Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ЖЕРЕБЦОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫМИ ЧАСТИЦАМИ КАРБОНИТРИДА ТИТАНА ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОМ ПЕРЕПЛАВЕ С ЦЕЛЬЮ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ВЫСОКИМИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Специальность 05.16.02Ц Металлургия чёрных, цветных и редких металлов
Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Москва - 2011
Работа выполнена в Закрытом Акционерном Обществе Омский завод специальных изделий Россия, индекс 644021 г. Омск, ул. 7-ая Линия, 180/46.
ИНН 5506030111 и в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном вечернем металлургическом институте, индекс 111250 г. Москва, ул. Лефортовский вал, 26. ауд. 2
Научный консультант:
Официальные оппоненты:
Смирнов Николай Александрович доктор технических наук, профессор Тягунов Геннадий Васильевич доктор технических наук, профессор Шалимов Александр Георгиевич доктор технических наук, профессор
Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский технологический университет МИСиС (НИТУ МИСиС) 119049, Москва, Ленинский проспект, д.
Защита состоится У 06 Ф октября 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.127.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном вечернем металлургическом институте по адресу:
111250, Москва, ул. Лефортовский вал, 26. ауд. 2Зал диссертационного совета Телефон: 8(495)361-14-80, факс 8(495)361-16-19, e-mail: mgvmi-mail@mtu-net.ru
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Отзывы на автореферат, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу на имя ученого секретаря совета.
Автореферат разослан У 15 Ф июня 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Т.И. Башкирова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Повышение эффективности и надежности работы изделий, применяемых в авиации, космонавтике, теплоэнергетике, в газовом хозяйстве во многом определяется достигнутым уровнем служебных характеристик литых изделий из никелевых жаропрочных сплавов. Прогресс в этой области связан с использованием технологических приемов физического и химического воздействия на жидкий металл в процессе плавки, разливки, сварки. Достижение высокого уровня физико-механических свойств металла и производства годных изделий высокого качества требует решения комплекса задач практического и теоретического плана, связанного с выплавкой и формированием требуемой структуры отливок. Существенные резервы управления структурой и служебными свойствами отливок открывает использование методов энергетического воздействия на жидкий металл, среди которых важное место занимают модифицирование ультрадисперсными порошками (УДП) и высокотемпературная обработка расплавов (ВТОР).
Особо актуальной представляется проблема изготовления, высококачественных заготовок с использованием энерго- и ресурсосберегающих технологий, среди которых весьма заметную роль в последние годы играют электрошлаковые технологические процессы, такие как электрошлаковый переплав (ЭШП), электрошлаковое кокильное литье (ЭШКЛ) и электрошлаковая сварка (ЭШС). Несмотря на явные преимущества электрошлаковых технологий, разработанных в Институте электросварки им.
Е.О. Патона, г. Киев АН Украины, информация о которых широко опубликована, литой электрошлаковый металл заготовок из таких материалов по механическим свойствам и служебным характеристикам изделий обычно уступает поковкам из металла: вакуумно-дугового (ВДП), вакуумноиндукционного (ВИП) переплавов. Поэтому реализация преимуществ электрошлаковых технологий при производстве таких заготовок связана, прежде всего, с решением проблемы повышения свойств литого электрошлакового металла до уровня, получаемого обработкой давлением.
Достижение более высоких показателей свойств литого металла возможно в основном по двум направлениям: модифицированием его структуры путем введения УДП в процессе кристаллизации и повышением металлургической чистоты расплава в процессе переплава расходуемого электрода в плавильной емкости, а также применением технологии ВТОР.
Научный и производственный прогресс в области управления кристаллическим строением литого металла был достигнут при использовании теории суспензионного модифицирования, предложенной П.А. Ребиндером, М.С. Липманом, С.П.Попелем, А.А.Бочваром, В.И. Архаровым, И.А.Миркиным, а также Нижегородской научной школой А.А. Рыжикова и получившей дальнейшее развитие в трудах Ю.З. Бабаскина, О.Х. Фаткулина, С.С. Затуловского, В.Б. Федорова,М.Х. Шоршорова, А.Н. Черепанова, В.П.
Сабурова, А.М. Микитась, и др.
Основным недостатком известных методов суспензионного модифицирования является неоднородность суспензии, обусловленная неравномерным распределением частиц в объеме расплава, возможностью седиментации по плотности и низкой устойчивостью от коагуляции и растворения. Достижения теории и практики активного воздействия на расплав при раскислении, микролегировании и модифицировании позволяют утверждать, что устранение этого недостатка обеспечит значительный эффект в направленном воздействии на структуру металла и повышения физикомеханических свойств отливок.
Эффективность модифицирования может быть существенно повышена, если в металл ввести и равномерно распределить в нем тугоплавкие частицы с заранее выбранными необходимыми химико-физическими свойствами, в частности ультрадисперсные (0,01Ц0,05 мкм) порошки, получаемые плазмохимическим синтезом. Однако, технологический процесс модифицирования литого металла тугоплавкими инокуляторами в электрошлаковых технологиях остается малоизученным в теоретическом и практическом аспектах, а сведений об использовании УДП недостаточно, что и составило одну из основных частей настоящего исследования.
Металлургическая чистота расплава определяется степенью загрязнения его неметаллическими включениями, примесями и газами. Эта проблема особенно актуальна для тех электрошлаковых технологий, где технологически разделены процессы плавления расходуемого электрода с накоплением необходимого количества металла в плавильной емкости и кристаллизации жидкого металла в литейной форме после заливки изделия. Это связано с тем, что в целом ряде электрошлаковых технологий применяют различного рода футерованные керамические плавильные емкости - тигли, надставки, сливные устройства и т.д. В тоже время, при электрошлаковой тигельной плавке высоколегированных сталей и сплавов используются высокоагрессивные фторидные шлаки, взаимодействие которых с футеровкой плавильной емкости приводит к загрязнению жидкого металла неметаллическими включениями и выгоранию активных легкоокисляющихся элементов, имеющихся в расплаве.
В таких случаях перспективно применение водоохлаждаемых гарнисажных металлических плавильных емкостей, обеспечивающих более стерильные условия плавки. В тоже время, из-за повышенной теплоотдачи через стенку они имеют низкий КПД, а публикации о работах в области существенного снижения тепловых потерь и совершенствования их конструкций крайне ограничены. ВТОР позволяет подготовить металл к разливке. Она обеспечивает перевод металлического расплава в микрооднородное и микроравновесное состояние. Таким образом, актуальной задачей металлургии является разработка способов модифицирования жидкого металла ультрадисперсными порошковыми комплексами (УДПК) тугоплавких соединений с целью обеспечения высокого уровня физико-механических свойств изделий и увеличения выхода годной продукции.
Цель и задачи работы. Разработка теоретических и технологических основ применения УДПК в качестве модифицирующих добавок, позволяющих управлять процессом структурообразования и изменения физико-механических свойств изделий из жаропрочных никелевых сплавов с использованием технологии высокотемпературной обработки расплавов (ВТОР) и применением автогарнисажных медных охлаждаемых плавильных емкостей, обеспечивающих высокую металлургическую чистоту жидкого металла в процессе электрошлакового переплава и электрошлакового кокильного литья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие теоретические и практические задачи:
1.Проанализировать существующие методы управления структурообразованием и свойствами кристаллизующихся систем с учетом поверхностных явлений на границе раздела УДП частица - металлический расплав;
2.Теоретически спрогнозировать и экспериментально обосновать принципы выбора модифицирующих УДПК для обработки жидкого электрошлакового металла, разработать технологические процессы приготовления и составы модификаторов для высоколегированных сталей и сплавов;
3.Провести теоретические и экспериментальные исследования процессов образования устойчивых металлических суспензий в жидком металле для разработки и определения технологических параметров и критериев выбора химического состава модифицирующих УДПК;
4. Исследовать эффективные способы управления структурой никелевого сплава в процессе кристаллизации жидкого металла при электрошлаковом кокильном литье;
5. Установить закономерности процесса формирования кристаллической структуры, физико-механических свойств электрошлакового металла в результате модифицирования УДПК и при изменении технологических параметров ЭШКЛ;
6.Определить технологические параметры процесса модифицирования сплавов УДПК, обеспечивающих устойчивую работу частиц в жидком металле в условиях электрошлакового переплава и последующего залива модифицированного металла в металлические формы;
7.Определить основные источники загрязнения расплава при тигельной плавке и разливке, оценить их влияние на свойства получаемого электрошлакового металла и создать технические средства, обеспечивающие повышение его металлургической чистоты;
8.Определить оптимальные технологические режимы ВТОР в плавильных емкостях жаропрочных никелевых сплавов, обеспечивающих повышение физикоЦмеханических и служебных свойств изделий;
9.Разработать и внедрить технологическую оснастку, литейное и сварочное оборудование, обеспечивающие модифицирование никелевых сплавов УДПК в процессах ЭШП и ЭШКЛ.
Научная новизна.
1. Внесен вклад в теорию модифицирования расплавов экзогенными тугоплавкими частицами, заключающийся в обосновании образования на их поверхности переходного слоя в виде химического соединения, снижающего значения межфазной энергии на границе подложка-кристаллизирующая фаза и тормозящего процесс разрушения УДПК;
2. Разработан состав комплексного модификатора на основе TiCN и Ti, который обеспечивает равномерное распределение тугоплавких частиц в металлическом расплаве и активное инокулирующее участие в процессе образования структуры при кристаллизации сплава;
3. Предложена модель модифицированного металлического расплава, представляющая его как суспензию, в которой УДПК является гетерофазным комплексом с твердым ядром и слоем вещества, образованного продуктом взаимодействия с химическими элементами, адсорбированными из прилегающего объема расплава, кристаллизация которого осуществляется с меньшим энергетическим барьером;
4. Показана возможность управления микроЦ и макроструктурой жаропрочных никелевых сплавов и их физикоЦмеханическими свойствами при помощи введения в расплав частиц карбонитрида титана в виде УДПК, которые служат центрами кристаллизации;
5. Установлено, что при образовании суспензии с избирательной адсорбцией химических элементов, в условиях кристаллизации сплавов можно изменить морфологию структурных составляющих. Формирование коллоидной системы обусловлено в первую очередь химическим взаимодействием между модифицирующей частицей, ее плакирующим веществом и расплавом металла;
6. Рассмотрены процессы, протекающие в модифицированном расплаве, формирующие дисперсную систему с концентрационными и температурными неоднородностями, которые препятствуют росту столбчатых кристаллов, измельчают дендритное строение и изменяют морфологию и топографию избыточных фаз;
7. Получены новые экспериментальные данные о степени влияния комплексных модификаторов, состоящих из частиц карбонитрида титана плакированных титаном, на кинетику кристаллизационных процессов, структуру, механические и жаропрочные свойства никелевых сплавов;
8. Раскрыт механизм влияния высокотемпературной обработки расплава в процессе электрошлакового переплава на улучшение структуры и повышение физико-механических и служебных свойств получаемых изделий;
9. Разработано оборудование, оснастка и технологический процесс ввода УДПК и ВТОР при ЭШП расходуемого электрода, обеспечивающие повышение чистоты металла по неметаллическим включениям и газам;
10. Найден эффективный метод повышения коэффициента полезного действия (КПД) гарнисажной водоохлаждаемой медной плавильной емкости, заключающийся в создании на ее внутренней стенке щелевых выемок, образующих вместе с гарнисажем газовые полости, обладающие высоким термическим сопротивлением;
11. Разработаны физическая и математическая модели теплового баланса плавки в гарнисажной водоохлаждаемой плавильной емкости и методика расчета ее конструктивных элементов. Приведены практические рекомендации по выбору рабочих параметров процесса плавки, обеспечивающие рациональные режимы производства сплава.
