RU2627137C1

RU2627137C1 - Method of producing powders from heat-resistant nickel alloys

Info

Publication number: RU2627137C1
Application number: RU2016122484A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Дмитриевич Ковалев; Сергей Павлович Авдюхин; Дмитрий Дмитриевич Ваулин; Евгений Иванович Старовойтенко
Original assignee: Открытое акционерное общество "Всероссийский институт легких сплавов" (ОАО "ВИЛС")
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2017-08-03

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method involves the melting of the rotating cylindrical casting workpiece end with the plasma flow, provding the centrifugal spraying of the melt and forming the particles, solidifing into the micro ingots, when flying in the atmosphere of the cold plasma-forming mixture of gases, containing the inert gases and the hydrogen. The nitrogen is additionally introduced into the plasma-forming mixture of gases and maintains its concentration in the mixture at the level, that provides the gases ionization in the plasma flow and the ions interaction with the melt, saturation of the melt with nitrogen upto the level higher than its limiting solubility in the solid solution, typical for the heat-resistant nickel base alloys. Cool the micro ingots in the cold plasma forming mixture of gases at the rate of at least 103^C °/ sec.

EFFECT: increase of the heat-resistant nickel alloys strength characteristics.

1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, к области производства порошков в виде микрослитков, предназначенных для последующей переработки методом горячего изостатического прессования (ГИП).The invention relates to metallurgy, to the field of production of powders in the form of micro-ingots intended for subsequent processing by hot isostatic pressing (GUI).

Известен способ получения порошков в виде микрослитков методом вращающейся цилиндрической заготовки, торец которой оплавляют плазменной струей («Установка для получения порошков методом центробежного распыления вращающейся заготовки», авт. Кононов И.А. и др. в сб. «Металлургия гранул» под ред. Белова А.Ф., вып. 2, Москва, 1984 г., с. 242-250).A known method of producing powders in the form of micro-ingots by the method of rotating cylindrical billets, the end of which is fused with a plasma jet ("Installation for producing powders by centrifugal spraying of a rotating billet", auth. I. Kononov and others in the collection. "Metallurgy of granules", ed. Belova A.F., issue 2, Moscow, 1984, p. 242-250).

Метод позволяет получать химически однородные микрослитки, однако на их поверхности образуется окисная пленка, не позволяющая при ГИП обеспечить полную консолидацию микрослитков в компактную заготовку (изделие). Соответственно, изделия обладают пониженным комплексом механических свойств.The method allows one to obtain chemically uniform micro-ingots, however, an oxide film is formed on their surface, which does not allow for the complete consolidation of micro-ingots into a compact billet (product) during GUI. Accordingly, the products have a reduced set of mechanical properties.

Известен способ получения микрослитков из расплава методом центробежного распыления, включающий плавление литой заготовки плазменной струей, формируемой из плазмообразующего газа, подаваемой на торец вращающейся заготовки с образованием частиц расплава, затвердевающих в атмосфере плазмообразующего газа в микрослитки. При плавлении литой заготовки в плазменную струю вводят водород, обеспечивают его ионизацию и взаимодействие ионов водорода с окислами на поверхности расплава, с выводом образующейся в результате взаимодействия влаги методом вымораживания (Патент РФ №2536122 от 29.04.2013 г.) (прототип).A known method of producing micro-ingots from a melt by centrifugal spraying method, comprising melting a cast billet with a plasma jet formed from a plasma-forming gas supplied to the end face of a rotating billet with the formation of melt particles that solidify in a plasma-forming gas atmosphere in micro-bars. When melting a cast billet, hydrogen is introduced into the plasma jet, its ionization and interaction of hydrogen ions with oxides on the surface of the melt are provided, with the conclusion of the moisture formed as a result of the interaction of the method of freezing (RF Patent No. 2536122 from 04/29/2013) (prototype).

Данный способ, выбранный за прототип, позволяет получать порошки в виде микрослитков из жаропрочных никелевых сплавов с пониженным содержанием кислорода. Материал заготовки, сформированный методом ГИП из этих микрослитков, обладает повышенными кратковременными прочностными характеристиками. Однако этот способ не обеспечивает достаточную длительную прочность жаропрочных никелевых сплавов.This method, selected for the prototype, allows to obtain powders in the form of micro-ingots from heat-resistant nickel alloys with low oxygen content. The workpiece material formed by the ISU method from these micro-ingots has increased short-term strength characteristics. However, this method does not provide sufficient long-term strength of heat-resistant nickel alloys.

Техническим результатом изобретения является повышение прочностных характеристик жаропрочных никелевых сплавов, в том числе длительной прочности.The technical result of the invention is to increase the strength characteristics of heat-resistant nickel alloys, including long-term strength.

Технический результат достигается в способе, который включает плавление вращающейся цилиндрической литой заготовки потоком плазмы, направленным на ее торец, и центробежное распыление расплава с образованием частиц, затвердевающих в микрослитки при полете в атмосфере холодной плазмообразующей смеси газов, содержащей инертные газы и водород.The technical result is achieved in a method that includes melting a rotating cylindrical cast billet with a plasma stream directed at its end, and centrifugal spraying of the melt with the formation of particles that solidify into micro-ingots when flying in an atmosphere of a cold plasma-forming mixture of gases containing inert gases and hydrogen.

При этом в плазмообразующую смесь газов дополнительно вводят азот и поддерживают его концентрацию в смеси на уровне, обеспечивающем, за счет ионизации газов в потоке плазмы и взаимодействия ионов с расплавом, насыщение расплава азотом до уровня, превышающего предельную растворимость его в твердом растворе, характерного для жаропрочных сплавов на никелевой основе, а охлаждение микрослитков в холодной плазмообразующей смеси газов обеспечивают со скоростью не менее 10³ °C/с.At the same time, nitrogen is additionally introduced into the plasma-forming gas mixture and its concentration in the mixture is maintained at a level that ensures, due to the ionization of the gases in the plasma stream and the interaction of ions with the melt, saturation of the melt with nitrogen to a level exceeding its maximum solubility in a solid solution, which is characteristic of heat-resistant nickel-based alloys, and the cooling of micro-ingots in a cold plasma-forming gas mixture provides at a rate of at least 10 ³ ° C / s.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что в плазмообразующую смесь газов дополнительно вводят азот и поддерживают его концентрацию в смеси на уровне, обеспечивающем, за счет ионизации газов в потоке плазмы и взаимодействия ионов с расплавом, насыщение расплава азотом до уровня, превышающего предельную растворимость его в твердом растворе, характерную для жаропрочных сплавов на никелевой основе, а охлаждение микрослитков в холодной плазмообразующей смеси газов обеспечивают со скоростью не менее 10³ °C/с.The proposed method differs from the prototype in that nitrogen is additionally introduced into the plasma-forming gas mixture and its concentration in the mixture is maintained at a level that ensures, by ionizing the gases in the plasma stream and the interaction of ions with the melt, saturating the melt with nitrogen to a level exceeding its maximum solubility in solid solution, characteristic of heat-resistant nickel-based alloys, and the cooling of micro-ingots in a cold plasma-forming gas mixture is ensured at a rate of at least 10 ³ ° C / s.

Ионизация азота, отсутствие оксидных плен, удаляемых с поверхности расплава с помощью ионизированного водорода, снимает кинетические барьеры для перехода азота в пленку расплава на торце литой заготовки.Nitrogen ionization, the absence of oxide films removed from the surface of the melt using ionized hydrogen, removes the kinetic barriers for the transfer of nitrogen into the melt film at the end of the cast billet.

Насыщение расплава расплавляемой заготовки азотом до концентраций, превышающих его растворимость в твердом растворе жаропрочных никелевых сплавов и охлаждение частиц расплава с высокой скоростью, не менее 1×10³ °C/с, приводит к пересыщению азотом твердого раствора в образующихся микрослитках.Saturation of the molten workpiece melt with nitrogen to concentrations exceeding its solubility in a solid solution of heat-resistant nickel alloys and cooling of the melt particles at a high rate of at least 1 × 10 ³ ° C / s leads to the supersaturation of the solid solution with nitrogen in the resulting micro-ingots.

Последующая переработка микрослитков в компактную заготовку методом ГИП приводит к распаду твердого раствора в металле с образованием наноразмерных нитридных частиц с кристаллической решеткой, когерентной решетке твердого раствора. Такие частицы эффективно упрочняют твердый раствор, что, в конечном счете, позволяет повысить прочностные характеристики жаропрочных никелевых сплавов, в том числе их длительную прочность.Subsequent processing of micro-ingots into a compact billet by the ISU method leads to the decomposition of a solid solution in a metal with the formation of nanosized nitride particles with a crystal lattice, a coherent lattice of a solid solution. Such particles effectively harden the solid solution, which, ultimately, allows to increase the strength characteristics of heat-resistant nickel alloys, including their long-term strength.

Если скорость охлаждения уменьшить до значений, меньших 1×10³ °C/с, то из расплава будут выделяться относительно крупные частицы нитридной или карбонитридной избыточной фазы. В этом случае нарушается когерентная связь кристаллических решеток частиц и твердого раствора и эти частицы не только не упрочняют жаропрочные никелевые сплавы, но и, являясь концентраторами напряжений, снижают прочностные характеристики этих сплавов.If the cooling rate is reduced to values less than 1 × 10 ³ ° C / s, then relatively large particles of the nitride or carbonitride excess phase will be released from the melt. In this case, the coherent bond between the crystal lattices of the particles and the solid solution is violated, and these particles not only do not strengthen the heat-resistant nickel alloys, but, being stress concentrators, reduce the strength characteristics of these alloys.

Дозирование азота, вводимого в плазмообразующий газ и поддержание его концентрации на требуемом уровне, который устанавливают экспериментально, обеспечивают в процессе получения микрослитков системой управления.Dosing of nitrogen introduced into the plasma-forming gas and maintaining its concentration at the required level, which is established experimentally, is provided by the control system in the process of producing micro-ingots.

Принципиальная схема реализации предлагаемого способа изображена на рис. 1.A schematic diagram of the implementation of the proposed method is shown in Fig. one.

Вращающаяся с угловой скоростью ω заготовка (2) поступает в камеру распыления (1) под струю плазмы от плазмотрона (3).The workpiece (2) rotating with an angular velocity ω enters the spray chamber (1) under the plasma jet from the plasma torch (3).

Расплав, образующийся на торце вращающейся заготовки (2), отбрасывается в виде отдельных капель с ее периферии центробежными силами. В процессе полета в камере распыления (1) капли расплава охлаждаются в газе, заполняющем камеру, кристаллизуются и в виде микрослитков поступают в приемный бункер (8).The melt formed at the end face of the rotating billet (2) is discarded in the form of individual drops from its periphery by centrifugal forces. During the flight in the spraying chamber (1), the melt droplets are cooled in the gas filling the chamber, crystallize, and in the form of micro-ingots enter the receiving hopper (8).

Плазмообразующий газ поступает в камеру (1) перед началом процесса из ресивера газовой станции (7) через клапан (9). При работе плазмообразующий газ рециркулирует через камеру (1), холодильник (12) и плазмотрон (3) с помощью компрессора (6). Охлаждение газа и вымораживание влаги из него обеспечивает холодильник (12).Plasma-forming gas enters the chamber (1) before starting the process from the receiver of the gas station (7) through the valve (9). During operation, the plasma-forming gas is recycled through the chamber (1), the refrigerator (12) and the plasma torch (3) using a compressor (6). Gas cooling and freezing of moisture from it is provided by a refrigerator (12).

Состав рециркулирующего плазмообразующего газа контролирует и корректирует блок регулирования (5), который по сигналу его датчиков посредством автоматических клапанов (9) управляет подачей компонентов газовой смеси - порции водорода и азота от источника (10) или порции свежего газа от ресивера газовой станции (7) в смеситель (4). Смеситель (4) обеспечивает подмешивание требуемой порции газовой компоненты в поток рециркулирующего газа и доведение до требуемого уровня его состава. Рост давления в камере (1) от ввода в нее дополнительных порций газа контролирует автоматический клапан (9), действующий по сигналу от манометра (11), выпуская соответствующую порцию плазмообразующего газа в атмосферу.The composition of the recirculating plasma-forming gas is controlled and corrected by the control unit (5), which, by the signal of its sensors, by means of automatic valves (9) controls the supply of the components of the gas mixture - a portion of hydrogen and nitrogen from the source (10) or a portion of fresh gas from the receiver of the gas station (7) into the mixer (4). The mixer (4) ensures that the required portion of the gas component is mixed into the recycle gas stream and brought to the required level of its composition. The increase in pressure in the chamber (1) from introducing additional portions of gas into it is controlled by an automatic valve (9) acting on the signal from the pressure gauge (11), releasing the corresponding portion of the plasma-forming gas into the atmosphere.

