способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе

Формула изобретения

1. Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, обезуглероживающее рафинирование в две стадии с введением окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт. ст. и последующим введением в вакууме редкоземельных металлов, хрома и активных легирующих элементов, отличающийся тем, что после введения в расплав активных легирующих элементов вводят кальций в количестве 0,02-0,20% от массы расплава под давлением инертного газа 20-130 мм рт. ст., затем создают вакуум, после чего вводят лантан.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лантан вводят в количестве 0,01 - 0,30% от массы расплава.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что лантан вводят в вакууме 10^-2-510^-4 мм рт. ст.

Описание изобретения к патенту

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

Этот класс литейных жаропрочных сплавов отличается от известных углеродистых жаропрочных сплавов тем, что углерод в них является вредной примесью, которая существенно понижает их жаропрочные свойства. Наряду с углеродом вредной примесью в этих сплавах является также сера. Это связано с тем, что в случае присутствия в металле неметаллических включений (сульфидов) они могут являться центрами гетерогенного зарождения равноосных зерен в монокристаллических отливках, что существенно понижает эксплуатационные характеристики монокристаллов и может являться причиной их преждевременного разрушения. Поэтому необходимо обеспечить получение в металле минимально возможного содержания серы - менее 0,001%. Это можно осуществить за счет введения в металл кальция и редкоземельных металлов (РЗМ).

Известен способ рафинирования жаропрочных никелевых сплавов от серы при вакуумной индукционной плавке путем присадки кальция в количестве 0,05-1,0% от массы плавки в тигель вместе с основными шихтовыми материалами, под давлением нейтрального газа - аргона 200 мм рт.ст. (авт. св. СССР 372916).

Недостатком указанного способа является то, что расплавление шихтовых материалов происходит под газом, что затрудняет удаление вредных примесей цветных металлов (свинца, висмута, сурьмы и др.) из расплава. Кроме того, куски кальция во время расплавления шихты могут прилипать к стенкам керамического тигля, выполненного из шпинели МgОАl₂О₃, и взаимодействовать с ним, образуя легкоплавкие соединения (CaO-MgO, СаО-Аl₂О₃ и др.), которые загрязняют готовый металл.

Известен способ снижения содержания серы в жаропрочных никелевых сплавах при плавке в вакууме, при котором расплав контактирует с кальцийсодержащим реагентом, например, когда тигель изготовлен из окиси кальция (патент США 5922148 от 13 июля 1999).

Недостатком указанного способа является то, что тигель из окиси кальция, применяющийся в известном способе, является термически нестойким, растрескивается и быстро разрушается при частых теплосменах через 2-3 плавки, при этом разрушившаяся керамика тигля загрязняет металл неметаллическими включениями.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов и обезуглероживающее рафинирование, которое проводят в две стадии: первую стадию проводят введением окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт.ст., затем проводят раскисление и газ удаляют, после чего осуществляют вторую стадию рафинирования введением редкоземельных металлов в количестве, в 2,0-20,0 раз превышающем количество углерода, оставшегося в расплаве после первой стадии рафинирования, перед введением активных легирующих элементов в расплав вводят хром (патент РФ 2074569).

Недостатком прототипа является то, что он не позволяет обеспечить получение в готовом металле низкого содержания серы (0,001%).

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, который позволяет понизить в них серу до содержания менее 0,001%, повысить жаропрочные свойства сплава, при сохранении низкого содержания углерода на уровне содержания углерода в способе-прототипе.

Поставленная техническая задача достигается тем, что предложен способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов и проведение обезуглероживающего рафинирования в две стадии с введением окислителя в атмосфере инертного газа при давлении 20-150 мм рт.ст. и последующим введением редкоземельных металлов, хрома и активных легирующих элементов, в котором после введения в расплав активных легирующих элементов вводят кальций в количестве 0,02-0,20% от массы сплава под давлением инертного газа 20-130 мм рт.ст., затем создают вакуум, после чего вводят лантан.

Лантан вводят в вакууме 10^-2-510^-4 мм рт.ст.

Лантан вводят в количестве 0,01-0,30% от массы расплава.

Авторами установлено, что если лантан вводить в нераскисленный расплав, то он практически весь окисляется, и десульфурация расплава лантаном не происходит. Поэтому авторами был выбран кальций в качестве активного предварительного раскислителя, который вводится в определенном соотношении под давлением инертного газа; в этом случае при последующем введении лантана, при заявленном его соотношении и режимах введения в расплав, последний практически не окисляется и взаимодействует с серой.

Пример осуществления способа

По предлагаемому способу осуществили выплавку безуглеродистого литейного жаропрочного сплава на никелевой основе системы Ni-Co-Cr-Al-Mo-W-Re-Ta. Всего было сделано 3 плавки. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 10 кг. В тигель загрузили шихтовые материалы: никель, кобальт, вольфрам, молибден, рений. Шихту расплавили под вакуумом. После расплавления шихты перекрыли откачку вакуумными насосами и напустили в плавильную камеру инертный газ (аргон) до давления 80 мм рт.ст. В расплав ввели окислитель; после завершения первой стадии обезуглероживания расплав раскислили и откачали газ, после чего ввели иттрий. После завершения второй стадии обезуглероживания в расплав добавили хром, а затем активные легирующие элементы тантал и алюминий.

Затем перекрыли откачку вакуумными насосами и в плавильную камеру напустили инертный газ (аргон).

На первой плавке создали давление аргона 20 мм рт.ст., после чего добавили 0,02% кальция.

На второй плавке создали давление аргона 75 мм рт.ст., после чего добавили 0,11% кальция.

На третьей плаке создали давление аргона 130 мм рт.ст., после чего добавили 0,20% кальция.

После введения кальция под давлением инертного газа (аргона) газ откачали и создали в печи вакуум, после чего ввели лантан.

На первой плавке создали в печи вакуум 10^-2 мм рт.ст., после чего ввели 0,01% лантана.

На второй плавке создали в печи вакуум 510^-3 мм рт.ст., после чего ввели лантан в количестве 0,15%.

На третьей плавке создали в печи вакуум 510^-4 мм рт.ст., после чего ввели лантан в количестве 0,30%.

Технологические параметры плавок и полученные результаты по содержанию серы приведены в таблице. Там же приведены технологические параметры плавки по способу-прототипу и полученные результаты.

Из таблицы видно, что на плавках 1, 2, 3 получены низкие значения содержания серы (0,0005-0,0010%) при низком содержании углерода (0,0002-0,0004%). В металле, выплавленном по способу-прототипу, содержится повышенное количество серы (0,0025%) при низком содержании углерода. (0,0003%). Жаропрочные свойства повышаются в 1,2-1,3 раза.

Предлагаемый способ позволяет получать в безуглеродистых литейных жаропрочных сплавах на никелевой основе содержание серы менее 0,001%, при сохранении содержания углерода на уровне его содержания в способе-прототипе. Тем самым устраняется вероятность образования в монокристаллических отливках сульфидов, а также карбидов, которые являются центрами гетерогенного зарождения равноосных зерен в монокристаллах.

Использование изобретения позволит понизить брак монокристаллических отливок по макроструктуре в 2,0-3,0 раза, повысить ресурс и надежность работы газотурбинных двигателей.