Практическая значимость результатов работы заключается в разработке и внедрении:
1. Технологических процессов получения отливок путём модифицирования расплава УДПК и ВТОР в процессе литья, в создании новых технологических приёмов ЭШКЛ жаропрочных никелевых сплавов ЖС6ЦУ, ЖС6ЦК, ЖС3ЦДК, ЖС32 с мелкозернистой структурой и модифицированными фосфидной и карбидной эвтектиками, что обеспечивает высокий уровень физикомеханических свойств изделий;
2.Теоретически обоснован, экспериментально подтвержден и реализован в производстве новый способ комплексного модифицирования никелевых сплавов активированными тугоплавкими УДП частицами полученными по технологии плазмохимического синтеза с размерами 0,01Ц0,05 мкм;
3.Предложенный механизм структурообразования жаропрочных никелевых сплавов позволяет дать качественную и количественную оценку взаимодействия на границе УДПК - расплав и прогнозировать изменения физико-механических и эксплуатационных свойств отливок в зависимости от химического состава модифицирующего УДПК;
4.Разработаны и внедрены в производство технология подготовки расплавов перед модифицированием, рецептура модифицирующих УДПК и технология их изготовления, рекомендации по температурно-временным режимам введения частиц в период плавки и разливки жидкого металла;
5.Разработаны и внедрены плавильные емкости с щелевыми пазами на внутренней поверхности, что обеспечило уменьшение тепловых потерь при плавке и создание стерильных условий накопления жидкого металла;
6.Разработано и внедрено устройство донного слива расплава из плавильной емкости, обеспечивающее изоляцию жидкого металла от воздуха и отделение его от шлака при сливе в литейную форму;
7.Предложена и внедрена технология электрошлакового переплава расходуемого электрода под слоем защитного флюса в охлаждаемой плавильной емкости, позволившая исключить загрязнение сплава экзогенными неметаллическими включениями и обеспечивающая заданный уровень служебных характеристик получаемых изделий;
8.Разработаны и внедрены в производство технологии модифицирования УДП комплексами объёма жидкого металла в плавильной емкости при ЭШКЛ, ЭШП, ЭШС изделий из никелевых сплавов;
9.Впервые проведены прямые замеры температуры жидкого металла и шлака в процессе ЭШКЛ на протяжении всего процесса переплава расходуемого электрода в керамической плавильной ёмкости и медной водоохлаждаемой автогарнисажной плавильной емкости.
Показана эффективность применения модифицирования активированными ультрадисперсными синтетическими тугоплавкими частицами на примере большой группы сплавов. Промышленная реализация созданных разработок подтвердила повышение физико-механических, эксплуатационных свойств литого электрошлакового металла и надежности заготовок, полученных такими электрошлаковыми технологическими процессами как переплав, литье и сварка.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы для получения высококачественных отливок ответственного назначения из никелевых сплавов. Внедрение разработанного технологического процесса ЭШП и ЭШКЛ позволило повысить физико-механические свойства изделий в процессе их эксплуатации в агрессивных средах и при высоких температурах.
Результаты исследований внедрены и приняты к использованию более чем на 20 предприятиях России, Украины, Казахстана, что подтверждается актами внедрения работы. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составил 345 600 000 (триста сорок пять миллионов шестьсот тысяч рублей) в ценах 2002Ц2010 гг.
Основные положения, выносимые на защиту:
1.Теоретическое исследование процесса суспензионного модифицирования жаропрочных никелевых сплавов УДПК, рассматриваемыми как искусственная гетеронизация жидкого металла перед кристаллизацией с помощью тугоплавких плакированных частиц, способствующих зарождению центров кристаллизации и упрочнению сплавов;
2. Механизм процесса зародышеобразования экзогенной тугоплавкой частицы в расплаве;
3.Выбор состава комплексного модификатора УДПК содержащего в качестве инокуляторов ультрадисперсные частицы карбонитрида титана, а активирующей добавки - титан;
4.Выбор материалов и технологических процессов производства УДПК, обеспечивающий получение устойчивой металлической суспензии для модифицирования жаропрочных никелевых сплавов при ЭШП и ЭШКЛ;
5.Закономерности влияния комплексного модификатора на кристаллизационные процессы происходящие при остывании отливки;
6.Совокупность экспериментальных результатов комплексного исследования микроЦ и макроструктуры, физикоЦмеханических свойств никелевых сплавов типа ЖС6ЦУ, ЖС6ЦК, ЖС3ЦДК, ЭИЦ698, ВЖЛ12ЦУ, ВЖЛ14ЦУ, ЭПЦ202, ЖСЦ32, ВКНАЦ4У после технологического процесса проведения высокотемпературной обработки расплава и модифицирования жидкого металла УДПК при ЭШП и ЭШКЛ;
7.Конструкцию медной водоохлаждаемой гарнисажной плавильной ёмкости с повышенным КПД, обеспечивающей стерильные условия переплава расходуемого электрода и накопления жидкого металла в плавильной емкости при электрошлаковом кокильном литье;
8.Разработанное новое литейное оборудование ЭШКЛ, оснастка и технологический процесс донного слива металла из плавильной ёмкости в предварительно разогретую литейную металлическую форму, установленную в печи нагрева;
ичный вклад автора. Основные научные результаты диссертационной работы базируются на исследованиях, выполненных под руководством или с непосредственным участием автора. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоит в постановке задач исследования выработке направлений и методов решения технологических проблем, непосредственном участии в получении экспериментальных данных и обобщении полученных результатов. Освоение и внедрение в производство разработанных технологий осуществлялось при непосредственном участии автора.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований и практических результатов докладывались и обсуждались на 16-ти Международных и Российских научно-технических конференциях:
(г.Челябинск, 1992 г., г.Ижевск,1997 г., г. Барнаул, 2000, 2002 г., г. Омск, 1999, 2003, 2004, 2005, 2007, 2008 г.); VII Съезд литейщиков России (г.Новосибирск, 2005 г.); VIII Съезд литейщиков России (г. Ростов на Дону, 2007 г.); IX Съезд литейщиков России (г.Уфа, 2009 г.); 16-я Международная выставка МеталЦ ЭкспоЦ2010 (Москва, 2010 г.). Награжден серебряной медалью лауреата международной выставки Металл-Экспо-2010 коллектив ГОУ ВПО МГВМИ (Коростелев А.Б., Жеребцов С.Н., Соколов И.П., Чумак-Жунь Д.А.
и др.) За разработку и внедрение промышленной технологии использования комплексных инокуляторов для модифицирования сталей и жаропрочных хромникелевых сплавов с целью достижения качественно нового уровня литых узлов и элементов конструкций.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 2печатных работах, из них 80 по перечню ВАК России, основные из которых приведены в автореферате.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 3наименований, содержит 444 страниц машинописного текста, 200 рисунков, 80 таблиц, приложения.
Автор работы чтит память и выражает большую благодарность своему учителю доктору технических наук, профессору Виктору Петровичу Сабурову, заведующему кафедры Литейного производства Омского политехнического института (ОмПИ) г. Омск, оказавшему большое влияние и своевременную помощь в определении направления научных исследований, разработке теоретической базы процессов модифицирования металлов, за помощь в проведении экспериментальных и исследовательских работ, в обработке и осмыслении полученных результатов, которые были использованы в дальнейшем при написании диссертационной работы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована актуальность выбранной темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, описана структура диссертации.
Глава 1. Анализ путей повышения качества изделий, изготовленных из никелевых сплавов.
Приведен анализ литературных источников, который показал прямую связь структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС и методы повышения физико-механических, а также служебных свойств изделий.
Прогресс в этой области связан с использованием технологических приемов воздействия на жидкий металл в процессе его плавки и разливки.
Новые методы суспензионного модифицирования позволили оценить их преимущества в изменении макро- и микроструктуры, уменьшении степени химической неоднородности металла, улучшении строения границ зерен и повышении служебных характеристик изделий.
Анализ научных разработок, выполненных в нашей стране и за рубежом, показал, что перспективными являются дисперсионноЦтвердеющие сплавы типа ЖС, широкое применение которых наиболее оправдано для литых деталей, работающих в сложнонапряженном состоянии и при высоких температурах в агрессивных газовых средах.
Поскольку структурное состояние литых сплавов определяется химическим и фазовым составом, а жаропрочные сплавы типа ЖС имеют свои особенности, в результате этого главными фазами в сплавах рассматриваемого типа являются: аустенитная матрица~38Ц50%; упрочняющая Цфаза~48Ц60%;
карбиды ~ 1,8Ц2%. Аустенит этих сплавов состоит из никеля, кобальта, хрома и тугоплавких элементов: молибдена, вольфрама, тантала и др. Основной упрочняющей фазой в никелевых жаропрочных сплавах является Цфаза, представляющая собой интерметаллид Ni3(Al, Ti) с ГЦК решеткой, обладающая уникальными физикоЦхимическими свойствами.
Отмечено, что закономерности изменения механических и эксплуатационных свойств, повышающих качество литого металла, связаны с формированием дисперсной первичной структуры, уменьшением химической, физической и структурной неоднородностей, изменением термодинамических и кинетических параметров фазовых превращений. Оптимальное сочетание высоких механических и эксплуатационных свойств изделий должна обеспечивать структура, имеющая мелкое равноосное зерно по всему сечению литого металла, глобулярную форму и равномерное выделение первичных карбидов, однородную дисперсную упрочняющую фазу. Существующие электрошлаковые технологии не обеспечивают получение таких характеристик, поскольку не предусматривают возможность управления процессами зарождения и роста фаз в процессе кристаллизации.
Универсальным средством воздействия на структуру отливки продолжает оставаться модифицирование. Показано, что наиболее перспективно инокулирующее модифицирование, вносящее в расплав готовые центры кристаллизации с активированной поверхностью. В тоже время введение инокуляторов в расплавленный металл затруднено адсорбированными на их поверхности газами, оксидными пленками и сопровождается коагуляцией и растворением частиц. Модифицирование тугоплавкими металлами и частицами тугоплавких соединений, сформированных в лигатуре или вводимых в виде порошка с размерами частиц свыше 1 мкм, не обеспечивает их равномерное распределение по объему расплава, что отрицательно сказывается на стабильности получаемых результатов. Это приводит зачастую к разноречивым, а иногда и полностью противоречивым результатам. Сведения о принципах выбора инокуляторов для получения устойчивых суспензий крайне противоречивы.
Применение ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких соединений в качестве комплексных модификаторов в литературе отражено незначительно.
Оценку эффективности гетерогенизации металлических расплавов целесообразно осуществлять по изменению структурноЦчувствительных свойств, и в первую очередь, методом изучения его плотности. В тоже время сведения об изменении плотности расплавов под влиянием вводимых модификаторов весьма ограничены, а механизм гетерогенизации таких расплавов изучен недостаточно.
Сделан вывод о целесообразности модифицирования никелевых сплавов типа ЖС6ЦУ, ЖС6ЦК, ЖС3ЦДК получаемых электрошлаковыми технологиями, рассмотрено влияние различных модификаторов и методов модифицирования на структуру и свойства сплавов; при этом макроЦ и микроструктура изделий изменяются в лучшую сторону как и при традиционных способах плавки, литья и сварки. Наибольшую стабильность свойств сплава обеспечивают УДП комплексы на основе синтетических тугоплавких частиц. Но недостаточная изученность механизма взаимодействия компонентов таких УДП частиц между собой и с расплавом препятствует разработке единых критериев зародышеобразующей активности подложек и созданию соответствующих технологий для электрошлакового литья. Установлено, что применение ВТОР существенно изменяет структуру и физикоЦмеханические свойства получаемых отливок и служебных характеристик изделий.
