автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии производства отливок из никелевых жаропрочных сплавов с использованием высокотемпературной обработки расплава и модифицирования РЗМ

комитет российской федерации по высшей школе

московским государственный институт стали и сплавов < технологический университет )

од

у-'-. на правах рукописи

УДК 621.74,5.55:669.245.018.44

САРДОВ Александр Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК ИЗ НИКЕЛЕВЫХ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБРАБОТКИ РАСПЛАВА И МОДИФИЦИРОВАНИЯ РЗМ.

Специальность 05.16.04 - "Литейное производство -чёрных и

цветных металлов"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 1994

Диссертационная работа выполнена на кафедре технологии литейных процессов Московского Государственного института стали и сплавов

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Козлов Л.Я.

кандидат технических наук, доцент Романов Л.М.,

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Стомахин А.Е.

кандидат технических наук Волков В.А.

Ведущее предприятие: Государственное предприятие НПО "ТЕХНОМАИ" г. Москва

Защита диссертации состоится 29 1994 г. в часов на заседании диссертационного совета_по

присуждению учёных степеней в области литейного производства чёрных и цветных металлов при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский пр-т, д.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Справки по телефону: 237-84-45

Автореферат разослан <££ иояЪрЛ 1994 года.

-о-

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

БОРОДИН Д.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технический прогресс в области теплоэнергетики, авиации, космической и оооронкой техники существенно зависит от качества отливок из никелевых жаропрочных сплавов.

Значительные резервы повышения их служебных свойств открывает использование физико-химических методов воздействия на характер кристаллизации расплавов, которые позволяют эффективно управлять зарождением и ростом твердых фаз в процессе формирования литой структуры. Из оольшого количества методов управления процессом затвердевания наиболее экономичным и перспективным является высокотемпературная обработка расплавов (ВТОР) и модифицирование РЗМ. Получение стабильно высоких эксплуатационных свойств в отливках из таропрочных сплавов сдерживаются отсутствием надежного научно-обоснованного подхода к выбору оптимальных режимов ВТОР и модифицирования РЗМ.

Создание технологий ВТОР требует более полного понимания механизма воздействия высоких температур и модифицирования на состояние металлических расплавов и управления процессами кристаллизации. Активно воздействовать на процессы зародышеобразования и регулировать скорость роста твердой фазы позволяют добавки РЗМ. Поэтому совместное использование высокотемпературной обработки и модифицирования РЗМ открывает существенные резервы повышения свойств отливок из никелевых жаропрочных сплавов.

Исследования проводили по заказу министерства науки РФ "Разработка теоретических основ управления структурой и свойствами литых сплавов путем воздействия на жидкие и кристаллизующиеся металлические расплавы", а так же в рамках единого наряд-заказа комите-

та по высшей школе: "Исследование жидкого состояния металлических расплавов и изыскание эффективных спосооов воздействия на процесс! рафинирования, формирования литой структуры и служебных свойств сплавов".

Цель раооты. Выявление механизма воздействия ВТОР и модифицирования РЗМ на параметры кристаллизации, литую структуру и служебные характеристики никелевых жаропрочных сплавов. Разработка на этой основе высокоэффективной технологии производства отливок из сплавов ЦНК7П и ЦНК21П.

Для решения этой проблемы были поставлены следующие задачи:

- исследование воздействия высоких температур на характер кристаллизации и структуру никелевых жаропрочных сплавов;

- выявление механизма воздействия высоких перегревов и времени выдержки на параметры кристаллизации, литую структуру и служебные свойства никелевых жаропрочных сплавов;

- изучение совместного влияния высокотемпературной обработки и модифицирования РЗМ на параметры кристаллизации, литую структуру и служебные свойства сплавов;

- определение оптимальных режимов проведения высокотемпературной обработки и модифицирования никелевых жаропрочных сплавов.

