- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. СВОЙСТВА И СОСТАВ МАТЕРИАЛОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
- •1.1. Общие свойства керамики
- •1.1.1. Микроструктура
- •1.1.3. Механическая прочность
- •1.1.4. Модуль упругости
- •1.2.2. Ползучесть
- •1.2.3. Длительная прочность
- •1.3. Теплофизические свойства керамических материалов
- •1.3.1. Теплопроводность
- •1.3.2. Термическое расширение
- •1.4. Термические свойства керамики
- •1.4.1. Огнеупорность
- •1.4.2. Термическая стойкость
- •1.6. Состав и свойства материалов для керамических стержней
- •1.6.1. Огнеупорные материалы
- •1.6.2.Связующие вещества
- •2. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ СТЕРЖНЕЙ
- •2.1. Основные стадии производства керамики
- •2.3. Прессование стержней
- •2.3.1. Требования к шликерам
- •2.3.2. Прессование
- •2.3.3. Оборудование для прессования стержней
- •2.3.4. Подготовка стержнй"сыРПа к обжигу
- •2.4. Обжиг ст<Фжней
- •2.4.4. Процессы спекания и обжиг керамики
- •2.4.5. Жидкостное спекание
- •2.4.6. Твердофазовое спекание
- •2.4.7. Факторы, определяющие режим обжига изделий
- •2.5. Изготовление стержней лопаток
- •2.5.1. Подготовка исходных материалов
- •2.5.2. Приготовление пластификатора
- •2.5.3. Приготовление термопластичной массы
- •2.5.4. Прессование керамических стержней
- •2.5.5. Рихтовка сырых стержней
- •2.5.6. Изготовление образцов-свндетелей
- •2.5.7. Упаковка сырых стержней в короба
- •2.5.9. Выгрузка коробов из печи и стержней из коробов
- •2.5.10. Определение прочности образцов
- •3.2. Классификация восковых масс по назначению
- •3.2.1. Модельные массы
- •3.2.2. Литниковые массы
- •3.2.3. Водорастворимые массы
- •3.2.4. Специальные модельные массы
- •3.3. Свойства восковых масс и их влияние на качество моделей и отливок
- •3.4. Мониторинг дефектов восковых моделей
- •4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ
- •4.1. Требования к керамическим оболочковым формам
- •4.1.1. Точность воспроизведения конфигурации моделей
- •4.1.3. Термическая стойкость
- •4.1.4. Газопроницаемость и газотворность
- •4.1.5. Химическая стойкость и инертность
- •4.2. Материалы для оболочковых форм, их характеристика и подготовка
- •4.2.1. Основа оболочковых форм
- •4.2.2. Связующие материалы оболочек
- •4.3. Технологический процесс формирования огнеупорной оболочки
- •4.3.1. Приготовление связующего раствора
- •4.3.2. Приготовление огнеупорной суспензии
- •5. ЛИТЕЙНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
- •5.1. Требования к жаропрочным материалам
- •5.2. Классификация жаропрочных сплавов на основе никеля
- •5.3. Основные структурные составляющие никелевых сплавов
- •5.4. Основные направления увеличения прочности сплавов на никелевой основе
- •5.5. Легирование литых жаропрочных сплавов
- •5.6. Термообработка никелевых жаропрочных сплавов
- •6.4.2. Восстановление неметаллических включений
- •6.5. Технологические приемы повышения свойств литых жаропрочных сплавов
- •6.5.1. Поверхностное модифицирование
- •.6.5.2. Модифицирование сплава дисперсными частицами тугоплавких элементов
- •6.5.3. Высокотемпературная обработка расплава
- •7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ТОНКОСТЕННЫХ ГАБАРИТНЫХ
- •ОТЛИВОК
- •7.1. Влияние технологических параметров на заполняемость литейных форм металлом
- •7.1.1. Полнота удаления модельного состава из форм
- •7.1.2. Полнота удаления газотворных составляющих
- •7.1.3. Состояние поверхности лицевого слоя оболочки
- •8.3. Внутренние дефекты отливок
- •8.4. Несоответствие по геометрии
- •8.5. Прочие виды дефектов лопаток
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ ОТЛИВОК АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Алюминий и хром обеспечивают стойкость сплава к окислению. Они образуют плотные диффузионно-стойкие окислы. Хром и титан повышают стойкость сплава к газовой коррозии.
Следует отметить, что увеличение содержания хрома снижает темпе ратуру растворения у'-фазы и максимальную температуру, при которой сплав может сохранять достаточную прочность.
В течение многих лет металловеды, стремясь создать сплав, сочетаю щий высокую жаропрочность и высокую стойкость к газовой коррозии, пытались уравновесить влияние противоположных эффектов, вызываемых хромом. В конечном итоге пришли к снижению содержания хрома и к уве личению содержания элементов, образующих у'-фазу, а также тугоплавких металлов с целью повышения жаропрочности. К жаропрочным сплавам можно отнести IN 100, MAR М246, TRW VIA, ЖС6У, ВЖЛ12У, K24, K417G.
Сплавы с достаточно высоким сопротивлением газовой коррозии при высокой длительной прочности были получены за счет увеличения содер жания хрома в комбинации со сравнительно высоким отношением титана к алюминию и применения тщательно сбалансированных добавок тугоплав ких металлов. К таким сплавам относятся IN 738, MAR М242, IN 792, MAR M432, Удимет 500, ЧС 70.
