаем, что свою негативную роль возгоны оказывают еще на стадии их формирования в процессе распыления. Проиллюстрируем указанный механизм результатами исследования химического состава возгонов (табл. 3) [1]. В составе возгонов появляются элементы, отсутствующие в материале исходной заготовки. Так, содержание С растет с 0,06 до 1,0 % мас., Мд - с 0,05 до 9,6, Мп - с 0,5 до 7,0 и 02 -с 0,004 до 17 %.
Каковы источники обогащения возгонов указанными элементами? Это могут быть
Таблица 3
Химический состав ЛШЗ и возгонов, образующихся при их распылении [1]
Материал Ni Mn Fe Cr Co Mg AI Ti W C O2
ЛШЗ 60 0,5 0,5 8-10 15-16,5 0,05 4,5-5,15 1,3-1,7 6,5-7,2 0,06 0,004
Возгоны 32 7,0 2,3 54 8,2 9,6 3 0,6 1,1 1,03 17
ультрадисперсные гранулы, образующиеся при распылении ЛШЗ; абразивные пылевые фракции, от истирания ЛШЗ, опорных барабанов и прижимных роликов, вращающихся с высокой частотой в плотном контакте и частицы истирания наконечника толкателя. Эти абразивные фракции состоят из мельчайших частиц насыщенного вредными адсорбентами поверхностного слоя деталей, контактирующих друг с другом в процессе вращения. В процессе распыления такие частицы постоянно вовлекаются в плазмообразующий газ. Движение газопылевой взвеси может происходить как по контуру циркуляции газа через плазмотрон, так и вследствие ее перетекания из камеры механизмов в камеру плавления непосредственно в плазму через проем между ними, в который подается распыляемая ЛШЗ. Газопылевая взвесь взаимодействует с плазмой, имеющей температуру -5000 °С. В результате образуется газовая фаза, содержащая атомы перечисленных выше элементов, в том числе и кислород, который диссоциирует из молекулярного состояния (О2) в атомарное, наиболее химически активное состояние.
Конденсация газовой фазы на холодных стенках камеры УЦР через процесс сублимации приводит к осаждению на них возгонов. Появление в составе возгонов 2,3 % Fe (в ЛШЗ Fe почти отсутствует) вызвано вовлечением абразивных частиц стали, образующихся при истирании поверхностных слоев барабанов и роликов. Факт их образования подтверждается также улавливанием феррочастиц магнитным сепаратором, через который пропускают гранулы на пути в приемный бункер.
Газовые компоненты возгонов, в том числе и кислород в особо актином атомарном состоянии, выделяющийся из них, взаимодействуют с пленкой расплава на торце вращающейся заготовки, увеличивая содержание кислорода в расплаве. Активная фаза химического взаимодействия продолжается, по всей видимости, в основном при контакте расплава и частиц с высокотемпературной плазмой. Когда частицы выходят из факела плазмы и попадают в поток охлаждающего газа температурой -100-150 °С, это взаимодействие ослабевает или прекращается совсем. Таким образом, дополнительное насыщение гранул кислородом происходит,
по-видимому, на стадии взаимодействия газообразных возгонов плазмы с пленкой расплава и с каплями расплава, находящимися в жидкой фазе. Указанное взаимодействие с каплями объясняет, почему содержание кислорода во фракциях более мелких гранул выше, чем во фракциях более крупных гранул, имеющих меньшую удельную активную поверхность.
В итоге разработанная в ОАО «ВИЛС» серийная технология получения гранул методом PREP для уменьшения содержания кислорода в гранулах предусматривает ряд технологических операций:
1. Прогрев стен камеры установки горячей водой при запуске цикла распыления.
2. Отжиг партии ЛШЗ в кассете в вакуумной печи при температуре активной дегазации непосредственно перед распылением ЛШЗ.
Эффективность последней операции можно увеличить, если кассету с отожженными заготовками поместить в УЦР в нагретом состоянии, в котором они пребывают после выгрузки из отжиговой печи. Тогда в процессе вакуумной откачки перед напуском рабочего газа в установку сохранялась бы достигнутая в результате предварительного отжига чистота поверхности заготовок от атмосферной влаги.
Альтернативой предварительному затратному вакуумному отжигу заготовок непосредственно перед распылением был бы, например, подогрев их до температуры порядка 150 °С с быстрой перегрузкой в УЦР в нагретом состоянии. Тогда при последующей вакуумной откачке перед напуском газа прошел бы процесс удаления влаги и газов как от ЛШЗ, так и стен камеры установки, подогреваемых согласно действующей технологической инструкции горячей водой.
