Инновационная технология производства жаропрочного сплава ЖС32-ВИ с учетом переработки всех видов отходов в условиях сертифицированного серийного производства ФГУП «ВИАМ»
Разработанная ресурсосберегающая технология переработки 100% литейных отходов жаропрочного сплава ЖС32-ВИ обеспечивает качество литых прутковых заготовок по содержанию примесей, газов и механическим свойствам в соответствии с требованиями ТУ, стабильный химический состав сплавов по основным легирующим элементам, снижение стоимости сплавов и сокращение расхода дефицитных и дорогостоящих легирующих металлов, таких как никель, кобальт, молибден, вольфрам, рений, тантал и другие. Разработанная технология реализована на созданном в ВИАМ научно-производственном комплексе по изготовлению литых прутковых заготовок.
Как показывает отечественный и зарубежный опыт важнейшим условием реализации высоких технических и технологических свойств литейных высокожаропрочных сплавов является технология их производства, которая должна обеспечить такие показатели материала, как стабильность химического состава в минимально узких пределах легирования; ультранизкое содержание вредных примесей: серы, фосфора, кислорода, азота, примесей цветных металлов (свинца, висмута, сурьмы, олова и др.), неметаллических включений; плотное с минимальным количеством усадочных дефектов строение литых прутковых заготовок с качественной поверхностью [1–5].
Такая технология разработана и применяется при производстве литой прутковой заготовки [6–17], в том числе сплава ЖС32-ВИ в условиях ФГУП «ВИАМ» (рис. 1).
Рисунок 1. Производство литых прутковых заготовок сплава ЖС32-ВИ в условиях ВИАМ
В ВИАМ создан научно-производственный комплекс по изготовлению литых прутковых заготовок жаропрочных сплавов, предназначенных для литья лопаток с равноосной, направленной и монокристаллической структурой, который включает в себя отдельные участки, оборудованные современным производственным, аналитическим и испытательным оборудованием, что позволяет обеспечить качество изготовляемой продукции на уровне требований мировых стандартов (рис. 2). Участок сертифицирован Межгосударственным авиационным комитетом.
Технологическая схема получения литых прутковых заготовок из литейных высокожаропрочных сплавов, в том числе сплава ЖС32-ВИ, включает первоначальный входной контроль шихтовых материалов и отходов на соответствие их требованиям ГОСТ и ТУ, выплавку сплава в вакуумной индукционной печи с применением разработанных технологических процессов и разливку металла через пенокерамический фильтр в стальные трубы с утеплительными вставками. Для извлечения прутковых заготовок специально спроектирован и изготовлен гидравлический пресс с рабочим усилием 100 т. После подрезки головной и донной частей прутковых заготовок их поверхность подвергают механической обработке на обдирочно-шлифовальном станке. По сравнению с применяемой ранее токарной обработкой продолжительность механической обработки поверхности заготовок шлифованием сократилось в 20 раз, потери металла сократились более чем в 3 раза (с 8 до 2,4%) при обеспечении высокой чистоты поверхности.
Рисунок 2. Научно-производственный комплекс по изготовлению литых прутковых заготовок никелевых жаропрочных сплавов
Высокое качество жаропрочных сплавов невозможно обеспечить без применения современного вакуумного плавильного оборудования. В ВИАМ имеется оборудование как для разработки сплавов и новых технологий, так и для серийного производства.
Введена в эксплуатацию новая вакуумная индукционная установка последнего поколения VIM150 фирмы АLD (Германия) с емкостью тиглей 650 и 1000 кг, изготовленная по технологическому заданию ВИАМ (рис. 3).
Рисунок 3. Вакуумная индукционная печь VIM150 (фирма ALD, Германия) с емкостью тигля 650 и 1000 кг
Печь оснащена: компьютерным управлением, позволяющим контролировать технологический процесс выплавки жаропрочных сплавов на всех его этапах; оборудованием пробоотбора металла по ходу плавки и дозатором для присадки легирующих добавок, что позволяет поддерживать состав выплавленных сплавов в узких пределах легирования; системой фильтрации металла во время его слива, что обеспечивает высокую чистоту металла по неметаллическим включениям. Конструктивные особенности установки, система вакуумных уплотнений и весьма высокая производительность вакуумных насосов позволяют обеспечить глубокий вакуум (до 5·10-4 мм рт. ст.) и минимальное натекание, что способствует получению готового металла с весьма низким содержанием кислорода и азота.
Для улучшения поверхности прутковых заготовок, технологичности при их механической обработке и повышения выхода годного, металл разливают в калиброванные стальные трубы диаметром 90±1 мм с утеплительными вставками. Разливка металла в полуавтоматическом режиме с использованием компьютерного программного управления позволяет максимально сократить продолжительность разливки и минимизировать неизбежные потери металла. Использование утеплительных вставок дает возможность получить плотные литые заготовки и существенно сократить объем усадочной раковины.
