Читать онлайн Александр Логунов, Михаил Михайлов - Обеспечение высокого качества литых заготовок современных сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов
Введение
Современные жаропрочные никелевые сплавы, предназначенные для работы в последних ступенях компрессоров, в турбинах авиационных и ракетных двигателей, а также в газотурбинных установках, являются одним из наиболее важных объектов применения, обеспечивающих весьма высокие температурно-скоростные параметры полёта и одновременно энергетическую и экономическую эффективность в процессе эксплуатации в течение всего заданного ресурса.
Повышение жаропрочности никелевых сплавов последних поколений достигается наиболее высоким и одновременно оптимальным с позиций обеспечения условий отсутствия в структуре охрупчивающих ТПУ-соединений содержанием таких тугоплавких элементов, как вольфрам, молибден, ниобий, тантал, рений и др., в сравнении со сплавами предыдущих поколений.
Легирование литейных жаропрочных никелевых сплавов рением и рутением позволило заметно повысить характеристики их длительной прочности, однако при этом весьма важным является получение высококачественных шихтовых заготовок и отливок из них, что гарантирует стабильность структуры и свойств, высокую технологичность и выход годных отливок.
Создание самых современных высокоресурсных авиационных ГТД, а также стационарных ГТУ энергетического и газоперекачивающего назначения невозможно без применения в них лопаток с монокристаллической структурой. Наряду с высокими жаропрочными свойствами такие лопатки отличаются повышенной термостабильностью и более медленным темпом разупрочнения металла при эксплуатации, а также повышенной механической и термической усталостью. Такое уникальное сочетание различных свойств в монокристаллах позволяет их эффективно использовать, прежде всего, в перспективных ГТД в качестве материала лопаток турбины для работы в условиях сверхвысоких температур и напряжений.
В процессе проведения исследований, связанных с созданием двигателей 5-го поколения, разработано новое поколение сверхжаропрочных монокристаллических никелевых сплавов (безуглеродистых, рений- и рутенийсодержащих, интерметаллидных), способных работать при температуре газа 2000–2200 К, что на 100–150 К выше температуры газа в современных ГТД. Такое существенное повышение температуры газа в турбине особенно важно для создания новых авиационных двигателей, поскольку позволяет увеличить тягу двигателя на 15–20 % и ресурс его работы в 2–3 раза, а также скорость и дальность полёта самолёта, его грузоподъёмность.
Для получения высоких и стабильных свойств сплавов важно обеспечить требуемое качество шихтовых заготовок, которые используются для производства лопаток и других деталей из этих сплавов. Качество металла в значительной степени оценивается по наличию газов и неметаллических включений в сплавах.
1. Неметаллические и газовые включения в слитках и литых деталях
Свойства жаропрочных сплавов, как указывалось выше, определяются характером и уровнем макро- и микролегирования, а также наличием содержащимися в них вредных примесей, неметаллическими и газовыми включениями и их влиянием на механические, физико-химические и технологические свойства. Наличие неметаллических включений в сплавах очень часто является основной характеристикой, предопределяющей их эксплуатационные параметры и область применения. Неметаллические включения в сплавах обусловливают возникновение дефектов в изделиях и полуфабрикатах, ухудшение механических и физико-химических свойств.
До настоящего времени наиболее надёжным, но не всегда экономически оправданным способом, позволяющим обеспечить низкое содержание неметаллических включений и газов в сложнолегированных сплавах, считается выбор особо чистых шихтовых материалов и строгое соблюдение технологических режимов плавки, предотвращающее загрязнение расплава при взаимодействии с футеровкой тигля и остаточными газами в плавильной камере.
Разработка эффективных методов защиты от проникновения вредных примесей и удаления их в процессе получения и дальнейшей обработки металлов или сплавов является одной из основных проблем современной металлургии вакуумно-индукционной плавки (ВИП).
Примеси в металлических расплавах могут присутствовать в растворённом виде и в виде нерастворённых (взвешенных) частиц. Растворённые примеси представляют собой металлы (Pb, Sn, Ag и др. в сплавах на основе никеля), неметаллы (S, P, Si и др.) и газообразные элементы (H, O, N). Нерастворённые взвешенные частицы являются либо неметаллическими включениями, главным образом оксидного характера, либо включениями металлической природы [1]. Металлические взвешенные частицы представляют собою кристаллы интерметаллидов или других соединений (α-, δ-, β-частицы, σ-, μ-, η-фазы и т. д.).
Примеси, всегда имеющиеся в расплавах, можно разделить на вредные и нейтральные. Вредными считают те, которые отрицательно влияют на свойства литых заготовок, оговорённые установленными требованиями. Поскольку эти требования с течением времени меняются, изменяется общая оценка примесей и допустимые пределы их содержания. Так, сера, считающаяся безусловно вредной примесью в никелевых сплавах, намеренно вводится как легирующий компонент в так называемые автоматные стали. Углерод – важный легирующий компонент никелевых жаропрочных сплавов с равноосной структурой – в монокристальных сплавах на основе никеля является вредной примесью, и его содержание не допускается выше 0,02 %. Свинец и олово, обычно не оговариваемые примеси в сталях и чугунах, в жаропрочных никелевых сплавах строго ограничиваются весьма малыми содержаниями.
При ВИП-процессе основным источником неметаллических включений, попадающих в расплав, являются загрязнённые отходы, используемые в качестве шихтовых материалов. Кроме того, в процессе плавки неметаллические включения образуются в результате взаимодействия компонентов с растворёнными газами и футеровкой тигля.
