IT201800004541A1 - Procedimento per la produzione di una superlega e superlega ottenuta con il procedimento - Google Patents

Description

Titolo: “Procedimento per la produzione di una superlega e superlega ottenuta con il procedimento”.

DESCRIZIONE

Campo tecnico

La presente invenzione si riferisce ad un procedimento per la produzione di superleghe metalliche, in accordo con il preambolo della rivendicazione 1.

Stato della tecnica

Con la dicitura superleghe si intendono materiali atti a resistere ad elevate temperature, anche oltre i 1000 C°, composti prevalentemente da Ferro e Nichel con aggiunta di quantitativi variabili di Cromo, Cobalto, Niobio, Titanio ed altri elementi.

Come è noto, le superleghe sono materiali che devono possedere un elevato grado di purezza nei confronti di elementi, considerati impurità, quali, ad esempio, Zolfo (S), Piombo (Pb) e Bismuto (Bi) che, se presenti, sono nocivi alle prestazioni meccaniche, corrosionistiche e termiche che le superleghe devono essere in grado di fornire.

Materiali dotati delle suddette prestazioni trovano svariate applicazioni, particolarmente, sebbene non esclusivamente, nel settore aeronautico, ad esempio per la costruzione di eliche e delle palette dei rotori di turboreattori.

Tali materiali vengono prodotti tramite numerose tipologie di procedimenti di fabbricazione che comprendono operazioni di fusione, di raffreddamento in apposite lingottiere, ulteriori fusioni ed operazioni di raffinazione rivolte al miglioramento delle loro prestazioni meccaniche ma anche alla riduzione degli elementi nocivi in particolare Zolfo, Piombo e Bismuto, come sopra già riferito.

In accordo con i procedimenti attualmente in uso, la produzione di superleghe mediante il processo a tripla fusione comporta il sottoporre una carica di materiali di partenza, in un quantitativo in peso complessivamente non superiore alle venticinque tonnellate, ad una prima fusione in un forno ad induzione sottovuoto, nota con il termine V.I.M. (Vacuum Induction Melting), seguita dal colaggio del materiale fuso in lingottiere tonde dalle quali i lingotti vengono poi avviati ad una seconda fusione, denominata E.S.R. (Electro Slag Re-melting) durante la quale si cerca di eliminare il più possibile il quantitativo delle impurità presenti, in particolare il quantitativo di S (Zolfo), di Pb (Piombo), di Sn (Stagno) e di Bi (Bismuto). Successivamente a detta seconda fusione viene fatta seguire una terza fusione denominata V.A.R. (Vacuum Arc Re-melting).

Si tratta di un processo che comporta, in modo noto, tre fusioni della carica iniziale in cui la eliminazione delle impurità viene affidata alla seconda fusione, denominata ESR (Electro Slag Re-melting).

Svantaggi della tecnica nota

Nonostante l’effettuazione di una tripla fusione, una delle quali è la E.S.R., il risultato finale del processo è la produzione di una superlega nella quale le impurità, seppure in quantitativi ridotti, sono presenti in quantitativi non omogenei nel prodotto commercialmente utilizzabile perché differiscono da una carica all’altra dei materiali uscenti dalla fusione iniziale V.I.M., ciascuna delle quali, come noto, non supera le venticinque tonnellate.

Inoltre, tale limite quantitativo della carica non consente l’applicazione di una procedura di purificazione, molto più efficace, denominata A.O.D.

(Argon Oxygen Decarburization), che porterebbe ad una ulteriore riduzione delle impurità, dal momento che un quantitativo di carica di circa venticinque tonnellate, come quello sopra indicato, risulta troppo limitato per permettere che, nella carica, avvengano le reazioni indispensabili per l’eliminazione di impurità quali S, Pb, Sn e Bi con la procedura AOD.