Научная новизна. Выявлен механизм воздействия высоких температур на формирование литой структуры и служебных свойств сплавов с интерметаллидным и кароидо-интерметаллидным упрочнениями. Установлено, что высокие перегревы существенным образом изменяют условия зарождения кристаллов твердой фазы. Показано, что не зависимо от вида сплава, высокие перегревы вызывают возникновение глубоких переохлаждений, что резко меняет характер кристаллизации сплавов. Изменения возникающие в процессе кристаллизации связаны с гомоге-

- Ь -

низациея жидкого расплава, удалением и нейтрализацией подложек для зарождения кристаллов твердой фазы.

Показан различный характер воздействия высоких перегревов на примере сплавов ЖС36, ЦНК8МП, ЖСЛ750, ЖС32, ЦНК7П, ЦНК21П.

Экспериментально установлено, что сплавы с интерметаллидным упрочнением (ЖС36, ЦНК8МП и ЖСЛ750) начинают переохлаждаться при нагреве до температур выше 1600 °С, длительное пребывание сплавов в ооласти высоких перегревов приводит к смещению начала кристаллизации ниже температуры равновесного солидуса и появлению в структуре сплавов неравновесных включений "белой фазы".

Осооенности кристаллизации сплавов с карбидо-интерметаллидным упрочнением зависят от температурно-концентрационных условий выделения кароидов. Эти сплавы начинают заметно переохлаждаться после нагрева выше 1650 °С. Нагрев сплавов выше 1750 °С вызывают смещение начала кристаллизации до температуры выделения карбидной эвтектики. Появление неравновесных включений "белой фазы", снижающих служебные свойства, этих сплавов происходит при нагреве выше 1800 °С и выдержке расплава при этой температуре более 15 мин.

Показано, что в процессе ВТОР наблюдается закономерное повышение содержания кислорода в сплавах ЦНК7П и ЦНК21П. После проведения высокотемпературной обработки содержание кислорода в сплавах возрастает от 0,0018 до 0,0038 % мае.

Установлено, что добавки РЗМ в никелевые сплавы позволяют сформировать в расплаве подложки для зарождения карбидных либо инте-рметаллидных включений, что позволяет исключить возможность появления грубых выделений "белой фазы" в процессе кристаллизации. Добавки иттрия в жаропрочные сплавы позволяют сформировать включения

- б -

с благоприятной морфологией, значительная часть которых захватывается шлаком, что обеспечивает глубокую очистку сплавов от кислорода. Благодоря чему удалось снизить содержание кислорода в сплава: ЦНК7П и ЦНК21П до уровня ниже 0,001 % мае.

Практическая значимость. Реализована на НПО "Сатурн" технология высокотемпературной обработки расплава с использованием модифицирования иттрием, позволяющая стабилизировать свойства литы? изделий и в частности длительную прочность на уровне в 6-9 раг превышающие требуемые. Применение иттрия позволило снизить содержание кислорода в сплавах до уровня ниже требований ТУ.

Получены аналитические зависимости доя сплавов ЖС32, ЖС36, ЦНК7П и ЦНК21П позволяющие прогнозировать структуру получаемых отливок в зависимости от режима проведения ВТОР.

Предложены различные режимы проведения ВТОР и модифицирования РЗМ никелевых жаропрочных сплавов ЦНК7П и ЦНК21П. В частности, удалось сократить время плавки этих сплавов на 12 минут.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на всероссийской научно-технической конференции "Физико-химия металлических и шлаковых расплавов" (Екатеринбург, 1993).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована I статья и I тезисы доклада.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, списка литературы, включающего наименования.

Основное содержание работы изложено на страницах текста с приложением таблиц и рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ диссертации

Методика проведения экспериментов

Объектом исследования служили две группы промышленных жаропрочных сплавов: первая группа с интерметаллидным упрочнением (ЖС36, ЗКСЛ750, ЦНК8МП) и вторая группа с карбидо-интерметаллидным упрчнением (ЖС32, ЦНК7П, ЦНК21П, ЖСЗДК, ЖС6У).

