RU2696999C1 - Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля - Google Patents
Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля Download PDFInfo
- Publication number
- RU2696999C1 RU2696999C1 RU2019104707A RU2019104707A RU2696999C1 RU 2696999 C1 RU2696999 C1 RU 2696999C1 RU 2019104707 A RU2019104707 A RU 2019104707A RU 2019104707 A RU2019104707 A RU 2019104707A RU 2696999 C1 RU2696999 C1 RU 2696999C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- melt
- nickel
- vacuum
- barium
- rare
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
- C22C1/023—Alloys based on nickel
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на основе никеля для изготовления лопаток и других деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок. Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля включает расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих добавок. В качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят барий в количестве 0,001-0,10% от массы расплава и по меньшей мере один редкоземельный металл в количестве 0,01-0,50% от массы расплава. Затем после присадки активных легирующих металлов проводят рафинирование расплава в вакууме 10-1-5⋅10-3 мм рт.ст. при температуре 1600-1700°С в течение от 5 до 40 мин, во время которого расплав перемешивают, а плавильный тигель наклоняют от одного до трех раз с возвратом в первоначальное положение после каждого наклона. Повышается жаропрочность сплавов на основе никеля за счет снижения содержания серы, кислорода и азота до 0,001-0,002% каждого. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 пр.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на основе никеля для изготовления лопаток и других деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок (ГТД и ГТУ).
Получить высококачественные лопатки ГТД с бездефектной структурой из литейных жаропрочных сплавов можно только при использовании для их отливки сплавов с пониженным содержанием в них вредных примесей кислорода, азота, серы. Это обусловлено тем, что образующиеся при содержании этих элементов в сплаве выше критического значения твердые частицы оксидов, нитридов и сульфидов являются концентраторами напряжений, инициирующими зарождение микротрещин в условиях высокотемпературной ползучести и усталостных нагрузок. Таким образом, эти неметаллические включения существенно снижают эксплуатационные свойства сплавов, прежде всего характеристики длительной прочности и усталости.
Известен способ производства литейных жаропрочных сплавов для получения отливок с направленной и монокристаллической структурой, включающий расплавление исходных компонентов, введение в расплав редкоземельных металлов (РЗМ), например, церия, лантана, иттрия и скандия, в вакууме и разливку с получением шихтовой заготовки, расплавление шихтовой заготовки, заливку в литейную форму и направленную кристаллизацию. Перед введением РЗМ проводят раскисление расплава, а РЗМ вводят в количестве, определяемом из следующего уравнения: П=K*τ/vкp, где τ - выдержка после введения РЗМ до начала разливки, мин; vкp - скорость направленной кристаллизации отливки, мм/мин; K=0,03-0,04 - эмпирический коэффициент пропорциональности (RU 2035521 С1, 20.05.1995).
Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет получить в готовом металле низкие содержания серы, кислорода и азота ≤0,003% каждого.
Известен способ изготовления суперсплавов с ультранизким содержанием серы до ≤0,0001%, что обеспечивается за счет осуществления вакуумной плавки сплавов в тигле из оксида кальция (десульфирующий агент) (US 5922148 А, 13.07.1999).
Недостатком указанного способа является то, что оксид кальция относится к термически нестойким соединениям (в отличие от оксида магния и алюминия), и поэтому после проведения в нем нескольких плавок он начинает растрескиваться и разрушаться, при этом оксид кальция загрязняет металл.
Известен 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 последующее введение в вакууме редкоземельных металлов (РЗМ), хрома и активных легирующих элементов, в котором 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 10-2-5⋅10-4 мм рт.ст., после чего вводят лантан в количестве 0,01-0,3% от массы расплава (RU 2221067 С1, 10.01.2004).
Недостатком указанного способа является то, что он не позволяет обеспечить получение в готовом металле низкого содержания примесей кислорода, азота и серы ≤0,003% каждого. Кроме того, создание в печи давления 20-130 мм рт.ст. перед присадкой кальция и последующего создания вакуума увеличивает продолжительность плавки.