Таким образом, разработка основ модифицирования синтетическими тугоплавкими частицами, перспективных технических средств повышения металлургической чистоты литого металла и создание на этой базе новых электрошлаковых технологических процессов, совмещенных с ВТОР, позволят существенно повысить физико-механические свойства литых заготовок из высоколегированных сталей и сплавов. Проведенный анализ отечественной и зарубежной литературы позволил определить задачи, которые необходимо решить для достижения научной и практической цели работы.
Глава 2. Теоретические исследования условий образования устойчивых металлических суспензий, определяющих принципы модифицирования.
Представлены результаты теоретического анализа процесса суспензионного модифицирования никелевых сплавов УДПК. Проведен термодинамический анализ условий гетерогенного зародышеобразования, уточнены критерии зародышеобразующей активности подложек, произведен выбор модифицирующих УДПК, рассмотрено влияние ранее разработанных модификаторов на кинетику кристаллизационных процессов никелевых сплавов. При изучении взаимодействия твердой подложки и жидкой фазы использован метод конечного слоя, согласно которому между твердой и жидкой фазами всегда существует переходный слой, обеспечивающий выполнение принципа наименьшей свободной энергии и плавное изменение химико-физических свойств от одной фазы к другой.
В наиболее общем виде условия существования и свойства переходного слоя на границе твердое телоЦжидкость изложены в работах Р. Кана, Дж.
Хильярда, Л. И. Русанова. Основные зависимости условия существования переходного слоя на границе твердое телоЦжидкость получены при рассмотрении уравнений Дж.У.Гиббса для условий устойчивости в приложении к процессу зарождения центров кристаллизации.
Проведенный теоретический анализ позволил установить химикофизическую зависимость между зародышеобразующей активностью гетерогенного комплекса тугоплавкая УДП частица - переходный слой и химическими потенциалами вещества тугоплавкая УДП частица - переходный слой - кристаллизующаяся фаза. Характерной особенностью рассматриваемой системы подложка-зародыш, являются ее размеры, составляющие десятые и сотые доли микрометров. Поэтому влияние кривизны поверхностей и линий раздела фаз на величину свободной энергии Дж.У.Гиббса является величиной существенной. На единицу длины частицы в точке трехфазного контакта со стороны поверхностей раздела фаз действуют силы, связанные с поверхностными натяжениями 12 - поверхностные натяжения границ раздела жидкость - зародыш, 13 - жидкость - подложка, 23 - зародыш - подложка. Таким образом, вероятность образования зародыша на УДПК частицах значительно выше его возникновения в свободном объеме жидкого металла. С уменьшением угла смачивания роль частиц в зародешебразовании возрастает, при этом для образования критического размера зародыша не требуется большого переохлаждения расплава.
В соответствие с концепцией ПетчаЦХолла любые факторы, вызывающие изменения соотношения между размером зерна и вкладом границ зерен в энергию разрушения, оказывают влияние на прочность и пластичность, поэтому преимущества металла с мелкозернистой структурой могут быть достигнуты только в том случае, когда уменьшение размеров зерна сопровождается повышением энергии связи зерен. Следовательно, задачи модифицирования заключаются в управлении двумя взаимосвязанными процессами - измельчении структурных составляющих фаз и повышении чистоты границ зёрен. При оценке размера зерна после кристаллизации сделаны выводы, что для измельчения структуры необходимо, чтобы энергия активации перехода атомов в твердую фазу и межфазная энергия были минимальными, а локальное переохлаждение - максимальным. Когда твердая фаза присутствует в жидкой в виде нерастворимой примеси, то основными параметрами, определяющими процесс зарождения, являются поверхностная энергия () и изменение химического потенциала (i). Показано, что кристаллизация будет происходить на той частице, которая имеет наибольшую разность химических потенциалов и наименьшую поверхностную энергию в данном расплаве металла. В тоже время подбором химического состава тугоплавких частиц трудно обеспечить выполнение обоих требований. Эти условия могут быть выполнены подбором составов твердой и жидкой фаз, т.е.
при модифицировании активированными дисперсными частицами тугоплавких соединений, обладающих высокой адсорбционной способностью и химической активностью. Поэтому целесообразно наряду с тугоплавкими нерастворимыми частицами использовать растворимые активирующие добавки металлов, снижающие величину поверхностной энергии, т.е. проводить комплексное модифицирование.
Чтобы процесс кристаллизации на частице был максимально устойчив, переходный слой должен обеспечить максимальное приращение химического потенциала. Поскольку растворимые примеси адсорбируются на гранях кристаллов материнской фазы, необходимо чтобы вводимые добавки были родственны в химическом отношении с кристаллизующимся веществом. Тогда атомы вещества добавки войдут в кристаллическую решетку растущего кристалла основного вещества с незначительным нарушением (возмущением) ее структуры. Вместе с тем химическая природа подложки играет большую роль, чем различие решеток, в определении ее каталитической активности.
На основании этого, для изучения зародышеобразующей активности инокулирующих добавок, была предложена модель модифицированного расплава, представляющего суспензию, в которой частица является гетерофазным комплексом с твердым ядром и кластеризованным слоем вещества, образованного продуктом взаимодействия с химическими элементами, адсорбированными из прилегающего объема расплава, в результате чего формируется концентрационная флуктуация, гетерогенизируюшая расплав по химическому составу. Переход атома в объем окружающий частицу твердой фазы снижает его свободную энергию, и кристаллизация этого объема расплава будет осуществляться с меньшим энергетическим барьером и с большей скоростью процесса.
В тоже время при фазовом переходе происходит смещение атомов из жидкой в твердую фазу через переходный слой, что приводит к изменению в нем плотности и электрической проводимости. Проведенный теоретический = KT (Э ) анализ позволил установить зависимость между зародышеобразующей активностью тугоплавкой частицы, определяемой разностью химических потенциалов () в расплаве и на ее поверхности и изменением плотности () и электрической проводимости (Э) в переходном слое, где Т - температура кристаллизации переходного слоя, K - константа Больцмана.
Таким образом, зародышеобразующая активность частиц будет тем выше, чем выше температура кристаллизации вещества переходного слоя, больше разность электрических проводимостей частиц и расплава и чем меньше разность их плотностей. Для обеспечения высоких значений () необходимо, чтобы изменения плотности в переходном слое (/hр) было небольшим, а изменения электрической проводимости по толщине переходного слоя (Э/h), было достаточно значительным, что является наиболее важным условием. Подобрать инокуляторы, обладающие такими химико-физическими свойствами и высокой устойчивостью в процессе модифицирования расплава имеющего высокую температуру, невозможно. Это также подтверждает необходимость использования комплексных модификаторов, состоящих из инокуляторов и растворимых активирующих добавок.
В связи с этим предложено частицы инокуляторов подбирать из условия их устойчивости в расплаве и наибольшей электропроводности, а растворимые добавки (протекторы) - из условия образования на частицах переходного (активирующего) слоя из родственных химических соединений с температурой кристаллизации более высокой и плотностью близкой к плотности модифицируемого расплава, что снижает различия плотностей между частицей и расплавом на границе их раздела. Таким образом, процесс модифицирования УДПК заключается не только в выборе тугоплавких подложек, но и в создании на их поверхности устойчивого переходного слоя с заданными свойствами, то есть активировании этих модификаторов.
Проведенные исследования позволили установить зависимости образования тугоплавких соединений по их зародышеобразующей активности к карбидам MeС жаропрочных сплавов. Показано, что в качестве тугоплавких УДП частиц наиболее целесообразно использовать карбонитриды, карбиды и нитриды титана, а в качестве активирующей добавки - титан. Изучение особенностей и возможностей взаимодействия титана с компонентами расплава позволили предположить следующий механизм модифицирования жаропрочных сплавов УДПК.
При введении в перегретый расплав УДПК (TiCN+Ti), содержащего тугоплавкие УДП частицы и титан, происходит химическое взаимодействие титана с никелем расплава, причем взаимодействие идет по типу СВС процесса с локальным повышением температуры до 2500оС. При этом поверхность тугоплавких УДПК играет роль катализатора, при избытке титана с поверхности удаляются адсорбированные газы и образуется переходный слой преимущественного состава типа Ni3Ti, близкого по своим кристаллоструктурным характеристикам к Цматрице жаропрочных сплавов.
Такой гетерогенный комплекс тугоплавкая УДП частица Цпереходный слой из Ni3(Al, Ti), является потенциальным центром кристаллизации именно Цфазы.
Наиболее простым путем получения переходного слоя заданного состава является введение в расплав совместно с тугоплавкими УДП частицами растворимых добавок металлов, химически взаимодействующих между собой и с компонентами расплавов и образующих комплексное соединение модификатора. Поскольку соединение Ni3(Al, Ti) при температурах плавки жаропрочных никелевых сплавов неустойчиво, переходный слой будет размываться жидким металлом с образованием более устойчивого соединения, в данном случае TiС. Новый гетерогенный комплекс гораздо более устойчив и является хорошей подложкой для карбидов МеС. Таким образом, в зависимости от температурно-временных параметров процесса модифицирования возможно одновременное модифицирование Цфазы (макроЦ и микроструктуры) и карбидов МеС. Низкая устойчивость фронта кристаллизации при направленном затвердевании немодифицированного сплава, обусловлена значением равновесного распределения примесей, что при большом концентрационном переохлаждении вызывает рост столбчатых кристаллов.
У гетерогенизированного сплава, модифицированного УДП комплексами, концентрационное переохлаждение на фронте кристаллизации может отсутствовать, а термическое переохлаждение может существенно возрастать.
Рост дендрита в металлической суспензии затруднен барьером из УДП частиц на фронте кристаллизации, что обусловливает расщепление ствола и отделение дендритных осей. Избыточные фазы образуются на подложках на ранних стадиях затвердевания сплава и могут врастать в ствол дендрита, располагаясь в металле внутри зерен.
Проведенные теоретические исследования подтвердили правомерность подхода к выбору модификаторовЦ на основе экзогенных тугоплавких частиц с плакированными слоями, что позволяет обоснованно осуществлять выбор УДП комплексов для ЭШКЛ, ЭШП, ЭШС жаропрочных никелевых сплавов и определять технологические режимы модифицирования.
Глава 3. Методика проведения исследований Представлены методы исследования структуры и физико-механических свойств жаропрочных никелевых сплавов и характеристика используемых материалов при ВИП, ЭШП, ЭШКЛ, ЭШЛ. Рассмотрены новые конструкции плавильных водоохлаждаемых медных емкостей с высоким коэффициентом полезного действия, позволяющие приготовить расплав с высокой металлургической чистотой по S, P с минимальным количеством газов H, O, N и неметаллических включений при ЭШКЛ.
В качестве шихтовых материалов использовали чистые металлы, а также паспортные шихтовые заготовки сплавов ЖС6КЦВИ, ЖС6УЦВИ, которые поступают по ОСТ1 90126Ц85 с сертификатом завода поставщика на каждую плавку. В качестве основного исследуемого металла были взяты сплавы ЖС6ЦК, ЖС6ЦУ, ЖС3ЦДК, ЖСЦ32.