Дополнительной мерой по снижению содержания кислорода в гранулах явилась бы переустановка станции тонкой очистки рабочего газа (СТОГ) с позиции в составе газовой станции наполнения УЦР газом на позицию непосредственно перед плазмотроном. Определенный эффект можно было бы ожидать также от введения магнитного сепаратора в контур циркуляции плазмообразующего газа в дополнение к существующему сейчас сепаратору очистки гранул. При этом как СТОГ, так и магнитный сепаратор постоянно участво-
вали бы в очистке плазмообразующего газа в течение всего рабочего цикла распыления. Эффективность очистки в этом случае увеличится, поскольку обработку уже достаточно чистого газа перед заправкой дополнила бы постоянная оперативная чистка циркулирующего газа от пыли и других вредных компонентов, которые, как было показано выше, непрерывно поступают в плазмообразующий газ.
В этой связи следует заметить, что иногда в установках распыления типа УЦР обеспечивают наддув камеры механизмов газом с более высоким давлением, чем в камере распыления. Считают при этом, что благодаря такой мере, металлическая пыль из камеры распыления не может попасть в камеру механизмов и повредить их подшипниковые узлы. Однако такое мнение представляется ошибочным, поскольку, как показано выше, перекачка в камеру распыления абразивной пыли в поток плазмы наносит определенный вред.
На некоторых специализированных предприятиях [3], использующих технологию получения ответственных заготовок из ЖНС методом металлургии гранул, наряду с технологическими приемами, представленными выше, применяют удаление пыли из рабочего пространства УЦР с помощью фильтров тонкой очистки газовой смеси. Статистические данные [3] показывают, что такая технология позволяет получить при-
мерно одинаковое содержание кислорода как в исходной ЛШЗ, так и в гранулах, получаемых из них методом PREP. Содержание кислорода в таких гранулах составляет -0,004 % мас. (40 ppm), т.е. находится ниже установленной нормы <0,007 % мас. (<70 ppm).
Выводы
1. Проанализированы статистические данные о содержании кислорода в литых шлифованных заготовках (ЛШЗ) и в получаемых из них методом PREP гранулах серийных жаропрочных никелевых сплавов ЭП741НП и ЭИ698П. Показано, что содержание кислорода в гранулах на 0,004-0,005 % мас. выше, чем в исходных заготовках распыления (ЛШЗ), причем содержание кислорода в гранулах мелких фракций (<30 мкм) - на 0,005 % мас. еще выше, чем в гранулах более крупных фракций.
2. На основе анализа данных о химическом составе возгонов [1] гипотетически пояснен механизм взаимодействия факела высокотемпературной плазмы с пленкой и каплями расплава в процессе PREP, способствующий приросту содержания кислорода в гранулах.
3. Предложены технологические приемы, снижающие содержание кислорода в гранулах, в том числе и для относительно мелких фракций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арбузова Л.А., Мусиенко В.Т., Митрофанов А.Е.
Источники загрязнения гранул никелевых сплавов кислородом и способы снижения его содержания // В кн.: Металлургия гранул. Вып. 1. М.: ВИЛС, 1983. С. 77-84.
2. Волков А.М., Шестакова А.А., Бакрадзе М.М.
Сравнение гранул, полученных методами газовой атомизации и центробежного распыления литых заготовок, с точки зрения применения их для изго-
товления дисков ГТД из жаропрочных никелевых сплавов // Труды ВИАМ. 2018. № 11. С. 12-19.
3. Логачева А.И. Комплексная технология изготовления тонкостенных элементов методом порошковой металлургии для производства деталей из конструкционных и функциональных сплавов на основе титана и никеля для изделий ракетно-космической техники: автореф. дисс. докт. техн. наук. 2016. Королев.
REFERENCES
1. Arbuzova L.A., Musiyenko V.T., Mitrofanov A.Ye.
Istochniki zagryazneniya granul nikelevykh splavov kislorodom i sposoby snizheniya yego soderzhaniya // V kn.: Metallurgiya granul. Vyp. м1. M.: WILS, 1983. S. 77-84.
2. Volkov A.M., Shestakova A.A., Bakradze M.M.
Sravneniye granul, poluchennykh metodami gazovoy atomizatsii i tsentrobezhnogo raspyleniya litykh za-gotovok, s tochki zreniya primeneniya ikh dlya izgo-
tovleniya diskov GTD iz zharoprochnykh nikelevykh splavov // Trudy VIAM. 2018. № 11. S. 12-19.
3. Logacheva A.I. Kompleksnaya tekhnologiya izgotov-leniya tonkostennykh elementov metodom poroshko-voy metallurgii dlya proizvodstva detaley iz konstrukt-sionnykh i funktsional'nykh splavov na osnove titana i nikelya dlya izdeliy raketno-kosmicheskoy tekhniki: avtoref. dis. dokt. tekhn. nauk. 2016. Korolev.
