Статьи

 




УДК 669.018.44
А. В. Беликов, В. В. Герасимов, Е. М. Висик
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.

Ключевые слова: жаропрочные сплавы, монокристаллические лопатки, оборудование для направленной кристаллизации, испол

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
при 20°С; δ≥10%;

 

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
при 20°С; δ≥8%;

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.


ЛИТЕРАТУРА
1. 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.
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.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.