Электрошлаковый переплав расходуемого электрода заданного химического состава производился на модернизированных под разработанный технологический процесс модифицирования УДПК металла отливки на установках А550ЦУ, РЦ951, с печным трансформатором марки ТШСЦ3000Ц1, ТШС - 10000 - 1. Заливку осуществляли в горячие керамические формы, помещенные в опоки с опорным наполнителем. В результате получали блоки с пальчиковыми образцами-свидетелями общей массой около 10кг, из которых изготавливались образцы согласно ГОСТ и методикам для дальнейших исследований и испытаний.
Для сопоставления результатов модифицирования и согласно ТУЦ050 по исследованию физико-механических свойств отливаемых изделий параллельно с блоками образцов - свидетелей, заливали блоки по принятой в промышленности технологии на вакуумной плавильно-заливочной установке ИСВЦ0,025. Для прямого замера температуры жидкого металла и шлака в плавильной ёмкости на протяжении всего процесса ЭШП расходуемого электрода применялась W-Re термопара типа ВР5(20)5 с диапазоном замера температур от 100 - 2800оС, в защитном корпусе из тугоплавкого металла, самописец марки yЦt. RECORDER endim 621.01 с построением графика замеров температур на бумажном носителе.
На основании проведенных исследований доказано, что источниками поступления кислорода в литой металл при ЭШП, осуществляемом в керамических плавильных емкостях, футерованных магнезитовым огнеупорным материалом, являются оксиды, входящие в состав используемого шлака. Следовательно, основной прирост массы кислорода в металлической ванне определяется процессом плавки металла в магнезитовом тигле. В тоже время установлено, что переплав ЖС6ЦУ, ЖС6ЦК даже в тигле, футерованном наиболее стойким периклазохромитовым материалом, приводит к существенным изменениям качества литого металла. Так, концентрация кислорода в металле уже в первые 5 мин. плавки повышается в 4,1 раза, за мин. плавки - в 5,6 раза и за 30 мин. плавкиЦ в 8 раз. Вследствие этого катастрофически уменьшаются концентрации алюминия (на 32 % за 5 мин.
плавки), титана (на 43 % за 10 мин. плавки), и металл уже не соответствует марочному составу по ТУ, что свидетельствует о нецелесообразности использования керамических тиглей для плавки жаропрочных никелевых сплавов. Это позволяет рекомендовать применять в таких случаях гарнисажные водоохлаждаемые медные плавильные емкости.
Однако существующие конструкции таких емкостей характеризуются крайне низким термическим КПД, что затрудняет или даже не позволяет накапливать в них требуемое количество жидкого металла. Низкий КПД таких емкостей обусловлен тем, что значительное количество тепла отводится от переплавляемого металла через гладкую внутреннюю стенку обечайки вследствие большой ее поверхности контакта с расплавом. В работе предложены конструкции гарнисажных плавильных емкостей, которые в значительной мере устраняют отмеченные недостатки. Их основной отличительной особенностью является наличие на внутренней стенке обечайки щелевых выемок такого размера, чтобы расплавленный шлак в процессе работы емкости не затекал в них и создал слой гарнисажа, в результате чего образуются газовые полости, обладающие высоким термическим сопротивлением и обусловливающие повышение эффективности использования тепловой энергии, выделяющейся в плавильной емкости (рис.1, а, б, в).
а) б) в) Рис. 1. Схема теплового баланса в емкостях с (а) гладкой, (б) оребренной стенкой с выступами одинаковой длины, (в) оребреной стенкой с выступами различной длины.
Для определения оптимальных значений геометрических параметров оребренной стенки проведены расчеты распределения температур по ее сечению. Показано, что минимальный тепловой поток возможен при минимуме ширины ребра, который ограничивается его прочностью, и максимуме ширины зазора, который ограничивается условием незатекания жидкого шлака в процессе электрошлакового переплава расходуемого электрода в плавильной медной водоохлаждаемой емкости.
Оценку энергетической эффективности работы гарнисажной водоохлаждаемой плавильной емкости проводили на основе экспериментального определения тепловых потерь. Установлено, что в емкости с гладкой стенкой на нагрев охлаждающей воды расходуется 64Ц74 % тепла, выделяемого в шлаковой ванне, и термический КПД плавки составляет всего 15Ц18 %. Схема теплового баланса такой емкости представлена на (рис. 1,а).
У емкости с оребренной стенкой - на нагрев воды в обечайке плавильной емкости и поддоне ~ 53Ц64 % (в емкости увеличивается от 35 до 52 %, в поддоне уменьшается от 18 до 13 %). Энергетическая эффективность плавки в гарнисажной плавильной емкости с оребренной стенкой существенно возрастает и находится в пределах 23Ц29 %. Схема теплового баланса такой емкости представлена на (рис.1,б). В разработанной конструкции гарнисажной плавильной емкости с выступами различной длины и наполнителем на нагрев охлаждающей воды расходуется уже 47Ц58 % тепла, выделяемого в шлаковой ванне; термический КПД плавки при этом существенно возрастает и находится в пределах 31Ц34 %. Схема теплового баланса такой емкости приведена на (рис. 1, в). При этом производительность плавки увеличивается на 45Ц50%, а удельный расход электроэнергии уменьшается на 28Ц30%. Данная плавильная емкость прошла промышленные испытания и показала высокую стойкость (свыше 500 плавок).
В условиях электрошлакового переплава и кокильного литья различных фасонных изделий получить заготовки, свободные от экзогенных шлаковых включений, можно лишь предотвратив первоначальное поступление шлака в литейную форму. В связи с этим было разработано устройство донного слива, металла из плавильной емкости. Устройство состоит из поддона с отверстием, которое перекрыто конусной пробкойЦзатравкой.
Исследования свойств литого металла, полученного с применением разработанных гарнисажной плавильной емкости и устройства донного слива, показали существенное повышение его металлургической чистоты. Так, концентрация кислорода снижается по сравнению с металлом электрошлаковой плавки в керамическом тигле в 4,6 раза, азота в 1,3 раза, что приводит к уменьшению объемного процента оксидных включений с 0,0096 до 0,0034 %, нитридных включений с 0,084 до 0,032 %, окисления титана в 6,4 раза и алюминия в 8,3 раза. Физико-механические и жаропрочные свойства такого литого металла удовлетворяют требованиям технических условий.
При изготовлении модифицирующих комплексов (TiCN+Ti) использовали УДПК карбонитрида титана (TiCN), полученные плазмохимическим синтезом, выпускаемые промышленностью (размер частиц 0,01-0,05 мкм) и УДП порошка металлического титана (размер частиц 0,01Ц0,1 мкм). Выпускаемые промышленностью порошки тугоплавких соединений характеризуются значительной разнозернистостью и окисленностью поверхности частиц, что ухудшает их смачиваемость расплавленным металлом.
Приведены результаты исследований по выбору режимов дегазирования, активирования и консервирования УДПК тугоплавких соединений. Полученные закономерности позволили оптимизировать состав, содержание и условия введения модификатора при ЭШКЛ, ЭШП и ЭШС. Отмечено, что при твердофазной активации (ТФА) и плакировании частиц УДП поверхностная энергия ( ) является важнейшим показателем. Согласно этому показателю, LG химические элементы располагаются в следующий нарастающий ряд: Ti, Ni, Cr, V, Fe, Co, Nb, Mo, W. По величине движущей силы спекания V/T - LG ПЛ убывающий ряд Co, Cr, W, Fe, Ni, Ti, Mo, Nb. С учетом переноса вещества наполнителя через газовую фазу наиболее перспективными являются Co, Cr, Ni, Ti. Установлено, что УДП TiCN начинает интенсивно взаимодействовать с Ni и Ti при 1000Ц1100С. Нижняя граница ТФА для (TiCNЦ Ti) - 800 С, (TiCNЦCr) - 950С и (TiCNЦNi) - 750С при 0,0133Ц0,0532 Па.
После завершения процесса замешивания и очистки частиц порошка, в его объем вводятся металлизирующие добавки, в результате растворения которых расплав насыщается ионами титана, которые адсорбируются поверхностью тугоплавких частиц, обеспечивая их плакирование при спекании. После спекания образцы разрезали, готовили шлифы, на которых определяли изменение микротвердости и химического состава. При этом микрорентгеноструктурный анализ показал взаимную диффузию матрицы и наполнителя. Полученный в результате обработки при температуре спекания 850Ц900С и продолжительности 30 мин. комплексный модификатор вводится в металлическую ванну с помощью порошковых электродов или брикетов. Расчет массового соотношения УДПК и наполнителя с учетом гранулометрического состава подтвержден практикой применения модификаторов. Оценка эффективности ТФА по термограммам циклически переохлаждении на Т=55Ц60 С показала, что Т полностью устраняется при 0,025% УДП TiCN с наполнителем 0,2% Ti.
Для выявления эффекта модифицирования одновременно с блоками образцов, залитых с введением модифицирующих УДПК, заливали серийные блоки по принятой технологии заводов изготовителей. МакроЦ и микроструктуру жаропрочных никелевых сплавов исследовали по общепринятым методикам. Металлографические исследования выполняли на оптических микроскопах МИМЦ8 и Neорhot - 32, электронных микроскопах Е8Ц4Ц6,УМВЦ100. Физико-механические свойства и служебные характеристики жаропрочных никелевых сплавов определяли в заводских лабораториях на серийном оборудовании ОМПО им. П.И. Баранова, НПО Полет, ОНИИД, ФГУП ОНИИТМ г. Омск.
Глава 4. Исследование структуры и физико-механических свойств жаропрочных никелевых сплавов с комплексным модифицированием, полученных различными способами переплава и литья.
Приведены исследования структуры и свойств изделий из жаропрочных никелевых сплавов, полученных различными способами: вакуумным индукционным переплавом (ВИП), электрошлаковым переплавом (ЭШП) расходуемого электрода в медной водоохлаждаемой плавильной емкости с последующей заливкой жидкого металла в литейные формы. В качестве объекта исследований выбран сложнолегированный сплав ЖС6-У (Х10Н58К10В11Ю6Т3М2Б), склонный к транскристаллическому строению, обладающий повышенной структурной неоднородностью, что обуславливает механические свойства литого металла ниже уровня, заложенного его химическим составом в соответствии ОСТ 90126Ц85.
Для выбора оптимального химико-физического состава модификатора выполнена полная серия экспериментов, в которых эффективность вида, размер и количество тугоплавких УДП частиц, а также количество активирующей добавки - титана, оценивали по результатам влияния на физикомеханические свойства литого металла. В результате экспериментов установлено, что для никелевых сплавов наиболее рационально использовать модификатор, содержащий 0,025% УДП частиц порошка карбонитрида титана (TiCN) и 0,2% порошка титана (Ti) из расчета на массу обрабатываемого расплава, что позволяет эффективно и целенаправленно воздействовать на микроЦ и макроструктуру, получать мелкое равноосное зерно по всему объему отливки с высокими физикоЦмеханическими свойствами изделия.
Методом микрорентгеноспектрального анализа установлено, что карбиды МеС обогащены вольфрамом, ниобием и титаном, а также содержат около 3% никеля за счет вклада матрицы.
Приблизительный состав монокарбида (Ti0,53, Nb0,31, W0,16) C, после длительной эксплуатации изделий из никелевых сплавах образуются карбиды типа Ме6C и Me23C6, которые выделяются в виде пластинок по границам зерен и резко снижают пластичность. Введение модификатора в широком диапазоне температурно-временных параметров плавки влияет на характер выделений карбидных включений в металле. При этом наиболее распространенным является карбид МeС, имеющий в никелевых сплавах обычно скелетообразную или строчечную морфологию.