Наиболее близким аналогом является 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 качестве одной из рафинирующих добавок вводят гидрид по крайне мере одного из входящих в состав 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. (RU 2344186 С2, п. 2 ф.и., 20.01.2009).
Недостатком способа-прототипа является то, что он не позволяет получить в сплаве требуемое низкое содержание примесей серы, кислорода и азота - до 0,002% каждого, и не может обеспечить высокие характеристики длительной прочности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе с пониженным содержанием примесей и высокими характеристиками жаропрочности.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение содержания серы, кислорода и азота до 0,001-0,002% каждого и, как следствие, повышение жаропрочности сплавов на никелевой основе.
Технический результат достигается предложенным способом производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих металлов, при этом в качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят барий в количестве 0,001-0,10% от массы расплава и по меньшей мере один редкоземельный металл в количестве 0,01-0,50% от массы расплава, а после присадки активных легирующих металлов проводят рафинирование расплава в вакууме 10-1-5⋅10-3 мм рт.ст. при температуре 1600-1700°С в течение от 5 до 40 минут, во время которого расплав перемешивают, а плавильный тигель наклоняют от одного до трех раз с возвратом в первоначальное положение после каждого наклона.
В качестве по меньшей мере одного редкоземельного металла в расплав вводят лантан и/или церий и/или иттрий и/или скандий и/или празеодим и/или неодим в виде гранул лигатуры никель-редкоземельный металл.
В качестве шихтовых материалов можно использовать отходы литейных жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 100% металлошихты.
Барий предпочтительно вводить в виде гранул лигатуры алюминий-барий.
Авторами установлено, что проведение рафинирования расплава в пониженном вакууме 10-1-5⋅10-3 мм рт.ст. позволяет сократить испарение хрома, который отличается повышенной упругостью пара. При изменении угла наклона тигля увеличивается площадь поверхности расплава и поэтому процесс удаления примесей и газов с поверхности проходит более интенсивно. Угол наклона выбирается исходя из геометрической формы тигля и уровня расплава в нем таким образом, чтобы расплав не переливался через края тигля.
Заявленный температурный и временной режим рафинирования расплава позволяет более полно осуществлять диссоциацию неметаллических включений в виде нитридов и оксидов в условиях вакуума и тем самым обеспечивать очистку расплава от кислорода и азота.
Упругость пара бария при повышенных температурах существенно ниже, чем у кальция и магния. Например, при температуре 1600°С упругость пара бария составляет 275 мм рт.ст., кальция - 1,6 атм, магния - 17,6 атм. Поскольку барий имеет пониженную упругость пара, его испарение из расплава происходит более медленно, чем у кальция и магния, и поэтому более полно происходит рафинирование расплава от примесей.
Барий предпочтительно вводить в виде гранул лигатуры алюминий-барий, которая в сравнении с чистым барием обладает большей технологичностью: она легко измельчается, не требует специальных условий хранения и за счет повышенной температуры плавления обеспечивает более полное усвоение бария и его равномерное распределение в объеме расплава жаропрочных сплавов на основе никеля.
Совместное введение бария и РЗМ позволяет дополнительно понизить в сплаве содержание серы и кислорода за счет образования тугоплавких соединений в виде сульфидов и оксидов, которые адсорбируются на поверхности керамического тигля при плавке.
Таким образом, соблюдение предлагаемых температурно-временных параметров плавки с одновременным изменением угла наклона плавильного тигля, обеспечение необходимого вакуума, использование в качестве рафинирующей добавки бария в заданных количествах совместно с РЗМ обеспечивает рафинирование металла от примеси серы, газов и неметаллических включений и позволяет получать жаропрочные никелевые сплавы с повышенной чистотой по сульфидам, оксидным пленам и нитридным кластерам. При этом повышаются жаропрочные свойства сплава.
Пример осуществления.
