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

Раскисление низкоуглеродистого металла только углеродом в вакууме не даёт возможности получить низкие концентрации кислорода, а применение водорода большей частью не находит места из-за сложности и опасности его использования.

Поэтому применение металлических раскислителей в вакуумных агрегатах продолжает оставаться актуальным.

Отсутствие окислительной атмосферы в вакуумных установках значительно повышает эффективность раскислителей, которые не окисляются кислородом воздуха и шлаком; основная масса присадки попадает в металл и выполняет свою функцию.

В работе [9] было исследовано раскисление железоуглеродистых и железохромистых сплавов марганцем, кремнием, алюминием, миш-металлом, сплавом АМС и алюминием совместно с церием. Присадка Mn и Si не оказывает существенного влияния на снижение содержания кислорода в металле.

При раскислении металла алюминием в первый момент после введения алюминия содержание кислорода заметно снижается. При выплавке сплавов как с 10, так и с 20 % Cr экспериментальные содержания кислорода лежат выше равновесных значений, следовательно, введение алюминия обеспечивает заметное раскисление металла.

В результате раскисления алюминием содержание кислорода в металле составляло 0,002–0,003 % и 0,004–0,005 % для железоуглеродистых и железохромистых сплавов соответственно [2].

Кроме рассмотренных выше механизмов удаления кислорода из металла в вакууме, существует и другой: кислород может удаляться путём испарения летучих субокислов некоторых компонентов. Субокислы – это низшие окислы, обладающие высокой упругостью пара.

Количество оксидов, присутствующих в первичных материалах, может лимитироваться путём выбора поставщиков и условий на получаемые материалы. К сожалению, самые чистые, не содержащие оксиды, материалы могут быстро стать загрязнёнными большим количеством оксидов в зависимости от состава сплава и огнеупорного тигля, содержащего расплав. Химический состав (MgO, AlO 3, ZrO 2), пористость и реакционная способность материала тигля являются важными факторами.

Оксиды, содержащиеся в материале футеровки, могут взаимодействовать со многими элементами, и впоследствии образовавшийся кислород легко взаимодействует с более устойчивыми оксидами, присутствующими в расплаве. Например:

2Al (расплав) + 3MgO (тигель) → Al 2О 3 (расплав) + 3Mg (расплав).

Это – типичная ситуация, т. к. большинство промышленных плавок производится в тиглях с магнезитовой набивкой и большинство жаропрочных сплавов содержит алюминий. Оксиды, образующиеся в MgO – тигле, как полагают, более легко агломерируются и удаляются из расплава, если они образуются. Недостатки корундовых и цирконовых тиглей заключаются в разбросе показателей термомеханических свойств и высокой стоимости.

Магний и редкоземельные элементы типа церия или миш-металла также используются для удаления серы. Церий легко формирует сульфоксиды, которые удаляются в шлак.

Магний является одним из весьма активных элементов, вводимых в жаропрочные никелевые сплавы при их рафинировании. Следует указать, что часть магния попадает в жидкий металл при плавке из керамических тиглей (магнезитовых или корундо-магнезитовых). В работе [10] приведены результаты исследований влияния модифицирующей добавки магния на структуру и свойства никелевых сплавов при плавке их в вакуумных индукционных печах.

Автор [10] указывает, что магний заметно снижает поверхностное натяжение сплава ЖСбКП при температуре 1400 и 1500 °С и, следовательно, является поверхностно-активным элементом.

Форма и распределение карбидов титана находятся в такой же зависимости от содержания магния, как и величина поверхностного натяжения металла. В исходном металле до присадки магния карбиды титана преимущественно вытянутые, игольчатые, имеют характер распределения в виде «китайских иероглифов». В результате снижения поверхностного натяжения после присадки магния карбиды становятся мелкими, круглыми, равномерно распределёнными в объёме металла.

Магний заметно снижает диффузионную подвижность атомов при рабочей температуре сплава, что находится в полном соответствии с результатами испытаний на жаропрочность. Исследования микроструктуры сплава ЖСбКП без магния и с магнием показали, что после нагрева при температуре 1000 °С (без приложения нагрузки) в течение 1000 ч в металле с магнием сохраняется более мелкая и тонкая γ’-фаза, чем в металле без магния.

Исследования с использованием электронного микроскопа разрушенных образцов из сплава ЖСбКП без магния и с магнием показали, что магний задерживает коагуляцию γ’-фазы в сплаве при рабочих температуре и напряжении и стабилизирует структуру. Это обеспечивает повышение жаропрочных свойств сплава.

При микроструктурном исследовании после травления в течение 0,3 мин различий в состоянии границ зёрен металла без магния и с магнием не наблюдали. Однако при более продолжительном воздействии реактива границы зёрен в металле с магнием растравились меньше (особенно после травления в течение 90 мин), т. е. границы зёрен в этом случае имели большую химическую устойчивость к воздействию кислот, что в свою очередь указывает на способность магния замедлять диффузионную подвижность атомов по границам зёрен при высокой температуре, т. е. дополнительно упрочнять границы.

В соответствии с работой [10] для получения сплавов с высокими показателями жаропрочности и пластичности в металле должно быть около 0,01 % Mg.

Магний является поверхностно-активным элементом и распределяется в металле по границам зёрен и в междендритных участках, а также на поверхностях раздела фаз.

Металл с магнием имеет пониженную диффузионную подвижность атомов; такой металл менее подвержен разупрочнению при рабочей температуре и напряжении.

Окись магния может восстанавливаться алюминием уже при содержании алюминия в металле около 0,1 %, поэтому с точки зрения термодинамики длительная выдержка в индукционной вакуумной печи жаропрочных сплавов, содержащих алюминий, нежелательна.

Введение церия совместно с алюминием является эффективным средством рафинирования металла от кислорода. Особое значение это имеет для сплавов с высоким содержанием хрома, в которых активность углерода понижена из-за наличия хрома [1].

Любой технологический процесс, который может привести к удалению оксидных и нитридных включений или предотвратить их образование, очевидно важен для окончательной чистоты получаемого продукта.

Как показывает отечественный и зарубежный опыт, получить высококачественные лопатки с бездефектной монокристаллической структурой возможно только при использовании для их отливки сплавов с ультранизким содержанием в них вредных примесей углерода, серы, фосфора, кремния и газов – кислорода и азота. Это обусловлено тем, что образующиеся с участием указанных элементов соединения (карбиды, сульфиды, фосфиды, оксиды, нитриды) выделяются внутри монокристалла и являются, с одной стороны, концентраторами напряжений, инициирующими зарождение трещин, а с другой стороны, источником гетерогенного зарождения равноосных «паразитных» зёрен, что существенно снижает прочностные характеристики и стабильность свойств монокристаллов, а также выход годных лопаток. Так, при содержании в сплаве 0,0025–0,0030 % азота выход годных лопаток по бездефектной монокристаллической структуре составляет всего 50–60 %; при снижении содержания азота в этом сплаве до уровня 0,0006–0,0007 % выход годных лопаток повышается до 80–90 %.