5.6. Термообработка никелевых жаропрочных сплавов
Термическая обработка дисперсионно-твердеющих среднелегирован ных сплавов на никелевой основе, приводящая их в структурное состояние с максимальной жаропрочностью, заключается в воздушной закалке с 1100-1200 °С и отпуске (старении) при 700-750 °С в течение 10-16 часов. Максимальная жаропрочность соответствует однородной крупнозернистой структуре и однородным равномерно распределенным дисперсным обра зованиям у'-фазы.
При закалке образуется пересыщенный твердый у-раствор с гранецен трированной кубической решеткой, период идентичности которой а - = 3,57 А. Нагрев такого закаленного твердого раствора приводит к его рас паду, происходящему в несколько стадий.
Прежде всего внутри твердого раствора атомы алюминия и титана пе рераспределяются, что приводит к локальным обогащениям раствора эти ми примесями. Такой процесс наблюдается не только при низких темпера турах отпуска, но и в процессе закалочного охлаждения.
Следующая стадия заключается в появлении в местах, где повысилась концентрация атомов алюминия и титана, второй фазы. На какой-то стадии старения можно уже рентгенофафически определить наличие двух фаз с одинаковой кристаллической решеткой, но несколько отличающихся друг
от друга периодами идентичности (3,58 и 3,60 А). Фаза, обедненная алю минием и титаном, - у-фаза; фаза, обогащенная ими (выделившаяся), - у'-фаза.
Если это перераспределение алюминия и титана внутри решетки твер дого раствора наблюдается в процессе закалочного охлаждения и в про цессе отпуска при 500-600 °С, то у'-фаза, размер частиц и состав которой зависят от температуры и продолжительности отпуска (старения), появля ется при 600-800 °С. Так, в случае старения в течение нескольких часов при 700 °С у'-фаза составляет около 20 % объема сплава (и более), размер частиц у'-фазы 200-400 А. Близость решеток у- и у'-фаз приводит к тому, что они до высоких температур отпуска сохраняют когерентную связь. При еще более высокой температуре старения возможно превращение у'-фазы в стабильную при данных температурах р-фазу №зТп Указанные изменения отражаются на микроструктуре и свойствах сплава.
Очень часто для создания карбидов благоприятных исходных типов и морфологии перед окончательным старением проводят промежуточные термические обработки сплавов. Многоступенчатые термические обработ ки применяют и для гомогенизации литой структуры, характеризующейся сильной ликвацией.
Иногда даже в случае полного перехода фазовых составляющих в твердый раствор при 1150-200 °С в литом сплаве часто сохраняются скоп ления шаровидных выделений у'-фазы, образовавшиеся при кристаллиза ции. Дисперсная у'-фаза имеет вид неравномерно оттененной области. Границы дендрита простерты далеко, и на них имеются выделения некото рых карбидов и шаровидной у'-фазы. В скелетообразной структуре денд рита содержатся тугоплавкие элементы, обычно выявляемые травлением. Независимо от состояния сплава (гомогенизированное или негомогенизированное) характер исходной дендритной кристаллизации литых сплавов восстанавливается после эксплуатации.
Наиболее желательным является полное устранение термической об работки (гомогенизации). Это возможно, если сплав имеет достаточно од нородную и дисперсную литую структуру. Детали из сплавов с такой структурой, например ВЖЛ12У, применяются без термической обработки.
5.7. Состав и свойства литых никелевых жаропрочных сплавов
В этом разделе проанализируем тенденции создания жаропрочных сплавов. Состав и свойства литых жаропрочных сплавов приведены в табл. 5.1 и 5.2.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Составы литейных никелевых сплавов |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Марка |
|
|
|
|
Массовая доля легирующих элементов, % |
|
|
|
|
Плот- |
Приме |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Другие ность, |
чание |
||
|
|
|
|
С |
Сг |
Со |
А1 |
T i |
Мо |
W |
Nb |
H f |
Та |
Zr |
V |
S i |
Fe |
элемен |
г/см3 |
|
|
|
|
|
|
ты, % , |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
не более |
|
|
|
I N 1 0 0 |
0 , 1 5 0 |
9 , 8 |
1 3 , 9 0 |
5 , 8 5 |
4 , 8 0 |
2 , 7 5 |
- |
- |
- |
- |
- |
0 , 9 |
- |
0 , 2 0 |
- |
|
7 , 7 0 |
|
|||
M A R М 2 0 0 |
0 , 1 5 0 |
9 , 0 |
1 0 , 0 0 |
5 , 0 0 |
2 , 0 0 |
- |
1 2 , 5 |
