Технология получения образцов для аттестации жаропрочных сплавов, выплавленных с применением отходов литейного производства заводов отрасли
Описан процесс аттестации механических свойств шихтовых прутковых заготовок, изготовленных в ВИАМ с применением отходов литейного производства заводов отрасли. Для получения монокристаллических заготовок под образцы для определения механических свойств по техническим условиям на сплав предложено использовать полупромышленную установку направленной кристаллизации В-1790, что дает большой экономический эффект в случае малотоннажного производства и поставки сплавов по заявкам предприятий отрасли.
В ВИАМ разработана ресурсосберегающая технология производства шихтовых прутковых заготовок жаропрочных и интерметаллидных сплавов с использованием до 100% кондиционных литейных отходов, позволяющая снизить стоимость сплава на 20–80% в зависимости от количества отходов, без снижения их качества [1–4]. В настоящее время заводам отрасли поставлено более 250 т прутковых заготовок жаропрочных и интерметаллидных сплавов [5].
Жаропрочные сплавы для монокристаллического литья с ультравысокой чистотой по примесям производят при использовании современного вакуумного плавильного и литейного оборудования [6, 7].
Для аттестации сплавов сдаточными характеристиками являются химический состав плавки и механические свойства контрольных образцов в соответствии с ТУ. При этом для проверки уровня свойств необходимо небольшое количество образцов (от одного до четырех штук) с монокристаллической структурой определенной кристаллографической ориентации (КГО). На промышленных литейных установках для направленной кристаллизации УВНК-9А одновременно получают до 18 заготовок под образцы с расходом 8 кг жаропрочного сплава. В лабораторной установке В-1790, которая является прототипом установок типа УВНК [8], за одну плавку получают 4 цилиндрические заготовки под образцы с расходом всего 2 кг дорогостоящего жаропрочного сплава. Кроме того, масса керамической формы образцов для установки В-1790 составляет 1,6 кг, а формы для установки УВНК-9: 3,33 кг (при одновременной заливке двух форм: 6,66 кг). Налицо экономия порошков электрокорунда, этилсиликата в 2–4 раза. Расход электроэнергии на плавку в установке В-1790 в 3 раза меньше, чем в установке УВНК-9. Поэтому получение образцов в небольших количествах для аттестации механических свойств поставок шихтовых прутковых заготовок жаропрочных сплавов целесообразно выполнять на установке В-1790.
Вакуумная установка В-1790 предназначена для отработки технологии литья монокристаллических образцов и лопаток из разрабатываемых в ВИАМ жаропрочных и интерметаллидных сплавов. Она снабжена кольцевым двухзонным нагревателем сопротивления, приводом вертикального перемещения форм с широким диапазоном регулирования скоростей, обеспечивающим кристаллизацию даже эвтектических сплавов типа ВКЛС, сменными кристаллизационными узлами с различными охлаждающими средами, дозатором, позволяющим при необходимости вводить в расплав до шести легирующих компонентов, термопарой погружения и оптическим пирометром для контроля температуры расплава, вакуумной системой из бустерного и механического насосов, обеспечивающих в плавильной камере вакуум (1–5)·10-3мм рт. ст. Установка имеет современную двухуровневую систему компьютерного управления, обеспечивающую управление всеми агрегатами и исполнительными механизмами установки, поддержание с высокой точностью параметров технологического процесса, их запись и хранение как в цифровой, так и в графической форме. Общий вид установки и шкафа управления представлены на рис. 1.
