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

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»)

Таблица 3

Разбраковка партии рабочих лопаток двигателя РД-33 из сплава ЖС32-ВИ

(данные ОАО «ММП им. В.В. Чернышева»)

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”»)

* 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»)

Таблица 6

Свойства сплава ЖС32-ВИ, выплавленного с использованием 100%

литейных рафинированных отходов (данные ФГУП «НПЦ газотурбостроения „Салют”»)

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)

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.