1 , 8 |
- |
- |
0 , 0 5 |
- |
- |
- |
0 , 0 1 5 В |
8 , 5 2 |
|
||||
В 1 9 0 0 |
0 , 1 0 0 |
8 , 0 |
1 0 , 0 0 |
6 , 0 0 |
1 , 0 0 |
6 , 0 0 |
< 0 , 1 |
- |
- |
4 , 3 |
0 , 0 8 |
- |
0 , 2 5 |
0 , 3 5 |
0 , 2 0 0 М п |
8 , 2 2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 , 0 1 5 |
В |
|
|
R e n e 8 0 |
0 , 1 7 0 |
4 , 0 |
9 , 5 0 |
3 , 0 0 |
5 , 0 0 |
4 , 0 0 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
- |
|
|||
T R W |
|
0 , 1 4 0 |
6 , 2 |
7 , 5 0 |
5 , 5 0 |
1 , 0 0 |
2 , 0 0 |
5 , 9 |
0 , 5 |
0 , 4 2 |
9 , 2 |
0 , 1 3 |
0 , 9 |
- |
- |
0 , 4 0 0 R e |
8 , 5 0 |
|
|||
N |
A S A |
V I A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 , 0 2 0 |
В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
M A R M 2 4 6 |
0 , 1 5 0 |
9 , 0 |
1 0 , 0 0 |
5 , 5 0 |
1 , 5 0 |
2 , 5 0 |
1 0 , 0 |
- |
- |
1 , 5 |
0 , 0 5 |
- |
0 , 0 5 |
0 , 1 5 |
0 , 1 0 0 М п |
- |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 , 1 0 0 |
С и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 , 0 1 5 |
В |
|
|
W |
A |
Z |
2 0 |
0 , 1 0 0 . . . |
— |
— |
6 , 0 0 . . . |
- |
- |
1 7 , 0 . . . |
- |
- |
- |
1 , 4 0 . . . |
- |
- |
- |
- |
|
9 , 0 2 |
Сплавы с |
|
|
|
|
0 , 2 0 0 |
|
|
7 , 0 0 |
|
|
2 0 , 0 |
|
|
|
1 , 6 0 |
|
|
|
|
|
|
повышен- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |т ш р л . |
||||
|
|
|
|
|
|
- |
7 , 0 0 |
- |
2 , 0 0 |
1 6 , 0 |
2 , 0 |
- |
- |
0 , 5 0 |
- |
- |
- |
- |
|
8 , 7 5 |
nolIVi C U |
W |
A |
Z |
1 6 |
0 , 2 0 0 |
- |
|
держанием |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
W |
I N |
7 1 3 |
L C |
0 , 0 8 0 |
11,4 |
- |
6 , 3 0 |
0 , 8 0 |
3,95 |
- |
2,1 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
- |
|
о
ы
Марка |
|
|
|
|
М ассовая дол я л еги р ую щ и х эл ем ен тов, % |
|||||
|
|
Сг |
Со |
А1 |
Ti |
М о |
W |
N b |
H f Та |
Zr V |
IN 738 |
0,170 |
16,0 |
8,50 |
3,40 |
3,40 |
1,80 |
2,6 |
0,9 |
1,8 |
0 ,1 0 |
792 |
0,120 |
12.4 |
9.00 |
3,00 |
4,50 |
2 ,00 |
3,8 |
|
- |
4,0 |
0 ,1 0 |
- |
939 |
0,150 |
22.5 |
19.00 |
1,90 |
3,70 |
- |
2,0 |
1,0 |
- |
1,4 |
|
— |
1964 |
0,020 |
8,85 |
10,50 |
3,50 |
5,30 |
1,00 |
8,5 |
- |
- |
2,65 |
0 ,02 |
- |
В 1914 |
0,010 |
10,0 |
10,00 |
5,50 |
5,25 |
3,00 |
- |
- |
- |
- |
0 ,02 |
- |
В 1925 |
0,015 |
12,0 |
8,50 |
3,50 |
4,00 |
1,75 |
4,5 |
- |
- |
4,0 |
0,01 |
- |
В 1981 |
0,015 |
16,0 |
8,75 |
3,60 |
3,70 |
1,75 |
2,7 |
1,0 |
- |
1,8 |
0,01 |
— |
MAR М007 |
0,110 |
8,0 |
10,90 |
6 ,00 |
1,00 |
6 ,00 |
|
|
1,20 |
4,3 |
0,08 |
|
(В 1900+Hf) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
MAR М002 |
0,160 |
9,0 |
9,85 |
5,50 |
1,70 |
- |
10,9 |
- |
1,44 |
2,55 |
0,05 |
- |
(MAR |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M246+Hf) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П лот |
П р и м е |
|
|
Д ругие |
ность, |
чание |
Si |
Fe |
эл ем ен |
г/см 3 |
|
ты , %, |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
н е бол ее |
|
|
<0,30 |
<0,50 |
0,500 Мп |
8,11 |
Сплав с по |
|
|
0,010 В |
|
вышенной |
|
|
|
|
стойкостью |
|
|
|
|
к газовой |
|
|
|
|
коррозии и |
|
|
|
|
сопротив |
|
|
|
|
лением тер |
|
|
|
|
мической |
|
|
|
|
усталости |
— |
— |
0,020 В |
8,25 |
То же |
_ |
__ |
__ |
_ |
|
- |
— |
0,100 В |
_ |
Сплав с по |
|
|
|
|
вышенным |
|
|
|
|
содержани |
|
|
|
|
ем В |
— |
— |
0,100 В |
|
То же |
— |
— |
0,100 В |
__ |
« |
_ |
_ |
0,100 В |
__ |
« |
|
|
0,015 В |
|
Сплав с |
|
|
|
|
повы |
|
|
|
|
шенной |
|
|
|
|
пластич |
- |
0,3 |
0,015 В |
|
ностью |
|
|
1,000 Fe |
|
То же |
Свойства никелевых сплавов
Марка
IN 792
IN 939
В1964
В1914
В1925
В1981
MAR М007 (В 900+Hf)
а в при |
|
Пределы длительной прочности аюо, |
Пределы длительной |
||||||||||
б при |
прочности (сгюоо, МПа, при |
||||||||||||
20 °С, |
|
МПа, при температуре, °С |
|
||||||||||
МПа |
20°С,% |
|
|
|
1000 |
|
1100 |
|
темпе ратуре, °С |
||||
|
|
800 |
900 |
982 |
1050 |
800 |
900 |
|
982 |
1100 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Л CJ |
|
|
||
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
иЬ о |
- |
|
||
§о°° |
- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ь 2 |
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
II |
с |
|
|
--
--
--
--
9 5 9 |
- |
8 0 0
п р и |
° С |
7 5 |
7 6 0 |
7 |
|
n S o r , -Г£-40 С
о
8 8 5 |
п р и |
