Обеспечение высокого качества литых заготовок современных сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов

Михайлов Александр

Для уменьшения содержания серы в металле необходимо применять шлаковые смеси. Наилучшие результаты даёт использование смеси, состоящей из 90 % СаО и 10 % CaF₂ в зёрнах размером 2–5 мм, которую загружают на дно тигля под слой шихты [13].

Применение шлакообразующих в вакуумных процессах позволяет значительно облегчить процесс десульфурации сплава. В работе [14] стенки тигля вакуумной индукционной печи обмазывали пастой из свежегашёной извести. После плавки при давлении 0,25 н/м² (0,002 мм рт. ст.) содержание серы снизилось с 0,03 до 0,002–0,003 %.

Использование шлаковых смесей открывает перспективу значительного повышения

эффективности десульфурации в вакууме. При прочих равных условиях (температура, состав шлака, содержание углерода в металле) понижение давления должно вызывать смещение равновесия реакции в направлении возрастания величины L_S (характеризующей долю серы, перешедшей из металла в шлак), и поэтому удаление серы в вакууме должно протекать с большей полнотой, чем при атмосферном давлении.

В плавках, проведённых в вакуумной индукционной печи с добавками шлака на дно тигля, по сравнению с плавками, проведёнными при атмосферном давлении, особенно в случае низкоуглеродистых или безуглеродистых никелевых сплавов, сера удаляется значительно полнее [2].

Сера в никелевых жаропрочных сплавах является вредной примесью. Поэтому одна из целей рафинирования – полное (почти полное) удаление этого элемента в процессе выплавки. В работе [3] отмечается, что при содержании в сплаве серы свыше 1 ppm ухудшается адгезия защитного покрытия к основному металлу из-за диффузии серы в покрытие. При этом снижаются надёжность и ресурс работы защитного покрытия на деталях двигателя. В связи с этим вопросы эффективного глубокого рафинирования сплавов от примеси серы приобретают первостепенное значение.

Наиболее эффективным способом удаления серы из металла при плавке в вакууме является применение шлаковых смесей на основе оксида кальция.

Авторами [3] установлено, что при обработке расплава сложнолегированного жаропрочного сплава ЖСбУ в вакуумной индукционной печи высокоосновными шлаковыми смесями содержание серы в сплаве снижается, но при этом из шлака восстанавливается кальций, отрицательно влияющий на длительную прочность сплава. Поэтому повышение жаропрочных свойств сплава может быть достигнуто только при одновременном осуществлении двух процессов: глубокой десульфурации расплава путём применения шлаков на основе оксида кальция и полном удалении из расплава избыточного кальция как продукта реакции десульфурации.

Результаты комплексного решения проблемы удаления серы из никелевого жаропрочного сплава и при этом обеспечения отсутствия в его составе остаточного кальция приведены в работе [15]. Был исследован одностадийный процесс десульфурации сплава ЖСбУ-ВИ, предусматривающий ввод металлического кальция непосредственно при плавке сплава. Кальций в количестве 0,30 % присаживали или в тигель вместе с шихтой, или перед выпуском под давлением аргона 20 кПа. В случае присадки кальция в тигель вместе с шихтой и проведения всего технологического процесса под вакуумом остаточное содержание кальция в готовом металле после порционного переплава составляет менее 0,001 %, т. е. следы. Долговечность сплава ЖСбУ-ВИ, в котором имеется остаточный кальций, низкая, в то время как металл, не содержащий остаточный кальций, отличается весьма высоким уровнем долговечности, который в 1,5–2,0 раза выше, чем у металла, выплавленного по традиционной технологии.

Очистить сложнолегированный никелевый расплав от примеси серы можно также путём ввода в него редкоземельных металлов, например лантана.

В ренийрутенийсодержащем сплаве ВЖМ4-ВИ, микролегированном лантаном, обнаружены соединения лантан-никель, в состав которых также входит сера. Лантан связывает серу в термически прочные тугоплавкие включения с температурой плавления выше 1500 °С и тем самым нейтрализует её вредное влияние.

3. Отрицательное влияние кремния и фосфора

В литейных жаропрочных никелевых сплавах кремний является вредной примесью, который понижает свойства сплавов, поэтому его содержание ограничено: в сплавах с равноосной структурой – до 0,25 % (сплавы ЖСбК-ВИ, ЖСбУ-ВИ, ВЖЛ12У-ВИ и др.), с направленной и монокристаллической структурой – до 0,20 % (сплавы ЖС32-ВИ, ЖС26-ВИ, ЖС26У-ВИ и др.) [16].

Основным источником поступления кремния в литейные жаропрочные сплавы, получаемые методом направленной кристаллизации, являются керамические материалы, применяемые для получения деталей авиационных ГТД. При технологическом процессе получения керамических форм в них остаётся несвязанный SiO₂: в формах на основе электрокорунда – 4–8 %, а в формах на основе дистен-силлиманита – 10–12 %. Кроме того, в керамических стержнях может содержаться 2–7 % несвязанного SiO₂.

При длительном взаимодействии расплава с керамическими формой и стержнем, которые содержат в своём составе несвязанный SiO₂, что имеет место при отливке деталей с направленной или монокристаллической структурой на моторных заводах, алюминий (как наиболее активный компонент сплава) и углерод восстанавливают кремний по реакциям:

3SiO₂ + 4[Al] = 2Al₂О₃ + 3[Si], (4)

SiO₂ + 2C = [Si] + 2CO_газ. (5)

Анализ динамики (2007–2011 гг.) изменения содержания кремния в сплаве ЖС32-ВИ, выплавленного в условиях ВИАМ с использованием отходов моторных заводов, показал, что по мере загрязнения сплава кремнием при отливке деталей с направленной и монокристаллической структурой содержание кремния в литых прутковых заготовках выросло в среднем с 0,065 до 0,185 % [16].

Отрицательное влияние кремния на структуру и свойства сплава ЖСбФ-ВИ показано в работе [17]. Методом фазового анализа выявлено, что > 60 % кремния (от его содержания в сплаве) входит в состав ’-фазы, замещая в ней гафний, титан и ниобий в эквивалентных количествах. Обеднение ’-фазы эффективными легирующими элементами приводит к ухудшению фазовой стабильности, вследствие чего более интенсивно протекает процесс её коагуляции при повышенных температурах. С увеличением содержания кремния понизились долговечность сплава при испытании на длительную прочность и пластичность при комнатной температуре.

По результатам исследований видно, что в микроструктуре монокристалла с повышенным содержанием кремния (0,27 %) наблюдается увеличение количества эвтектической ’-фазы и образование вокруг неё областей, обогащённых кремнием. Это наблюдение подтверждает ранее известный факт о распределении кремния между фазами жаропрочного никелевого сплава [17]: 60 % от общего содержания Si в сплаве входят в ’-фазу, 30 % – в твёрдый раствор, 10 % образуют интерметаллидное соединение системы Ni-Mo-Si.

После полной термической обработки сплава ВЖМ4-ВИ, содержащего повышенное количество кремния (0,27 %), увеличивается число микропор гомогенизации в объёме металла в сравнении со сплавом со стандартным содержанием кремния (0,085 %), наблюдается огрубление структуры и неоднородное распределение частиц ’-фазы в междендритных участках. В металле с 0,27 % Si более интенсивно протекает процесс коагуляции дисперсных частиц упрочняющей ’-фазы и последующее её растворение: рафт-пластины ’-фазы шире, чем в металле со стандартным содержанием кремния [16].