Рисунок 1. Общий вид установки направленной кристаллизации В-1790 (а), шкаф управления установкой с компьютером (б)
Технические характеристики установки В-1790
Потребляемая мощность, кВт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 110 |
Рабочая среда: вакуум, Па (мм рт. ст.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 1,33·10-1 (1·10-3) |
Емкость тигля (по никелю), кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 5 |
Температура печи подогрева формы (ППФ), °С . . . . . . . . . . . . . . . . | 1650 |
Температура металла в тигле, °С . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 1600 |
Скорость перемещения формы, мм/мин: первая ступень . . . . . . . . . вторая ступень . . . . . . . . . |
0,54–54 4,86–486 |
Размер формы (диаметр, высота), мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 130×300 |
Максимальный температурный градиент, °С/см . . . . . . . . . . . . . . . . | 60 |
Путь формы при кристаллизации, мм . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 500 |
Занимаемая площадь, м2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | 10,5 |
Источник питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | ППЧ-63-8,0. |
Для аттестации поставляемых шихтовых заготовок на установке В-1790 используют керамические блоки, состоящие из заливочной чаши и четырех цилиндрических заготовок Æ16 мм и длиной 200 мм, закрепленных на специальной подвеске из молибденовых прутков и графитовых пластин. Формы изготовляют по стандартной цеховой технологии с нанесением восьми слоев огнеупорного покрытия. В прокаленные формы в соответствующие гнезда устанавливают затравки из сплава никель–вольфрам с заданной кристаллографической ориентацией (для сплавов типа ЖС используют затравки с КГО [001], для интерметаллидных сплавов – с КГО [111]). Характерные температурные кривые параметров процесса получения монокристаллических образцов из сплава ЖС32 представлены на рис. 2.
Рисунок 2. Характерные температурные кривые параметров получения монокристаллических образцов сплава ЖС32 на установке В-1790: ППФ(В), ППФ(Н) – показания термопар на нагревателях печи подогрева форм: верх и низ соответственно; ТЕРА – показания оптического пирометра
При получении монокристаллов других сплавов меняются температуры нагревателей, температура расплава перед сливом его в форму и скорость кристаллизации.
После окончания процесса и охлаждения установки до комнатной температуры ее развакуумируют, форму с отливкой извлекают из нагревательной печи, освобождают от керамической оболочки. Образцы отрезают от заливочной чаши, и проявляют макроструктуру полученных заготовок травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 3:1 или смеси азотной и фтористоводородной кислот и воды в соотношении 1:1:1 в зависимости от сплава (например, для сплава ВЖМ4). Контроль макроструктуры осуществляют сначала визуально по фигурам травления, а затем рентгеновским методом на поперечных срезах стартовых конусов перпендикулярно оси образца с помощью рентгеновской установки ДРОН-3 [8].
На рис. 3 представлена микроструктура образцов в поперечном сечении из сплавов ВКНА-1В с КГО [111] и ЖС32 с КГО [001]. На рис. 4 представлена морфология упрочняющей γ′-фазы при КГО образцов [111] и [001] в осях дендритов и в межосных участках. Видно, что форму частиц γ'-фазы определяет КГО образцов. При КГО [111] – частицы упрочняющей фазы треугольной формы, при [001] – они выстраиваются в виде кубоидов.
Рисунок 3. Микроструктура образцов из сплавов ВКНА-1В [111] (а) и ЖС32 [001] (б)
Рисунок 4. Морфология (×10000) γ'-фазы при КГО образцов [111] (а) и [001] (б) в осях дендритов (слева) и в межосных участках (справа)
Монокристаллические заготовки, стартовые конусы которых имеют отклонение по КГО ≤10 град от заданного направления, передают на изготовление образцов для механических испытаний. Испытания осуществляются в соответствии с техническими условиями на конкретный сплав. В таблице представлены результаты испытаний образцов из некоторых жаропрочных литейных сплавов, выплавляемых в ВИАМ, на соответствие нормам ТУ, в том числе с использованием кондиционных отходов. Годной считается плавка, отвечающая нормам ТУ.