6 0 ° С |
|
|
7 |
6 0 0 |
п р и |
6 0 ° С |
|
|
7 |
-
|
|
|
|
|
|
а |
|
|
|
|
|
|
CNON |
|
|
|
|
|
|
—оо |
|
|
|
|
|
|
>1 s |
|
|
|
|
|
|
5 £- |
|
|
|
|
|
|
8е |
|
|
|
|
|
|
6 |
9 0 0 |
9 8 2 |
1 0 0 0 |
1 0 5 0 |
1 0 9 3 |
7 6 0 |
8 9 0 |
- |
2 0 4 |
- |
- |
- |
6 5 0 |
- |
- |
1 6 5 |
- |
- |
- |
5 0 0 |
- |
- |
1 7 0 |
- |
- |
- |
5 3 5 |
- |
- |
1 4 1 |
- |
- |
- |
4 8 0 |
- |
«3
°(N Ив я
§§■
о
6
9 8 2 |
1 0 9 3 |
1 3 4 |
- |
1 0 5 |
- |
1 0 5 |
- |
--
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Другие свойства
-
—
-
-
-
-
-
Сплав IN 100 имеет высокое содержание А1 + Ti, равное 10,65 %, ле гирован ванадием (0,9 %). Ванадий присутствует в сплаве не в виде карби дов, а в твердом растворе или в у'-фазе. Сплав IN 100 нашел широкое при менение в промышленности благодаря хорошему сочетанию прочностных свойств при средних и повышенных температурах, а также повышенной термической стойкости.
В результате оптимизации сплава IN 100 был создан сплав В 1900, жаропрочные свойства которого стали гораздо стабильнее после увеличе ния содержания тугоплавких металлов (в частности молибдена), а также снижения содержания хрома и кобальта. Концентрация у'-образующих элементов в сплаве В 1900 не уменьшилась; был введен тантал (около 4 %), но снижено содержание титана, что улучшило литейные свойства сплава. Идея повышения концентрации тугоплавких металлов была реали зована при разработке сплавов Rene 80, MAR М200, MAR М246 и TRW NASA VIA. В сплаве MAR M246, созданном на базе сплава MAR М200, вольфрам частично заменен молибденом, при этом в его состав вновь (как и в сплав В 1900) введен тантал. Усовершенствование легирования позво лило не только повысить жаропрочные свойства сплава MAR М246 по сравнению со сплавом MAR М200 в рабочем диапазоне температур, но и улучшить пластичность в области «провала» при температурах 700— 800 °С. Самой высокой жаропрочностью из сплавов этой группы обладает TRW NASA VIA, который отличается наиболее сложным легированием: содержание у'-образующих (А1 + Ti + Та) составляет около 15,9 %, в него введены такие дефицитные и дорогостоящие элементы, как тантал (=9 %) и рений (0,4 %). Следует обратить внимание на то, что во всех жаропроч ных сплавах этой группы понижено содержание (4-10 %) хрома.
Исследования влияния вольфрама на эксплуатационные свойства ни келевых сплавов дали возможность разработать такие жаропрочные ком позиции, как сплавы WAZ 20 и WAZ 16, способные работать при темпера туре 1100-1200 °С. Однако введение большого количества вольфрама при вело к увеличению плотности сплавов, что существенно ограничило об ласть их применения.
Пониженное содержание хрома в особо жаропрочных сплавах приве ло к падению их коррозионных свойств. Это инициировало изучение воз можности введения в сплавы максимально допустимого количества хрома, сохраняющего их свойства на высоком уровне. Для сплавов средней жаро прочности, рассчитанных на длительную работу при температурах 700— 900 °С, эту задачу удалось решить: создана серия литейных сплавов IN
738, IN 792, IN 939.
Сплав IN 738, разработанный на основе сплава IN 713 LC, содержит повышенное количество хрома, в нем сбалансировано содержание алюми
ния и титана, введен вольфрам. Все это обеспечивает его высокую стой кость к газовой коррозии и сопротивление термической усталости.
Сплав IN 792 имеет такое же сопротивление газовой коррозии, как сплав IN 738, но большую высокотемпературную прочность, что обуслов лено некоторым уменьшением содержания хрома и увеличением содержа ния количества титана, вольфрама и тантала.
Сплав IN 939 характеризуется очень высокой стойкостью к горячей солевой коррозии; прочностные свойства его несколько ниже, чем сплавов IN 738 и IN 792. Как показали испытания на длительную прочность (10 000 часов), при напряжении 122 МПа сплав IN 939 способен работать при температуре 884 °С, а сплавы IN 738 и IN 792 - при температурах 895 и 910 °С соответственно.
Применение этих сплавов позволило стационарным газотурбинным энергетическим установкам, использующим низкосортное топливо, на дежно работать в течение длительного времени (до 100 000 часов). Их соз дание имело значение и для судовых ГТД, надежность работы которых тесно связана со стойкостью материала к воздействию морского солевого тумана.