Scopo dell’invenzione

Lo scopo della presente invenzione è quello di presentare un procedimento del tipo a tripla fusione, per la produzione di superleghe, che consenta di ottenere, nel prodotto finale, un elevato grado di eliminazione delle impurezze a base di S, Sn, Pb e Bi, oltre ad avere un elevato grado di uniformità delle stesse sia nell’ambito di una stessa carica sia su cariche diverse di materiale costitutivo della superlega.

Questo ed altri scopi che meglio appariranno dal seguito della descrizione, vengono raggiunti da un procedimento di produzione di una superlega che si caratterizza in accordo con la rivendicazione 1 esposta nel seguito.

Vantaggi dell’invenzione

Grazie alla presente invenzione è possibile realizzare un procedimento di produzione di una superlega che consente di ottenere una superlega avente una elevata omogeneità in virtù dell’agitazione turbolenta del bagno liquido prodotta dai gas insufflati durante il processo A.O.D..

Inoltre, grazie alla presente invenzione è possibile realizzare un procedimento di produzione di una superlega che consente di ottenere una superlega avente desolforazione (zolfo inferiore a 5 ppm) e disossidazione molto spinte, minimizzazione di impurezze (Bi e Se vengono volatilizzati e ridotti a livelli inferiori a 1 ppm) ed elevata pulizia inclusionale.

Inoltre, grazie alla presente invenzione è possibile realizzare uno stretto controllo ed elevata riproducibilità della composizione chimica del procedimento di produzione di una superlega grazie alla stechiometria delle reazioni in gioco.

Infine, grazie alla presente invenzione è possibile ottenere un procedimento di produzione di una superlega avente una elevata stabilità della velocità di rifusione e minimizzazione di gas, inclusioni e segregazione.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un procedimento per la produzione di superleghe e superleghe ottenute con il procedimento, come illustrato nell’unito disegno di figura 1, in cui è mostrato uno schema di flusso per la produzione di una superlega, in accordo con la presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

Anche qualora non esplicitamente evidenziato, le singole caratteristiche descritte in riferimento alle specifiche realizzazioni dovranno intendersi come accessorie e/o intercambiabili con altre caratteristiche, descritte in riferimento ad altri esempi di realizzazione.

Con riferimento alla figura allegata, con 1 è individuato il procedimento per la produzione di una superlega metallica 10, ossia di quelle leghe metalliche composte prevalentemente da Ferro e Nichel con aggiunta di quantitativi variabili di Cromo, Cobalto, Titanio ed altri elementi.

In particolare, il procedimento 1 è del tipo a tripla fusione, ossia prevede come si vedrà nel seguito, un triplo processo di fusione e rifusione di una carica di materiali di partenza 2.

Il procedimento 1 comprende una prima fase 3 in cui è fornita la suddetta carica di materiali 2 in un quantitativo compreso in un intervallo di valori variabili tra quaranta e settanta tonnellate in peso, preferibilmente pari cinquanta tonnellate in peso.

Tale prima fase 3 comprende la fusione mediante un forno ad arco elettrico della suddetta carica di materiali 2 per ottenere una prima fusione 3A.

Il forno ad arco elettrico è un forno di tipo convenzionale e pertanto non descritto.

Una volta conseguita la prima fusione 3A della intera carica di materiali 2 tramite il forno ad arco elettrico 3, la stessa fusione in condizioni liquide è sottoposta ad un trattamento A.O.D. (Argon Oxygen Decarburization) 4, noto nella tecnica e pertanto non descritto.

In altre parole, la prima fusione 3A fusa mediante il forno elettrico 3 è sottoposta al trattamento A.O.D. 4 per ottenere una prima fusione 4A affinata.

Secondo un aspetto vantaggioso del presente procedimento, il trattamento A.O.D. 4 è espletato sulla prima fusione 3A allorquando tale prima fusione 3A è ancora nello stato liquido.

In particolare, il trattamento A.O.D. 4 consente di ottenere una fusione decarburata e affinata 4A in cui vi è la minimizzazione di impurità quali S, Pb ed Sn nonché una disossidazione spinta.

Giova rilevare che la prima fusione 4A è pari al medesimo quantitativo di carica di materiali 2 sottoposta al forno elettrico 3, ossia se la carica di materiali 2 è pari a cinquanta tonnellate allora anche la prima fusione 4A sarà pari a cinquanta tonnellate.

Durante il trattamento A.O.D. 4, la massa liquida della prima fusione 3A è sottoposta ad una intensa agitazione prodotta dai gas insufflati (argon, azoto e ossigeno in diverse proporzioni a seconda della fase del trattamento A.O.D.) durante il trattamento, da cui deriva una elevata omogeneità della prima fusione 4A.

Al termine del trattamento A.O.D. 4 vi è una fase di solidificazione 5 della prima fusione 4A.

Secondo un aspetto la fase di solidificazione 5 comprende una fase di colaggio in lingottiere e successivo raffreddamento per ottenere lingotti 5A, preferibilmente di forma cilindrica.

I lingotti 5A sono poi sottoposti ad una fusione in un forno V.I.D.P. (Vacuum Induction Degassing and Pouring) 6 per ottenere una seconda fusione 6A.

Al termine del trattamento nel forno V.I.D.P. 6, la seconda fusione 6 è sottoposta ad una fase di solidificazione 7 sempre all’interno del forno V.I.D.P.

Secondo un aspetto la fase di solidificazione 7 comprende una fase di colaggio in lingottiere e successivo raffreddamento per ottenere lingotti 7A, preferibilmente di forma cilindrica.

I lingotti 7A come ottenuti dalla fase di solidificazione 7, sono poi sottoposti ad una fusione mediante un forno V.A.R. (Vacuum Arc Re-melting) 8 per ottenere una terza fusione 8A.

Al termine della fusione mediante forno V.A.R. 8, la terza fusione 8A è sottoposta ad una fase di solidificazione 9 all’interno del forno V.A.R. per ottenere la superlega metallica 10.

La superlega 10 ottenuta con il processo a tripla fusione 4, 6 e 8 è successivamente sottoposta a trattamenti di omogenizzazione, trasformazione termomeccanica e trattamento termico in impianti e attrezzature allo stato dell’arte.

In particolare, la superlega 10, dopo la fase di solidificazione 9, è sottoposta a trasformazione termomeccanica comprendente una fase di forgiatura alla pressa, preferibilmente di tipo idraulico.

Qualora si desideri avere uno spessore inferiore a 250-300 mm, la superlega 10, dopo la fase di solidificazione 9 e la fase di forgiatura alla pressa, è sottoposta ad una ulteriore trasformazione termomeccanica comprendente una fase di forgiatura radiale a quattro mazze mediante impianto idraulico, di tipo RUMX e ad una fase di forgiatura a deformazione radiale continua in un impianto di laminazione, preferibilmente di tipo idraulico.

Tale superlega 10 risulta possedere elevata omogeneità chimica e uniformità di proprietà meccaniche, termiche e corrosionistiche rilevanti per l’impiego previsto.

Infatti, si rileva che la superlega 10 ottenuta mediante il procedimento 1 risulta avere un’elevata omogeneità chimica, un grado di desolforazione assai elevato con un residuo di zolfo inferiore a 5 ppm, una disossidazione altrettanto elevata e livelli di impurezza, relativa a Bi e Se, inferiori a 1 ppm.

Ciò si ritiene derivi dal fatto che la carica iniziale 2 compresa tra quaranta e settanta tonnellate in peso, determina le condizioni chimico-fisiche indispensabili per rendere efficace l’impiego di un trattamento A.O.D. 4, cui è dovuto un elevato grado di eliminazione delle impurità. Inoltre, il trattamento A.O.D. dopo la prima fusione 3A viene condotto con elevata turbolenza della massa fusa derivante dall’insufflazione dei gas di processo con conseguente elevata omogeneità delle reazioni chimiche di processo e quindi della composizione chimica della lega fusa.

In accordo con una variante esecutiva del procedimento secondo l’invenzione, la carica uscente dal trattamento A.O.D. 4, ai fini delle successive fusioni V.I.D.P. 6 e V.A.R. 8, può essere parzializzata in più porzioni a seconda delle necessità di fornitura della lega 10, con la possibilità di garantire forniture di materiale altamente omogeneo anche a distanza di tempo.

Ovviamente, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche alle varianti prima descritte, tutte peraltro contenute nell’ambito di protezione quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento (1) per la produzione di una superlega metallica (10) comprendente le fasi di: - fornire una carica di materiali metallici (2); - fondere detta carica di materiali metallici (2) in un forno ad arco elettrico (3) in modo da ottenere una prima fusione (3A) di detta carica di materiali metallici (2); - solidificare (5) detta prima fusione (3A) così da ottenere primi lingotti (5A); - fondere detti primi lingotti (5A) in un forno V.I.D.P. (6) per ottenere una seconda fusione (6A); - solidificare (7) detta seconda fusione (6A) così da ottenere secondi lingotti (7A); - fondere detti secondi lingotti (7A) in forno un V.A.R. (8) per ottenere una terza fusione (8A); - solidificare (9) detta terza fusione (8A) per ottenere una superlega metallica (10); caratterizzato per il fatto che detta carica di materiali metallici (2) presenta un quantitativo in peso variabile in un intervallo compreso tra quaranta e settanta tonnellate; e per il fatto di comprendere una fase di trattamento A.O.D. (4) su detta prima fusione (3A) per ottenere una prima fusione decarburata e affinata (4A), detta fusione in forno V.I.D.P. (6) e detta fusione in forno V.A.R. (8) essendo eseguite in successione su detta prima fusione decarburata e affinata (4A) risultante dal detto trattamento A.O.D. (4).
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta prima fusione decarburata e affinata (4A) è ottenuta eseguendo il trattamento A.O.D. su detta prima fusione (3A) mentre questa si trova allo stato fuso conseguente alla fusione in detto forno ad arco elettrico (3).
3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta prima fusione decarburata e affinata (4A) sottoposta alla detta seconda fusione in forno V.I.D.P. (6) presenta un quantitativo in peso compreso tra dieci e venti tonnellate.
4. 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta fase di solidificazione (7) della detta seconda fusione (6A) comprende una fase di colaggio in lingottiere.
5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui dette fasi di solidificare detta prima fusione decarburata e affinata (4A) e detta seconda fusione (6A) prevedono una fase di raffreddamento dopo colaggio in lingottiere.
6. 6. Procedimento secondo la rivendicazione 5, in cui dette lingottiere sono conformate in modo tale che detti primi e secondi lingotti abbiano forma cilindrica.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui detta superlega metallica (10) è del tipo a base di Ferro o Nichel, comprendente quantitativi variabili di Cromo, Cobalto, Niobio, Titanio e/o altri elementi.
8. 8. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui successivamente alla fase di solidificare (9) detta terza fusione (8A), detta superlega (10) è sottoposta a trasformazione termomeccanica comprendente una fase di forgiatura alla pressa.
9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui successivamente alla fase di solidificare (9) detta terza fusione (8A) ed alla fase di trasformazione termomeccanica comprendente una fase di forgiatura alla pressa, detta superlega (10), per spessori inferiori a 250-300 mm, è sottoposta a ulteriore trasformazione termomeccanica comprendente una fase di forgiatura radiale a quattro mazze con un impianto di tipo RUMX ed una fase di forgiatura a deformazione radiale continua in un impianto di laminazione.
10. 10. Superlega (10) ottenuta con il procedimento secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzata per il fatto che comprende un residuo di zolfo inferiore a 5 ppm.
11. 11. Superlega (10) secondo la rivendicazione 10, caratterizzata per il fatto che comprende un quantitativo di residui di Bi e Se inferiore a 1 ppm.