Повышение температуры расплава при введении модификатора до 1570Е1600оС благоприятствует получению более мелких глобулярных карбидов. Применение технологии комплексного модифицирования привело к уменьшению размеров и изменению дендритной ячейки, что вызвано увеличением темпа кристаллизации модифицированного сплава на первом этапе кристаллизации.
Изменяется морфология и топография карбидной фазы: от выделений типа пленок, выстроенных в цепочку и имеющих форму вида китайский иероглифов, образующих каркас по границам зерен, до компактных округлой формы, равномерно распределенных по объему зерна.
Увеличение количества инокуляторов от 0,0010% до 0,50% приводит к плавному уменьшению размеров глобулярных карбидов от 10Ц30 до 4Ц12 мкм, а размеров макрозерна от 2Ц15 до 0,4Ц1,7 мм. Однородность дендритной структуры модифицированного сплава заметно выше, чем у немодифицированного, протяженность межосных участков существенно сократилась, а эвтектической (Ц)Цфазы становиться значительно меньше (рис.2).
а) б) в) г) Рис.2 Микроструктура сплава ЖС6-У при различных способах производства (140):
а) Исходный сплав, полученный ВИП без модифицирования. б) Сплав ВИП, полученный с модифицированием. в) Сплав ЭШП с модифицированием УДПК. г) Сплав ЭШП с модифицированием УДПК+ВТОР Микроструктура модифицированного сплава ЖС6-У характеризуется наличием в межосных пространствах карбидов МеС, в немодифицированных отливках, полученных ВИП (рис.3,а), образуются карбиды неправильной игольчатой формы - китайские иероглифы, - которые приводят к снижению пластичности и, как следствие, служебных свойств изделий. Структура металла отлитых изделий ЭШП без модифицирования (рис. 3,б) и с модифицированием (рис. 3,в) значительно лучше. Наилучшая структура сплава ЖС6-У получается при ЭШКЛ с модифицированием и ВТОР (рис. 3, г) - китайские иероглифы отсутствуют, карбиды в основном имеют точечную (зернистую) форму и равномерно распределены по полю шлифа.
а) б) в) г) Рис.3 Микроструктура выделением карбидных фаз сплава ЖС6-У, изготовленного различными способами производства (120): а)ВИП исходный сплав, б) ЭШКЛ без модифицирования, в) ЭШКЛ с модифицированием, г) ЭШКЛ с модифицированием и ВТОР.
Размер макрозерна в отливках из модифицированного сплава при ЭШКЛ + ВТОР составил в среднем 0,7Ц1,2 мм, карбиды приобрели компактную форму, их средний размер составил 3Ц5 мкм. Наилучшие сочетания структуры и свойств сплавов ЖС6ЦК, ЖС6ЦУ получены при введении УДПК при 1580оС и выдержке 3Ц5 мин с последующей разливкой при 1490Ц1510оС.
Изучение влияния температурно-временных параметров плавки на характеристики структуры литого металла показало, что наиболее чувствительным параметром является макро- и микроструктура. После двадцатиминутной выдержки расплава в плавильной емкости с момента ввода модификатора при температуре 1550...1650С эффект измельчения макроструктуры практически полностью исчезает.
Проведен целый ряд испытаний образцов изделий, полученных различными способами производства при различных высоких температурах испытания на в, 0,2, , , KCU. Прочностные характеристики близки между собой как при комнатной температуре 20оС, так и при температурах 600, 700, 800, 850, 900, 950, 975, 1000, 1050оС.
Наибольший выигрыш получается в пластичности при комнатной температуре. При температурах 900Е1050оС также наблюдается тенденция к повышению пластических свойств модифицированного металла, подвергнутого электрошлаковому переплаву с введением УДПК по сравнению с немодифицированным.
Исследование влияния модифицирования на механические и эксплуатационные свойства показало, что модифицирование приводит к повышению прочностных характеристик на 30Е40%, пластичности на 30Е70%, предела усталостной выносливости на 25Е40%, ударной вязкости на 180Е340%.
В качестве оптимизируемых технологических параметров ЭШКЛ были взяты: температура перегрева расплава (ВТОР), температура ввода УДП комплексов в расплав, температура заливки, время выдержки от момента ввода модификатора до заливки и количество вводимых УДП комплексов. В качестве функций сравнения использовали относительное удлинение, сужение, предел прочности, ударную вязкость сплава ЖС6ЦУ при 975С (табл.1).
Таблица 1 Результаты испытаний физико-механических свойств сплава ЖС6ЦУ, полученного различными способами производства, при 975С Временное Относит.
Предел Относит.
сопротив. сужение Способ KCU текучести удлинение производства разрыву MДж/м, % 0,2, МПа , % в, МПа ЭШП 964/983 870/940 1,6/1,8 4,7/3,2 0,12/0,ЭШП+УДПК+ 1132/1080 1052/1105 2,1/2,9 5,1/6,7 0,21/0,ВТОР ВИП 810/870 720/760 0,9/1,1 2,2/2,7 0,04/0,ВИП+УДПК 945/980 780/820 1,4/1,8 3,3/4,2 0,10/0,ОСТ 90126-960 800 1,5 2,0 - Паспорт Циклическая устойчивость образцов при 20 оС, предел усталостной выносливости из модифицированного сплава ЖС6ЦУ на 20Ц30% выше, чем изделий отлитых по серийной технологии (табл. 2).
Испытания на резонансной частоте и базе 2107 циклов с 95%-ной вероятностью предел усталостной выносливости для немодифицированного сплава составляет 160 МПа, тогда как для модифицированного - 300 МПа (рис.
4). Эти данные согласуются с повышением длительной жаропрочности сплава при 975С в результате положительного воздействия модифицирования.
полученных различными способами производства ВИП, ЭШП с модифицированием УДПК и ВТОР (рис. 5).
Исследование малоцикловой термомеханической усталости образцов из сплавов ЖС6ЦК, ЖС6ЦУ по параметрам нагружения до разрушения, показало следующее: для модифицированного сплава при всех режимах нагружения как изотермических, так и неизотермических экспериментальные точки, характеризующие долговечность образцов в зависимости от упругопластической деформации, группируются около некоторой прямой, единой для всех режимов, определяемой параметрами А и С уравнения a Коффина: ЕхN = C, где ЕЦразмах упругопластической деформации, NЦчисло f циклов до разрушения.
Таблица 2 Результаты испытаний на определение предела выносливости образцов из сплава ЖС6-У, полученных различными способами производства.
Частота Состояние Нагрузка Амплитуда первой Кол-во Результат сплава , МПа 2А (мкм) изгибной циклов N испытания формы, Гц ЭШП+УДПК 300 1650,00 1130 5,1106 прошел исп.
ЭШП+ УДПК 220 1000,00 1140 20106 прошел исп.
ВИП+ УДПК 220 1000,00 1200 5,4106 разрушился ВИП+ УДПК 300 1450,00 1200 1,1106 разрушился ЭШП 180 800,00 1190 20106 прошел исп.
ЭШП 170 750,00 1140 20106 прошел исп.
ВИП 180 900,00 1110 5,3106 разрушился ЭШП+ УДПК 200 1000,00 1150 17,3106 разрушился ВИП 240 1000,00 1150 9,6106 разрушился ЭШП+ УДПК 240 1200,00 1180 11,3106 прошел исп.
В соответствии с полученными результатами сопротивление модифицированного сплавов малоцикловому нагружению в 3Ц3,5 раза выше, чем немодифицированного. Так, если размах упругопластической деформации составляет 0,46%, то долговечность немодифицированного образца составляет 2000 циклов, а модифицированного 6000Ц7000 циклов.
Рис. 4. Результаты испытаний образцов на определение предела усталостной выносливости изделий из сплава ЖС6У на базе N = 2107 циклов с воздействием различных нагрузок.
1-Сплав ЖС6-У, полученный ЭШП с модифицированием УДПК и ВТОР;
2-сплав ЖС6-У, полученный ЭШП без комплексного модифицирования;
3-сплав ЖС6У, полученный вакуумноиндуционным переплавом ,МПа 1-Сплав ЖС6-У полученный ЭШП, модифицированный + ВТОР 2-Сплав ЖС6-У полученный ЭШЛ, модифицированный 3-Сплав ЖС6-У полученный ВИП, с направленной кристаллизацией 4-Сплав ЖС6-У полученный ВИП, с равноосной структурой Рис. 5 Первичные кривые зависимости длительной прочности при стационарной температуре испытания 975оС образцов сплава ЖС6-У, полученных различными способами производства в зависимости, от времени эксплуатации Модифицирование в процессе ЭШКЛ и применение технологии ВТОР на протяжении всего времени процесса переплава расходуемого электрода в плавильной емкости с введением УДПК при 1580Ц1600оС потребовало использования технологии подстуживания жидкого металла для повышения эффекта модифицирования за счет снижения продолжительности времени выдержки от момента введения УДПК до начала кристаллизации отливки после заливки металла в литейную форму (рис. 6).
Рис. 6. Температурно-временная зависимость процесса ЭШКЛ+ВТОР расходуемого электрода из сплава ЖС6-У в водоохлаждаемой автогарнисажной плавильной емкости.
Верхняя критическая температура перегрева при ЭШП индивидуальна для каждого сплава. Перевод расплава никелевых сплавов в равновесное состояние при воздействии высокотемпературной обработки расплава осуществляют перегревом выше второй критической температуры tкр2 1740С (для ЖСЦ32), 1830С (для ЖС3ЦДК и ЖС6ЦУ) и 1800С (для ЖС6-К). Необходимую температуру перегрева расплава ЖС3-ДК для перевода его в равновесное состояние определили по изменению кинематической вязкости и удельного сопротивления (рис.7,а,б). На политермах структурно-чувстви-тельных свойств можно выделить два температурных интервала, в которых, по-видимому, происходят интенсивные изменения структуры расплава.
Рис.а) Политермы кинематической вязкости () сплава ЖС3-ДК.
б) Политермы электросопротивления () Ом сплава ЖС3-ДК.
TC В низкотемпературной области (1550Ц1650оС) аномальный характер изменения свойств связан с разрушением неравновесных группировок атомов, соответствующих по составу и строению интерметаллидной - фазе, а в интервале температур 1780Ц1830С осуществляются полная диссоциация и растворение тугоплавких соединений.
Установлено, что ВТОР совместно с модифицированием при ЭШП жаропрочных никелевых сплавов изменяет их микроструктуру и повышает химическую однородность отливки. Критериальная оценка влияния технологических параметров модифицирования на качество металла показала, что повышение температуры перегрева расплава перед модифицированием способствует повышению как пластичности, так и жаропрочности.
Исследованиями макрошлифов образцов после высокотемпературных испытаний установлено, что в немодифицированном металле разрушение происходит в зоне направленной кристаллизации по границам дендритов, и жаропрочность таких образцов составляет всего 22Ц36 ч. В модифицированных образцах, показавших наибольшую жаропрочность (92Ц110 ч), структура была очень дисперсна, что подтверждает выводы ряда авторов о положительном влиянии измельчения зерна на свойства изделий из никелевых сплавов, эксплуатируемых при высоких температурах.
Физико-механические свойства образцов, вырезанных из экспериментальных отливок, свидетельствуют о том, что совмещение ВТОР и модифицирования УДПК TiCNЦTi увеличивает прочность сплава ЖС6ЦУ на 15Ц30% при росте пластичности в 1,3Ц1,7 раза. Вместе с тем, нельзя объяснить повышение жаропрочности сплава в результате модифицирования только измельчением зерна при кристаллизации.