Необходимо отметить, что с целью повышения стойкости никелевых сплавов к высокотемпературной газовой коррозии провоДяТСЯ работы по дополнительному легированию их металлами платиновой группы (плати на, родий, палладий, рутений). В частности, вновь разработанные сплавы RI M l020 и RI M l030, сходные по химическому составу с промышленны ми сплавами MAR М200 и MAR М007, содержат до 10 % платины.
Сплавы В 1964, В 1914, В 1925 и В 1981 представляют соб°й практи ческую реализацию возможности замены карбидного упрочнения боридным и относятся к группе так называемых ВС-сплавов. При температурах до 1000 °С бориды являются более стабильными образованиЯМИ’ чем каР" биды. Они имеют более благоприятную морфологию и не оозДают хрупкой пленки по границам зерен в процессе длительных зысок°теМпеРатУРных выдержек. Указанные структурные особенности обусловлена10'1' более вы сокие пластические свойства сплавов (особенно в областй «пРовала>> при 700-800 °С) и жаропрочность до 1000 °С. Испытания оЛн° го из пеРВЬ1Х сплавов этой серии - сплава В 1950, аналогичного П О составу сплавУ MAR М200, но содержащего до 0,12 % бора и 0,02% углерода, показали, что он может выдерживать нагрузку 660 МПа при 760 °С В течение 400-550 ча сов, удлинение при этом равняется 2,5-4 %, для сплава М2000 эти показатели составляют 1,2-47 часов и 0-0,2 % соответствен^0-^
Сплав В 1914 характеризуется хорошим сочетанием м ^ ° н плотности’ высокой прочности и пластичности. Сплавы В 1925 и В j 9^J отличаются повышенным сопротивлением сульфидной коррозии, а с п л ^ ^ имеет максимальную прочность при высоких температурах. СраИ**бНие данных’
приведенных в табл. 5.1 и 5.2, показывает, что наиболее жаропрочный сплав этого класса В 1964 имеет предел длительной прочности до 1000 °С, так же как MAR М246, однако содержание в нем у'-образующих (А1 + Ti), а также тантала значительно выше - 8,8 и 2,65 % против 7,0 и 1,5 % для MAR М246.
Сплавы MAR М007 и MAR М002 представляют собой модификации сплавов В 1900 и MAR М246 соответственно и отличаются от них допол нительным легированием гафнием, что привело к улучшению их прочно стных и пластических свойств. Так, при 760 °С и нагрузке 660 МПа время до разрушения сплава MAR М007 составляет 86 часов при удлинении 4,8 %; для сплава В 1900 эти показатели равны 19,5 часа и 1,6 % соответст венно; при 980°С и нагрузке 200 МПа время до разрушения сплава MAR М007 43 часа, удлинение 7 %, а сплава В 1900 - 30 часов и 5 %.
Одним из важных направлений работ по созданию композиций спла вов являются исследования, связанные с разработкой жаропрочных мате риалов, экономно легированных такими элементами, как кобальт, тантал и др., запасы которых в земной коре постепенно уменьшаются.
Механические свойства российских жаропрочных сплавов приведены в табл. 5.3.
|
|
|
|
|
Таблица 5.3 |
|
|
Свойства российских литейных жаропрочных сплавов |
|
||||
Марка |
Характери |
|
Механические свойствia (не менее) |
|
||
сплава |
стика |
20 |
при температур>е, °С |
|
||
|
|
900 |
975 |
1000 |
1050 |
|
ВЖЛ 12У |
а юо, МПа |
- |
320 |
- |
150 |
90 |
ЖС 6Ф |
а юо, МПа |
- |
350-370 |
240 |
180 |
120 |
ЖС 6У |
а юо, МПа |
- |
320-340 |
230 G40 |
165 |
ПО |
ЖС 6К |
а юо, МПа |
- |
320 |
200 |
150-160 |
80 |
ЖС 6Ф |
Фо,2/юо, МПа |
- |
280 |
- |
120 |
- |
ЖС 6У |
Стод/юо, МПа |
- |
240 |
- |
100 |
- |
Ж С 6К |
ао,2/юо, МПа |
|
190-200 |
- |
55-60 |
- |
ЖС 6Ф |
о в, МПа |
900-1000 820-920 |
630-690 |
560-600 |
450-500 |
|
ЖС 6У |
а в, МПа |
900-1040 710-830 |
550-620 |
500-530 |
350-400 |
|
Ж С 6К |
а в, МПа |
900-1000 750-800 |
- |
500-570 |
- |
|
ЖС 6Ф |
ао,2, МПа |
800-900 750-800 |
500-600 |
520-580 |
400-440 |
|
ЖС 6У |
сто,2,МПа |
800-900 660-750 |
520-570 |
470-500 |
- |
|
ЖС 6К |
Сто,2,МПа |
830-850 510-520 |
- |
300-320 |
- |
|
ЖС 6Ф |
5, % |
5,0-8,0 4,0-4,5 |
5-9 |
8,5-10,5 |
8,5-10,5 |
|
Ж С 6У |
8, % |
4,0-7,0 5,0-7,0 |
6,5-11,0 |
8,5-10,5 |
6,5-12,0 |
|
ЖС 6К |
5, % |
1,5 |
2,0 |
- |
4,5 |
- |
Необходимо отметить, что приведенные в табл. 5.3 данные для спла вов типа ЖС получены в результате испытаний на воздухе образцов диа метром 5 мм без защитного покрытия; данные табл. 5.2 отражают резуль таты испытаний образцов диаметром 6,4 мм при температурах выше 900 °С либо в среде инертного газа аргона, либо с защитным покрытием. Как известно, при меньшем диаметре образцов отрицательное влияние де фектов, а также окисления сказывается сильнее. Указанные обстоятельства необходимо учитывать при сопоставлении данных табл. 5.2 и 5.3, в осо бенности при температурах выше 900 °С и длительных базах испытаний.
