Статьи
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.
2. 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.
3. Оспенникова О.Г. Стратегия развития жаропрочных сплавов и сталей специального назначения, защитных и теплозащитных покрытий //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 19–36.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. Базылева О.А., Аргинбаева Э.Г., Туренко Е.Ю. Жаропрочные литейные интерме-таллидные сплавы //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 57−60.
11. 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.
12. 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.