В таблице 1 показано содержание газов в чистых металлах.
Таблица 1
Среднее содержание газов в некоторых шихтовых материалах, обычно используемых при выплавке жаропрочных сплавов, приведено в таблице 2.
Таблица 2
В жидком металле газы содержатся в виде растворённых ионизированных частиц (катионов и анионов) и атомов в виде химических соединений – нитридов и оксидов, а также молекул.
При растворении газов в металлах и сплавах принципиально возможны следующие процессы:
а) образование раствора в металле;
б) образование прочного химического соединения между газом и металлом;
в) образование химического соединения с высокой степенью диссоциации в расплаве, т. е. когда в расплаве находятся как атомы растворённого газа, так и молекулы химического соединения.
Растворимость водорода в жидком никеле в интервале температур 1680–2300 °С имеет линейный характер. Теплота растворения водорода в жидком никеле достигает 60 кДж/моль.
Растворы азота в никеле подчиняются закону квадратного корня. Существенное влияние на величину растворимости азота оказывает давление паров металла в газовой фазе над расплавом. Повышение содержания хрома, молибдена, вольфрама сопровождается возрастанием растворимости азота и, следовательно, снижением его коэффициента активности, причём с увеличением концентрации легирующего элемента зависимость коэффициента активности от содержания хрома, молибдена и вольфрама отклоняется от прямолинейной.
Титан, алюминий, цирконий обладают высоким сродством к азоту и способны при относительно небольшой концентрации в расплаве и невысоком давлении в газовой фазе образовывать нитриды.
Церий в наибольшей степени понижает активность азота в никеле. Меньшее влияние оказывают цирконий и титан, а алюминий практически не влияет на растворимость азота. Характер взаимодействия легирующих элементов с азотом, растворённым в жидком металле, определяется сродством элементов к азоту, а также прочностью химической связи азота и легирующего элемента с основной составляющей сплава.
Из элементов, образующих с никелем растворы, близкие к идеальным, наибольшим сродством к азоту обладает хром. Ещё более прочные связи с азотом в нитридах имеют цирконий, титан и алюминий.
На рис. 1–4 представлена зависимость коэффициентов диффузии водорода, кислорода и азота от температуры расплава.
Рис. 1. Влияние температуры на коэффициент диффузии водорода
Рис. 2. Влияние температуры на lg коэффициента диффузии водорода
Рис. 3. Влияние температуры на lg коэффициента диффузии азота
Рис. 4. Влияние температуры на lg коэффициента диффузии кислорода
2. Рафинирование и дегазация сплавов в вакуумно-индукационных печах
Процессы, происходящие в жидком металле в вакууме, связаны между собой и в большинстве случаев протекают одновременно. Так, например, процесс раскисления металла углеродом, сопровождаемый выделением пузырей окиси и двуокиси углерода, сопровождается выделением водорода и азота, всплыванием и восстановлением неметаллических включений, испарением примесей легколетучих компонентов и т. д. [2].
Как известно, рафинирование сплавов – это очистка их от примесей, которые ухудшают физико-химические показатели и снижают уровень механических характеристик.
Очистка металлических расплавов от растворённых металлических и неметаллических примесей является одной из главных целей металлургического производства.
Наиболее полное удаление растворённых примесей из никелевых расплавов осуществляется путём окислительного рафинирования, при котором расплав глубоко насыщается кислородом благодаря созданию окислительной атмосферы в печах, продувкой воздухом или кислородом, или за счёт использования окислительного шлака. Растворённые примеси, обладающие бо́льшим сродством к кислороду, чем основной металл, связываются в свободные оксиды. Из этих оксидов только монооксид углерода СО является газом и в виде пузырей уходит из расплава. Остальные примеси дают твёрдые или жидкие оксиды. Частицы подобных оксидов собираются на поверхности расплава в шлаке. Таким путём удаляются Si, Mn, Fe из никелевых расплавов. При подобном способе удаления примесей из расплава не уходят легирующие компоненты, обладающие малым сродством к кислороду. После окислительного рафинирования должно быть обязательно проведено раскисление расплава, т. е. удаление избытка растворённого кислорода [1].
Удаление растворённой примеси, обладающей малым сродством к кислороду, может быть достигнуто в сильно восстановительных условиях, когда атомы подобных примесей становятся отрицательно заряженными ионами, способными соединяться с сильными положительно заряженными ионами металла в шлаке. В результате образуется нерастворимое в расплаве соединение. На подобном явлении основано удаление серы из никелевых расплавов, осуществляемое за счёт образования сульфида кальция Ca>2+>шл + S>2->расрл = CaS>шл (индекс «шл» – шлак). Для создания необходимого количества ионов кальция в шлак добавляют карбид кальция СаС>2 или фторид кальция СаF>2.
Удаление растворённой примеси из расплава может быть осуществлено её взаимодействием со шлаком или флюсом. Примером этого может служить уже описанное связывание серы в сульфид кальция.
Летучие растворённые примеси могут быть удалены из металлических расплавов достаточно высоким перегревом или более надёжным способом – плавкой в вакууме. Достигаемая степень очистки зависит от равновесного давления пара примеси, определяемого её содержанием и коэффициентом активности, от величины остаточного давления над расплавом, от механических препятствий, создаваемых слоем оксидов или шлака, от условий перемешивания расплава и других внешних обстоятельств [1].
Похожие книги
