CC BY
10
Таблица 1
Содержание газов и свойства сплава ЖС32-ВИ, выплавленного с использованием 100% отходов
Технология выплавки (количество отходов) Содержание газов, % (по массе) Длительная прочность т, ч (при 975°С, а=300 МПа) Предел выносливости рабочих лопаток а_1, МПа (при 20°С, АЪ2-107 цикл)
О2 n2
100% рафинированных отходов 0,0009 0,0007 79 190
По ТУ 1-92-177-91 <0,002 <0,002 >40 Норма 190
На рис. 1 показаны результаты испытаний на длительную прочность при температурах 900 и 1000°С сплава С32-ВИ (МОНО <001>), выплавленного с использованием 100% кондиционных литейных отходов, в сравнении с паспортными характеристиками сплава, выплавленного с использованием 100% свежих шихтовых материалов. Видно, что значения долговечности сплава С32-ВИ, выплавленного с использованием 100% отходов, соответствуют паспортным характеристикам сплава.
Время до разрушения т, ч
Рис. 1. Длительная прочность сплава С32-ВИ (МОНО <001>), выплавленного с использованием 100% кондиционных отходов: — ,---средние и минимальные значения по паспорту №1540 на сплав С32-ВИ (100% свежей шихты)
Данная технология позволяет создать замкнутый цикл возврата дорогих и дефицитных легирующих металлов в производство, обеспечить их экономию и снизить стоимость сплавов на 3050% без снижения их качества. Разработанная технология отличается новизной и оригинальностью, не имеет отечественных аналогов, защищена Патентом РФ.
Разработанная технология по переработке отходов литейных жаропрочных сплавов была реализована на созданном в ВИАМ научно-производственном комплексе по изготовлению литых прутковых (шихтовых) заготовок жаропрочных никелевых сплавов, предназначенных для литья лопаток с равноосной, направленной и монокристаллической структурой [10, 11]. Данный комплекс включает в себя ряд отдельных участков, оборудованных современным производственным, аналитическим и испытательным обо-
рудованием, что позволяет обеспечить качество изготовляемой продукции на уровне требований мировых стандартов [12, 13].
Технологическая схема получения литых прутковых (шихтовых) заготовок сплава С32-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 через пенокерамический фильтр в стальные трубы с утеплительными вставками [14]. Для извлечения прутковых заготовок специально спроектирован и изготовлен гидравлический пресс с рабочим усилием 100 тс. После подрезки головной и донной части прутковых заготовок их поверхность подвергают механической обработке на обдирочно-шлифовальном станке, который по техническому заданию ВИАМ был спроектирован и изготовлен на Воронежском станкостроительном заводе. По сравнению с применяемой ранее токарной обработкой продолжительность механической обработки поверхности заготовок шлифованием сокращается в 20 раз, потери металла сокращаются более чем в 3 раза (с 8,0 до 2,4%) при обеспечении высокой чистоты поверхности с шероховатостью Лг=10,0 по ГОСТ 2789-73 [15].
Далее из порции металла от прутковой заготовки отливают контрольные образцы (с монокристаллической или направленной структурой), которые подвергают термической обработке, а затем контролируют структуру и свойства. При положительных результатах контроля химического состава и механических свойств и их соответствии действующим ТУ, прутковые заготовки передают потребителю с сертификатом качества [16].
Получить монокристаллический сплав С32-ВИ с ультравысокой чистотой по примесям можно только при использовании для их производства самого современного плавильного оборудования. Такое оборудование установлено и успешно работает в ВИАМ - это промышленная вакуумная индукционная печь VIM-50 производства фирмы «ALD Vacuum Technologies» с тиглем емкостью 350 кг (рис. 2), которая позволяет реализовать новейшие разработки ВИАМ в области производства жаропрочных сплавов. Печь оснащена компьютерным управлением, позволяющим контролировать технологический процесс вы-
Рис. 2. Общий вид вакуумной плавильной установки VIM-50
плавки жаропрочных сплавов на всех его этапах; оборудованием пробоотбора металла по ходу плавки и дозатором для присадки легирующих добавок, что позволяет поддерживать состав выплавляемых сплавов в узких пределах легирования; системой фильтрации металла при его сливе, обеспечивающей высокую чистоту металла по неметаллическим включениям (рис. 3). Конструктивные особенности установки, система вакуумных уплотнений и высокая производительность вакуумных насосов позволяют обеспечить глубокий вакуум - до 5 10-4 мм рт. ст. и минимальное натекание, что способствует получению готового металла с достаточно низким содержанием кислорода и азота [17].