При изучении дендритной структуры жаропрочных сплавов установлено, что независимо от степени их легирования с увеличением добавок инокуляторов до 0,1 % расстояние между осями дендритов второго порядка уменьшается от 42Ц74 мкм до 19Ц36 мкм, а дисперсность структуры увеличивается в 1,6Ц2,4 раза.
Микрорентгеноспектральный анализ показал, что в немодифицированном сплаве велика дендритная ликвация ниобия, титана, вольфрама и кобальта.
Вследствие значительной ликвации элементов и скопления их в карбидах и боридах эвтектики обедняется твердый раствор и значительно уменьшается количество Цфазы до 40-48%, что оказывает существенное влияние на понижение физико-механических и служебных свойств изделий. После модифицирования дендритная ликвация существенно снижается, а элементы перераспределяются более равномерно, обеспечивая заметное выравнивание состава между осями дендритов и межосными участками. Электронномикроскопические исследования показывают, что количество и морфология Цфазы в модифицированном сплаве значительно отличаются от таковых в немодифицированном (рис. 8).
а) б) в) г) Рис. 8. Изменение морфологии Т-фазы сплава ЖС6У при (х10000):
а, б) ЭШКЛ немодифицированный; в, г) Модифицированный; а, в) Исходное состояние;
б, г) После испытаний на жаропрочность в промышленных условиях.
Формируются когерентно связанные с матрицей более дискретные мелкодисперсные (0,2Ц0,3 мкм) выделения ТЦфазы большей частью квадратной (кубической) либо прямоугольной (кубической) формы с очень малым расстоянием между ними, а ее общее количество повышается и достигает 58Ц 62%. Они имеют более высокую термическую стабильность и температуру полного растворения, чем в сплавах традиционного легирования. Такие изменения сплава в процессе модифицирования обусловливают соответствующие изменения механических и служебных свойств изделий.
Выполнены исследование и проведен анализ структур разрушенных образцов после испытаний на растяжение (разрыв) и изломов после испытаний на ударный изгиб и определение величины ударной вязкости показывает, что с улучшением морфологии и топографии карбидов, Т Цфазы и неметаллических включений в результате модифицирования количество хрупкой составляющей уменьшается, а энергоемкость разрушения металла повышается (рис. 9 а, г).
Увеличение количества компактных частиц карбидов в теле зерна модифицированного сплава (рис. 10 б, д) способствует перераспределению деформации во множество ручьев, что принуждает работать значительно большую часть материала, чем в исходном немодифицированном сплаве (рис. 9 б, д).
а) б) в) г) д) е) Рис. 9. Рельеф поверхности изломов образцов а, б, в - без модифицирования, г, д, е - с модифицированием (б, д - дислокационная структура х60000, в, е - ' фаза х10000) ЭлектронноЦмикроскопические исследования показывают, что в отличие от немодифицированного металла, у которого излом представляет собой транскристаллический скол, многочисленные трещины которого образуют ручеистый узор, у сплава, подвергнутого модифицированию, все зоны имеют практически одинаковый, характерный для вязкого разрушения рельеф.
Поверхность зон излома имеет блочный рельеф, представляющий собой совокупность ямок с преобладающей долей вязкой составляющей и с отдельными участками межзеренного (Рис.10 в, е). Присутствие дисперсных частиц в матрице сплава существенно стабилизирует его дислокационную структуру. С повышением однородности деформации наблюдается макроскопическая картина общего возрастания пластичности сплава.
а) б) в) г) д) е) Рис. 10. Дислокационные структуры сплава ЖС6-У:
а, б, в - без модифицирования; г, д, е - с модифицированием;
а) ' фаза - при (х 20000); б) карбидная фаза (х 500); в) дислокационная структура при (х 60000);
г) ' фаза - при (х 20000); д) карбидная фаза (х 500); е) дислокационная структура при (х 60000) Такое положительное влияние дисперсных частиц на формирование микроструктуры и субструктуры обеспечивает повышение жаропрочности сплава и его пластичности, что свидетельствует об увеличении стабильности структуры в процессе эксплуатации изделий (Рис.10 а, г).
Для подтверждения выдвинутых в работе теоретических положений, установления закономерностей модифицирования металла комплексными добавками и предварительной оценки их эффективности методами термографии, проникающего излучения, дифференциально-термического анализа (ДТА) и металлографии исследовали процесс кристаллизации модельных расплавов. В соответствии с разработанной методикой были проведены исследования кинетики кристаллизационных процессов жаропрочных сплавов методом Цплотнометрии и ДТАЦанализа на приборе DERIVATOGRAPH QЦ1500D, на рис.11,а приведены кривые изменения теплосодержания модифицированного и рис.11,б немодифицированного сплава ЖС6ЦУ.
а) б) Рис.11 Сплав ЖС6-У а) Модифицированный; б) Без введения модификатора Проведенные исследования никелевых сплавов методом ДТА процессов взаимодействия предложенных модифицирующих комплексов позволили установить и раскрыть механизм термодинамических процессов проходящих на границе раздела модифицирующий комплекс - металлический расплав.
Снятие кривых охлаждения производили в печи Таммана, определение плотности выполняли на установке Параболоид, а изучение кинетики кристаллизации осуществляли на установке ВДТАЦ8М3. Анализ полученных кривых охлаждения показал, что при раздельном введении добавок в расплавы только частиц инокуляторов или только растворимых активирующих примесей кривые охлаждения металлов до момента начала кристаллизации не имели изломов или перегибов. При этом в структуре закристаллизовавшихся сплавов не наблюдалось изменений, которые можно было бы связать с эффектом модифицирования. Лишь при совместном введении добавок тугоплавких частиц и активирующих примесей было обнаружено измельчение структур исследуемых сплавов. При этом во всех случаях на кривых охлаждения за несколько градусов до начала кристаллизации фиксировался перегиб, свидетельствующий об образовании на частицах инокуляторов переходного слоя в виде тугоплавкой фазы.
Исследования методом проникающего излучения показали, что в предкристаллизационный момент за 10Ц15С до температуры ликвидус на кривой изменения плотности расплава от температуры наблюдается аномалия в виде перегиба и площадки с (Т)=const, свидетельствующая о разуплотнении сплава, а кристаллизация продолжается при T()=const, что также подтверждает образование переходных слоев на частицах инокуляторов при комплексном модифицировании. Сопоставление результатов термографии, Цплотнометрии и ДТАЦанализа выявило следующие закономерности влияния комплексной добавки TiCNЦTi на кинетику кристаллизационных процессов сплава ЖС6ЦУ:
1.Содержание Цфазы в модифицированном сплаве УДПК, на 12Ц20 % больше, чем в немодифицированном;
2.Температура ликвидус сплава, подвергнутого модифицированию УДПК, на 14Ц16С ниже, чем немодифицированного;
3.Физическая плотность сплава модифицированного УДПК при температуре ликвидус увеличивается на 0,0038 - 0,0042 г/см3, что приводит к повышению физикоЦмеханических свойств отливаемых изделий;
4.Карбиды в модифицированном сплаве начинают выделяться в начале кристаллизации при t=1338С и содержании 4Ц6 % твердой фазы, а в немодифицированном - в самом ее конце при t=1325 С и содержании 50Ц60 % твердой фазы;
5.Температура начала выделения эвтектической фазы в модифицированном УДПК сплаве повышается вплоть до 1241С по сравнению с немодифицированным.
Металлографические исследования показали явно выраженную связь изменения кинетики кристаллизационных процессов при комплексном модифицировании с получаемой структурой. Так, в сплаве ЖС6ЦУ эффект модифицирования проявился в значительном измельчении макрозерна сплава и изменении морфологии карбидной фазы. Это свидетельствует о значительном уменьшении работы зародышеобразования фазы МеС и изменении механизма ее выделения. Поскольку содержание твердой закристаллизовавшейся фазы при этом невелико, карбиды приобретают округлую форму. Большое отличие в температурах образования карбидных фаз говорит о различии их фазового состава.
Микрорентгеноспектральным анализом установлено, что количество титана в составе карбидной фазы модифицированного сплава ниже, чем в немодифицированном сплаве, а содержание W, Nb, Mo, Co, Cr изменяется незначительно. Это объясняется тем, что на частицах TiCN в сплав вносится оболочка из титана, которая гетерогенезирует жидкий металл по содержанию углерода. Следовательно, содержание титана в матрице сплава возрастает и увеличивает количество Цфазы, что подтверждает ДТА. Очевидно, изменение состава карбидов влияет на их морфологию, и они выделяются в виде равноосных кристаллов.
Выполненные исследования подтвердили правомерность подхода к выбору инокуляторов и активирующих добавок, что позволило на этой основе создать ряд эффективных модификаторов. Таким образом, проведенное исследование показало, что модифицирование никелевых сплавов комплексными модификаторами на основе тугоплавких УДП частиц с плакирующим слоем позволяет, при определённых условиях, совместно с технологией ВТОР существенно повысить уровень служебных свойств изделий: жаропрочность, пластичность, ударную вязкость и циклическую выносливость, износостойкость.
Глава 5. Промышленное внедрение разработок ЭШКЛ и ЭШС изделий из никелевых сплавов.
Посвящена разработке оборудования, оснастки и технологического процесса получения отливок методам ЭШП, ЭШКЛ, ЭШС сварных соединений большого сечения при применении технологии модифицирования УДПК и высокотемпературной обработки расплава (ВТОР) изделий из жаропрочных никелевых сплавов.
Рассмотрено промышленное оборудование (комплекс) электрошлакового кокильного литья с использованием технологии модифицирования УДПК и ВТОР никелевых сплавов для отливки изделий Сердечник рогообразный, Проставка, Хвостовик, а также лопаток для газотурбинных двигателей.
Другой важной проблемой является переработка отходов жаропрочных сплавов литейного производства. Они представляют собой различные элементы литниково-питающей системы, которые частично могут использоваться в шихте при повторной вакуумно-индукционной плавке (ВИП), и забракованные отливки, которые из-за своей негабаритности не позволяют производить загрузку тигля шихтой необходимого размера и поэтому совершенно не используются и фактически являются безвозвратными потерями дорогостоящих и дефицитных сплавов. Одним из направлений решения данной проблемы является организация регенерации отходов жаропрочных сплавов с одновременным получением шихтовой заготовки нужного размера без применения вакуумно-индукционной плавки.
В связи с этим была разработана технология электрошлакового переплава отходов никелевых сплавов в среде аргона под слоем флюса СaF2 - Al2O3 в медной водоохлаждаемой плавильной емкости. Влияние переплавных процессов на химический состав жаропрочного сплава ЖС6ЦУ показывает, что при ЭШП, несмотря на некоторый угар Ti и Al, состав металла по всем легирующим элементам укладывается в марочный, согласно ТУ, в тоже время, его механические свойства не удовлетворяют техническим условиям. Введение в расплав при переплаве разработанного модификатора УДПК на основе (0,025 % TiCN+0,2%Ti) приводит к существенному изменению получаемой структуры, морфологии и топографии выделяющихся фаз отливки.
Происходит значительное измельчение макрозерна, устраняются столбчатость зерен и разнозернистость (рис.12). Карбиды приобретают компактную равноосную форму и равномерно распределены по объему зерна, Т Цфаза приобретает прямые линейные очертания и упорядоченное расположение в матрице, в том числе, и по соседству с карбидной фазой. Такая морфология и топография фаз, как было показано ранее, повышает стабильность Цматрицы и оказывает благоприятное влияние на длительную прочность сплава. При этом даже по сравнению с металлом ВИП, относительное удлинение увеличивается в 1,8 раза ( = 9,7 %), а время до разрушения в 1,6 раза (93 ч).