Установка VIM150 имеет конструктивные особенности, которые впервые используются на вакуумных индукционных печах, работающих в Российской Федерации:
– возможность определять содержание кислорода в расплаве в процессе плавки;
– система автоматического поддержания заданной температуры расплава;
– постоянный замер температуры расплава пирометром.
Разработанная технология положена в основу решения другой важной задачи производства литейных жаропрочных сплавов – полного использования всех отходов, образующихся на моторостроительных и ремонтных заводах. В ВИАМ разработана ресурсосберегающая технология рафинирующего переплава всех видов образующихся отходов, в том числе сплава ЖС32-ВИ, в вакуумных индукционных печах, которая позволяет из 100% отходов получить сплавы, полностью отвечающие по чистоте и свойствам требованиям действующих ТУ и не уступающие сплавам, изготовленным из свежих шихтовых материалов на металлургических заводах.
Разработанная технология переработки отходов литейных жаропрочных сплавов реализована на созданном в ВИАМ научно-производственном комплексе по изготовлению литых прутковых заготовок (см. рис. 2).
Схема производства литых прутковых заготовок с применением 100% различных отходов приведена на рис. 4. Это кондиционные отходы в виде литниковых чаш, питателей, коллекторов, забракованных деталей, а также некондиционные отходы в виде гарнисажа с плавильного тигля, скрапины, сплёсов и корольков металла, образующихся при отливке деталей, а также в виде стружки, образующейся после механической обработки отлитых деталей [18].
К некондиционным отходам относятся также лопатки турбин ГТД, которые отработали свой ресурс и уже не пригодны для дальнейшей эксплуатации в двигателях.
В табл. 1 приведены результаты контроля неметаллических включений (НВ) в литой прутковой заготовке Ø90 мм сплава ЖС32-ВИ, изготовленного на металлургическом заводе с применением до 50% отходов и в условиях ВИАМ – с применением 100% отходов, которые были дополнительно отрафинированы и затем залиты через пенокерамический фильтр с активированной поверхностью. Видно, что объемная доля и количество неметаллических включений (НВ) в металле, изготовленном в ВИАМ, в несколько раз меньше, чем в серийном металле. Содержание примесей кислорода и серы в готовом металле понизилось соответственно в 3 и 2 раза.
Рисунок 4. Производство литых прутковых заготовок с применением 100% отходов
Таблица 1
Неметаллические включения (НВ) в литой прутковой заготовке
Ø90 мм из сплава ЖС32-ВИ
Технология плавки | % использования отходов | Объемная доля НВ, % (на 10 полях зрения при ×200) | Среднее количество НВ, шт/мм2 (разброс) | Максимальный размер НВ, мкм | Содержание примесей, % | |
[O] | [S] | |||||
Серийная | До 50 | 0,1626 (0,0555–0,3674) | 373 (164–754) | 19,11 | 0,0009 | 0,00037 |
Разработанная в ВИАМ | 100 | 0,0248 (0,0047–0,0666) | 43 (6–140) | 14,38 | 0,0003 | 0,00016 |
В табл. 2–6 приведены результаты входного контроля и свойства сплава ЖС32-ВИ, изготовленного в ВИАМ с применением 100% отходов, по данным ОАО «ММП им. В.В. Чернышева» и ФГУП «НПЦ газотурбостроения „Салют”». Видно, что по чистоте литых прутковых заготовок (оксидные плены, шлаки, засоры) и содержанию газов (кислород и азот) металл, выплавленный в ВИАМ, находится на уровне серийного металла. Свойства сплава, изготовленного в ВИАМ, в том числе усталостная прочность готовых лопаток, удовлетворяют требованиям ТУ.
Таблица 2
Содержание газов в литых прутковых заготовках сплава ЖС32-ВИ
(литейные отходы поставки ОАО «ММП им. В.В. Чернышева»)
Способ выплавки заготовок | Содержание газов, % (по массе) | |
кислород | азот | |
100% литейных рафинированных отходов | 0,00082 | 0,0003 |
100% свежей шихты (серийный металл) | 0,00085 | 0,00035 |
Таблица 3
Разбраковка партии рабочих лопаток двигателя РД-33 из сплава ЖС32-ВИ
(данные ОАО «ММП им. В.В. Чернышева»)
Способ выплавки литой прутковой заготовки | Вид контроля | % брака | Выход годного, % | ||
засор | плена | итого | |||
100% литейных рафинированных отходов | Визуальный, рентгеновский, люминесцентный | 2,35 | 8,35 | 10,7 | 89,3 |
100% свежей шихты (серийный металл) | То же | 3,5 | 7,7 | 11,2 | 88,8 |
Таблица 4
Контроль чистоты литых прутковых заготовок Ø90 мм из сплавов ЖС32-ВИ и ЖС26-ВИ,
полученных с использованием 100% литейных отходов
(данные ФГУП «НПЦ газотурбостроения „Салют”»)
Сплав | Место контроля заготовки | Вид загрязнений* | ||
шлак | оксидные плены | нитриды | ||
ЖС32-ВИ | Центр | Н/о | Н/о | Н/о |
Периферия | Н/о | Н/о | Н/о | |
ЖС26-ВИ | Центр | Н/о | Н/о | Н/о |
Периферия | Н/о | Н/о | Н/о | |
* Метод контроля загрязненности сплава по ASTM Е1245-00; Н/о – не обнаружен.
