Вакуумная плавка жаропрочных сплавов с термовременной обработкой расплава

Повышение качества литейных жаропрочных сплавов стало возможно за счет выплавки их в вакуумных индукционных печах, а в дальнейшем - благодаря переходу от печей периодического действия к печам полунепрерывного принципа действия типа УППФ (установка полунепрерывной плавки форм).

Технологи в поисках повышения и стабилизации свойств литого металла все чаще обращаются к изучению состояния расплава, которое существенно влияет на литейные свойства сплава, склонность к формированию дефектов в литом металле и свойства сплава в литой детали.

В большей мере это относится к высоколегированным сплавам, имеющим сложный состав фаз-упрочнителей, формирующих физико-механические свойства и рабочие характеристики литой детали.

К этой группе принадлежат жаропрочные сплавы на никелевой основе, содержащие значительный процент интерметаллических, карбидных, карбонитридных, боридных функциональных фаз, а также примесных фаз (оксидов).

Дальнейшей ступенью на пути совершенство­вания технологии литья является процесс получе­ния отливок с однонаправленной и монокристаль­ной структурой.

Исследования механизмов деформации жароп­рочных сплавов с равноосной структурой в процес­се ползучести при высоких температурах показали, что разупрочнение материала связано со стоком вакансий и дислокаций на границах зерен, ориенти­рованных перпендикулярно к оси действующих напряжений. Исчезновение поперечных границ зерен или вообще границ зерен повышает механические характеристики материала.

Отливки с монокристальной и однонаправленной структурой получают путем перемещения формы с расплавленным металлом через поле температурного градиента от нагревателя к холодильнику (из горячей зоны в холодную), при этом обеспечивается направленный теплоотвод (рис. 3.15).

Прочностные характеристики никелевых жаропрочных сплавов зависят от ориентировки приложенного механического напряжения относительно кристаллог­рафических осей монокристалла, поэтому отливки должны иметь монокристальную структуру с заданной кристаллографической ориентацией. Монокристальные турбинные лопатки обычно имеют кристаллографическую ориентацию [001] относительно их вертикальной оси.

В отечественной технологии нашел применение - затравочный метод получения монокристальных отливок турбинных лопаток, позволяющий получить отливки любой заданной ориентации.

В ВИАМе разработаны специальные сплавы для затравок, а также метод получения монокристальных отливок, заключающийся в использовании затравки и специального кристаллоотборника, который легко вводится в существующую технологию.

В установках осевой температурный градиент на фронте кристаллизации составляет 2-9 °С/мм, что обеспечивает формирование монокристальной или однонаправленной структуры отливки при скорости роста Р - 3,0...12 мм/мин.

Рис. 3.15. Схема получения отливки лопатки турбины

с монокристаллической структурой

1 – керамическая форма; 2 – нагревательная система; 3 – перо лопатки;

4 – замок лопатки; 5 – охлаждающая система; 6 – «затравочный» кристалл

По сравнению со сплавами с равноосной структурой, монокристальные сплавы имеют значительное преимущес­тво по характеристикам жаропрочности (табл. 3.1 и 3.2). Это связано, главным образом, с отсутствием карбидной фазы, которая явля­ется очагом микротрещин при механических нагрузках. В прил. 2 приведена дополнительная информация по получению заготовок лопаток с направленной кристаллизацией (см.стр. 640).

Таблица 3.1

Температур­ный режим,°С	Длительная прочность (за 100 ч) образцов из сплава ЖС6У σ, МПа (кгс/мм2)
	монокристал­лические	равноосные
	392...402 (40...41) 265...276 (27...28)	343..363 (35...37) 237(24)

Таблица 3.2

Кристал­лографи­ческая ориента­ция	Длительная прочность (за 100 ч) σ, МПа (кгс/мм2)
	при 900 °С	при 1000 °С	при 1100 °С
[001]	446(47,5)	245(25,0)	123(12,5)
[111]	-	275(28,0)	-