Полученная в результате ЭШП мерная заготовка была использована в качестве шихты при производстве деталей ответственного назначения газотурбинных двигателей методом вакуумно-индукционного литья (ВИЛ) в керамические формы. Это стало возможным вследствие высокой живучести эффекта модифицирования, установленного при последующих переплавах слитков ЭШП.
а) б) в) г) Рис.12 Изменение структуры сплава ЖС6-У.
Образцы, полученные различными способами литья и модифицирования:
а) Исходный сплав полученный ВИП по ОСТ1 90126-85; б) ВИП полученный в керамических опоках по серийной технологии ТУ-050; в) Сплав полученный ЭШКЛ без модифицирования УДПК; г) Сплав полученный ЭШКЛ с модифицированием УДПК.
Исследования свойств образцов вырезанных из изделий, отлитых ВИП по действующей в промышленности технологии, но с использованием в качестве шихты модифицированных слитков ЭШП сплава ЖС6ЦУ показали, что средние значения временного сопротивления разрыву на 50 МПа выше, чем у серийных и составляют 1031 МПа, относительное удлинение увеличилось более чем в два раза (от 4,4 до 9,6 %), угол изгиба изделий до разрушения повысился с 6Цградусов до 15Ц19 градусов, а жаропрочность при Т=1238 К и =240 МПа составляла 89Ц102 ч (нижний предел по ТУЦ 25 ч). Предел циклической усталости литых изделий из модифицированного сплава увеличивается на 15Ц 20% и достигает 205 МПа. Для изделий из сплава ЖС6ЦК (Х12Н60К5В5М5Ю6Т3) наилучшие результаты были получены при использовании слитков ЭШП с 0,025 % модификатора TiCN. При этом прочность увеличивается на 3Ц5 %, пластичность возрастает более чем в два раза, а жаропрочность при Т=1073 К и =500 МПа повышается на 60Ц70 %.
Предел циклической усталости увеличивается на 10Ц15 % и достигает 220 МПа.
Для интегральных роторов турбин, отлитых из модифицированных слитков ЭШП сплава ЖС3-ДК (Х12Н62К10В4М4Ю4Т3), повышение прочности составило около 10 %, а длительной прочности при Т=973 К - на 5080 МПа. Такие положительные изменения в свойствах связаны с улучшением макроЦ и микроструктуры сплавов в результате модифицирования, средний размер макрозерна изделия с 3Ц8 мм уменьшился до 1,2Ц1,8 мм, исчезли столбчатые кристаллы и разнозернистость. Карбиды имеют компактную глобулярную форму, Цфаза приобрела правильные геометрические очертания и размеры куба.
Таким образом, применение модифицирования при ЭШП позволяет получать из отходов жаропрочных сплавов мерную шихтовую заготовку, использование которой при ВИП деталей газотурбинных двигателей обеспечивает более высокое качество литого металла по сравнению с металлом серийных отливок. Полученные результаты позволили создать специализированный участок регенерации отходов жаропрочных никелевых сплавов. Прохождение по технологической цепочке и пооперационный контроль литых изделий не выявили каких-либо отклонений от существующих технических требований на данные виды продукции.
Проведенные всесторонние исследования выплавленного металла по серийной и опытной технологиям, показали, что электрошлаковый металл по всем служебным характеристикам превосходит металл вакуумноиндукционного литья. Сравнительные результаты испытаний свидетельствуют о том, что в результате модифицирования при возрастании прочности на 10Ц 915 % жаропрочность увеличивается в 3Ц4 раза (от 25,0 до 97,5 ч), что даже 2несколько выше свойств исходного проката.
Разработана технология электрошлакового кокильного литья изделий Проставка, Интегральный ротор, лопаток для газотурбинных двигателей с объемным модифицированием (рис.13,а,б), лопаток отлитых с использованием направленной кристаллизации (рис13,в,г) и Сердечник рогообразный по схеме донного слива расплава в металлический кокиль, повторяющий контур отливаемого изделия (рис.13,д,е).
Проведены прямые замеры температуры жидкого металла и шлака на протяжении всего процесса электрошлакового переплава расходуемого электрода из сплава ЖС6ЦУ, ЖС6ЦК, ЖС3ЦДК в медной водоохлаждаемой автогарнисажной плавильной емкости (рис. 14); установлена возможность высокотемпературной обработки расплава при осуществлении процесса заливки изделия Сердечник рогообразный методом донного слива - лопатки, интегральные роторы и др. в керамические литейные формы. Разработаны и внедрены в производство технические предложения по выполнению конструктивных схем оборудования и оснастки, необходимых для осуществления этого процесса.
а) б) в) г) д) е) Рис.13. Образцы изделий полученные по технологии ЭШКЛ с применением УДПК.
а) Макроструктура лопатки без использования модифицирования ВИП сплав ЖС6-У.
б) Макроструктура лопатки с использованием технологии УДПК из металла, полученного ЭШКЛ с последующим переплавом в ВИП.
в, г) Структура лопаток отлитых с направленной кристаллизацией в керамических формах.
д) Отливка Сердечник рогообразный полученная по технологии ЭШКЛ+ВТОР+УДПК е) Образцы изделий Сердечник рогообразный Ду 108, Ду 57, Ду 89 отлитых ЭШКЛ из сплава ЖС6-У после механической обработки.
Рис. 14 Водоохлаждаемая автогарнисажная плавильная ёмкость в процессе электрошлакового кокильного литья (ЭШКЛ) изделия Сердечник рогообразный в среде защитного газа донным сливом в литейную форму, установленную в печи нагрева.
Разработанная технология ЭШКЛ и ЭШС с модифицированием жидкого металла УДПК позволила значительно снизить выход из строя изделия Протяжка в процессе эксплуатации при высоких температурах до 1050оС и агрессивных газовых средах по причинам разрушения основного литого изделия по сравнению с традиционными способами литья.
По статистическим данным стойкость серийных изделий составляет 200Ц250 часов работы, что позволяет изготовлять 16000Ц18000 отводов, а стойкость изделий Сердечник рогообразный, изготовленных по разработанным технологиям ЭШКЛ, увеличилась в 2,2Ц3,4 раза, что позволяет изготовлять 30000Ц50000 изделий Отвод ГОСТ 17375Ц2000.
В целом, при использовании научных разработок диссертации в заготовительном производстве изделий ответственного назначения удалось достичь высокого коэффициента использования металла (до 0,8), повысить механические и износостойкие свойства изделий в 2Ц4 раза и в 1,8Ц3,2 раза снизить трудоемкость их изготовления.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил сформулировать следующие основные выводы и полученные результаты:
1.Выполнено теоретическое исследование и научно обоснован процесс модифицирования расплавов экзогенными УДПК, представляющий жидкий металл как суспензию с частицами твердой фазы в виде тугоплавких соединений окруженных наружным слоем химических элементов, создающих необходимые химико-физические условия для зарождения центров кристаллизации;
2.Рассмотрены принципы и механизм процесса зародышеобразования экзогенного тугоплавкого УДП комплекса, способствующий активному зарождению кристаллической фазы на той подложке, которая имеет максимальную разность химических потенциалов (i) и минимальную межфазную энергию () в жидком металле;
3.Определены критерии выбора состава комплексного модификатора:
инокуляторы выбираются из условий устойчивости к растворению и наибольшей электропроводности, а активирующие растворимые добавки - из условия образования ими при взаимодействии компонентов частицы плакирующего слоя и расплава, родственным химическим соединениям с температурой плавления более высокой, чем у модифицируемого сплава, и плотностью близкой к плотности кристаллизующейся фазы;
4.Определены критерии подбора геометрических размеров частиц, содержание компонентов, химический состав модификаторов, состоящих из экзогенных тугоплавких частиц и активирующих добавок. Приведены результаты исследований по выбору режимов дегазирования, активирования и консервирования УДПК тугоплавких соединений на основе (TiCNЦTi).
Полученные закономерности позволили оптимизировать состав, содержание и условия введения модификатора при ЭШП, ЭШКЛ и ЭШС. Определены технологические режимы твердофазной активации (ТФА) и плакирования частиц УДП; доказано, что поверхностная энергия (LG) при этом является важнейшим показателем;
5.Практическими работами подтверждена теоретическая модель процесса модифицирования, представляющая жидкий металл как суспензию с УДП частицами, формирующими микроканальные объемы гетерогенного строения. В результате этого затрудняется рост столбчатых кристаллов вследствие неоднородного концентрационного поля, а при росте равноосных кристаллов на фронте кристаллизации образуется барьер из УДП частиц, препятствующий росту дендрита и вызывающий расщепление его ствола и отделение ветвей, что предопределяет измельчение зерен и снижает разнозернистность в тонких и массивных участках отливок;
6.Используя результаты исследований термографии, - плотнометрии и ДТА-анализа, выявлен механизм влияния комплексных УДПК на кинетику кристаллизационных процессов в никелевых сплавах, заключающихся в понижении температуры ликвидус на 15Ц20 С, увеличении темпа кристаллизации в начальный период, плотности сплава и количества упрочняющей Т Цфазы, смещении момента начала выделения карбидов в более высокотемпературную область, вплоть до 1341С при низком содержании твердой фазы (4Ц6%), повышении температур начала выделения упрочняющей фазы вплоть до 1241С;
7.Экспериментально доказано, что эффективными модификаторами для жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6ЦУ, ЖС6ЦК и др., являются УДПК, содержащие в качестве тугоплавких частиц карбиды, нитриды и карбонитриды титана полученные плазмохимическим синтезом с размером частиц в пределах 0,01 - 0,05 мкм, а в качестве активирующих добавок следует применять титан, что позволяет эффективно и целенаправленно воздействовать на микроЦ и макроструктуру отливки. Применение УДПК повышает предел прочности сплавов на 10Ц20 %, относительное удлинение на 70Ц80 %, предел выносливости на 25Ц40 %, ударную вязкость на 180Ц 340%;
8.Используя современное научноЦисследовательское оборудование, методы оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктурного и спектрального анализов, раскрыты механизмы процессов, протекающих в модифицированном металле и обусловливающих повышение физикомеханических свойств.
Доказано, что модифицирование никелевых сплавов УДПК обеспечивает увеличение дисперсности структуры, снижение дендритной ликвации, образование малоугловых разориентировок между кристаллами, измельчение структуры эвтектики ЦТ, изменение морфологии и топографии карбидной фазы MeC, увеличение дисперсности, количества и структурной стабильности ТЦфазы, что приводит к возрастанию механических свойств сплава как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах эксплуатации(до 1200оС) с одновременным повышением его жаропрочности;
9.Теоретически и экспериментально установлен эффект снижения тепловых потерь в стенке гарнисажной водоохлаждаемой медной плавильной емкости при наличии оребрения на ее внутренней поверхности, щелевые выемки которого совместно с гарнисажем и системой расплавленных флюсов при ЭШП создают газовые полости, повышающие теплоизоляцию плавильного пространства. Разработаны физическая и математическая модель теплового баланса плавки в такой емкости и методика расчета ее конструктивных элементов. Предложены новые конструкции плавильных емкостей, обеспечивающих стерильные условия переплава никелевых сплавов и имеющие КПД на 55Ц82 % выше, чем у обычных емкостей с гладкой стенкой;
10.Для передачи накопленного жидкого металла из гарнисажной плавильной емкости в литейную форму, установленную в печи нагрева, на основе использования эффекта проплавления специальной пробки - затравки разработано и изготовлено устройство донного слива, устраняющее вторичное окисление расплава, что при электрошлаковом литье жаропрочных никелевых сплавов обеспечивает снижение концентрации оксидных включений в 2,2Ц3,2 раза, нитридных включений 2,1Ц2,9 раза, окисления титана и алюминия в 5,2Ц8,4 раза;
11.С использованием термопар ВР5(20)5, установленных в защитном кожухе и работающих в диапазоне температур от 100Ц2800оС, проведены прямые замеры температур жидкого металла и шлака в процессе ЭШП расходуемого электрода в плавильной емкости. Это позволило определить технологические параметры перегрева металла при ВТОР, температуры ввода модификатора и заливки жидкого металла в литейные формы.