По предлагаемому способу осуществили выплавку литейного жаропрочного сплава на никелевой основе системы Ni-Co-Cr-Al-Ti-W-Mo-Ta-Nb. Всего было выплавлено 7 плавок. Плавки проводили в вакуумной индукционной печи в тигле вместимостью 10 кг. После расплавления шихты, состоящей из никеля, хрома, кобальта, вольфрама, молибдена, в расплав последовательно присадили активные металлы - титан, тантал, ниобий, алюминий. После этого проводили рафинирование расплава в вакууме, во время которого тигель наклоняли один-три раза с возвратом в первоначальное положение. Исходя из уровня расплава тигель наклоняли под углом 60 град относительно горизонтальной оси.
Затем на поверхность расплава последовательно присадили барий в виде алюмобариевой лигатуры и РЗМ в виде лигатур с никелем, после чего расплав залили в стальную трубу.
Технологические параметры плавок указаны в таблице 1.
Далее проводили отбор проб и измеряли концентрацию вредных примесей серы, кислорода и азота в полученном сплаве ИК-методом на газоанализаторах CS-600, ТС-600 фирмы «Leco».
Испытания на длительную прочность проводили на термически обработанных образцах на оборудовании «ZST 2/3» по ГОСТ 10145.
Полученные результаты по содержанию серы, кислорода и азота и время до разрушения при испытании на длительную прочность приведены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что на плавках 1-7, полученных предлагаемым способом, получены пониженные значения содержания серы (0,001-0,002%), кислорода (0,001-0,002%) и азота (0,0015-0,002%) в сравнении с металлом, выплавленным способом-прототипом (0,003% S; 0,003% О и 0,003% N). Жаропрочные свойства сплава, полученного предлагаемым способом, повысились в 1,5-2 раза.
Предлагаемый способ позволяет получать в литейных жаропрочных сплавах на никелевой основе содержание серы, кислорода и азота ≤0,002% каждого. Тем самым устраняется вероятность образования в сплавах дефектов в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов и нитридов и тем самым исключается образование микротрещин в условиях высокотемпературной ползучести и усталостных нагрузок. В результате повышаются эксплуатационные свойства сплавов, в том числе его жаропрочность.
Использование изобретения позволит повысить жаропрочные свойства литейных жаропрочных никелевых сплавов и тем самым повысить ресурс и надежность работы газотурбинных двигателей (ГТД) и газотурбинных установок (ГТУ).
Claims (4)
1. Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля, включающий расплавление в вакууме шихтовых материалов, присадку в расплав активных легирующих и рафинирующих добавок, отличающийся тем, что в качестве рафинирующих добавок в расплав последовательно вводят барий в количестве 0,001-0,10% от массы расплава и по меньшей мере один редкоземельный металл в количестве 0,01-0,50% от массы расплава, а после присадки активных легирующих металлов проводят рафинирование расплава в вакууме 10-1-5⋅10-3 мм рт.ст. при температуре 1600-1700°С в течение от 5 до 40 мин, во время которого расплав перемешивают, а плавильный тигель наклоняют от одного до трех раз с возвратом в первоначальное положение после каждого наклона.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере одного редкоземельного металла в расплав вводят лантан, церий, иттрий, скандий, празеодим и неодим в виде гранул лигатуры никель-редкоземельный металл.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве шихтовых материалов используют отходы литейных жаропрочных сплавов на основе никеля в количестве до 100% металлошихты.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барий вводят в виде гранул лигатуры алюминий-барий.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019104707A RU2696999C1 (ru) | 2019-02-20 | 2019-02-20 | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019104707A RU2696999C1 (ru) | 2019-02-20 | 2019-02-20 | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2696999C1 true RU2696999C1 (ru) | 2019-08-08 |
Family
ID=67586733