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 (рис. 4). Разливка металла в полуавтоматическом режиме с использованием компьютерного программного управления позволяет максимально сократить продолжительность разливки и минимизировать неизбежные потери металла. Использование утеплительных вставок позволяет получать плотные литые заготовки и существенно сократить объем усадочной раковины [18]. Внешний вид заготовок после разливки, отрезки усадочной раковины и шлифовки поверхности показан на рис. 5.
Химический состав сплава С32-ВИ в процессе плавки, а также готового металла контролируют на оптико -эмиссионном спектрометре АКЬ 4460; содержание кислорода, азота, серы и углерода - на анализаторах фирмы «Ьесо»; содер-
Рис. 3. Промежуточный ковш с установленным пенокерамическим фильтром
жание примесей - на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой XSeries 2.
При литье лопаток и других деталей горячего тракта ГТД и ГТУ методами направленной и монокристаллической кристаллизации содержание кремния в литейных жаропрочных сплавах увеличивается. Кремний является вредной примесью, которая понижает свойства сплавов, поэтому его содержание ограничено: в сплавах с равноосной структурой - до 0,25% ( С6К-ВИ, С6У-ВИ, В Л12У-ВИ и др.), с направленной и монокристаллической структурой - до 0,20% ( С32-ВИ, С26-ВИ, С26У-ВИ и др.).
Источниками перехода кремния в никелевые жаропрочные сплавы являются шихтовые (при плавке) и керамические (при отливке лопаток) материалы. Основной источник поступления кремния в сплавы с равноосной структурой - металлические шихтовые материалы. Поскольку кристаллизация расплава в равноосных отливках протекает быстро, взаимодействия расплава с керамическим блоком практически не происходит.
В табл. 2 показано максимальное количество кремния, которое может поступить с шихтовыми материалами при плавке.
Из данных табл. 2 видно, что с шихтовыми материалами в плавку максимально поступает до 0,02% кремния.
Для сплавов с направленной и монокристаллической структурой источниками поступления кремния в сплавы являются металлические шихтовые и керамические материалы, применяемые при отливке лопаток (керамическая форма, керамический стержень и плавильный тигель).
Для составления суспензии из микропорошков электрокорунда или дистен-силлиманита приме-
чаемых в установке VIM-50: Рис. 4. Система разливки металла 1 - после разливки в трубы; 2 - после отрезки усадоч-
в трубы на установке VIM-50 ной раковины; 3 - после шлифовки поверхности
Таблица 2
Максимальное количество к ремиия, которое поступает с шихтовыми материалами при плавке
Состав сплава Содержание % (по массе)
в шихтовых материалах в сплаве
65% № 0,002 0,0013
5% Сг 0,2 0,010
8% W 0,04 0,003
1% Мо 0,005 0,0001
9% Со 0,001 0,0001
4% Re 0,008 0,0004
4% Та 0,02 0,0008
1,6% №Ь 0,03 0,0005
6% А1 0,003 0,0002
Итого 0,016
няется этилсиликат-40, который содержит 3942% SiO2. Для изготовления керамических форм используют гидролизованный раствор этилсили-ката-40, содержащий 14-22% SiO2. При приготовлении гидролизата и последующей прокалке форм содержание свободного SiO2 в керамике снижается: после прокалки форм при температуре 1050°С оно может составлять 4-8%, при температуре 1350°С: 2-3%.
Керамика, изготовленная на основе дистен-силлиманита, прокаленного при температуре >950°С, содержит в своем составе больше свободного SiO2, чем керамика, изготовленная на основе электрокорунда. Это связано с различным соотношением твердой и жидкой фаз в керамической суспензии: на дистен-силлиманит гидролизата
расходуется в 3 раза больше, чем на электрокорунд. Кроме того, дистен-силлиманит (А1203 БЮ2) при контакте с расплавом в процессе направленной кристаллизации разлагается с образованием муллита (3А1203 2БЮ2) и кристобалито-вого стекла (при этом появляется ~4% свободного SiO2). С учетом SiO2 в гидролизате, общее содержание свободного SiO2 в дистен-силлиманите после прокалки может составлять 10-12%.