Применение технологии высокотемпературной обработки расплава обеспечивает увеличение в и 0,2 на 10Ц15%, повышение пластичности на 20Ц80%, длительной прочности при рабочих температурах на 15Ц20%, износостойкости изделий на 180Ц220%;
12.Разработаны оборудование, оснастка и технологические процессы ЭШКЛ и ЭШС, которые внедрены на производстве при изготовлении изделий: Сердечник рогообразный, Протяжка, Реторта, лопаток турбин авиационных двигателей, трубных элементов газовых термических печей, кранов запорной арматуры, трубопроводных фланцев, штампового инструмента;
В ходе промышленных испытаний практически подтверждена эффективность использования научных разработок диссертации на широкой номенклатуре изделий ответственного назначения. При этом удалось достичь высокого коэффициента использования металла (до 0,8), повысить в 2Ц4 раза прочностные и износостойкие свойства изделий и в 1,8Ц3,2 раза снизить затраты на трудоемкость их изготовления. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составил 345 600 000 (триста сорок пять миллионов шестьсот тысяч рублей) в ценах 2002Ц2010 гг.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Жеребцов С.Н., Янишевская А.Г. Электрошлаковое литье // Монография.
М., Изд-во МашиностроениеЦ1 - 2006. - 225 с.:ил.
2. Сабуров В.П., Жеребцов С.Н. Разработка технологии изготовления деталей кислотостойкой аппаратуры электрошлаковым литьем с применением объемного модифицирования. //Совершенствование литейных процессов. Труды конференции литейщиков России. - Екатеринбург, УПИ. - 1997. - С. 216Ц218.
3. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н., Радченко В.Г. Электрошлаковая технология изготовления Рогообразных сердечников для производства трубных отводов.// Литейное производство. - 2002. - №9. - С. 16 - 18.
4. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н., Радченко В.Г. Электрошлаковая сварка элементов протяжки для производства трубных отводов.// Сварочное производство. - 2002. - №12. - С. 18 - 23.
5. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н., Радченко В.Г. Повышение качества литого металла при электрошлаковом переплаве жаропрочных никелевых сплавов.// Известия Вузов. Черная металлургия. - 2003. - №8. - С. 15 - 18.
6. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н., Применение инокулирующего модифицирования при электрошлаковом литье труб из сплава ХН38Т.// Литье и металлургия. - Минск, 2003. - №2. - С.68 - 71.
7. Жеребцов С.Н. Особенности очищения металла от неметаллических включений при электрошлаковом переплаве.// Омский научный вестник. - 2004. - №1(26). - С. 75 - 77.
8. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н., Новая технология изготовления сплошных роговых сердечников для производства трубных отводов.// Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2004. - №7. - С. 28 - 31.
9. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н. Электрошлаковый переплав жаропрочных никелевых сплавов.// Технология машиностроения. Ц2004. - №7. - С. 28 - 31.
10. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н. Центробежное электрошлаковое литье фланцевых заготовок с применением инокулирующего модифицирования.// Современная электрометаллургия. - Киев, 2004. - №3. - С. 15 - 17.
11. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н. Получение заготовок малого диаметра путем электрошлакового переплава.//Электрометаллургия. Ц2004. Ц№6. - С.18 - 20.
12. Жеребцов С.Н., Романовский М.В. Электрошлаковый переплав стружки высоколегированных жаропрочных сплавов. // Омский научный вестник. - 2005. - №2(31). - С. 108 - 109.
13. Жеребцов С.Н., Дорошенко М.М., Лопаев Б.Е. Получение шихтовых мерных заготовок из литейных отходов жаропрочных сплавов электрошлаковым переплавом. //Металлургия машиностроения. ЦМ. Ц2005. - №2. ЦС. 18 - 21.
14. Жеребцов С.Н. Применение метода высокотемпературной обработки жаропрочного сплава при литье изделия Сердечник рогообразный.// Литейщик России. - 2005. - №7. - С. 37 - 39.
15. Жеребцов С.Н. Использование технологии ЭШП сплава ЖС6-КП для получения мерных заготовок лопаток турбин.// Литейщик России. - 2005. - №10. - С. 36 - 37.
16. Жеребцов С.Н. Исследование зависимости физико- механических свойств сплава ЖС6ЦУ от технологических параметров литья.// Литейщик России. - 2005. - №11. - С. 35 - 36.
17. Янишевская А.Г., Жеребцов С.Н. Применение многокомпанентных систем флюсов для корпусов автосцепных устройств вагонов.// Сварочное производство. М. Ц2005. Ц№ 7. ЦС. 33Ц36.
18. Жеребцов С.Н. Физико-механические и технологические свойства флюсов, применяемых в процессе ЭШП.// Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповочное литейное и другие производства). - 2005. Ц№11. ЦС 6Ц11.
19. Еремин Е.Н. Жеребцов С.Н. Электрошлаковое литье полых стальных заготовок.// Электрометаллургия. М.Ц 2005. - № 9. ЦС.14Ц15.
20. Жеребцов С.Н. Определение параметров температурно-временной обработки жаропрочных никелевых сплавов.// Технология машиностроения. - 2005. - №12. - С. 5 - 6.
21. Жеребцов С.Н. Влияние добавок легирующих элементов на структуру, свойства и фазовый состав никелевого сплава.// Литейщик России. - 2006. - №4. - С. 30 - 32.
22. Жеребцов С.Н. Исследование физико-механических свойств жаропрочного сплава подвергнутого электрошлаковому переплаву с дальнейшим вакуумным индукционным литьем изделий.// Литейщик России. - 2006. - №5. - С. 32 - 34.
23. Жеребцов С.Н. Технология получения плавленых флюсов из шихтовых компонентов непосредственно в плавильных емкостях печей электрошлакового переплава.// Технология машиностроения. М. Ц2006 Ц№2. ЦС.8Ц10.
24. Жеребцов С.Н. Применение технологии электрошлакового переплава для производства изделий из хромоникелевых сплавов.// Технология машиностроения. - 2006. - №5. - С. 12 - 14.
25. Жеребцов С.Н. Способы повышения жаропрочности никельхромовых сплавов.// Технология машиностроения. М. 2006. Ц№7. - С. 5Ц6.
26. Жеребцов С.Н. Влияние легирования на жаропрочные стареющие сплавы.// Технология машиностроения. М. Ц2006. - №12. ЦС. 13Ц15.
27. Жеребцов С.Н. Литейные жаропрочные сплавы. // Технология машиностроения. М. Ц2006. - №6 - С. 12Ц14.
28. Жеребцов С.Н. Повышение длительной прочности жаростойких хромоникелевых сплавов.//Технология машиностроения. Ц2006.Ц№1.Ц С. 10Ц12.
29. Жеребцов С.Н. Влияние высокотемпературных условий эксплуатации на структуру никельхромового сплава.// Технология машиностроения. М. Ц2006. - №12. - С. 7Ц8.
30. Жеребцов С.Н. Повышение жаропрочных свойств изделий, в результате образования устойчивых структур в никельхромовых сплавах.// Технология машиностроения. М. Ц2006. - №9. - С. 7-8.
31. Жеребцов С.Н. Повышение жаропрочности литейных никелевых сплавов за счёт образования устойчивых фаз в структуре металла.//Литейщик России.
М. Ц2006. - №8Ц С. 24Ц25.
32. Жеребцов С.Н. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов ультрадисперсными порошками (УДП) тугоплавких частиц.// Технология машиностроения. М. Ц2007. - №1. - С. 7Ц9.
33. Еремин Е.Н., Жеребцов С.Н. Электрошлаковое литье труб из жаростойких сплавов.// Электрометаллургия. М. Ц2006. Ц№2. ЦС. 23Ц26.
34. Жеребцов С.Н., Фурман Е.А., Гурдин В.И. Электрошлаковое литье жаропрочных сплавов в спеченные металлические формы.// Литейщик России.
М. Ц2007. Ц№2. ЦС. 34Ц35.
35. Жеребцов С.Н., Гурдин В.И., Куценко А.И., Крупенков А.Н. Способы повышения термической стабильности жаропрочных никелевых сплавов.// Технология машиностроения. М. Ц2007. - №10. - С. 5Ц7.
36. Жеребцов С.Н., Гурдин В.И., Куценко А.И., Крупенков А.Н. Влияние модифицирующих добавок лантана на микроструктуру и фазовый состав сплава ЖС6-К.// Технология машиностроения. М. Ц2007. - №11. - С. 5Ц6.
37. Жеребцов С.Н., Гурдин В.И., Куценко А.И., Крупенков А.Н. Влияние добавок нитрида циркония на структуру и свойства сплава ЖС6-К.// Технология машиностроения. М. Ц2007. - №11. - С. 6Ц7.
38. Жеребцов С.Н., Гурдин В.И., Куценко А.И., Крупенков А.Н.
Исследование воздействия высоких температур и агрессивных сред на свойства поверхностных слоёв изделий из жаропрочных никелевых сплавов.// Технология машиностроения. М. Ц2007. - №7. - С. 11Ц12.
39. Жеребцов С.Н., Гурдин В.И., Куценко А.И., Крупенков А.Н. Влияние структуры никелевого сплава на механические свойства изделий.// Технология машиностроения. М. Ц2008. - №1. - С. 5Ц6.
40. Жеребцов С.Н., Гурдин В.И., Куценко А.И., Крупенков А.Н. Влияние модифицирования РЗМ на структуру и механические свойства сплава ЖС6ЦК.// Технология машиностроения. М. Ц2008. - №1. - С. 6Ц7.
41. Коростелев А.Б., Жеребцов С.Н., Соколов И.П., ЧумакЦЖунь Д.А.
Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов комплексным инокулятором. //Металлург. М. - 2010. Ц№10. ЦС.73Ц74.
42. Жеребцов С.Н., Коростелев А.Б., Соколов И.П., Чумак-Жунь Д.А.
Исследование и разработка процесса модифицирования никелевых сплавов дисперсными инокуляторами.//Цветная металлургия. М. Ц2010. Ц№11. ЦС.40.
43. Жеребцов С.Н., Коростелев А.Б., Соколов И.П., Чумак-Жунь Д.А.
Модифицирования структуры сплава ЖС6-У инокулятором на основе карбонитрина титана.// Технология металлов. М. Ц2011. Ц№3. ЦС. 21-24.
44. Жеребцов С.Н., Коростелев А.Б. Электрошлаковый переплав никелевых сплавов.// Электрометаллургия. М. Ц2011. Ц№4. ЦС. 19Ц23.
45. Жеребцов С.Н., Коростелев А.Б. Влияние модификаторов TiCN-Ti на химический состав никелевых сплавов.// Электрометаллургия. М. Ц2011. Ц№5. - С. 8Ц11.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям