Михаил Михайлов - Обеспечение высокого качества литых заготовок современных сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов

Примеси попадают в сплав из исходных шихтовых материалов, а также в результате высокотемпературного взаимодействия жидкого сплава с формой.

Например, при выплавке никелевого жаропрочного сплава ЖСбУ из чистых шихтовых материалов содержание вредной примеси серы, как указывается в работе [3], достигает 0,0089 % масс. Приведённая концентрация серы в сплаве обусловлена наличием её в исходных металлах, входящих в состав этого сплава (таблица 3).

Таблица 3

Содержание серы в шихтовых материалах и в сплаве ЖСбУ-ВИ

Все шихтовые материалы, применяемые при плавке литейных жаропрочных сплавов и, в частности, сплава ЖСбУ-ВИ, содержат серу (таблица 3). В результате из шихтовых материалов может перейти в сплав максимально до 0,009 % серы, причём около половины этого количества серы переходит в сплав из электролитического катодного никеля [3].

Высокое качество деталей из литейных жаропрочных сплавов, особенно деталей с монокристаллической структурой, обеспечивается высокой чистотой металла по газам (азоту, водороду и кислороду) и вредным неметаллическим примесям (в первую очередь сере, фосфору, кремнию) [4–5]. Одной из вредных примесей в жаропрочных сплавах является азот, который при кристаллизации никелевого расплава образует нитриды и карбонитриды, являющиеся источником образования различных дефектов структуры при получении монокристаллов, в т. ч. равноосных «паразитных» зёрен на поверхности деталей.

Очистка металлических расплавов от растворённых водорода и азота называется также дегазацией. Удаление из расплавов растворённого кислорода называется раскислением. Этот последний процесс ввиду его специфичности рассматривается далее отдельно.

На использовании явления уменьшения растворимости газов при снижении температуры металла основано снижение газонасыщенности сплавов путём простой предварительной переплавки с последующей кристаллизацией, когда полученный расплав разливают в чушки, используемые уже для приготовления рабочего сплава.

Дегазация металлических расплавов очень часто достигается путём продувки расплавов инертными или активными газами, а также обработкой расплавов летучими соединениями (главным образом, хлоридами). Во всех случаях процесс дегазации основан на диффузии растворённого газа из расплава в пузырь, образованный продуваемым газом, где парциальное давление растворённого газа вначале теоретически равно нулю, а затем приближается к равновесному, определяемому остаточным содержанием газа в растворе-расплаве. Удаление газа из расплава по такому механизму возможно и без продувки, через свободную поверхность при выдержке расплава в атмосфере, где парциальное давление растворённого газа меньше равновесного, определяемого его содержанием и температурой. Однако ввиду малой интенсивности массопереноса, зависящей от диффузии в расплаве, требуется большая поверхность раздела расплав – газ, что и достигается при продувке, когда газ подаётся в расплав в виде пузырьков диаметром 1–2 мм. Для этого применяют различные пористые насадки на конце рабочего патрубка (фурмы).

При дегазации расплавов продувкой газами или обработкой летучими веществами вопросом первостепенной важности становится содержание примесей в используемых газах и веществах, главным образом влаги, азота, кислорода [1].

Кроме того, было показано [6], что при кристаллизации жаропрочных никелевых сплавов с повышенной концентрацией азота в отливках может образовываться значительная микропористость. Это приводит к снижению свойств сплава.

При исследовании закономерностей поведения азота при выплавке монокристаллического жаропрочного сплава ЖС30-ВИ была установлена [4] зависимость между содержанием в сплаве азота и формой выделяющихся при кристаллизации сплава нитридов и карбонитридов: при повышенном содержании азота – выше 0,001 % (фактически 0,0014–0,0027 %) – образуются довольно крупные карбиды округлой или полиэдрической формы, а при низком содержании азота (0,0005–0,0007 %) формируются тонкодисперсные игольчатые вытянутые карбиды.

В монокристаллах сплава ЖС30-ВИ в пределах рассмотренного содержания азота имеется прямая зависимость: чем меньше содержание азота, тем больше число циклов до разрушения при испытаниях на МЦУ. При повышении содержания азота от 5 до 20 ppm среднее число циклов до разрушения уменьшается в 1,5 раза.

Приведённые результаты исследований указывают на крайнюю актуальность работ, направленных на обеспечение предельно низкого содержания газов и таких вредных примесей, как сера, фосфор, кремний и др.

Важнейшими процессами рафинирования безуглеродистых сложнолегированных расплавов никеля, используемых в качестве шихты заготовок для монокристаллического литья лопаток современных газотурбинных двигателей, являются десульфурация, дефосфорация и деазотация металла в зависимости от окислительного и восстановительного потенциалов вакуумной индукционной плавки [7].

Физико-химическими особенностями процессов рафинирования расплава во время окислительного периода плавки являются одновременное протекание процессов плавления матричного металла (никеля) и растворения легирующих компонентов (Co, Mo, W, Re и др.), а также образование первичного и вторичного шлака после введения в расплав закиси никеля [8]. В результате из расплава в газовую фазу удаляется сера в виде SO 2, в шлаковую фазу – фосфор в виде аниона РО 4 3-, и за счёт флотации пузырьками СО, образующимися при реакции обезуглероживания металлического расплава, – азот в виде N 2. Очевидно, что все эти процессы связаны со свойствами поверхности реагирующих фаз, в т. ч. с поверхностью металлического расплава.

С точки зрения процессов рафинирования металлов и сплавов законы термодинамики определяют направление протекания процессов рафинирования: какое количество энергии при этом будет выделяться или поглощаться, каково соотношение концентрации (активностей), при которой наступает состояние равновесия, и каковы возможные конечные состояния в зависимости от внешних условий.

Химическая же кинетика позволяет ответить на вопросы, будет ли достигнуто за приемлемый промежуток времени состояние, предсказанное термодинамикой, каким путём оно может быть достигнуто и как влияют при этом внешние условия на полноту протекания химических процессов.

В гетерогенных реакциях кинетика связана с термодинамикой для процессов, протекающих на границе раздела фаз, условия равновесия которых предсказывает термодинамика.