Для обеспечения прочности стержня на основе электрокорунда и повышенной стойкости к высокотемпературной деформации при температурах отжига применяются связующие на основе SiO2; такое связующее вводится в состав стержня в виде карбида кремния и пылевидного кварца. Карбид кремния в процессе обжига, начиная с темпе-
600
500
о о 2 400
я у е
я о и ч о § 300 ¡в Ё 200
^ а с й К
2007 2008 2009 2010 2011 Норма по ТУ Годы
Рис. 6. Изменение содержания Si (□) и долговечности (■; при 975°С, а=300 МПа) в сплаве С32-ВИ при использовании в процессе плавки 100% литейных отходов
-900°С-Т;
100
1000°С
70
1000
100 400 700 Время до разрушения т, ч Рис. 7. Влияние 0,1 (•) и 0,2% Si (о) на длительную прочность сплава С32-ВИ: —,---средние и
минимальные значения по паспорту №1540 на сплав С32-ВИ
ратуры 1000°С, окисляется с образованием диоксида кремния согласно реакции:
28Ю+302=28Ю2+гагазТ.
Кроме того, применяется упрочняющая пропитка стержня полиалюмосилоксановым лаком. Содержание 8Ю2 в стержневых массах колеблется от 2 до 7%.
При длительном взаимодействии расплава с керамикой формы и стержня, содержащих свободный 8Ю2, что имеет место при отливке лопаток с направленной или монокристаллической структурой, алюминий, как наиболее активный компонент сплава, и углерод взаимодействуют со свободным 8Ю2 и восстанавливают кремний в расплаве по реакциям:
3 8Ю2+4 [А1]=2А120З+3 [81], 8Ю2+2С=[81]+2ТОгазТ.
Для повышения термической стойкости в качестве материала плавильного тигля обычно используется муллит (ЗА120з28Ю2). При высоких температурах расплавленного металла возможна декомпозиция муллита и восстановление кремния в расплаве из 8Ю2 по вышеприведенным реакциям.
На рис. 6 приведена динамика (2007-2011 гг.) повышения содержания кремния в сплаве С32-ВИ, выплавленного в условиях ВИАМ с использованием 100% отходов моторных заводов. По мере загрязнения сплава кремнием при отливке лопаток содержание кремния в литых прутковых заготовках выросло в среднем с 0,065 до 0,185%. При этом понизилась долговечность сплава при испытании по ТУ (при 975°С, с=300 МПа) в среднем с 84 до 58 ч (при норме т>40 ч).
На рис. 7 показано влияние кремния на длительную прочность сплава С32-ВИ при температурах 900 и 1000°С в сравнении с паспортными значениями. Видно, что при содержании в сплаве 0,1% 81 полученные значения долговечности т при всех температурах находятся между средними и минимальными значениями. При содержании в сплаве 0,2% 81 долговечность сплава сни-
жается и ее значения, как правило, располагаются около минимальных паспортных значений.
В ВИАМ проведены работы по изучению возможности удаления кремния из литейных отходов сплава С32-ВИ в условиях вакуумной индукционной плавки. При этом исследовали те технологические способы обработки расплава, которые позволили ранее существенно понизить в литейных жаропрочных сплавах содержание примесей кислорода, азота, серы, свинца, висмута и др. Однако исследованные технологические способы пока не позволили снизить содержание кремния в сплаве.
В настоящее время снизить содержание кремния в литейных жаропрочных сплавах, в частности в сплаве С32-ВИ, возможно только путем его разбавления при плавке свежими шихтовыми материалами, что ведет к удорожанию сплава.
Поставка моторостроительным предприятиям литейных жаропрочных сплавов, изготовленных с применением 100% отходов, позволила снизить стоимость сплавов, сократить расход легирующих металлов - никеля, кобальта, молибдена, вольфрама, рения, тантала и др. и снизить энергозатраты, необходимые для их получения.
По заключению моторостроительных заводов, на которые были поставлены эти сплавы, по свойствам, технологичности и выходу годного отлитых лопаток такой металл находится на уровне металла, изготовленного из свежих шихтовых материалов.
К настоящему времени на мотостроительные авиационные предприятия ОАО «ММП им. В.В. Чернышева», ОАО «УМПО», ОАО «ПМЗ», ФГУП «ОМО им. П.И. Баранова», ФГУП НПЦ «Газотурбостроения „Салют"» поставлено свыше 100 т сплава С32-ВИ, а также сплавов С26-ВИ, С6У-ВИ, С6К-ВИ, В Л12У-ВИ, В Л12Э-ВИ, С3ДК-ВИ, ВХ4Л-ВИ, изготовленных с применением 100% литейных отходов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов A.B., Мин П.Г., Каблов
Д.Е. Получение Re-Ru содержащего сплава с использованием некондиционных отходов //Металлургия машиностроения. 2012. №3. С. 15-17.