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019104707A RU2696999C1 (ru) | 2019-02-20 | 2019-02-20 | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2696999C1 (ru) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3998663A (en) * | 1974-01-30 | 1976-12-21 | Vereinigte Deutsche Metallwerke Ag | Workable nickel material and process for making same |
RU2190680C1 (ru) * | 2001-07-12 | 2002-10-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе |
RU2274671C1 (ru) * | 2004-10-05 | 2006-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля |
RU2344186C2 (ru) * | 2007-01-17 | 2009-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты) |
RU2541330C1 (ru) * | 2013-10-03 | 2015-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты) |
RU2572117C1 (ru) * | 2014-10-07 | 2015-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения суперсплавов на основе никеля, легированных редкоземельными металлами |
CN104357710B (zh) * | 2014-11-26 | 2016-08-17 | 张立红 | 一种镍合金及其制备方法 |
-
2019
- 2019-02-20 RU RU2019104707A patent/RU2696999C1/ru active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3998663A (en) * | 1974-01-30 | 1976-12-21 | Vereinigte Deutsche Metallwerke Ag | Workable nickel material and process for making same |
RU2190680C1 (ru) * | 2001-07-12 | 2002-10-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе |
RU2274671C1 (ru) * | 2004-10-05 | 2006-04-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля |
RU2344186C2 (ru) * | 2007-01-17 | 2009-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты) |
RU2541330C1 (ru) * | 2013-10-03 | 2015-02-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты) |
RU2572117C1 (ru) * | 2014-10-07 | 2015-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения суперсплавов на основе никеля, легированных редкоземельными металлами |
CN104357710B (zh) * | 2014-11-26 | 2016-08-17 | 张立红 | 一种镍合金及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102616983B1 (ko) | 저질소, 본질적으로 질화물을 함유하지 않는 크롬 및 크롬과 니오븀-함유 니켈계 합금의 제조 방법 및 수득된 크롬 및 니켈계 합금 | |
Li et al. | Mechanisms of reactive element Y on the purification of K4169 superalloy during vacuum induction melting | |
RU2572117C1 (ru) | Способ получения суперсплавов на основе никеля, легированных редкоземельными металлами | |
RU2618038C2 (ru) | Способ получения жаропрочного сплава на основе ниобия | |
EP2980233B1 (en) | Method for refining ti-based inclusions in maraging steel by vacuum arc remelting | |
Sidorov et al. | Removal of a sulfur impurity from complex nickel melts in vacuum | |
RU2541330C1 (ru) | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты) | |
RU2696999C1 (ru) | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля | |
Sidorov et al. | Refining a complex nickel alloy to remove a sulfur impurity during vacuum induction melting: Part II | |
RU2682266C1 (ru) | Способ производства жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты) | |
EP3190196A1 (en) | METHOD FOR DEOXIDIZING Ti-Al ALLOY | |
CN113637860A (zh) | 一种gh690合金的制备工艺 | |
NO773167L (no) | Legering for behandling av smeltet metall, saerlig for tilsetning av sjeldne jordartsmetaller | |
CN111763869A (zh) | 钨钴镍合金及其制备方法和应用 | |
RU2353688C1 (ru) | Способ выплавки безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе | |
Kablov et al. | Resource-saving technologies of making advanced cast and deformable superalloys with allowance for processing all types of wastes | |
CN103710645B (zh) | 易切削3Cr17NiMo模具钢及其制造方法 | |
RU2392338C1 (ru) | Способ получения литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе | |
RU2344186C2 (ru) | Способ производства литейных жаропрочных сплавов на основе никеля (варианты) | |
Sinha et al. | Effect of residual elements on high performance nickel base superalloys for gas turbines and strategies for manufacture | |
RU2563403C1 (ru) | Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля | |
JP3821368B2 (ja) | 高清浄マルエージング鋼の製造方法 | |
RU2274671C1 (ru) | Способ производства безуглеродистых литейных жаропрочных сплавов на основе никеля | |
RU2639190C2 (ru) | Способ производства высокопрочной мартенситностареющей стали | |
JP6544638B2 (ja) | Ti含有マルエージング鋼の製造方法及びそのプリフォームの製造方法 |