Результаты механических испытаний жаропрочных литейных сплавов, выплавляемых в ВИАМ, на соответствие нормам ТУ [9–12]
Сплав | Условный номер плавки | Отклонение от заданной КГО, град | σв, МПа
| δ, % | Долговечность τ, ч | Нормы по ТУ |
ЖС32 | 13ТР-18 | 3,8 | – | – | 84,0 | σ40975° =300 МПа [6] |
13ТР-30 | 8,0 | – | – | 62,0 | ||
13ТР-07 | 4,0 | – | – | 77,5 | ||
12ТР-232 | 3,8 | – | – | 82,0 | ||
12ТР-178 | 2,6 | – | – | 78,5 | ||
12ТР-186 | 1,9 | – | – | 67,0 | ||
12ТР-221 | 0,5 | – | – | 87,5 | ||
12ТР-226 | 3,8 | – | – | 80,0 | ||
ВКНА-1В | 11я-161 | 6,0 | 120 | 12,0 | 60,0 | σв≥100 МПа
σ401100° =90 МПа [7, 11] |
я-162 | 3,5 | 117 | 13,5 | 48,0 | ||
я-163 | 0,6 | 160 | 14,0 | 53,5 | ||
я-164 | 6,5 | 106 | 15,0 | 50,0 | ||
13-22В | 2,4 | 157 | 16,0 | 73,0 | ||
13-23В | 1,3 | 163 | 17,5 | 72,0 | ||
13-24В | 3,8 | 171 | 15,5 | 70,0 снят | ||
13-25В | 0,8 | 185 | 17,0 | 70,0 снят | ||
ЖСКС-2 | 12КС-231 | 2,3 | 124 | 13,0 | 138 | σв≥100 МПа σ40975° =245 МПа [8] |
| 4,2 | 121 | 16,0 | 142 | ||
ВЖМ4 | 12ЖР-216 | 4,0 | – | – | 110 | σ801000° =300 МПа [6] |
12ЖР-217 | 1,7 | – | – | 99 |
Полученные значения предела прочности σв и долговечности τ жаропрочных сплавов, выплавленных по ресурсосберегающей технологии, соответствуют требованиям ТУ по всем характеристикам.
Проанализированные результаты показывают стабильность металлургического производства шихтовых заготовок жаропрочных сплавов и технологии литья монокристаллических образцов для контроля механических свойств.
В работе принимали участие Н.А. Кузьмина, Л.М. Шишкарева, Т.Б. Французова.
- Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Организация производства литых прутко-вых заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Литейное производство. 2011. №10. С. 2–5.
- Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов А.В., Мин П.Г., Каблов Д.Е. Получение Re–Ru-содержащего сплава с использованием некондиционных отходов //Металлургия машиностроения. 2012. №3. С. 15–17.
- Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Каблов Е.Н., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов А.В. Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поко-ления //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 97–105.
- Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2011. №2. С. 68–78.
- Сидоров В.В., Исходжанова И.В., Ригин В.Е., Фоломейкин Ю.И. Оценка эффек-тивности фильтрации при разливке сложнолегированного никелевого расплава //Электрометаллургия. 2011. №11. С. 17–23.
- Толорайя В.Н., Остроухова Г.А., Демонис И.М. Формирование монокристалличе-ской структуры литых крупногабаритных турбинных лопаток ГТД и ГТУ на уста-новках высокоградиентной направленной кристаллизации //МиТОМ. 2011. №1. С. 25–33.
- Каблов Е.Н., Петрушин Н.В., Светлов И.Л., Демонис И.М. Никелевые литейные жаропрочные сплавы нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 36−52.
- Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерме-таллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57−60.
- Герасимов В.В., Висик Е.М., Бакерин С.В. Изготовление протяженных литых заготовок из сплава ВКНА-1В направленной кристаллизацией //Литейное производство. 2011. №10. С. 35–38.
- Каблов Е.Н., Ломберг Б.С., Оспенникова О.Г. Создание современных жаропроч-ных материалов и технологий их производства для авиационного двигателестроения //Крылья Родины. 2012. №3–4. С. 34–38.