UA120786C2 - Спосіб плавки та рафінування сплавів - Google Patents

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНІКИ

ЇО0О0О1| Даний винахід належить до багатоетапних способів для плавки і рафінування суперсплавів, та інших сплавів. Даний винахід також належить до сплавів, отриманих і рафінованих із застосуванням описаних у даному документі багатоетапних способів плавки та рафінування, а також до прокатних виробів і промислових виробів, включаючи сплави.

РІВЕНЬ ТЕХНІКИ

0002 Відомі різні технології для плавки та рафінування суперсплавів, застосування яких дозволяє отримувати сплави, які не мають проблематичних включень, сегрегації та інших дефектів. Для здійснення різних інноваційних технологій знадобляться більші та масивніші форми сплавів, що означає підвищені вимоги до існуючих методів плавки та рафінування.

Наприклад, сучасні методи плавки та рафінування, вживані для отримання суперсплавів для компонентів турбінних дисків, дозволяють проводити ультразвукові випробування на проміжних стадіях під час обробки сплавів, що істотно не впливає на кінцеву вартість обробки деталі. З появою істотно більших турбомашин, таких як, наприклад, турбінні двигуни СЗЕ9О і СЕпх, потрібні істотно більші заготовки із суперсплавів з розмірами, достатніми для дуже великих компонентів диска. Ці заготовки із суперсплавів можуть мати масу більше 1000 фунтів (453,6 кг), а для турбінних двигунів, що знаходяться в процесі виготовлення, можуть знадобитися заготовки із суперсплавів масою до 3000 фунтів (1360,8 кг). Існуючі технології плавки та рафінування можуть виявитися непридатними для отримання заготовок із суперсплавів такого розміру з економічних міркувань, наприклад, через істотні втрати на виході, оскільки матеріал, який не пройшов ультразвукові випробування та інші неруйнівні контрольні випробування, відбраковується.

ІО0ОЗІ Відповідно, існує потреба у розробці поліпшеного процесу плавки і рафінування для отримання суперсплавів, та інших сплавів.

СУТЬ ВИНАХОДУ

00041 Відповідно до одного необмежуючого аспекту даного винаходу спосіб плавки та рафінування сплаву включає етап вакуумної індукційної плавки (ВІП), етап електрошлакової переплавки (ЕШП), і перший та другий етапи вакуумної дугової переплавки (ВДП). Вихідні матеріали піддають вакуумній індукційній плавці, щоб отримати сплав, що пройшов вакуумну

Зо індукційну плавку, який містить основний складовий елемент (з урахуванням масової відсоткової долі), який являє собою будь-який метал з: ванадію, хрому, марганцю, заліза, кобальту, нікелю, міді, ніобію, молібдену, технецію, рутенію, родію, паладію, срібла, танталу, вольфраму, ренію, осмію, іридію, платини та золота. Іншими словами, у сплаві, що пройшов вакуумну індукційну плавку, знаходиться більше "основного" складового елементу з урахуванням масової відсоткової долі, ніж будь-якого іншого складового елементу сплаву, що пройшов вакуумну індукційну плавку. Щонайменше частину сплаву, що пройшов вакуумну індукційну плавку, піддають електрошлаковій переплавці, щоб отримати зливок, що пройшов електрошлакову переплавку. Щонайменше частину зливка, що пройшов електрошлакову переплавку, піддають вакуумній дуговій переплавці під час першої операції вакуумної дугової переплавки, щоб отримати зливок, що пройшов вакуумну дугову переплавку. Щонайменше частину зливка, що пройшов вакуумну дугову переплавку, піддають вакуумній дуговій переплавці під час другої операції вакуумної дугової переплавки, щоб отримати зливок, що пройшов подвійну вакуумну дугову переплавку. 0005 Відповідно до іншого необмежуючого аспекту даного винаходу, спосіб плавки та рафінування сплаву включає: вакуумну індукційну плавку вихідних матеріалів для отримання сплаву, що пройшов вакуумну індукційну плавку; електрошлакову переплавку щонайменше частини сплаву, що пройшов вакуумну індукційну плавку, для отримання сплаву, що пройшов електрошлакову переплавку; вакуумну дугову переплавку щонайменше частини сплаву, що пройшов електрошлакову переплавку, для отримання сплаву, що пройшов одну вакуумну дугову переплавку; і вакуумну дугову переплавку щонайменше частини сплаву, що пройшов одну вакуумну дугову переплавку, для отримання сплаву, що пройшов подвійну вакуумну дугову переплавку. У різних варіантах реалізації способу сплав, що пройшов вакуумну індукційну плавку, містить в основному один метал з: ванадію, хрому, марганцю, заліза, кобальту, нікелю, міді, ніобію, молібдену, технецію, рутенію, родію, паладію, срібла, танталу, вольфраму, ренію, осмію, іридію, платини та золота.

ІЇ000О6| Відповідно до іншого необмежуючого аспекту даного винаходу спосіб плавки та рафінування сплаву включає: вакуумну індукційну плавку вихідних матеріалів для отримання сплаву; електрошлакову переплавку щонайменше частини сплаву для отримання першого зливка; вакуумну дугову переплавку щонайменше частини першого зливка для отримання бо другого зливка; і вакуумну дугову переплавку щонайменше частини другого зливка. У різних варіантах реалізації способу сплав містить в основному один метал з: ванадію, хрому, марганцю, заліза, кобальту, нікелю, міді, ніобію, молібдену, технецію, рутенію, родію, паладію, срібла, танталу, вольфраму, ренію, осмію, іридію, платини та золота.