Предлагаемый способ получения микрослитков был опробован экспериментально на установке центробежного распыления типа УЦР. При этом на ней была распылена партия заготовок ∅ 80 мм, длиной L=700 мм в количестве 60 шт. из никелевого сплава ЭП-741НП на частицы крупностью 140 мкм, при окружной скорости вращения периферии заготовки ~ 50 м/сек и при скорости плавления ~ 100 кг/час.The proposed method for producing micro-ingots has been tested experimentally in a centrifugal spraying unit such as UCR. At the same time, a batch of blanks ∅ 80 mm, length L = 700 mm in an amount of 60 pieces was sprayed on it. from EP-741NP nickel alloy on particles with a particle size of 140 microns, with a peripheral speed of rotation of the periphery of the workpiece ~ 50 m / s and a melting speed of ~ 100 kg / h.

В процессе распыления в плазмообразующий газ состава 10% Ar + 90% Не вводили водород (H₂) в количестве 0,3÷0,5 л/мин и азот 1,0÷1,5 л/мин.During spraying, 10% Ar + 90% of the plasma-forming gas was not injected with hydrogen (H ₂ ) in an amount of 0.3–0.5 l / min and nitrogen 1.0–1.5 l / min.

Удаление оксидных плен с поверхности расплава в процессе оплавления заготовки плазменным потоком вследствие взаимодействия их с ионами водорода обеспечило интенсивное взаимодействие расплава с ионами азота и насыщение металла азотом вплоть до уровня, превышающего растворимость его в твердом растворе сплава ЭП-741НП, а высокая скорость охлаждения частиц расплава в полете в холодном плазмообразующем газе сформировала микрослитки с зафиксированной в них равномерно распределенной карбидной упрочняющей фазой в виде наноразмерных частиц. В итоге было обеспечено повышение прочностных свойств сплава, в том числе его длительная прочность.The removal of oxide films from the surface of the melt during the process of melting the workpiece by a plasma stream due to their interaction with hydrogen ions ensured intensive interaction of the melt with nitrogen ions and saturation of the metal with nitrogen up to a level exceeding its solubility in the solid solution of the EP-741NP alloy, and the high cooling rate of the melt particles in flight in a cold plasma-forming gas, it formed micro-ingots with a uniformly distributed carbide hardening phase fixed in them in the form of nanosized particles . As a result, an increase in the strength properties of the alloy was provided, including its long-term strength.

Результаты сравнительного анализа механических свойств материалов, полученных по способу-прототипу и предлагаемому способу на сплаве ЭП-741НП, после компактирования из микрослитков заготовок методом ГИП, представлены в табл. №1.The results of a comparative analysis of the mechanical properties of the materials obtained by the prototype method and the proposed method on EP-741NP alloy, after compaction of workpieces from micro-ingots by the ISU method, are presented in table. No. 1.

Как следует из данных, приведенных в таблице 1, кратковременные прочностные характеристики повысились, при этом длительная прочность возросла на 50 МПа.As follows from the data given in table 1, short-term strength characteristics increased, while long-term strength increased by 50 MPa.

Claims

A method of producing powders from heat-resistant nickel alloys, comprising melting a rotating cylindrical cast billet with a plasma stream directed at its end, providing centrifugal atomization of the melt and the formation of particles that solidify into micro-ingots when flying in an atmosphere of a cold plasma-forming mixture of gases containing inert gases and hydrogen, different the fact that nitrogen is additionally introduced into the plasma-forming gas mixture and its concentration in the mixture is maintained at a level that ensures by ionization of the gases into sweat The plasma plasma and the interaction of ions with the melt saturate the melt with nitrogen to a level that exceeds its maximum solubility in solid solution, which is characteristic of heat-resistant nickel-based alloys, while providing cooling of micro-ingots in a cold plasma-forming gas mixture at a rate of at least 10 ³ ° C / s.