UA139129U - Спосіб модифікування жароміцних нікелевих сплавів - Google Patents

Abstract

Спосіб модифікування жароміцних нікелевих сплавів, за яким модифікатор, що містить суміш частинок металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, та ультрадисперсні тугоплавкі частинки, яку формують у вигляді брикету, вводять у розплав. Як частинки металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, використовують частинки металів середньої дисперсності. Ультрадисперсні тугоплавкі частинки синтезують при дії на частинки металів високовольтними електричними розрядами у вуглеводневій рідині з питомою енергією від 2,5 до 20 МДж/кг. Формування брикету здійснюють іскровим плазмовим спіканням при температурі від 300 до 500 °C протягом часу від 5 до 15 хвилин до одержання пористості від 20 до 40 %.

Description

Корисна модель належить до металургійного і ливарного виробництва, а саме до модифікування жароміцних нікелевих сплавів ультрадисперсними порошками.

Відомий спосіб одержання монокристалічних відливків, при якому розплав нікелевого сплаву піддають модифікуванню сумішшю ультрадисперсних порошків тугоплавкої сполуки, такої як карбіди та/або нітриди, та/або карбонітриди, та/або оксикарбонітриди титану та ніобію, та одного з металів, що утворює з ним стійкі хімічні сполуки, в кількості не більше 0,1 95 від маси розплаву, який оброблюється, потім розплав заливають у ливарну форму, нагріту до температури, вищої за температуру ліквідусу сплаву, і здійснюють направлену кристалізацію

Іпатент Мо 2068317 РФ, МПК 8220 27/04, опубл. 27.10.1996). Одержані монокристалічні відливки мають високі механічні та функціональні властивості та можуть бути використані при виготовленні турбінних лопаток.

Ознаками, які збігаються з суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, є введення до розплаву модифікатора, що містить ультрадисперсні порошки тугоплавкої сполуки, та одного з металів, що утворює з ним стійкі хімічні сполуки.

Причиною, що перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату є те, що введені до розплаву тугоплавкі частинки розподіляються нерівномірно за його об'ємом, відбуваються процеси їх розчинення, коагуляції і спливання, що спричинює зниження характеристик міцності та створення неоднорідності структури одержуваного сплаву.

Найближчим аналогом за сукупністю ознак до способу, що заявляється, є спосіб модифікування жароміцних нікелевих сплавів (патент Мо 2632365 РФ, МПК С22С 35/00, С22С 19/03, опубл. 04.10.2017, Бюл. Мо 28), який включає введення до розплаву модифікатора, що містить ультрадисперсні тугоплавкі частинки та частинки металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, з яких формують брикет. Модифікатор вводять до розплаву, нагрітого до 1520-1620 "С, у вигляді брикету з густиною 1,02-1,10 від густини розплаву та пористістю 0,5- 4,0 об. 95.

Ознаками, які збігаються з суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, є введення до розплаву модифікатора, що містить суміш, яка складається з частинок металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, та ультрадисперсних тугоплавких частинок, яку формують у вигляді брикету, та вводять його у розплав.

Зо Причиною, що перешкоджає одержанню очікуваного технічного результату, є складність та довготривалість процесу одержання модифікатора, при цьому до модифікатора при його виготовленні необхідно додавати велику кількість відносно дорогих тугоплавких частинок, при модифікації розплав необхідно додатково підігрівати.

В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу модифікування жароміцних нікелевих сплавів шляхом введення нових операцій, що дозволить здійснювати одночасне диспергування та синтез суміші порошків металів і тугоплавких сполук у необхідному співвідношенні, та одержувати брикет, у якому збережено високу дисперсність складових модифікатора, і, за рахунок цього, значно спростити та скоротити процес одержання модифікатора і забезпечити одержання сплаву, що має дрібнозернисту структуру та високі характеристики міцності.

Поставлена задача вирішується тим, що у способі модифікування жароміцних нікелевих сплавів, за яким модифікатор, що містить суміш частинок металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, та ультрадисперсні тугоплавкі частинки, яку формують у вигляді брикету, вводять у розплав, згідно з корисною моделлю, як частинки металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, використовують частинки металів середньої дисперсності, а ультрадисперсні тугоплавкі частинки синтезують при дії на частинки металів високовольтними електричними розрядами у вуглеводневій рідині з питомою енергією від 2,5 до 20 МДж/кг, а формування брикету здійснюють іскровим плазмовим спіканням при температурі від 300 до 500 "С протягом часу від 5 до 15 хвилин до одержання пористості від 20 до 40 95.

Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між ознаками способу, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, необхідно відзначити наступне.