6.ПЛАВКА ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
6.1.Выплавка мерной шихтовой заготовки
Существуют разнообразные технологические процессы выплавки сплавов. К ним относятся:
-индукционная плавка на воздухе;
-индукционная плавка в вакууме;
-дуговая плавка на воздухе;
-вакуумный дуговой переплав слитков открытой плавки;
-вакуумный дуговой переплав слитков вакуумной плавки;
-электрошлаковый переплав слитков, выплавленных на воздухе;
-электрошлаковый переплав слитков индукционной плавки в ва
кууме;
-плазменная плавка в огнеупорном тигле;
-плазменная гарниссажная плавка;
-электронно-лучевая плавка и др.;
Способы выплавки наряду с чистотой шихтовых материалов оказы вают большое влияние на жаропрочные свойства сплавов, а также на ста бильность этих свойств.
Наибольшее распространение получил вакуумно-индукционный спо соб. Он обеспечивает:
- повышенную чистоту металла, обусловленную уменьшением со держания окисных плен и других неметаллических включений в результа те глубокой дегазации расплава под вакуумом перед присадкой элементов, обладающих большим сродством с кислородом и азотом (Al, Ti, N B и др.);
- рафинирование расплава от вредных примесей цветных металлов (Рв, Bi и др.), имеющих высокую упругость пара, что способствует улуч шению свойств сплава;
-получение металла, стабильного по химическому составу;
-возможность введения в литейные сплавы высокоактивных элемен тов-модификаторов, таких как церий, иттрий, цирконий и др.
Для выплавки литейных жаропрочных сплавов применяются шихто-
.вые материалы высших сортов, содержащие минимальное количество вредных примесей и газов, полученные электролитическим способом или с применением специальных химических методов очистки. В качестве ших ты также Используют отходы, получаемые при литье деталей.
Во время плавки в плавильной печи поддерживают вакуум 1,33- -0,133 Па (Ю-2 - 10_3 мм рт. ст.).
Технология выплавки литейных сплавов в вакуумных печах полуне прерывного действия включает в себя:
-загрузку и расплавление шихты, состоящей из материалов, не обра зующих химически прочных окислов и малолетучих;
-рафинирование жидкого металла от газов и примесей (раскисление углеродом, дегазация, испарение летучих вредных примесей);
-введение металлов, обладающих повышенным сродством с кислоро дом и азотом (Ti, Al, Zr, В), перед выпуском вводят высокоактивные мо дифицирующие металлы (Се, Y и др.).
Разливку сплавов осуществляют под вакуумом в кокили для форми
рования шихтовой заготовки.
По окончании заливки кокили с металлом охлаждают в промежуточ ной камере под вакуумом. Шихтовые заготовки должны иметь светлую неокисленную поверхность.
Полученную вакуумно-индукционной плавкой мерную шихтовую за готовку в дальнейшем переплавляют и заливают в форму в порционных вакуумных плавильно-заливочных установках периодического или полу непрерывного действия.
6.2. Оборудование для плавки и заливки металла в форму
Развитие технологии жаропрочного литья определило следующие этапы совершенствования плавильного оборудования: печи открытой вы плавки - вакуумные печи периодического действия - вакуумные печи по лунепрерывного действия.
Ввакуумных печах периодического действия после каждой плавки производят разгерметизацию корпуса, открывают камеру печи, вынимают залитую форму, чистят тигель и производят загрузку новой порции шихты, после чего устанавливают форму, печь закрывают, создают вакуум и про водят плавку.
Основными недостатками таких печей являются малая производи тельность и нарушение вакуума после каждой плавки. Это влечет за собой адсорбцию влаги, окисление остаточного металла на стенках тигля, ухуд шение процесса откачки воздуха из камеры и в конечном итоге не обеспе чивает полного устранения образования окисных плен и должной очистки металла от газов и вредных примесей.
Впечах полунепрерывного действия проводят без открывания печи несколько плавок, число которых определяется обычно стойкостью тигля.
Втаких установках смену форм, а также загрузку шихты производят с помощью шлюзовых устройств-камер, отделяемых от основной камеры печи шиберами. Благодаря этому в плавильной камере можно проводить плавку при низком давлении и одновременно в камерах загрузки при атмосферном давлении выполнять подготовку форм и корзин с шихтой
к подаче в плавильную камеру. Перед подачей форм и шихты в плавиль ную камеру в загрузочных камерах создается собственными насосами дав ление, равное давлению в плавильной камере. После этого шиберные за творы открываются и плавильная камера сообщается с загрузочными ка мерами.
Печи полунепрерывного действия широко распространены в про мышленности. Перед печами периодического действия они имеют ряд пре имуществ:
-устраняется откачка печи перед началом каждой новой плавки, что повышает производительность установки;
-улучшаются условия работы огнеупорной футеровки тигля, которая не испытывает длительных колебаний температуры во время открывания печи;
-снижается степень пропитывания стенок тигля окислами металла, остающегося после плавки в случае напуска в печь атмосферного воздуха, что уменьшает загрязнение металла при последующей плавке.
Для более полной реализации вышеперечисленных преимуществ в
процессе плавки важно поддерживать условия высокого вакуума (не менее
_2
1,33 Па (МО мм рт. ст.), чтобы предотвратить окисление легирующих элементов, а следовательно, образование окисных плен. В связи с этим в плавильно-заливочном оборудовании должны быть хорошо уплотнены места соединения узлов и вакуумные затворы. Тигель необходимо тща тельно прокаливать с целью его полной дегазации, нельзя использовать материалы, обладающие повышенной адсорбционной способностью (например асбест). Степень дегазации определяется величиной натекания воздуха в плавильную камеру при отключенных насосах в заданный отре зок времени. Окисные плены образуются в результате большого натекания воздуха в эту камеру, а также реакции между тиглем и расплавленным ме таллам, эрозии, растрескивания и отслаивания тигля. Тигель должен быть химнчески стойким к расплавленному сплаву, тугоплавким, прочным и не хРУПкйм, а также обладать стойкостью к тепловому удару.
В России самыми распространенными являются литейные вакуумные печи конструкции ВИАМ, НИАТ и ВНИИЭТО.
К Нечам периодического действия относятся ИСВ-0,01, ИСП-0,016, ИСВ.0,06, ВПЗА 15/50, а к печам полунепрерывного действия - ВИДМ100, ОКБ-694, ИСВ-0,025, ВИАМ-24, УППФ-ЗМ, УППФ-4, УВП-4.
Характеристики некоторых печей приведены в табл. 6.1. Схема установки УППФ-ЗМ показана на рис. 6.1.
Характеристика Емкость тигля,
кг Рабочие раз
меры печи на грева форм, мм (высота х диаметр) Температура нагрева форм, °С Способ нагре ва форм
Мощность ис точника пита ния, кВт Частота ис точника пита ния, Гц Вакуум, Па (мм рт. ст.)
Габаритные размеры, мм Масса, кг
Характеристики вакуумных плавильных индукционных печей |
|
||||
ИСВ-0,01 |
Периодические |
|
|
Полунепрерывные |
|
ИСП-0,016 |
ВПЗА 15/50 |
УППФ-ЗМ |
УППФ-4 |
УВП-4 |
|
10 |
16 |
15; 50 |
15 |
15; 25 |
25;40;60 (80) |
|
|
500x320 |
450x280 |
450x320 |
485x320 |
|
|
1200 |
1200 |
1200 |
1250 |
|
|
Сопротивление |
Сопротивление |
Индукционный |
Индукционный |
50 |
50 |
120 |
120 |
120 - 2 шт. |
160 - 2 шт. |
2400 |
2400 |
2400 |
2400 |
2400 |
2400 |
ОДНЗО-Ю"4) |
66,5 (0,5) |
665-10-3(5-10_3) |
665-10~3 (5-10-3) |
665-10“3 (5-10_3) |
665-10 3 (5-10“3) |
6300x4060x5200 |
5150x3890x3020 |
5000x5000x3500 |
5900х6000х 4200 |
8200x6000x4350 |
9200x7800x5400 |
7500 |
4740 |
4500 |
10300 |
16000 |
19700 |
Рис. 6.1. Схема вакуумной плавильно-заливочной уста новки УППФ-ЗМ: 1 - камера загрузочная; 2 - печь подог рева форм; 3 - электроразводка; 4 - затвор вакуумный; 5 - механизм подачи форм; б - пульт пирометриста; 7 - уст ройство загрузочное; 8 - камера плавильная; 9 - печь ин дукционная; 1 0 - дверь задняя; 11 - площадка обслужива ния; 12 - путь рельсовый; 13 - лестница; 14 - система водоохлаждения; 15 - тележка; 16 - батарея конденсатор ная; 17 - пневморазводка; 18 - тиристорный преобразова тель частоты; 19 - механизм поворота тигля; 20 - шкаф силовой; 21 - токоподвод; 22 - токоподвод печи индукци онной; 23 - гляделки; 24 - шкаф управления; 25 - пульт плавильщика; 26 - гидроразводка; N1,N2 - вакуумные на сосы; N3 - бустерный насос; V1,V2,V3,V4,V5 - затворы вакуумные; V6,V8 - клапаны вакуумные для напуска воз духа; V7,V9 - клапаны вакуумные для выравнивания дав ления; V 10 —клапан предохранительный на избыточное
давление
6.3.Плавка жаропрочных сплавов
изаливка форм в вакуумных печах
6.3.1.Требования к исходным материалам
1.В качестве шихты для плавки жаропрочных сплавов следует применять мерную шихтовую заготовку литейных жаропрочных спла вов вакуумной выплавки. Допускается использование шихты в виде мерной шихтовой заготовки и возврата собственного производства.
2.Для плавки следует применять магнезитовые тигли, полученные изостатическим прессованием.
6.3.2.Основные требования к вакуумной плавильно-заливочной установке и подготовке ее к проведению процесса
1.Вакуумную плавильно-заливочную установку необходимо экс плуатировать в полунепрерывном режиме без разгерметизации пла вильной камеры в течение одной рабочей смены (или периода, опреде ляемого стойкостью тигля).
2.Параметры технологического процесса плавки сплавов и залив ки форм должны соответствовать техническим характеристикам уста новки. Остаточное давление в плавильной и загрузочных камерах и степень герметичности установки, характеризуемая натеканием возду ха, при эксплуатации должны отвечать требованиям технического пас порта на оборудование.
3.Внутренние поверхности загрузочных и плавильной камер и де тали, находящиеся при работе установки в вакууме, следует один раз в сутки (при двухсменной или трехсменной работе установки) очищать щетками и пылесосом от возгонов и пыли, промывать бензином и про тирать этиловым техническим спиртом с помощью хлопчатобумажных салфеток, не оставляющих ворса.
*4. Для оценки состояния тигля его необходимо осматривать при каждом открытии плавильной камеры.
5.Вакуумную плавильно-заливочную установку следует подгото вить к работе в соответствии с «Руководством по эксплуатации», кото рое входит в комплект технической документации, поставляемой вме сте с установкой.
6.3.3.Плавка сплава и заливка форм
1.Загрузка тигля шихтой и раскисление сплава, предусмотренные технологическим процессом, осуществляются при помощи загрузочно го устройства без развакуумирования плавильной камеры. При загрузке тигля не допускается удар шихты о дно тигля. Загрузка шихты на пер
вую плавку производится вручную при открытой плавильной камере. Масса шихты должна соответствовать массе металла, сливаемого в форму без остатка в тигле.
2. Плавка металла производится только при достижении вакуума в плавильной камере 6,65-10" Па (5-10"3мм рт. ст.). Расплавление метал ла ведется форсированно, на полной мощности.
Температура расплава (от расплавления до перегрева его для рас кисления) замеряется оптическим пирометром. Через камеру загрузки шихты посредством загрузочного устройства вводится необходимое количество раскислителя (углерод, сплав Ni - С), после достижения расплавом температуры раскисления он выдерживается при этой тем пературе в течение 3-5 мин, затем выключается мощность, подаваемая на индуктор, и расплав охлаждается до температуры заливки сплава в форму. Допускается раскисление расплава не производить.
3. Для заливки формы сплавом открывается загрузочная камера и в печь подогрева форм устанавливается керамическая оболочковая фор ма, прокаленная при температуре не менее 950 °С. Допускается осуще ствлять заливку форм в коробах из жаростойких сталей с засыпкой ог неупорным наполнителем.
Температура формы контролируется путем замера температуры печи подогрева по истечении не менее 5 минут после установки формы в печь.
Заливка форм производится при отсутствии плен на поверхности Металла. Для разгона плены необходимо включить мощность на индук торе для поддержания заданной температуры, покачать тигель, чтобы отогнать плену на заднюю стенку тигля. Металл следует сливать осто рожно, не допуская выплесков его на стенки печи подогрева форм.
Температура расплава замеряется термопарой погружения с за щитным наконечником. Горячий спай термопары должен касаться дна защитного наконечника. Термопара опускается механизмом погруже ния в расплавленный металл на половину длины защитного наконечни ка. Количество погружений одного защитного наконечника зависит от его материала.
Время выдержки формы в печи подогрева после заливки - не ме нее 5 минут. После напуска воздуха в камеру загрузки форм залитая форма вынимается из печи подогрева.
6.3.4. Контроль технологических параметров и качества сплава
1. При подготовке к технологическому процессу плавки и заливки форм в вакуумных печах контролируются: исправность установки и контрольно-измерительной аппаратуры; правильность установки за
данных параметров технологического процесса на контрольно измерительных приборах.
2.При проведении технологического процесса контролируются: остаточное давление в плавильной и загрузочных камерах; температура
ивремя цикла плавки и заливки сплава в формы; натекание воздуха в камеры установки; температура формы и печи подогрева.
Время цикла плавки контролируется плавильщиком. Проверка натекания воздуха в камеры установки производится один раз в неделю при комнатной температуре (на холодной печи).
3.Качество сплава контролируется в каждой плавке.
4.Для контроля механических свойств и химического состава сплава заливается блок заготовок-образцов исходного расплава каждой плавки.
6.4.Физико-химические процессы при плавке в вакууме
Процессы, происходящие в жидком металле при плавке в вакууме, взаимосвязаны и в большинстве случаев протекают одновременно. На пример, процесс раскисления металла углеродом, при котором выделя ются пузырьки окиси или двуокиси углерода, сопровождается выделе нием азота и водорода, всплыванием и восстановлением неметалличе ских включений, испарением примесей легколетучих компонентов и т.д. Для более глубокого понимания возможностей вакуумной плавки целесообразно отдельно рассмотреть протекающие в вакууме реакции и процессы.
6.4.1. Раскисление металла углеродом в вакуумной индукционной печи
Важную роль в вакуумных процессах играет реакция взаимодей ствия углерода с кислородом, либо с растворенным в металле, либо с находящимся в окисных неметаллических включениях. Правильное ис пользование этой реакции позволяет получать металл с низким содер жанием кислорода. Поскольку продуктами раскисления углеродом яв ляются окись и двуокись углерода, почти нерастворимые в металле, то они покидают сферу реакции и выделяются из жидкого металла. Это выгодно отличает раскисление углеродом от раскисления другими раскислителями, продукты взаимодействия которых с кислородом остают ся в металле.
При выделении пузырьков преимущественно окиси углерода происходит не только раскисление и обезуглероживание металла. При подъеме пузырька СО в жидком металле в него выделяются азот и во дород, чему способствует увеличение реакционной поверхности ме талл - газ и падение давления внутри пузырька.