Было проведено три серии экспериментов. В первой серии исследовали влияние перегрева на параметры кристаллизации и структуру исходных сплавов. Во второй серии изучали совместное влияние перегрева и выдержки на параметры кристаллизации, структуру и свойства сплавов. В третьей серии было исследовано совместное влияние ВТОР и РЗМ на параметры кристаллизации, литую структуру и служебные свойства сплавов.

Экперименты проводили на установке дифференциального термического анализа (ДТА), разработанной на кафедре ТЛП и созданной на базе высоковакуумной печи СШВ-1.2-2,5^25И. Разность температур между образцом и эталоном измерялась с помощью батареи из десяти последовательно включенных термопар ВР5/20. Температуру образца измеряли прямой термопарой ВР5/20. Чувствительность дифференциальной термопары позволяла фиксировать разность температур образца и эталона с точностью 0,1 °С. Управление печью, регистрацию и обработку экспериментальных данных осуществляли с помощью персонального компьютера типа 1вм рс хт.

Влияние температуры на параметры кристаллизации исследовали путем нагрева образцов (массой 23±1,0 г) до фиксированных температур от 1600 до 1800 °С. Температуру изотермической выдержки меняли

- а -

с шагом в 50 °С. Минимальное время выдержки составляло 3 мин., < максимальное 15 мин. Плавки проводили в вакууме при остаточно! давлении менее 0,01 Па. Для модифицирования использовали иттри! марки ИтМ-1 <ТУ 48-4-208-72) в количестве от 0,05 до 0,2 % (мае.) Скорость нагрева и охлаждения образцов в жидком состоянии составляла 25 °С/мин. При снятии параметров кристаллизации скорость охлаждения составляла 5-8 °С/мин.

Металлографические исследования проводили на микроскопе "неогот-23". Качественное распределение элементов в структуре сплавов исследовали на рентгеновском микроанализаторе "самевах-.

Содержание кислорода, азота, углерода определяли на установке фирмы "ьеко" га-122, и тс-136. Содержание РЗМ определял!

химическим и спектральным методами анализа.

Испытания сплавов на растяжение и длительную прочность проводили при температурах +20 - +900 °С в соответствии с Г0СТ1497-84 и Г0СТ9651-84.

Промышленное опробование технологических рекомендаций по ВТОБ и модифицированию РЗМ проводили в условиях НПО "Сатурн".

Влияние режимов проведения ВТОР на кристаллизацию, структуру и служеоные свойства никелевых жаропрочных сплавов.

Сплавы с интерметаллидным упрочнением

Результаты исследования параметров кристаллизации сплавов представление в табл.1 показывают, что сплавы с интерметаллидным упрочнением (I, 2, 3) начинают сильно переохлаждаться уже при незначительных перегревах. Величина переохлаждения возрастает с уве-

Таблица I.

Влияние температуры перегрева и времени выдержки на параметры кристаллизации сплавов ЦНК8МП, ЖС36, ЖСЛ750

Т Время Т нач. Т кон. Интервал дТ

№ Сплав ВТОР выд., крист. крист. кристал.

п/п . °С мин. ,°о ,°с ,°с

1500 3 1355 1285 70 0

1600 3 1340 1285 55 15

15 1313 1285 28 42

Г650 3 1325 1285 40 30

15 1284 1285 I 71

I ЦНК8МП 1700 3 1300 1285 15 55

15 1277 1285 8 78

1750 3 1289 1285 4 66

15 1274 1283 9 81

1800 3 1280 1285 5 75

15 1268 1281 13 87

1500 3 1405 1330 75 0

1600 3 1405 ГЗЗО 75 0

15 1350 1330 20 55

1650 3 1385 1330 55 20

15 1340 1330 10 65

2 ЖС36 1700 3 1365 1330 35 40

15 1325 1330 5 80

1750 3 1343 1330 13 62

15 1320 1328 8 85

1800 3 1325 1330 5 80

15 1310 1325 15 95

1500 3 1360 1280 80 0

1600 3 1335 1280 55 25

15 1316 1280 36 44

1650 3 1328 1280 48 32

15 1303 1280 23 57

3 ЖСЛ750 1700 3 1307 1280 27 53

15 1286 1280 6 74

1750 3 1292 1280 12 68

15 1279 1280 I 81

1800 3 1283 1280 3 77

15 1276 1280 4 84

личением температуры и времени изотермической выдержки. После нагрева выше 1750 °С эти сплавы начинают затвердевать ниже температуры равновесного солидуса. При перегревах выше 1700 °С время выдержки слабо сказывается на величине переохлаждения. С ростом переохлаждения и соответственно сокращением времени кристаллизации измельчается дендритное строение сплавов,-происходит изменение размеров выделений "белой фазы". Зависимость эта носит экстремальный