Таблица 5
Свойства сплава ЖС32-ВИ, выплавленного с использованием 100%
литейных рафинированных отходов (данные ОАО «ММП им. В.В. Чернышева»)
Технология выплавки (количество отходов) | Длительная прочность t, ч (при 975°С, s=300 МПа) | Предел выносливости рабочих лопаток s-1, МПа (при 20°С, N=2·107 цикл) | Результаты испытаний |
100% рафинированных отходов | 79 (среднее значение) | 190 | Лопатки не разрушились |
Норма по ТУ 1-92-177–91 | ≥40 | – |
Таблица 6
Свойства сплава ЖС32-ВИ, выплавленного с использованием 100%
литейных рафинированных отходов (данные ФГУП «НПЦ газотурбостроения „Салют”»)
Технология выплавки (количество отходов) | sв, МПа | δ, % | Длительная прочность t, ч (при 1000°С, s=280 МПа) | Предел выносливости рабочих лопаток s-1, МПа (при 20°С, N=2·107 цикл) | Результаты испытаний |
100% рафинированных отходов | 116,5;125,2 | 7,2; 8,3 | 40 (снят) | 150 | Лопатки не разрушились |
Норма по ТУ 1-92-177–91 | ≥100 | ≥6 | ≥40 | – |
Технология, разработанная в ВИАМ, обеспечивает качество сплавов на уровне требований мировых стандартов [19].
На рис. 5 приведены результаты испытаний на длительную прочность при температурах 900 и 1000°С сплава ЖС32-ВИ, выплавленного по разработанной технологии с использованием 100% литейных отходов, в сравнении с паспортными характеристиками сплава, выплавленного с использованием только чистых шихтовых материалов. Видно, что значения долговечности сплава ЖС32-ВИ, выплавленного с использованием 100% отходов, соответствуют паспортным характеристикам сплава.
Ресурсосберегающая технология переработки отходов позволяет создать замкнутый цикл возврата дорогих и дефицитных легирующих металлов в производство, обеспечить их экономию и снизить стоимость сплавов без снижения качества.
Рисунок 5. Длительная прочность сплава ЖС32-ВИ (○, ●), выплавленного с использованием 100% литейных отходов:
––––, – – – средние и минимальные значения по паспорту №1540 на сплав ЖС32-ВИ
(100% свежей шихты)
Как видно из данных рис. 6, относительная стоимость сплава ЖС32-ВИ в случае переработки 100% отходов по отношению к коммерческой цене металлургических заводов снижается на ~60%, а сплавов ЖС6У-ВИ и ЖС26-ВИ – на 40%. Таким образом, эффективность снижения стоимости сплавов, выплавленных с использованием 100% отходов, выше на сплаве ЖС32-ВИ, легированном дорогостоящим рением.
Рисунок 6. Относительная стоимость серийных жаропрочных никелевых сплавов
В табл. 7 приведено качество литых прутковых заготовок литейных жаропрочных сплавов, произведенных в ВИАМ и фирмой Cannon Muscegon (США), которая является ведущей зарубежной фирмой по изготовлению аналогичных сплавов. Видно, что как по стабильности химического состава сплавов, так и по содержанию в них примесей, металл, изготовленный в ВИАМ, не уступает по качеству металлу передовой зарубежной фирмы.
Таблица 7
Качество литых прутковых заготовок литейных жаропрочных сплавов производства ВИАМ и фирмы CannonMuskegon (США)
Качество сплава | Технология выплавки сплава | |||
разработанная в ВИАМ | фирмы Cannon Muskegon (США) | |||
Интервал легирования по основным элементам, % | ±(0,2–0,3) | ±(0,2–0,4) | ||
Содержание примесей в сплавах, ppm (1ppm=10-4%) | [O] | по ТУ | ≤10 | ≤10 |
фактическое | 2–5 | 2–6 | ||
[N] | по ТУ | ≤10 | ≤10 | |
фактическое | 1–3 | 1–2 | ||
[S] | по ТУ | ≤10 | ≤12 | |
фактическое | 2–5 | 1–5 | ||
Заключение
Сплав ЖС32-ВИ серийно изготовляется в ВИАМ, в том числе с использованием до 100% отходов, на сертифицированном АРМАК производственном участке, оборудованном современным автоматизированным плавильным, аналитическим и испытательным оборудованием, под контролем военной приемки и по стабильности химсостава, чистоте по примесям, качеству поверхности заготовок и свойствам полностью соответствует ТУ 1-92-177–91 и уровню требований мировых стандартов.