КОРОТКИЙ ОПИС ГРАФІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ

Ї0О007| Ознаки та переваги описаних у даному документі способів, систем і виробів із сплавів будуть зрозуміліші з посиланням на додані графічні матеріали, в яких:

ІО0О8І Фіг. 1 є графіком, що зображує площу оксиду на одиницю маси для випробувань лункової плавки електронним пучком для сплаву 718 із застосуванням тільки ВІП і послідовностей ВІП-ЕШП ії ВІП-ЕШП-ВДП (потрійна плавка);

ЇО0О09І| Фіг. 2 є графіком, що зображує кількість оксиду (м.д.) для випробувань лункової плавки для сплаву 718 тільки для ВІП, способів ВІП-ЕШП і ВІП-ВДП; і

ЇОО1О| Фіг. З є блок-схемою необмежуючого варіанту реалізації способу плавки та рафінування сплаву відповідно до даного винаходу. 00111) Читачеві стануть зрозумілі наведені вище деталі, а також інші деталі, після розгляду нижченаведеного детального опису деяких необмежуючих варіантів реалізації способів і систем відповідно до даного винаходу. Також деякі з цих додаткових деталей можуть стати зрозумілі читачеві після застосування описаних у даному документі способів і систем.

ДЕТАЛЬНИЙ ОПИС ДЕЯКИХ НЕОБМЕЖУЮЧИХ ВАРІАНТІВ РЕАЛІЗАЦІЇ ВИНАХОДУ

00121 У даному описі необмежуючих варіантів реалізації та в пунктах формули винаходу, за винятком робочих прикладів, або якщо вказане інше, усі числа, що виражають кількості або характеристики інгредієнтів і продуктів, умови обробки і таке інше, слід розуміти, як такі, що модифікуються в усіх випадках терміном "близько". Відповідно, якщо не вказане протилежне, будь-які числові параметри, наведені в описі та доданій формулі винаходу, є наближеннями, які можуть варіюватися залежно від бажаних властивостей, які необхідно отримати в способах, системах і виробах відповідно до даного винаходу. Як мінімум, і не намагаючись обмежувати застосування доктрини еквівалентів об'ємом формули винаходу, кожен числовий параметр слід сприймати щонайменше у світлі кількості наведених значущих цифр, застосовуючи стандартні методи закруглення. 00131 Будь-які патенти, публікації або інші розгорнуті матеріали, в повному об'ємі або

Зо частково, про які говориться, що вони включені у даний документ за допомогою посилання, включені у даний документ тільки в тому ступені, в якому включений матеріал не суперечить існуючим визначенням, твердженням або іншому розгорнутому матеріалу, наведеному в даному описі. Отже, і в тому ступені, в якому це необхідно, наведений у даному документі опис не враховує будь-який суперечливий матеріал, включений у даний документ за допомогою посилання. Будь-який матеріал або його частина, про який говориться, що він включений у даний документ за допомогою посилання, але який суперечить існуючим визначенням, твердженням або іншому розгорнутому матеріалу, наведеному у даному описі, включений тільки в тому ступені, в якому не виникає протиріч між цим включеним матеріалом і існуючим розгорнутим матеріалом. 00141 Існуючі на сьогодні традиційні способи плавки та рафінування суперсплавів на основі нікелю, вживаних у турбінних компонентах та інших високопродуктивних деталях, включають операцію вакуумної індукційної плавки (ВІП), за якою йде операція вакуумної дугової переплавки (ВДП) або операція електрошлакової переплавки (ЕШП). Альтернативний спосіб плавки та рафінування, вживаний для отримання суперсплаву на основі нікелю для турбінних компонентів, складається з етапів вакуумної індукційної плавки (ВІП), за якими йде електрошлакова переплавка (ЕШП), а потім - вакуумна дугова переплавка (ВДП). Цей ВІП «Ж

ЕШП «- ВДП спосіб обробки зазвичай називається в промисловості способом потрійної плавки. У способі потрійної плавки скомбіновані операція ВІП для базової плавки та рафінування шихтових матеріалів, операція ЕШП, яка знижує кількість оксидних включень, і кінцева операція

ВДП для мінімізації сегрегації легуючих елементів. Відносну ефективність послідовностей ВІП-

ЕШП, ВІП-ВДП ї ВІП-ЕШП-ВДП (потрійна плавка) в процесі рафінування суперсплаву на основі нікелю, а саме сплаву 718 (М5 МО7718), можна побачити на фіг. 1 і 2, які наведені в Моуег еї аІ.,, "Аамапсез іп Тгіріе Мейіпуд ЗирегаїПоувх" (1994). На Фіг. 1 наведено графік площі оксиду на одиницю маси для випробувань лункової плавки електронним пучком для сплаву 718 із застосуванням тільки ВІП їі послідовностей ВІП-ЕШП і ВІП-ЕШП-ВДП (потрійна плавка). На Фіг. 1 показано зниження вмісту оксиду більш ніж на 50 95 для послідовності з потрійною плавкою в порівнянні з послідовністю ВІП-ЕШП. На Фіг. 2 наведено графік кількості оксиду (м.д.) для випробувань лункової плавки для сплаву 718 тільки для ВІП, способів ВІП-ЕШП і ВІП-ВДП, і показано, що операція ЕШІП є істотно ефективнішою у порівнянні з ВДП щодо зниження 60 включень оксиду в сплаві 718.

0015) Під час кінцевої операції ВДП виділені оксиди, які були захоплені в краплини сплаву під час ЕШП-плавки або які збираються на внутрішніх поверхнях плавильного тигля під час

ВДП-плавки та входять до складу сплаву, можуть бути захоплені під час твердіння. Ці оксидні сегрегати можуть зробити сплав непридатним для виготовлення з нього компонентів турбінного диска та інших високопродуктивних деталей. У деяких випадках сегрегати утворюють у сплаві поверхню розділу, яку можна виявити під час ультразвукового випробування після перетворення заготовки. В інших випадках сегрегати можуть потрапляти в кінцеву деталь і ставати причиною відбракування компонента під час випробувань кінцевої деталі. Дефіцитну заготовку або кінцеву детать потім відбраковують, що знижує вихід і збільшує витрати на виробництво.

І0О016Ї Під час виробництва деяких сталевих сплавів, для яких потрібна дуже висока ступінь чистоти, застосовується спосіб плавки та рафінування з послідовністю ВІП ї- ВДП я ВДП. У разі переплавки сталевих сплавів висока точка плавлення сплавів призводить до утворення відносно глибокої плавильної ванни на верхній частині формованого зливка ВДП. Це дає матеріалу додатковий час для перебування у розплавленому стані, дозволяючи оксидним включенням спливати до поверхні в результаті різниці у густині з основним сплавом.

Послідовність ВІП - ВДП ї- ВДП не була адаптована для застосування із суперсплавами на основі нікелю. Суперсплави на основі нікелю в загальному випадку мають мілкішу плавильну ванну під час ВДП-плавки у порівнянні із сталевими сплавами. Оскільки плавильна ванна на поверхні формованого зливка ВДП суперсплаву на основі нікелю є відносно мілкою, часу перебування та дії сил Лоренца може бути недостатньо для того, щоб оксидні включення могли спливати та рухатися у напрямі зовнішньої поверхні плавильної ванни під час процедури переплавки. Проміжна операція ЕШП забезпечує ефективний засіб для забезпечення глибокої ванни для спливання та реактивного шлаку для зниження відносно великих кількостей залишкових металевих оксидів у різних комбінаціях. Отже, послідовність ВІП - ВДП ї- ВДП перевершує послідовність ВІП 4 ЕШП я ВДП у випадку суперсплавів на основі нікелю.

Ї0О017| Але навіть у цьому випадку було відзначено, що оксиди можуть залишатися після операції ЕШП, що проводиться для суперсплаву на основі нікелю, і включення оксидів можуть переноситися на кінцеву операцію переплавки в послідовності з потрійною плавкою (ВІП - ЕШП - ВДП). Метою даного винаходу є зниження частоти появи залишкових оксидів, а також карбідних і карбонітридних агломератів, пов'язаних, наприклад, із забруднюючими речовинами, що потрапляють з плавильного тигля в суперсплави на основі нікелю. 0018) Під час виробництва деяких титанових сплавів застосовується декілька операцій

ВДП, щоб усунути шкідливу дію високощільних включень, включаючи нітрид з титанових сплавів, протягом операцій первинної плавки або переплавки. Проте вважається, що послідовність з декількох операцій ВДП не може бути застосована до рафінування суперсплавів на основі нікелю. Практична реалізація первинної плавки у разі титанових сплавів дає деяке уявлення про те, чому декілька етапів ВДП застосовували до титанових сплавів, але ніколи раніше - до сплавів нікелю. На первинному етапі традиційного процесу плавки титану використовується зварений електрод з губчастого матеріалу та скрапу. Цей первинний електрод може містити нітрид, який легко утворює з титановими або плавильними забруднюючими речовинами, такими як Тім, наконечники, вживані в машинній обробці. Оскільки первинний етап плавки у разі виробництва титану, як правило, є операцією ВДП цього композитного електроду, такі включення можуть бути вміщені у ванну, що твердіє. Декілька етапів плавки застосовують для поступового розчинення будь-якого матеріалу, що залишається, під час потокового виробництва. | навпаки, титан легко приймає оксиди в розчин, що у багатьох випадках можна використовувати для зміцнення сплаву. У разі виробництва сплавів на основі нікелю початкова плавка є вакуумною індукційною плавкою, в якій нітриди включають у розчин під час операції первинної плавки. Оксиди, як правило, утворюють шлак або можуть відноситися розплавленим потоком під час розливання. Отже, операції переплавки під час виробництва сплавів на основі нікелю спрямовані на фізичне усунення оксидів, а не на включення їх у розчин.

Ї0019| Відповідно до аспекту даного винаходу сплав на основі нікелю забезпечують за допомогою поліпшеної послідовності плавки та рафінування, включаючи операцію ВІП, за якою йде операція ЕШП, і дві послідовні операції ВДП. Фігю. З є блок-схемою, яка зображує цю послідовність. У контексті даного документу вказана послідовність може скорочено називатися

ВІП - ЕШП ї- ВДП яї- ВДП і може належить до процесу "четверної плавки", що принципово протиставляє його послідовності потрійної плавки, а також послідовностям подвійної плавки.

Кінцева (фінальна) операція вакуумної дугової переплавки процесу четверної плавки може бо додатково знижувати частоту появи оксидних, карбідних і карбонітридних сегрегатів у сплаві. Ці сегрегати, які є об'єктами розділення внаслідок різниці у густині з основним сплавом і термічного та електромагнітного потоку в розплаві, спрямовані до поверхні зливка, що твердіє, і можуть бути видалені під час подальшої обробки матеріалу ВДП-зливка. Згідно із спостереженнями суперсплави на основі нікелю, наприклад, отримані за допомогою послідовності четверної плавки відповідно до даного винаходу, демонструють знижену частоту появи оксидних, карбідних і карбонітридних сегрегатів, і можуть використовуватися у важливих компонентах, таких як, наприклад, компоненти турбінних дисків. 00201 Кінцева операція плавки ВДП у послідовності четверної плавки забезпечує засіб для видалення кластерів вторинних фаз, таких як оксиди, і кластерів карбідів і карбонітридів, які можуть опинитися в зливку під час попередніх операцій плавки. Оксиди та кластери вторинних фаз, як правило, є невеликими та такими, що рідко зустрічаються. Застосування зливка, отриманого за допомогою послідовності ВІП - ЕШП я ВДП у вигляді електроду для кінцевої операції ВДП, забезпечує відносно чистий з металургійної точки зору вихідний сировинний матеріал, який додатково рафінують під час кінцевої операції ВДП. Також кінцеву операцію ВДП можна проводити так, щоб контролювати вміст елементів, що мають відносно низький тиск пари. Такі елементи включають, наприклад, магній і потенційно інші елементи, які можуть забезпечити сплав матеріальними властивостями, важливими як для подальших операцій формування, так і для кінцевих застосувань. У традиційних послідовностях рафінування, що включають декілька операцій вакуумної плавки, склад легуючих елементів, що мають низький тиск пари, може відчувати негативний вплив. Таким чином, процес четверної плавки відповідно до даного винаходу може поліпшити кінцеву цілісність виробу та може рафінувати хімічний склад сплаву, не порушуючи хімічну сегрегацію сплаву. 00211 На Фіг. З зображено необмежуючий варіант реалізації 100 послідовності четверної плавки. Згідно Фіг. З операція ВІП 102 послідовності четверної плавки 100 включає індукційну плавку шихтових матеріалів для отримання частково рафінованого сплаву, який можна використовувати як електрод для подальшої операції ЕШП. Операцію ВІП можна проводити традиційним способом, відомим фахівцям, щоб отримати електроди в литому вигляді в необхідних нормативних межах для сплаву, які мають достатню структурну цілісність, щоб забезпечити можливість проведення стабільної операції переплавки. У операції ВІП

Зо використовуються індукційні котушки для розплаву шихту з вихідного матеріалу в тиглі з вогнетривким футеруванням. У деяких необмежуючих варіантах реалізації винаходу, шихтові матеріали можуть містити, наприклад і без обмежень, як вихідний матеріал, такий, як прості матеріали з відносно високим ступенем чистоти (наприклад, 99-95), що отримуються під час рафінування рудного тіла, так і вторинний матеріал, такий як оборотний матеріал, що пройшов машинну обробку, та був очищений від залишків мастильно-охолоджувальної рідини. Сировинні матеріали відбирають і комбінують в пропорціях, які гарантують, що отримуване в результаті тепло відповідає необхідним нормативам для сплаву. Операцію ВІП, як правило, проводять в умовах вакууму нижче 100 мк рт. ст. (13,3 Па), або в умовах часткової атмосфери інертного газу, якщо нормативи сплаву включають вимоги наявності елементів з низьким тиском пари. У деяких варіантах реалізації винаходу процес ВІП закінчується операцією розливання, під час якої електроди можуть бути сифонно розлиті через центральний ливник і систему каналів ливників, або кожен електрод може бути окремо розлитий згори. Пост-ВІП операції, як правило, включають операції зняття покриття для витягання електроду з розплаву після твердіння і можуть включати операцію зачищення поверхні залежно від подальшого вживаного способу переплавки. (0022) Знову звертаючись до Фіг. З, операція ЕШП 104 послідовності четверної плавки 100 включає електрошлакову переплавку електроду із сплаву, отриманого під час операції ВІП 102.

Операцію ЕШІП в загальному випадку можна проводити традиційним способом, відомим фахівцям. Для ВІП-електроду може знадобитися шліфовка перед проведенням операції ЕШП для видалення рихлої поверхневої окалини у разі її наявності У деяких необмежуючих варіантах реалізації операції електрод із сплаву може бути приварений до невитратної затравки, яка має дотичну поверхню, здатну переносити, наприклад, щонайменше 20 кВт електричної енергії від печі ЕШП. У процесі ЕШП струм пропускається через флюс для його розплавлення. Фахівці легко можуть визначити композицію відповідних флюсів для конкретної операції ЕШП. У деяких варіантах реалізації винаходу флюс може бути, наприклад, флюсом на основі Саб», який також містить істотну кількість компонентів Сао (10-40 95 мас.) і Аг2Оз (10-40 95 мас.) Додаткові оксиди можуть бути включені у флюс в менших концентраціях, щоб гарантувати сумісність хімічного складу флюсу з електродом, що переплавляється, і мінімізувати будь-які надбавки або втрати реактивних елементів у флюсі. Інші оксиди, які можна 60 застосовувати у флюсі, містять: їа2Оз, Мо90О, 5іО»2, ТО» і 2гО». Електрод занурюють у розплавлений ЕШП-флюс, який переносить достатню кількість тепла, щоб розплавити наконечник електроду. Глибина занурення електроду у флюс, як правило, складає 6-12 мм і контролюється традиційним чином, наприклад, за допомогою системи автоматичного регулювання перепаду опору або перепаду напруги. Система регулювання може визначати відхилення перепаду опору або напруги від встановленої величини та коригувати положення електроду в належному напрямі для збереження необхідної встановленої величини, що відповідає глибині занурення. У деяких необмежуючих варіантах реалізації винаходу друга система регулювання ЕШП або забезпечує плавлення за встановленого значення постійного струму, або використовує месдози для визначення швидкості плавлення за одиницю часу. У разі застосування регулювання швидкості плавлення застосовуваний струм можна коригувати, щоб підтримувати необхідне встановлене значення швидкості плавлення. (0023) Знову звертаючись до Фіг. 3, перша операція ВДП 106 послідовності четверної плавки 100 включає вакуумну переплавку електроду із сплаву, отриманого під час операції ЕШП 104.

Першу операцію ВДП 106 у загальному випадку можна проводити традиційним способом, відомим фахівцям. Для ВДП-електроду може знадобитися зачищення для видалення ЕШП- флюса, поміщеного у самий верхній поверхневий шар. У деяких необмежуючих варіантах реалізації винаходу електрод може бути приварений до невитратної затравки, яка має дотичну поверхню, здатну переносити, наприклад, щонайменше 15 кВт електричної енергії від печі ВДП.

У процесі ВДП струм пропускається між електродом і отримуваним в результаті розплавленим зливком, що утворюється безпосередньо нижче. На початку процесу струм пускається безпосередньо на базову плиту, таку як, наприклад, мідна базова плита з водяним охолодженням. Мідна базова плита не плавиться, оскільки внаслідок її високої теплопровідності отримувана в результаті теплова енергія швидко переноситься в охолоджувальну воду так, що температура базової плити не перевищує температуру плавлення міді. У процесі ВДП, як правило, підтримується відносно постійна та традиційна величина віддалення (дуговий проміжок), яка складає, наприклад 6-12 мм між наконечником електроду та верхнім краєм розплавленого зливка. У різних варіантах реалізації винаходу система регулювання величини віддалення автоматично визначає напругу та коригує положення електроду в належному напрямі для збереження встановленої величини, відповідної необхідній величині віддалення. У

Зо деяких варіантах реалізації винаходу друга система регулювання ВДП або забезпечує плавлення за встановленого значення постійного струму, або використовує месдози для визначення швидкості плавлення за одиницю часу. Якщо система регулювання використовує регулювання швидкості плавлення, застосовуваний струм коригують, щоб підтримувати необхідне встановлене значення швидкості плавлення. (00241) Знову звертаючись до Фіг. 3, друга операція ВДП 108 послідовності четверної плавки 100 включає вакуумну переплавку електроду із сплаву, отриманого під час першої операції ВДП 106. Другу операцію ВДП 108 у загальному випадку можна проводити традиційним способом, відомим фахівцям. У деяких необмежуючих варіантах реалізації винаходу, наприклад, другу операцію ВДП проводять так само, як і першу операцію ВДП. Може знадобитися зачищення поверхні першого ВДП-зливка для видалення оксидів, присутніх на і поблизу поверхні, накопичених під час першої операції ВДП. У різних варіантах реалізації винаходу на другому етапі ВДП застосовують таку ж систему регулювання та методологію для регулювання віддалення і струму плавлення і/або швидкості плавлення. Композиція сплаву схильна до сегрегації, що, у свою чергу, обмежує умови твердіння, необхідні для того, щоб уникнути присутності шкідливих фаз. Шкідливі фази можуть включати, наприклад, зони з аномально високою фракцією карбідного преципітату і/або преципітату топологічно щільноукладених (ТЩУ) фаз, які в загальному випадку діють як концентратори напруги, яка знижує локальну пластичність матеріалу. Комбінацію дугового проміжку та швидкості плавлення можна регулювати в межах мінімального та максимального діапазонів, які залежать від композиції сплаву, щоб регулювати швидкість твердіння в межах діапазону для отримання структури без надмірної фракції шкідливих фаз. Фахівці у даній області техніки можуть легко визначити переважні робочі параметри для операцій ВДП без необхідності у докладанні зайвих зусиль або проведенні зайвих експериментів. Для підвищення швидкості твердіння при заданих швидкості плавлення та дуговому проміжку в різних необмежуючих варіантах реалізації винаходу в проміжок між мідним тиглем і ВДП-зливком, який виникає внаслідок усадки, пов'язаної з твердінням і охолодженням ВДП-зливка, можна вводити інертний газ. Теплопровідність інертного газу може бути на порядки вищою за теплопровідність вакууму, яка б в іншому випадку мала би місце у проміжку. (0025) Представлений спосіб четверної плавки можна застосовувати до будь-яких сплавів, 60 чиїм базовим елементом або основним складовим елементом є будь-який метал з: ванадію,

хрому, марганцю, заліза, кобальту, нікелю, міді, ніобію, молібдену, технецію, рутенію, родію, паладію, срібла, танталу, вольфраму, ренію, осмію, іридію, платини та золота. (У контексті даного документу елемент є "основним складовим елементом" сплаву, якщо масова відсоткова доля цього елементу перевищує долю будь-якого іншого елементу в сплаві.) Необмежуючий перелік конкретних комерційно значимих сплавів, які можна обробляти, застосовуючи спосіб четверної плавки згідно із даним винаходом, включає: сплави та суперсплави на основі нікелю, включаючи, наприклад, сплав 718 (Ме МО7718), сплав 720 (0М5 МО7720) і сплав Кепе 65; сплави та суперсплави на основі кобальту, включаючи, наприклад, сплав 605 (М КЗ30605); сплави на основі нікелю та кобальту, включаючи, наприклад, сплав МРЗ5М (ОМ КЗ30035); і сплави нікелю, хрому та молібдену, включаючи, наприклад, сплав С-22 (ОМ МОбо022).

Композиція кожного їх цих сплавів добре відома та наведена в наступній таблиці(сплави також можуть включати випадкові домішки). 65 МРЗБОМ

Мп | 0б,35макс. | Ой5мак | - | 70-20 |Ом5макс| 0,50мако.

Мо | 288-373 | 275-325 | 3842 | - |90105| 125-145 м 177-071 льо-ь5 | 3842 | 140160 | - | 25535 мо | 475-550 | щ БФ - | 0608 | - | - | - ті | 065-145 | 475-525 | 3,55-33,Д90 | - |їЧОмакю| -

А | 02008 | 225-275 | 195230 | - | - | - ві | 0б,35макс. | бдмаке | - | 04Омаксе. |Ом/5макс| 0,08мако. 2777 - | 0025-0050 | 003006 | |! - | - в | бобмакс. | 001-002 | 0010002 | - | - | - ни я Я ПОЛЯ ПО КОН НО

І0026| Варіанти реалізації способів відповідно до даного винаходу можуть поліпшити чистоту сплаву, що призводить до підвищення експлуатаційних властивостей у разі, коли мікроструктурні неоднорідності є шкідливими. Стійкість до руйнування від втоми є прикладом механічної властивості, на яку поліпшення чистоти сплаву чинить позитивний вплив.

Поліпшення чистоти сплаву може поліпшити втомні властивості шляхом підвищення стійкості до ініціації розтріскування і/або поширення існуючих тріщин. Стійкість до корозії є іншою властивістю, чиї експлуатаційні характеристики можуть бути підвищені внаслідок нижчого рівня мікроструктурних неоднорідностей. Комерційні сплави 718, 720 і Кепе 65 на сьогодні оброблюють способом потрійної плавки ВІП ї- ЕШП ї- ВДП для отримання матеріалів, наприклад, для внутрішніх контурів авіаційних турбінних двигунів у вигляді дисків двигунів.

Автори даного винаходу вважають, що втомні характеристики цих сплавів можуть бути підвищені у разі обробки відповідно до способу згідно із даним винаходом, що забезпечує триваліший термін служби компонентів двигунів, виконаних з цих сплавів, або забезпечує можливість отримання легшої деталі зі збереженням поточного терміну експлуатації. Такі сплави, як сплав С-22 і сплав МРЗБМ, часто застосовують у середовищах з підвищеною

Зо корозійністю, в яких підвищена чистота сплаву може поліпшити експлуатаційні характеристики сплаву. Зокрема, це справедливо для експлуатаційних характеристик у разі точкової корозії, коли мікроструктурні неоднорідності можуть ініціювати корозійну реакцію.

І0027| Відповідно до одного необмежуючого варіанту реалізації способу згідно із даним винаходом для плавки та рафінування сплаву 718, вказаний спосіб включає застосування послідовності ВІП - ЕШП я ВДП я ВДП. Початковий етап ВІП переважно проводять традиційним способом в умовах вакууму на рівні менше 100 мк рт. ст. (13,3 Па), щоб допустити не більше ніж мінімальне атмосферне забруднення, пригнічуючи або запобігаючи надмірному захопленню азоту. Електроди, отримані на етапі ВІП, зачищають, щоб знизити вміст оксидів на поверхні.

Операцію ЕШП із застосуванням електродів проводять традиційним способом, щоб забезпечити швидкість плавлення в діапазоні 6-20 фунтів на хвилину (2,7-9,1 кг на хвилину).

Зливок, отриманий на етапі ЕШП, кондиціонують шляхом зачищення для видалення ЕШП- флюса з поверхні зливка перед переходом до першого етапу ВДП. Перший етап ВДП переважно проводять в ідеалі при рівні вакууму менше 20 мк рт. ст. (2,66 Па), щоб допустити тільки мінімальне атмосферне забруднення, дуговому проміжку в діапазоні 6-12 мм і швидкості плавлення в діапазоні 6-20 фунтів на хвилину (2,7-9,1 кг на хвилину). Перший ВДП-зливок, отриманий на цьому етапі, можна кондиціонувати шляхом зачищення для видалення поверхневого шару зливка, який містить більшу кількість оксиду, ніж внутрішня частина зливка.

Перший ВДП-зливок використовують як електрод для другого етапу ВДП. Другий етап ВДП переважно проводять при рівні вакууму менше 20 мк рт. ст. (2,66 Па), щоб допустити тільки мінімальне атмосферне забруднення, дуговому проміжку в діапазоні 6-12 мм і швидкості плавлення в діапазоні 6-20 фунтів на хвилину (2,7-9,1 кг на хвилину). У переважному варіанті реалізації способу отримують зливок більшого діаметру (наприклад, на 2-4 дюйми (5,1-10,2 см) більший в діаметрі, ніж попередній зливок) на кожній наступній стадії послідовності ВІП 4 ЕШП їж

ВДП яї- ВДП, щоб максимізувати промислову ефективність, але у разі потреби між стадіями можна застосовувати укову для відповідності обмеженням устаткування. Укова гомогенізує наявний зливок, наприклад, при температурі 2175 "Е (1190 С) протягом мінімум 24 годин, перед куванням до відповідного меншого діаметру. В одному необмежуючому прикладі представленого способу сплав 718 можна отримати так, щоб забезпечити 14-дюймовий (35,6 см) ВІП-зливок, 17-дюймовий (43,2 см) ЕШП-зливок, 20-дюймовий (50,8 см) ВДП-зливок (перший етап ВДП), а потім 22-дюймовий (55,9 см) ВДП-зливок (другий етап ВДП). У разі, коли потрібні деталі більшої маси, такі як деталі для наземних газових турбін для генерації електроенергії, сплав 718 можна отримати згідно з одним необмежуючим варіантом реалізації способу так, щоб забезпечити 3б-дюймовий (91,4 см) ВІП-зливок, 40-дюймовий (101,6 см) ЕШП- зливок, потім провести проміжний етап укови, 36-дюймовий (91,4 см) ВДП-зливок (перший етап

ВДІП), а потім 40-дюймовий (101,6 см) ВДП-зливок (другий етап ВДП). (00281) Відповідно до одного необмежуючого варіанту реалізації способу згідно із даним винаходом для плавки та рафінування сплаву 720, вказаний спосіб включає застосування послідовності ВІП - ЕШП я ВДП я ВДП. Початковий етап ВІП переважно проводять традиційним способом в умовах вакууму на рівні менше 100 мк рт. ст. (13,3 Па), щоб допустити не більше ніж мінімальне атмосферне забруднення, пригнічуючи або запобігаючи надмірному захопленню азоту. Електроди, отримані на етапі ВІП, можна зачищати, щоб знизити вміст оксидів на поверхні. ЕШП проводять традиційним способом з електродами, отриманими під час операції

Зо ВІП, використовуючи швидкість плавлення в діапазоні 6-20 фунтів на хвилину (2,7-9,1 кг на хвилину). Зливок, отриманий на етапі ЕШП, кондиціонують шляхом зачищення для видалення

ЕШП-флюса з поверхні зливка, а потім піддають зливок першому етапу ВДП. Перший етап ВДП переважно проводять при рівні вакууму менше 20 мк рт. ст. (2,66 Па), щоб допустити тільки мінімальне атмосферне забруднення, дуговому проміжку в діапазоні 6-12 мм і швидкості плавлення в діапазоні 6-20 фунтів на хвилину (2,7-9,и1 кг на хвилину). Перший ВДП-зливок можна кондиціонувати шляхом зачищення для видалення поверхневого шару зливка з підвищеним вмістом оксиду, а потім зливок використовують як електрод для другого етапу ВДП.

Другий етап ВДП переважно проводять при рівні вакууму менше 20 мк рт. ст. (2,66 Па), щоб допустити тільки мінімальне атмосферне забруднення, дуговому проміжку в діапазоні 6-12 мм і швидкості плавлення в діапазоні 6-9 фунтів на хвилину (2,7-4,1 кг на хвилину) (сплав 720 має сильнішу тенденцію до сегрегації, ніж сплав 718). У переважному варіанті реалізації способу отримують зливок більшого діаметру (наприклад, на 2-4 дюйми (5,1-10,2 см) більший в діаметрі, ніж попередній зливок) на кожній наступній стадії послідовності ВІП - ЕШП ї- ВДП ї- ВДП, щоб максимізувати промислову ефективність, але у разі потреби між стадіями можна застосовувати укову для відповідності обмеженням устаткування. Укова гомогенізує наявний зливок, наприклад, при температурі 2175 "ЕЕ (1190 7С) протягом мінімум 24 годин, перед куванням до відповідного меншого діаметру. В одному необмежуючому прикладі представленого способу сплав 720 можна отримати так, щоб забезпечити 18-дюймовий (45,7 см) ВІП-зливок, 20- дюймовий (50,8 см) ЕШП-зливок, 22-дюймовий (55,9 см) ВДП-зливок (перший етап ВДП), а потім 24-дюймовий (61 см) ВДП-зливок (другий етап ВДП). У разі, коли потрібні деталі більшої маси, такі як деталі для наземних газових турбін для генерації електроенергії, сплав 720 можна отримати необмежуючим вказаним способом так, щоб забезпечити 24-дюймовий (61 см) ВІП- зливок, 26-дюймовий (66 см) ЕШП-зливок, потім провести проміжний етап укови, 24-дюймовий (61 см) ВДП-зливок (перший етап ВДП), а потім 26-дюймовий (66 см) ВДП-зливок (другий етап

ВД).

І0029| Відповідно до одного необмежуючого варіанту реалізації способу згідно із даним винаходом для плавки та рафінування сплаву МРЗ5М, вказаний спосіб включає застосування послідовності ВІП - ЕШП -ї- ВДП я ВДП. Початковий етап ВІП переважно проводять традиційним способом в умовах вакууму на рівні менше 100 мк рт. ст. (13,3 Па), щоб допустити не більш ніж бо мінімальне атмосферне забруднення, пригнічуючи або запобігаючи надмірному захопленню азоту, при цьому електроди, отримані на етапі ВІП, зачищають, щоб знизити вміст оксидів на поверхні. Електроди, отримані на етапі ВІП, піддають ЕШП, використовуючи швидкість плавлення в діапазоні 6-20 фунтів на хвилину (2,7-9,1 кг на хвилину). Проводять поверхневе зачищення зливка, отриманого на етапі ЕШП, для видалення ЕШП-флюса з поверхні зливка, а потім піддають зливок першому етапу ВДП. Перший етап ВДП переважно проводять при рівні вакууму менше 20 мк рт. ст. (2,66 Па), щоб обмежити атмосферне забруднення, дуговому проміжку в діапазоні 6-12 мм і швидкості плавлення в діапазоні 6-20 фунтів на хвилину (2,7-9,1 кг на хвилину). Перший ВДП-зливок можна кондиціонувати шляхом зачищення для видалення поверхневого шару зливка з підвищеним вмістом оксиду, а зливок використовують як електрод для другого етапу ВДП, який переважно проводять при рівні вакууму менше 20 мк рт. ст. (2,66

Па), щоб допустити тільки мінімальне атмосферне забруднення, дуговому проміжку в діапазоні 6-12 мм і швидкості плавлення в діапазоні 6-15 фунтів на хвилину (2,7-6,8 кг на хвилину) (сплав

МРЗ5БМ має сильнішу тенденцію до сегрегації, ніж сплав 718). У переважному варіанті реалізації способу отримують зливок більшого діаметру (наприклад, на 2-4 дюйми (5,1-10,2 см) більший в діаметрі, ніж попередній зливок) на кожній наступній стадії послідовності ВІП - ЕШП я ВДП «Ж

ВДП, щоб максимізувати промислову ефективність, але у разі потреби між стадіями можна застосовувати укову для відповідності обмеженням устаткування. Укова гомогенізує наявний зливок, наприклад, при температурі 2175" (119072) протягом мінімум 24 годин, перед куванням до відповідного меншого діаметру. В одному необмежуючому прикладі представленого способу сплав МРЗ5М можна отримати так, щоб забезпечити 18-дюймовий (45,7 см) ВІП-зливок, 20-дюймовий (50,8 см) ЕШП-зливок, 22-дюймовий (55,9 см) ВДП-зливок (перший етап ВДП), а потім 24-дюймовий (61 см) ВДП-зливок (другий етап ВДП).

ЇООЗОЇ Хоча в наведеному вище описі за необхідністю представлено лише обмежене число варіантів реалізації винаходу, для фахівців у відповідній області техніки очевидно, що різні зміни в способах і системах, та інших деталях прикладів, які були описані та проілюстровані у даному документі, можуть бути внесені фахівцями у даній області техніки, а усі такі модифікації залишаються у межах принципів і об'єму даного винаходу, описаного у даному документі та доданій формулі винаходу. Наприклад, хоча у даному описі за необхідністю представлено лише обмежене число варіантів реалізації профілів розподілу температури та продуктивності джерел

Зо тепла, зрозуміло, що даний опис і пов'язана з ним формула винаходу не обмежені ними. Фахівці у даній області техніки легко визначать додаткові профілі розподілу температури та можуть використати додаткову продуктивність джерел тепла в процесі та відповідно до суті обмеженого за необхідністю числа варіантів реалізації винаходу, які обговорюються у даному документі.

Отже, зрозуміло, що даний винахід не обмежений конкретними варіантами реалізації, розгорнутими або включеними у даний документ, але мається на увазі, що він включає модифікації, які відповідають принципам і об'єму винаходу, що визначається формулою винаходу. Також для фахівців у даній області техніки очевидно, що в наведені вище варіанти реалізації можна вносити зміни, не відступаючи від концепції винаходу в широкому сенсі.

Claims (8)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб плавки та рафінування сплаву, що включає: вакуумну індукційну плавку вихідних матеріалів для отримання сплаву, що пройшов вакуумну індукційну плавку; електрошлакову переплавку щонайменше частини сплаву, що пройшов вакуумну індукційну плавку, для отримання сплаву, що пройшов електрошлакову переплавку; вакуумну дугову переплавку щонайменше частини сплаву, що пройшов електрошлакову переплавку, для отримання сплаву, що окремо пройшов одну вакуумну дугову переплавку; і вакуумну дугову переплавку щонайменше частини сплаву, що окремо пройшов одну вакуумну дугову переплавку, для отримання сплаву, що пройшов подвійну вакуумну дугову переплавку; де сплав, що пройшов вакуумну індукційну плавку, містить у масових відсотках з урахуванням загальної маси сплаву: 12,5-13,5 Со, 15,5-16,5 Ст, 0,75-1,20 Ре, 3,8-4,2 Мо, 3,8-4,2 М, 0,6-0,8 МБ, 3,55-3,90 Ті, 1,95-2,30 А, 0,03-0,06 7, 0,005-0,011 С, 0,01-0,02 В, Мі та випадкові домішки - решта.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що вакуумна дугова переплавка включає формування зливка, що пройшов вакуумну дугову переплавку в тиглі, і при цьому щонайменше на одному з етапів вакуумної дугової переплавки в проміжок між тиглем і зливком вводять інертний газ.

З. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що завдяки етапу вакуумної дугової переплавки щонайменше частини сплаву, що окремо пройшов вакуумну дугову переплавку, видаляють фазу, вибрану з групи, що складається з карбідної фази та топологічно щільно укладеної фази (ТОР).

4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що завдяки етапу вакуумної дугової переплавки щонайменше частини сплаву, що окремо пройшов вакуумну дугову переплавку, видаляють матеріал, вибраний з групи, що складається з оксиду, карбіду та карбонітриду.

5. Спосіб плавки та рафінування сплаву, що включає: вакуумну індукційну плавку вихідних матеріалів для отримання сплаву; електрошлакову переплавку щонайменше частини сплаву для отримання першого зливка; вакуумну дугову переплавку щонайменше частини зливка для отримання другого зливка; і вакуумну дугову переплавку щонайменше частини другого зливка; де зливок містить у масових відсотках з урахуванням загальної маси сплаву: 12,5-13,5 Со, 15,5- 16,5 Ст, 0,75-1,20 Ре, 3,8-4,2 Мо, 3,8-4,2 М, 0,6-0,8 МБ, 3,55-3,90 Ті, 1,95-2,30 АЇ, 0,03-0,06 2, 0,005-0,011 С, 0,01-0,02 В, Мі та випадкові домішки - решта.

6. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що вакуумна дугова переплавка включає формування зливка, що пройшов вакуумну дугову переплавку в тиглі, ії при цьому щонайменше на одному з етапів вакуумної дугової переплавки в проміжок між тиглем і зливком вводять інертний газ.

7. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що завдяки етапу вакуумної дугової переплавки щонайменше частини другого зливка, видаляють фазу, вибрану з групи, що складається з карбідної фази та топологічно щільно укладеної фази (ТОР).

8. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що завдяки етапу вакуумної дугової переплавки щонайменше частини другого зливка, видаляють матеріал, вибраний з групи, що складається з оксиду, карбіду та карбонітриду.

1.837 шк Свт

5 1.4 ЕЧЗВШЕЩИ й ВИИВІННВДИ

Н І.2 і Д 4 а 8 І ш

2 0.8 . з в се о ш

Е 0.4 не

0.2 0,052 0.624 а ОКУ - Спосіб плавки зливка

Фіг. 1

3.5

3 2.9 ч

2 2.5 Е Я 2 Б 15| 1.4 8 в . 0.6 - З - Щ оо є: й і ІП вІП/ВДП ВІПЕННТ Спосіб плавки зливка

Фіг.2 що 2 Вакуумна індукційна плавка вихідних матеріалів 104 акуумна дугова переплавка ЕШП-сплаву Вакуумна дугова переплавка ВДП-сплаву Фіг, З