Зависимость среднего размера выделений

'белой фазы" от величины переохлаждения и времени кристаллизации сплавов

а,

Ут,(сек1'2)

эвт.

4

5

6

7 8

8

мкм

20

30

10

О 10 го 30 40 50 60 70 80 90 100

АТ, С°->

РИС.1.

характер. По мере снижения температуры начала кристаллизации примерно до температуры солидус размеры включений "белой (базы" уменьшаются с 30 до 8 мкм. Однако дальнейшее увеличение переохлаждений вызывает рост этих включений < рис.1 >.

Сильное смещение начала кристаллизации ниже температуры равновесного солидуса приводит к появлению в структуре сплавов от 5 до 10 % об. грубых выделений "белой фазы", размеры включений которой увеличиваются пропорционально корню квадратному из времени от начала до конца кристаллизации сплава ( рис.1 ). После высокотемпературной гомогенизации часть этих включений исчезает, что позволяет связать их появление с неравновесным затвердеванием сплавов.

Известно, что термодинамически устойчивые оксидные включения остающиеся в расплаве после проведения ВТОР не являются подложками для зарождения кристаллов никеля, поэтому сплавы могут переохлаждаться до температуры солидус и ниже, где становится возможным преимущественное образование кристаллов интерметаллида. При этом происходит изменение последовательности выделения фаз. Первичные кристаллы "белой фазы" были нами обнаружены в сплавах ЖС36, ЖСЛ750 (рис.2>. По своему составу эти выделения ближе к интерметаллидам типа N;з<д(,т;,1чь) и м;3(д|,№>>. С повышением переохлаждения, ниже температуры солидуса, увеличивается временной интервал в котором может формироваться интерметаллидная фаза, что объясняет укрупнение включений г '-фазы.

Как показано выше высокотемпературная обработка сплавов ЖС36, ЖСЛ750 и ЦНК8МП вызывает возникновение глубоких переохлаждений, сокращение интервала и времени кристаллизации, измельчение дендритного строения и улучшение однородности литой структуры. Что положительно сказывается на служебных свойствах сплавов.

- 12 -

Микроструктура сильно пере охлажденных никелевых сплавов ХС36 и 2СЛ750

а) Сплав ЖС36

б) Сплав ЖСЛ750

- 13 -

Сплавы с карОидо-интерметаллидным упрочнением

Отличительной особенностью сплавов с карбидо-интерметаллидным упрочнением от сплавов с интерметаллидным упрочнением является то, что нагрев до 1650°С не приводит к заметным изменениям в характере затвердевания сплавов. Вместе с тем перегрев до более высоких температур вызывает возникновение сильных переохлаждений. Так после нагрева расплава до 1800 °С начало кристаллизации смещается к температуре образования карбидов ( табл.2). С увеличением температуры перегрева влияние времени выдержки сказывается слабее, чем воздействие температуры. Поэтому можно допустить, что в расплавах происходят диффузионно-кинетические превращения связанные с дезактивацией центров зарождения твердого раствора никеля. Обычно подложками являются твердые неметаллические включения, с относительно невысокой термодинамической устойчивостью в расплаве. В никелевых сплавах это скорее всего карбидные и карбояитридные включения, которые при небольших перегревах могут весьма долго в силу кинетических факторов присутствовать в жидких сплавах.

Никелевые сплавы, содержащие титан и углерод, начинают сильно переохлаждаться после их перегрева выше температуры плавления титана (1670 °С и выше). Видимо в этой области температур соединения титана резко теряют свою термодинамическую устойчивость, что приводит к ускорению их растворения.