Сплав ЖС32-ВИ может серийно использоваться как свежевыплавленный сплав на моторостроительных заводах для изготовления рабочих лопаток турбин ГТД различного назначения.
- Каблов Е.Н., Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Ригин В.Е., Горюнов А.В. Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 97–105.
- Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е. Производство литых прутковых (шихтовых) заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов /В сб. трудов науч.-технич. конф., посвященной 310-летию уральской металлургии и созданию технико-внедренческого центра металлургии и тяжелого машиностроения. Т. 1. Екатеринбург: Наука Сервис. 2011. С. 31–38.
- Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов А.В., Каблов Д.Е. Высокоэффективные технологии и современное оборудование для производства шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов //Металлург. 2012. №5. С. 26–30.
- Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Организация производства литых прутковых заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Литейное производство. 2011. №10. С. 2–5.
- Сидоров В.В., Ригин В.Е., Тимофеева О.Б., Мин П.Г. Влияние кремния и фосфора на жаропрочные свойства и структурно-фазовые превращения в монокристаллах из высокожаропрочного сплава ВЖМ4-ВИ //Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 32–38.
- Мин П.Г., Сидоров В.В. Опыт переработки литейных отходов сплава ЖС32-ВИ на научно-производственном комплексе ВИАМ по изготовлению литых прутковых (шихтовых) заготовок //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 20–25.
- Сидоров В.В., Тимофеева О.Б., Калицев В.А., Горюнов А.В. Влияние микролегирования РЗМ на свойства и структурно-фазовые превращения в интерметаллидном сплаве ВКНА-25-ВИ //Авиационные материалы и технологии. 2012. №4. С. 8–13.
- Sidorov V.V., Gorynov A.V., Кolmakova N.A. Effect of lanthanum on the higntemperature strength of single crystals of highly refractory alloy VZhM4-VI containing rhenium and ruthenium //Metal Science and heat treatment. 2012. V. 54. №3–4. P. 126–130.
- Pang H.T., Edmonds I.M., Jones C.N., Stone H.J., Rae C.M.F. Effects of Y and La additions on the processing and properties of a second generation single crystal nickel-base superalloys CMSX-4 /In: Superalloys-2012 International Symposium on Superalloys. 2012. P. 301–310.
- Сидоров В.В., Ригин В.Е., Зайцев Д.Е., Горюнов А.В. Формирование наноструктурированного состояния в литейном жаропрочном сплаве при микролегировании его лантаном //Труды ВИАМ. 2013. №1. Ст. 01 (viam-works.ru).
- Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Вершков А.В. Редкие металлы и редкоземельные элементы – материалы современных и будущих высоких технологий //Труды ВИАМ. 2013. №2. Ст. 01 (viam-works.ru).
- Сидоров В.В., Исходжанова Н.В., Ригин В.Е., Фоломейкин Ю.И. Оценка эффективности фильтрации при разливке сложнолегированного никелевого расплава //Электрометаллургия. 2011. №11. С. 17–22.
- Обдирочно-шлифовальный станок: пат. 2399477 Рос. Федерация; опубл. 04.02.2009.
- Каблов Д.Е., Сидоров В.В., Мин П.Г. Влияние примеси азота на структуру монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ и разработка эффективных способов его рафинирования //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 32–36.
- Каблов Д.Е., Сидоров В.В. Азот в монокристаллических жаропрочных сплавах //Литейное производство. 2012. №3. С. 6–8.
- Каблов Д.Е., Чабина Е.Б., Сидоров В.В., Мин П.Г. Исследование влияния азота на структуру и свойства монокристаллов из литейного жаропрочного сплава ЖС30-ВИ //МиТОМ. 2013. №8. С. 3–7.
- Каблов Д.Е., Беляев М.С., Сидоров В.В., Комарова Т.И. Исследование влияния азота на малоцикловую усталость монокристаллов жаропрочного никелевого сплава ЖС30-ВИ //МиТОМ. 2012. №7. С. 46–47.
- 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.
- Каблов Е.Н., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с монокристаллической и композиционной структурой //Авиационные материалы и техно-логии. 2012. №1. С. 3–8.