Ознака "як частинки металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, використовують частинки металів середньої дисперсності" дозволяє досягнути необхідного ступеню диспергування до ультрадисперсного (від 0,01 до 0,5 мкм) діапазону і нижче без недоподрібнення та утворення надмірного вільного вуглецю в результаті дії високовольтними електричними розрядами у вуглеводневій рідині, і при цьому використовувати дешевшу сировину середньої дисперсності (від 40 до 150 мкм).

Ознака "ультрадисперсні тугоплавкі частинки синтезують при дії на частинки металів високовольтними електричними розрядами у вуглеводневій рідині з питомою енергією від 2,5 до бо 20 МДж/кг" дозволяє здійснити одночасне диспергування та синтез суміші ультрадисперсних порошків металів і тугоплавких сполук за рахунок подрібнюючої та активуючої дії високовольтних електричних розрядів на порошки, піролізу вуглеводневої рідини зі створенням умов для протікання хімічних реакцій синтезу.

Ознаки "формування брикету здійснюють іскровим плазмовим спіканням при температурі від 300 до 500 "С протягом часу від 5 до 15 хвилин до одержання пористості від 20 до 40 95» дозволяють одержувати брикет, у якому за рахунок короткого часу спікання збережено високу дисперсність складових модифікатора, що забезпечує при модифікуванні одержання сплаву, який має дрібнозернисту структуру та високі характеристики міцності. Брикет має необхідну міцність для зручного введення його до розплаву, при цьому легко розпадається у ньому.

Використання іскрового плазмового спікання дозволяє легко припекти частинки порошку у середовищі вакууму. При цьому температура, нижча за 300 "С, та час, менший, ніж 5 хвилин, не дозволяють одержати достатньо міцний компакт. Температура, вища за 500 "С, та час, більший, ніж 15 хвилин, призводять до міцного спікання частинок модифікатора.

Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведено структуру отриманих зразків жароміцного сплаву СМ88У без модифікатора; на фіг. 2 - СМ88У із модифікатором Ті-ТіС, що було одержано при дії на частинки Ті високовольтними електричними розрядами у гасі з питомою енергією МУ«р-2,5 МДж/кг; на фіг. З - із модифікатором ТІі-ТіС, МУєр-5 МДж/кг; на фіг. 4 - із модифікатором ТІі-ТІС, МУ/єгр-10 МДж/кг; на фіг. 5 - із модифікатором ТІі-ТІС, МУ/єгр-20 МДж/кг.

Спосіб здійснюють таким чином.

Частинки металів середньої дисперсності, які взаємодіють з компонентами розплаву, завантажують у розрядну камеру-реактор, після чого камеру заповнюють вуглеводневою рідиною.

На частинки металів у вуглеводневій рідині діють високовольтними електричними розрядами з питомою енергією від 2,5 до 20 МДж/кг. При цьому відбувається подрібнення частинок з утворенням ультрадисперсних частинок з підвищеним рівнем вільної енергії і, як наслідок, з підвищеною здатністю до інтенсивної взаємодії з нановуглецевими частинками - продуктами піролізу вуглеводневої рідини плазмовим каналом розряду. Таким чином, частинки тугоплавких сполук, зокрема, карбідів, не додаються механічно до одержуваної суміші, а синтезується під дією високовольтного електричного розряду. Одночасно з термічним синтезом тугоплавких сполук відбувається подрібнення всіх складових порошкової суміші і її перемішування.

Після дії високовольтними електричними розрядами одержана суспензія зливається з реактора, розділяється на тверду та рідку фази шляхом центрифугування та/або фільтрації та висушується.

Отримана порошкова суміш консолідується у брикет шляхом пресування у формі-матриці та пропускання через неї електричного струму.

Одержаний брикет вводять до розплаву, наприклад, розміщують на дні прогрітої плавильної форми, яку після цього заливають розплавом, здійснюючи таким чином процес модифікування розплаву.

Сплав розливають у форми та охолоджують.

Конкретний приклад.

Спосіб було реалізовано при модифікуванні жароміцного сплаву СМ88У (ХНУ7КВЮТМБРЛ, густина - 8100 кг/м, модуль Юнга -1,79-106 МПа, коефіцієнт Пуассона - 0,3).

При виготовленні модифікатора як частинки металів, що взаємодіють з компонентами розплаву, використовувався титан. З останнього одержували тугоплавкі частинки карбіду титану.

Порошок титану завантажували в розрядну камеру, заливали гасом та оброблювали високовольтними електричними розрядами з питомою енергією 2,5; 5; 15 та 20 МДж/кг.

Після дії високовольтними електричними розрядами одержану суспензію зливали з реактора, розділяли на тверду та рідку фази шляхом фільтрації та висушували.

Отриману порошкову суміш консолідували методом іскрового плазмового спікання (див. патент Ме 101575 Україна, МПК В22Е 3/14, В22Е 3/105. Пристрій для іскроплазмового спікання порошків, опубл. 10.04.2013, Бюл. Мо 7). Спікання виконувалось у графітовій матриці у вакуумі (107 МПа) при механічному навантаженні на графітові пуансони у 30 МПа шляхом пропускання скрізь порошкову композицію струму з амплітудним значенням 1,1 кА, який є суперпозицією постійного та пульсуючого струмів з частотою до 10 кГц при робочій напрузі 2 В. Час витримки складав 300 с, а температура на матриці складала близько 350 "С. Маса порошкової заготівлі бо складала 7,5 г. В результаті було отримано зразки із діаметром 20 мм та висотою 5 мм.

Модифікатор вводили у жароміцний сплав СМ88У. Форму перед литтям прогрівали до 900 "С. У формі розміщували два спечених зразки, які використовували у вигляді модифікатора структури. Нагріту форму поміщали у камеру вертикальної індукційної вакуумної печі МІМ-25, в якій створюється вакуум. Відбувалось плавлення заготівлі масою 7 кг в індукційній печі. Розплав виливали в керамічні форми за сформованими моделями. Форму повільно охолоджували.

Після охолодження та кристалізації сплаву вирізали зразки та виготовляли їх мікрошліфи у поздовжніх та поперечних напрямах. Досліджували розмір зерна на поверхні шліфів та вид отриманого модифікування (див. таблицю). Також виконували дослідження довготривалої міцності сплаву при навантаженні 280 МПа (і2во) та температурі 900 "С і межі міцності на розрив при температурі 600 С (Обоо) та 900 (0900). Результати досліджень порівнювали із нормативними властивостями сплаву (Инструкция "Система качества. Отливки из жаропрочньмх сплавов вакуумной заливки. Технические требования. Правила приємки и методьї контроля", 105.015-89/ Г.Ф. Мяльница, Л.М. Жак, И.Ш. Мокшенинова и др. / ОГМет НПП "Машпроект", преизд. с изм. Мо 13,2001г.|.

Встановлено, що введення синтезованого модифікатора структури системи Ті-ТіС у жароміцний сплав СМ88У у кількості 0,01 96 дозволяє зменшити розмір зерна з 1-2 мм до 0,2-0,3 мм. При цьому довготривала міцність сплаву при навантаженні 280 МПа та температурі 9007 збільшилася на 10-15 95, а межа міцності на розрив при температурі 600 "С склала 110-113

Мпа. Межа міцності на розрив при температурі 900 "С склала 65-69 МПа.

Таблиця

Властивості модифікованих сплавів СМ88У й Середній розмір зерен на Обвоо, бооо, жо | 0 модюфкатр С оррхнми | яеоа | МЛ Мпа. 2 |т-тіС,Ме-25МДжк | 0406 | 718553 | 98 | 66

З |т-тіс,УМе-БМДЖжюк | -- 0204 4 | 159655 | Мо | 69

Таким чином, спосіб модифікування жароміцних нікелевих сплавів дозволить здійснювати одночасне диспергування та синтез суміші порошків металів і тугоплавких сполук у необхідному співвідношенні, та одержувати брикет, у якому збережено високу дисперсність складових модифікатора, і, за рахунок цього, значно спростити та скоротити процес одержання модифікатора і забезпечити одержання сплаву, що має дрібнозернисту структуру та високі характеристики міцності.

Claims (2)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Коо) Спосіб модифікування жароміцних нікелевих сплавів, за яким модифікатор, що містить суміш частинок металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, та ультрадисперсні тугоплавкі частинки, які формують у вигляді брикету, вводять у розплав, який відрізняється тим, що як частинки металів, які взаємодіють з компонентами розплаву, використовують частинки металів середньої дисперсності, а ультрадисперсні тугоплавкі частинки синтезують при дії на частинки металів високовольтними електричними розрядами у вуглеводневій рідині з питомою енергією від 2,5 до 20 МДж/кг, а формування брикету здійснюють іскровим плазмовим спіканням при температурі від 300 до 500 "С протягом часу від 5 до 15 хвилин до одержання пористості від 20 до 40 бо.

   я По - о ве Пе о 5: ЗОВНІ о в ! о. .

   Фіг. 1 она г о че, 1 "ЗНОВ ВВ ОВО ВВ 7 у 5

   Фіг. 2

   ПЕН КК В нижня нин о,

   Фіг. З Й він пон Й | ш і юпсюссснНнНнНнНнНннНнНнНннннс ше. 5

   Фіг. 4 й їн г
2. 2 . ш с оон «МОМ 7 ПЕН ВОНИ «ЖК ше Я ЗК ВК З

   Фіг. 5