Анализ карбидных включений позволил обнаружить, что они далеко не однородны по своему строению. Часть из них сформировалась на выделениях нитрида титана и оксидах сложного состава (рис.3). Оксидные включения представляют собой сложные фазы, в составе которых обнаружении алюминий, РЗМ, магний, а так же ниобий и кремний.

Таблица 2.

Влияние температуры перегрева и времени выдержки на параметры кристаллизации сплавов ЖС32, ЦНК7П, ЦНК21П

Т Пр. Время Т нач. Т нач. Т кон. Интервал ДТ

№ Сплав ВТОР ВЫД. , крист. выд.кар. крист. кристал.

п/п , °С мин. ,°с ,°с ,°с ,°С

1500 3 1395 1355 1320 75 0

1600 3 1395 1355 1320 75 0

15 1395 1355 1320 75 0

1650 3 1395 1355 1320 75 0

15 1395 1355 1320 75 0

4 ЖС32 1700 3 1370 1355 1320 50 25

15 1365 1355 1320 45 30

1750 3 1370 1355 1320 50 25

15 1366 1355 1320 46 29

1800 3 1355 1355 1320 35 40

15 1355 1355 1320 35 40

1500 3 1340 1295 1280 60 0

1600 3 1340 1295 1280 60 0

15 1340 1295 1280 60 0

1650 3 1340 1295 1280 60 0

15 1335 1295 1280 55 5

5 ЦНК7П 1700 3 1310 1295 1280 30 . 30

15 1305 1295 1280 25 35

1750 3 1300 1295 1280 20 40

15 1295 1295 1280 15 45

1800 3 1295 1295 1280 15 45

15 1295 1295 1280 15 45

1500 3 1330 1280 1270 60 0

1600 3 1330 1280 1270 60 0

15 1330 1280 1270 60 0

1650 3 1330 1280 1270 60 0

15 1320 1280 1270 50 ■ 10

6 ЦНК21П 1700 3 1295 1280 1270 25 35

15 1288 1280 1270 18 42

1750 3 1285 1280 1270 15 45

15 1280 1280 1270 10 50

1800 3 1280 1280 1270 10 50

15 1280 1280 1270 10 50

Кароонитрвдные включения в сплаве ЦНК21П

в.

г.

а) Вторичные электроны (* 1500) о) Распределение титана

в) Распределение ниобия

г) Распределение вольфрама

Таким ооразом формирование карбидов происходит в расплавах на термодинамически более устойчивых оксидных включениях. Поскольку данные включения в процессе ВТОР не успевали полностью раствориться, то в расплаве до начала кристаллизации сохраняются подложки на которых могут зарождаться карбидные и карбонитридные фазы переменного состава. Эти фазы возможно служат центрами зарождения аусте-нита, что приводит к прекращению роста переохлаждений с перегревом.

Перегрев сплавов выше 1800 °С и выдержка более 15 мин. приводит к появлению грубых выделений кристаллов первичной г "-фазы, что отрицательно сказалось на длительной жаропрочности этих сплавов (рис.4).

Следует выделить некоторые особенности воздействия глубоких переохлаждений на структуру и свойства сплавов с карбидо-интерме-таллидным упрочнением. У этих сплавов переохлаждение способствует улучшению морфологии карбидных включений, однако их средние размеры могут при этом несколько увеличиваться с 2,5 до 4 мкм. Лучшие результаты получаются после высокотемпературной обработки, когда начало кристаллизации смешается к температуре выделения карбидной эвтектики. Проведение ВТОР в условиях НПО "Сатурн", нагрев расплава до 1760 °С, выдержка 7 мин. и охлаждение до температуры заливки 1580 °С, сплавов ЖС32, ЦНК7П и ЦНК21П позволило увеличить длительную жаропрочность в 2-5 раз выше требований ТУ.

К сплавам ЦНК7П и ЦНК21П предъявляют жесткие требование к чистоте по кислороду. Проведенные экспериментальные исследования показали, что получить содержание кислорода в сплавах после проведения ВТОР ниже 0,0020 % при существующей технологии подготовки расплава к заливке невозможно (табл.3). Фильтрация расплава предусмо-

¿лпянае температуры проведения ВТОР на длительную прочность сплавов ХС32 и ЦНК21П

_

_1_I

1сОО ¿¿го XV 0'"1 1/г.и аас-о

7 -'с _

1. Сплав ¡КС32 т

2. Сплав ЦНК21П т

1СОО 280 850

г 40

Таблица 3.

Содержание кислорода в сплавах ЦНК7П и ЦНК21П до и после ВТОР

Сплав № плавки Содержание кислорода до проведения ВТОР мае. % Содержание кислорода после проведения ВТОР мае. %

38282 0,0009 0,0032

38248 0,0009 0,0035

ЦНК7П 38250 0,0010 0,0029

38262 0,0015 0,0041

38263 0,0018 0,0042

38274 0,0019 0,0032

18832 0,0017 0,0054

ВДК21П 18833 0,0016 0,0072

18836 0,0010 0,0038

18870 0,0017 0,0051

тренная действующей технологией не дает положительных результатов, поскольку при температуре заливки сплавов ^1580 °С и столь низких концентрациях кислорода оксиды алюминия не образуются (кислород растворен в расплаве). Поэтому возникла необходимость дополнительного рафинирования расплава от кислорода, чтобы обеспечить его остаточное содержание в сплаве ниже 0,002 %.

- 19 -

Технология совместного проведения высокотемпературной оораоотки и модифицирования иттрием никелевых сплавов

В наибольшей мере для решения поставленной задачи подходит иттрий, который является наиболее химически активным среди РЗМ.

Сплавы первой группы после введения 0,05-0,2 % у как и исходные начинают при кристаллизации переохлаждаться, что приводит к измельчению дендритных ячеек и включений "белой фазы" в 1,1 - 1,3 раза. Характер кристаллизации при этом не изменяется. Однако в области высоких перегревов выше 1700 °С модифицированный сплав переохлаждается значительно слабее, чем сплав без добавок иттркя (табл.1, 4).

У жаропрочных сплавов второй группы, содержащих углерод, добавки РЗМ повышают на 5-10 °С температуру выделения карбидов и не изменяют характер кристаллизации (табл.2, 4). Структурные изменения связаны с улучшением морфологии оксидных и карбидных включений. Последнее непосредственно связано с повышением температуры выделения сложных карбидов (М,РЗМ)С в кристаллизующихся сплавах.

Известно, что иттрий формирует оксидные включения с высокой термической устойчивостью, которые, практически, не растворяются при температурах проведения ВТОР. Константа равновесия реакции раскисления для иттрия на четыре порядка выше, чем для алюминия:

м ао3 «-* г [Д11 + з [сп>

у3о3 <-* 2 [у] +з (01;

2

3

20204

т

г

+ 6,17; ТА) ) 3 [О] = 2,9-10

а1

о

г

т

Таблица 4.

Совместное влияние ВТОР и модифицирования на параметры кристаллизации никелевых жаропрочных сплавов

Сплав кол-во У, ВТОР Т н.кр. Т реак Т к.кр. Т лик. Т сол. ДТ

% мае. °с °С °С °с °с °С °С

1600 1385 — 1330 20

0,05 1700 1370 — 1330 1405 1330 35

1800 1340 — 1330 65

1600 1385 — 1330 20

ЖС36 0,1 1700 1375 — 1330 1405 1330 30

1800 1350 — 1330 55

1600 1390 — 1330 15

0,2 1700 1380 — 1330 1405 1330 25

1800 1350 — 1330 55

1600 1330 1280 1270 0

0,05 1700 1293 1280 1270 1330 1270 37

1800 1280 1280 1270 50

1600 1330 1285 1270 0

ЦНК21П 0,1 1700 1295 1285 1270 1330 1270 35

1800 1285 1285 1270 45

1600 1330 1287 1270 0

0,2 1700 1297 1287 1270 1330 1270 33

1800 1287 1287 1270 43

1600 1340 1295 1280 0

0,05 1700 1310 1295 1280 1340 1280 30

1800 1295 1295 1280 45

1600 1342 1300 1280 0

ЦНК7П 0,1 1700 1313 1300 1280 1342 1280 31

1800 1300 1300 1280 42

1600 1343 1303 1280 0

0,2 1700 1313 1303 1280 1343 1280 30

1800 1303 1303 1280 40

г г! г* Л -27158

-—j = -+ 5.75; lv1 10] =1-10

rY303 7

где гд,, ry, rQ -коэффициенты активности алюминия, иттрия и кислорода.

В случае разбавленных растворов можно принять гД( и f = I. Однако в реальных сплавах необходимо учитывать влияние легирующих элементов на значение этих коэффициентов. Кроме того, комплексное раскисление расплавов алюминием и иттрием, протекающее с образованием сложных оксидных фаз, в которых активности ai2о3 и y2o3 меньше I, согласно термодинамике, должно обеспечивать весьма низкие концентрации растворенного кислорода. При введении иттрия происходит изменение состава продуктов раскисления. Согласно данных рент-геноструктурного анализа мольная доля ai2о3 в них изменяется от 0,2 до 0,4. Если исходить из того, что максимальное содержание кислорода в сплавах после проведения ВТОР соответствует равновесной при температуре заливки ( *1580 °С ), то после введения иттрия оно изменяется в соответствии с уравнением:

roi = -

3а1 203

Подставляя в это уравнение результаты рентгеноструктурного анализа можно рассчитать остаточное содержание кислорода в сплавах. Для ЦНК7П 10) = 0,00042%, а для ВДК21П toi = 0,00074 %, что близко к результатам газового анализа.

Поэтому добавки иттрия при проведении ВТОР способствовали не только улучшению морфологии оксидных включений, но и более глубокому рафинированию расплава от кислорода.

Из приведенных вше данных следует, что при введении даже малых добавок иттрия в жаропрочные сплавы содержание кислорода может оыть значительно снижено. По данным металлографических исследований иттрий обнаруживаются в составе оксидных и карбидных включений. Экспериментальное подтверждение последнего было получено при исследовании многокомпонентных никелевых сплавов с карбидо-интер-металлидным упрочнением. Введение в эти сплавы иттрия в количестве от 0,05 до 0,2 % мае. вызывало переохлаждения, которые ограничивались началом протекания реакции карбидообразования. Примерно вдвое увеличилось время выдержки необходимое для того, чтобы сплавы переохлаждались ниже температуры карбидной эвтектики. Согласно оценочным расчетам концентрация растворенного кислорода в сплаве находится на уровне нескольких 0,0001 %, остальная его часть должна быть связана в оксида (д| ,РЗМ)ао3, которые образуются выше температуры заливки и могут задерживаться при фильтровании, или захватываться шлаком.

При проведении ВТОР в сплавы вводили иттрий в процессе нагрева расплава до изотермической выдержки в количестве 0,05 % мае. Время выдержки составляло 5-10 мин. После чего расплав охлаждали до температуры 1580 °С и заливали в форму.

Сравнительные результаты газового анализа для сплавов ЦНК7П и ЦНК21П представлении на рис.5. Видно, что в результате воздействия ВТОР и модифицирования иттрием с последующим фильтрованием содержание кислорода в сплавах снижается до 0,0004 %, что значительно ниже требований ТУ. Анализ на остаточное содержание РЗМ в сплавах показал, что содержание иттрия в них ниже 0,01 %.

Существенное влияние ВТОР и модифицирование иттрием оказывает на длительную прочность сплавов, что видно из рис.6. С понижением

- 23 -

Влияние различных видов обработки на остаточное содержание кислорода в сплавах ЦНК7П и ИНК21П

ю

1 /

\ . „ . / ч 4

0,001 0,002 0,003 0,004

101 , %

1. ВТОР с модифицированием сплава ЦНК7П

2. ВТОР без модифицирования сплава ЦНК7П

3. ВТОР с модифицированием сплава ЦНК21П

4. ВТОР без модифицирования сплава ЦНК21П

Рис.5,

содержания кислорода в сплаве присходит резкое повышение длительной прочности, в ряде случаев ее значения в 10 раз превышают требования ТУ.

Таким образом разработанный метод комплексной обработки сплавов позволяет получать литые изделия со стабильно высоким уровнем служебных свойств.

- 24 -

Влияние кислорода на длительную прочность сплавов ВДК7П и ЦНК21П

[оъ %

1. Сплав ЦКН7П Г^

2. Сплав ЦНК21П

Рис.6.

вывода

1. Выявлен механизм воздействия высокотемпературной обработки на параметры кристаллизации и литую структуру никелевых жаропрочных сплавов. Экспериментально показан различный характер воздействия ВТОР на сплавы с карбидо-интермвталлидным и интерметаллидным упрочнениями. Высокотемпературная обработка дезактивирует центры зарождения ^-фазы, что вызывает глубокие переохлаждения, сокращает время кристаллизации и положительно отражается на служебных свойствах этих сплавов.

2. Получены аналитические зависимости для сплавов ЖС36 и ЖСЛ750 позволяющие прогнозировать величину возникающих переохлаждений, изменение размеров дендритной ячейки и выделений "белой фазы" в зависимости от режима проведения ВТОР.

3. Сплавы с карбидо-ивтерметаллйдным упрочнением начинают интенсивно переохлаждаться при перегреве выше 1650 °С. Величина возникающих переохлаждений ограничивается температурой начала выделения карбидов из переохлажденного расплава.

4. Длительная выдержка (более 15 мин.) расплавов выше 1800 °С приводит к снижению температуры начала кристаллизации ниже солидус и провоцирует появление в структуре выделений "белой фазы" типа грубого конгломерата фаз снижающих служебные характеристики сплавов.

5. Исследовано поведение кислорода в сплавах ЦНК7П и ЦНК21П при высокотемпературной обработке расплавов. Показано, что высокие перегревы способствуют увеличению среднего содержания кислорода в сплавах до уровня от 0,0023 до 0,005 % мае.

6. Изучено совместное воздействие ВТОР и модифицирование ит-

трием сплавов ДНК7П и ЦНК21П. Показано, что оксиды д12оэ и y2o3, а так же образуемые ими фазы переменного состава служат подложками для зарождения карбидов и интерметаллидов, что позволяет исключить возможность появления грубых выделений "оелой фазы". Совместное проведение ВТОР и модифицирования иттрием позволяет получать сплавы с низким содержанием кислорода. Введение иттрия в расплав позволяет сформировать включения с благоприятной морфологией значительная часть которых захватывается шлаком или оседает на фильтре, что ооеспечивает глуоокую очистку сплавов от кислорода.

7. Разраоотана и внедрена технология высокотемпературной оо-раоотки расплава с использованием иттрия, позволившая существенно повысить пластические и прочностные характеристики никелевых жаропрочных сплавов ЦНК7П и ЦНК21П, а также стабилизировать их жаропрочность на уровне в 6-9 раз превышающем технические требования. Технология ооеспечивает высокую степень чистоты сплавов по содержанию кислорода ( <0,0010 % ), ниже уровня требования ТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Сардов A.A., Романов Л.М., Денисов А.Я. и др. Влияние высокотемпературной обработки на параметры кристаллизации никелевых жаропрочных сплавов/ Изв. ВУЗов Черная Металлургия/ Ш, 1993, С.56.

Романов Л.М., Сардов A.A., Козлов Л.Я. Влияние высокотемпературной обработки на параметры кристаллизвции сложнолегированных никелевых сплавов/ Республиканская научно-техническая конференция. Физико-химия металлических и шлаковых расплавов. - Екатеринбург:

УГТУ. -1993.

Заказ

Объем

Тираж

Типография ИИСнС, Орджоникидзе, 8/9