2. Сидоров В.В., Исходжанова И.В., Ригин В.Е., Фоломей-
кин Ю.И. Оценка эффективности фильтрации при разливке сложнолегированного никелевого расплава с повышенным количеством отходов //Электрометаллургия. 2011. №11. С. 17-21.
3. Каблов Д.Е., Сидоров В.В. Азот в монокристалличе-
ских жаропрочных сплавах //Литейное производство. 2012. №3. С. 6-8.
4. Каблов E.H., Логунов A.B., Сидоров В.В. Обеспече-
ние ультравысокой чистоты металла - гарантия качества литейных жаропрочных сплавов //Металлы. 2000. №6. С. 156-160.
5. Сидоров В.В. Прогрессивные металлургические про-
цессы получения шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов /В сб. Авиационные материалы. Избранные труды 1932-2002: Юбилейный науч. -технич. сб. М.: МИСиС-ВИАМ.2002. С. 156-160.
6. Сидоров В.В., Шалин P.E. Металлургия литейных жаропрочных сплавов для лопаток газотурбинных двигателей /В сб. Труды Международ. науч.-технич. конф. «Научные идеи С. Т. Кишкина и современное материаловедение». М.: ВИАМ. 2006. С. 279-288.
7. Каблов Д.Е., Чабина Е.Б., Сидоров В.В., Мин П.Г.
Исследование влияния азота на структуру и свойства монокристаллов из литейного жаропрочного сплава С30-ВИ //МиТОМ. 2013. №8. С. 3-7.
8. Каблов Д.Е., Сидоров В.В., Мин П.Г. Влияние приме-
си азота на структуру монокристаллов жаропрочного никелевого сплава С30-ВИ и разработка эффективных способов его рафинирования //Авиационные материалы и технологии. 2012. №2. С. 32-36.
9. Каблов Д.Е., Сидоров В.В., Герасимов В.В., Си-
монов В.Н., Мин П.Г. Исследование закономерностей поведения азота при получении монокристаллов жаропрочного никелевого сплава С30-ВИ //Наука и образование. 2012. (электронное научно-техническое издание).
10. Каблов E.H., Бондаренко Ю.А., Каблов ДЕ. Особенности структуры и жаропрочных свойств монокристаллов <001> высокорениевого никелевого жаропрочного сплава, полученного в условиях высокоградиентной
направленной кристаллизации //Авиационные материалы и технологии. 2011. №4. С. 25-32.
11. Каблов E.H., Бондаренко Ю.А., Ечин А.Б., Сурова В.А. Развитие процесса направленной кристаллизации лопаток ГТД из жаропрочных сплавов с монокристаллической и композиционной структурой //Авиационные материалы и технологии. 2012. №1. С. 3-8.
12. Сидоров В.В. Металлургия литейных жаропрочных сплавов /В сб. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технологии, покрытия). М.: Наука. 2006. С. 119-186.
13. Каблов E.H., Сидоров В.В., Ригин В.Е. Металлургия литейных жаропрочных сплавов /В сб. Авиационные материалы. Избранные труды 1932-2007: Юбилейный науч.-технич. сб. М.: ВИАМ. 2007. С. 125-132.
14. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов ДЕ. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». Спец. вып. «Перспективные конструкционные материалы и технологии». 2011. С. 68-78.
15. Каблов E.H., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е. Производство литых прутковых (шихтовых) заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов /В сб. Труды науч.-технич. конф. Проблемы и перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований. 2011. С. 31-38.
16. Сидоров В.В., Ригин В.Е., Горюнов A.B., Каблов ДЕ. Высокоэффективные технологии и современное оборудование для производства шихтовых заготовок из литейных жаропрочных сплавов //Металлург. 2012. №5. С. 26-30.
17. Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов ДЕ. Организация производства литых прутковых заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов //Литейное производство. 2011. №10. С. 2-6.
18. Каблов E.H., Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Ригин В.Е., Горюнов A.B. Современные технологии получения прутковых заготовок из литейных жаропрочных сплавов нового поколения //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 97-105.
