RU2035521C1 - Method for production of heat-resistant cast nickel alloys and castings with directional and monocrystalline structure - Google Patents
Method for production of heat-resistant cast nickel alloys and castings with directional and monocrystalline structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2035521C1 RU2035521C1 RU93017386A RU93017386A RU2035521C1 RU 2035521 C1 RU2035521 C1 RU 2035521C1 RU 93017386 A RU93017386 A RU 93017386A RU 93017386 A RU93017386 A RU 93017386A RU 2035521 C1 RU2035521 C1 RU 2035521C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rare
- earth metals
- melt
- introduction
- casting
- Prior art date
Links
- 238000005266 casting Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 title claims description 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 78
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims abstract description 78
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 18
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 17
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000007713 directional crystallization Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 12
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 38
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 38
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 29
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 abstract 1
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 13
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 12
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000000988 reflection electron microscopy Methods 0.000 description 4
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 3
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 3
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 description 1
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, конкретнее к получению отливок, например лопаток газотурбинных двигателей из таких сплавов с направленной и монокристаллической структурой. The invention relates to the field of production of casting heat-resistant nickel-based alloys, and more particularly to the production of castings, for example, blades of gas turbine engines from such alloys with directional and single-crystal structure.
Известно, что редкоземельные металлы (РЗМ) обязательно вводят в литейные жаропрочные сплавы для улучшения их эксплуатационных характеристик при отливке деталей с направленной и равноосной структурой. При этом в сплавы с направленной структурой РЗМ вводят на стадии получения шихтовой заготовки, т.е. при выплавке сплава с применением свежих легирующих материалов. It is known that rare-earth metals (REM) are necessarily introduced into casting heat-resistant alloys to improve their operational characteristics when casting parts with directional and equiaxial structure. At the same time, alloys with a directed structure of rare-earth metals are introduced at the stage of producing a billet, i.e. when smelting the alloy using fresh alloying materials.
Известны различные способы выплавки жаропрочных сплавов на никелевой основе в вакуумных индукционных печах с введением РЗМ. Известный способ состоит из нескольких стадий: расплавления шихты при разрежении ниже 100 мкм; последующего повышения давления в печи свыше 100 мкм и введения в расплав 0,01-0,50% РЗМ (церия или иттрия); понижения давления в печи менее 10 мкм, при котором окисел РЗМ и избыток РЗМ испаряются и диссоциируют из расплава. Повышение давления в печи осуществляли путем ввода в ее объем инертного газа. Недостатком данного способа является то, что РЗМ вводят в расплав, который предварительно не раскисляли, поэтому в расплаве сразу образуется большое количество окислов РЗМ неблагоприятной остроугольной формы, которые являются термодинамически стойкими окислами и трудно поддаются восстановлению другими элементами расплава. Из-за плохого смачивания таких окислов РЗМ расплавом они не всплывают на поверхность ванны и остаются в металле. Недостатком данного способа является также то, что для повышения давления в печь вводят инертный газ, который может содержать влагу и кислород, т.е. являться источником дополнительного окисления РЗМ. Various methods are known for smelting heat-resistant nickel-based alloys in vacuum induction furnaces with the introduction of rare-earth metals. The known method consists of several stages: melting the mixture with a vacuum below 100 microns; the subsequent increase in pressure in the furnace over 100 microns and the introduction of 0.01-0.50% rare-earth metals (cerium or yttrium) into the melt; lowering the pressure in the furnace to less than 10 μm, at which the REM oxide and excess REM evaporate and dissociate from the melt. The pressure in the furnace was increased by introducing inert gas into its volume. The disadvantage of this method is that rare-earth metals are introduced into the melt, which was not previously deoxidized, therefore, a large number of rare-earth oxides of an unfavorable acute-angular shape are immediately formed in the melt, which are thermodynamically stable oxides and are difficult to recover by other elements of the melt. Due to the poor wetting of such REM oxides by the melt, they do not float to the surface of the bath and remain in the metal. The disadvantage of this method is that inert gas, which may contain moisture and oxygen, i.e. be a source of additional oxidation of rare-earth metals.
Известен способ производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе в вакууме с введением РЗМ, например иттрия. Этот способ повышает жаропрочные и пластические свойства металла, однако при получении отливок из жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой он малоэффективен, так как данный способ разработан применительно к получению отливок, содержащих РЗМ, с равноосной структурой, которые кристаллизуются весьма быстро во всем объеме отливки, и не учитывает особенности направленной кристаллизации, которая протекает во времени и при которой РЗМ удаляются из металла. Известный способ не может быть использован в процессе направленной кристаллизации отливок, так как технология данного процесса исключает возможность введения каких-либо добавок в период расплавления шихтовой заготовки или в жидкий металл перед заливкой. Действительно, при введении РЗМ в литейную форму эффект повышения свойств не достигается, поскольку металл в форме не перемешивается и после растворения в нем РЗМ распределяется неравномерно, что отрицательно сказывается на качестве отливки получается брак по химической неоднородности. Введение РЗМ после расплавления шихтовой заготовки перед заливкой формы не может обеспечить необходимого качества отливок, получаемых методом направленной кристаллизации, ввиду сильного окисления РЗМ при введении из-за высокого окислительного потенциала в печи. A known method of producing casting heat-resistant nickel-based alloys in vacuum with the introduction of rare-earth metals, for example yttrium. This method increases the heat-resistant and plastic properties of the metal, however, when receiving castings from heat-resistant alloys with a directional and single-crystal structure, it is ineffective, since this method is developed in relation to the production of castings containing rare-earth metals with equiaxed structure, which crystallize very quickly in the entire volume of the casting, and does not take into account the features of directional crystallization, which occurs over time and in which rare-earth metals are removed from the metal. The known method cannot be used in the process of directional crystallization of castings, since the technology of this process excludes the possibility of introducing any additives during the melting of the billet stock or in liquid metal before casting. Indeed, when REM is introduced into the mold, the effect of increasing the properties is not achieved, since the metal in the mold does not mix and after dissolution in it the REM is unevenly distributed, which negatively affects the quality of the casting, a marriage of chemical heterogeneity is obtained. The introduction of rare-earth metals after melting the billet preform before casting cannot provide the necessary quality of castings obtained by the directed crystallization method, due to the strong oxidation of rare-earth metals upon introduction due to the high oxidation potential in the furnace.
Известен способ производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе, включающий расплавление под вакуумом шихты из неактивных шихтовых металлов и последующее введение в расплав активных легирующих металлов, в том числе за 5-20 мин до разливки введение РЗМ. Полученная шихтовая заготовка предназначена для последующей отливки из нее деталей, например лопаток ГТД. Известный способ позволяет повысить ряд служебных характеристик отливок из жаропрочных сплавов, в том числе и жаропрочность, путем более полного рафинирования металла под вакуумом от неметаллических включений и вредных примесей. При получении отливок методом равноосной кристаллизации данный способ весьма эффективен. В известном способе количество вводимых РЗМ выбрано таким образом, чтобы обеспечить в отливках с равноосной структурой их оптимальное остаточное содержание. В известном способе РЗМ вводят в 2 приема в качестве предварительного раскислителя после расплавления шихты и в качестве модификатора перед разливкой. A known method for the production of casting heat-resistant nickel-based alloys, including the melting under vacuum of a mixture of inactive charge metals and the subsequent introduction of active alloying metals into the melt, including the introduction of rare-earth metals 5-20 minutes before casting. The resulting billet stock is intended for subsequent casting of parts, for example, GTE blades, from it. The known method allows to increase a number of service characteristics of castings from heat-resistant alloys, including heat resistance, by more complete refining of the metal under vacuum from non-metallic inclusions and harmful impurities. When receiving castings by equiaxial crystallization, this method is very effective. In the known method, the amount of REM introduced is selected in such a way as to ensure their optimal residual content in castings with equiaxial structure. In the known method, rare-earth metals are introduced in 2 doses as a preliminary deoxidizer after the charge is melted and as a modifier before casting.
Однако рассмотренный способ также не обеспечивает повышение жаропрочных свойств отливок, получаемых методом направленной кристаллизации, т.е. отливок с направленной и монокристаллической структурой. However, the considered method also does not provide an increase in the heat-resistant properties of castings obtained by directional crystallization, i.e. castings with directional and single-crystal structure.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату из известных технических решений является способ получения литейных жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой, включающий выплавку сплава с введением в расплав под вакуумом перед разливкой наиболее эффективных микродобавок РЗМ с получением шихтовой заготовки и заливку сплава в литейную форму с последующей направленной кристаллизацией. Там же показано, что при введении перед разливкой РЗМ, в частности иттрия, лантана и церия, в процессе выдержки их концентрация в металле снижается. Недостатком указанного способа, как и ранее описанных, является то, что при этом не регламентируется остаточное содержание РЗМ в готовом металле (отливке с направленной структурой), которое в конечном счете обеспечивает повышение жаропрочных свойств этого класса материалов. The closest to the invention in technical essence and the achieved result from known technical solutions is a method for producing casting heat-resistant alloys with directional and single-crystal structure, including smelting the alloy with introduction into the melt under vacuum before casting the most effective REM microadditives to produce a billet and pouring the alloy into the casting form followed by directed crystallization. It also shows that when REM, in particular yttrium, lanthanum and cerium, are introduced before casting, their concentration in the metal decreases during aging. The disadvantage of this method, as previously described, is that it does not regulate the residual content of rare-earth metals in the finished metal (casting with a directional structure), which ultimately provides an increase in the heat-resistant properties of this class of materials.
Задачей изобретения является повышение жаропрочных свойств отливок, например лопаток ГТД, с направленной и монокристаллической структурой посредством регламентирования количества и метода введения РЗМ в металл. The objective of the invention is to increase the heat-resistant properties of castings, for example GTE blades, with directional and single-crystal structure by regulating the amount and method of introducing rare-earth metals into the metal.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе производства литейных жаропрочных сплавов на никелевой основе с направленной и монокристаллической структурой, включающем выплавку сплава с введением в расплав под вакуумом перед разливкой РЗМ с получением шихтовой заготовки, расплавление шихтовой заготовки и заливку сплава в литейную форму с последующей направленной кристаллизацией, согласно изобретению, при выплавке сплава перед введением РЗМ в расплав производят его предварительное раскисление, а РЗМ вводят в количестве, определяемом из следующего уравнения:
П=К ˙(τ/Vкр),
где П количество вводимого РЗМ, от массы шихты;
τ выдержка после введения РЗМ до начала разливки;
Vкр скорость направленной кристаллизации отливки, мм/мин;
К 0,03-0,04 безразмерный эмпирический коэффициент пропорциональности.The problem is achieved due to the fact that in the method for producing casting heat-resistant nickel-based alloys with directional and single-crystal structure, which includes melting the alloy with introducing it into the melt under vacuum before casting rare-earth metals to obtain a billet, melting the billet and pouring the alloy into a casting mold with subsequent directed crystallization, according to the invention, when the alloy is melted before introducing REM into the melt, it is preliminarily deoxidized, and REM is introduced in an amount determined from the following equation:
P = K ˙ (τ / V cr ),
where P is the amount of introduced REM, by weight of the charge;
τ exposure after the introduction of rare-earth metals before casting;
V cr the rate of directional crystallization of the casting, mm / min;
K 0.03-0.04 is a dimensionless empirical coefficient of proportionality.
Предварительное раскисление расплава осуществляют кальцием, который вводят в количестве 0,001-0,015% от массы шихты, с выдержкой после его присадки до введения РЗМ в течение 1-7 мин. В качестве РЗМ используют церий, лантан, иттрий, скандий. Preliminary deoxidation of the melt is carried out by calcium, which is introduced in an amount of 0.001-0.015% by weight of the mixture, with exposure after its addition to the introduction of rare-earth metals for 1-7 minutes. Cerium, lanthanum, yttrium, and scandium are used as rare-earth metals.
Предлагаемый способ регламентирует количество РЗМ, которое должно быть введено в расплав при выплавке сплава и получено в отливках с направленной и монокристаллической структурой, а также увязывает временной параметр введения РЗМ при получении шихтовой заготовки с последующей скоростью направленной кристаллизации отливок. The proposed method regulates the amount of rare-earth metals, which must be introduced into the melt during alloy smelting and obtained in castings with a directed and single-crystal structure, and also relates the time parameter of the introduction of rare-earth metals in the preparation of a billet with a subsequent directional crystallization rate of the castings.
Как показали проведенные исследования, РЗМ являются весьма активными металлами и поэтому, находясь в расплаве, взаимодействуют с окружающими их керамическими материалами, в частности с материалом плавильного тигля при выплавке сплава и с материалом литейной формы при отливке сплава методом направленной кристаллизации. В последнем случае в расплаве, залитом в литейную форму, создается термический градиент в вертикальном направлении, и металл постепенно направленно кристаллизуется в форме снизу вверх. As the studies showed, REMs are very active metals and therefore, being in the melt, they interact with the surrounding ceramic materials, in particular with the material of the melting crucible during alloy smelting and with the casting material when casting the alloy by directional crystallization. In the latter case, a thermal gradient is created in the vertical direction in the melt poured into the mold, and the metal gradually crystallizes directionally from the bottom up.
В качестве материала плавильного тигля наиболее часто используют шпинель 80% MgO и 20% Al2O3 либо 100% MgО, либо 100% Аl2O3. В качестве материала литейной формы наиболее часто используют 100% Al2O3.As the material of the melting crucible, spinel of 80% MgO and 20% Al 2 O 3 or 100% MgO or 100% Al 2 O 3 is most often used. As the mold material, 100% Al 2 O 3 is most often used.
Одной из особенностей процесса литья деталей с направленной и монокристаллической структурой является то, что жидкий металл длительное время находится в контакте с материалом литейной формы. Термодинамические условия, существующие при проведении процесса литья деталей с направленной структурой, близки к условиям, которые имеют место при выплавке жаропрочных сплавов в вакууме в керамическом тигле. Так, при процессе направленной кристаллизации температура расплава составляет 1500-1550оС, продолжительность контакта расплава с формой в процессе кристаллизации при скорости кристаллизации Vкр= 4-5 мм/мин 1,5-2,0 ч, при Vкр=10-20 мм/мин 0,5-1,0 ч. При указанных условиях процесса направленной кристаллизации было установлено, что имеет место взаимодействие РЗМ, находящихся в расплаве, с материалом керамической формы, аналогично тому, как это имеет место при выплавке сплавов с РЗМ в вакууме в керамическом тигле. Кроме того, возможно частичное испарение РЗМ с поверхности при выдержке расплава в вакууме.One of the features of the casting process of parts with directional and single-crystal structure is that the liquid metal has been in contact with the mold material for a long time. The thermodynamic conditions existing during the casting process of parts with a directed structure are close to the conditions that occur when smelting heat-resistant alloys in vacuum in a ceramic crucible. So, during the directed crystallization process, the melt temperature is 1500-1550 о С, the duration of the melt contact with the mold during crystallization at a crystallization rate of V cr = 4-5 mm / min is 1.5-2.0 hours, with V cr = 10- 20 mm / min. 0.5-1.0 hours. Under the indicated conditions of the directed crystallization process, it was found that there is an interaction of rare-earth metals in the melt with a ceramic material, similar to that which occurs in the smelting of alloys with rare-earth metals in vacuum in a ceramic crucible. In addition, partial evaporation of rare-earth metals from the surface is possible when the melt is held in vacuum.
В табл. 1 приведены термодинамические величины энергии Гиббса некоторых окислов (t=1600оС).In the table. Figure 1 shows the thermodynamic values of the Gibbs energy of some oxides (t = 1600 ° C).
Видно, что РЗМ обладают более высоким сродством к кислороду, чем алюминий и магний, и поэтому должны взаимодействовать с Аl2О3 и MgO, что было установлено экспериментально.It is seen that rare-earth metals have a higher affinity for oxygen than aluminum and magnesium, and therefore must interact with Al 2 O 3 and MgO, which was established experimentally.
Таким образом, при выдержке расплава с РЗМ как в плавильном тигле, так и в литейной форме концентрация их в металле понижается. Thus, upon holding the melt with REM both in the melting crucible and in the mold, their concentration in the metal decreases.
При проведении исследования было установлено, что повышение жаропрочных свойств известных литейных жаропрочных сплавов с направленной и монокристаллической структурой можно достигнуть лишь в том случае, если в готовых отливках сохраняются РЗМ в определенных количествах (0,002-0,005%). В этом случае РЗМ как поверхностно-активные элементы, располагаясь в металле на поверхностях раздела упрочняющих фаз ( γ' и карбидах) и границах зерен (в случае отливок с направленной кристаллизацией), затормаживают там диффузионные процессы (замедляют коагуляцию и растворение γ' -фазы) и тем самым повышают термостабильность сплава, что прямо связано с повышением его жаропрочных свойств. Кроме того, РЗМ тормозят карбидные реакции в сплаве, связанные с частичным растворением в процессе нагрева карбидов МС и выделениями пластинчатых двойных карбидов М6С.During the study, it was found that an increase in the heat-resistant properties of well-known casting heat-resistant alloys with directional and single-crystal structure can be achieved only if rare-earth metals are stored in finished castings in certain amounts (0.002-0.005%). In this case, rare-earth metals as surface-active elements, located in the metal on the interfaces of the strengthening phases (γ 'and carbides) and grain boundaries (in the case of castings with directed crystallization), inhibit the diffusion processes there (slow down the coagulation and dissolution of the γ' phase) and thereby increase the thermal stability of the alloy, which is directly related to an increase in its heat-resistant properties. In addition, rare-earth metals inhibit carbide reactions in the alloy associated with partial dissolution during heating of MS carbides and the precipitation of lamellar double carbides M 6 C.
Для обеспечения в готовых отливках с направленной и монокристаллической структурой определенной остаточной концентрации РЗМ, равной 0,002-0,005% в процессе исследования была установлена эмпирическая зависимость между временем после введения РЗМ до начала разливки τ при получении шихтовой заготовки и скоростью направленной кристаллизации Vкр при получении отливок с направленной и монокристаллической структурой. Полученное уравнение позволяет определить необходимое количество П, вводимого в плавку РЗМ, которое обеспечит получение в отливках их оптимальной остаточной концентрации с учетом их удаления из расплава при выдержке его в керамическом тигле при плавке и в литейной форме при направленной кристаллизации.To ensure in finished castings with directional and single-crystal structure a certain residual concentration of rare-earth metals equal to 0.002-0.005% during the study, an empirical relationship was established between the time after the introduction of rare-earth metals before casting τ upon receipt of the billet and the rate of directional crystallization V cr upon receipt of castings with directional and single crystal structure. The resulting equation allows you to determine the required amount of P introduced into the REM melting, which will ensure that the castings receive their optimal residual concentration, taking into account their removal from the melt when holding it in a ceramic crucible during melting and in a mold with directional crystallization.
В случае отклонения от параметров, заложенных в найденное уравнение ( τ и Vкр), количество вводимого РЗМ П будет ниже или выше, чем требуется. В результате остаточная концентрация РЗМ в отливках будет либо менее 0,002% либо более 0,005% В первом случае эффект от введения РЗМ в сплав будет отсутствовать, а во втором случае повышенная концентрация РЗМ в сплаве может оказать отрицательное влияние на его жаропрочные свойства.In the event of a deviation from the parameters embedded in the found equation (τ and V cr ), the amount of introduced REM P will be lower or higher than required. As a result, the residual concentration of rare-earth metals in the castings will be either less than 0.002% or more than 0.005%. In the first case, the effect of introducing rare-earth metals into the alloy will be absent, and in the second case, an increased concentration of rare-earth metals in the alloy may adversely affect its heat-resistant properties.
Наряду с временными параметрами весьма важно также знать, какова окисленность расплава перед введением РЗМ, т.е. какова в нем остаточная концентрация кислорода. Было установлено, что несмотря на то, что способ осуществляют в вакууме, однако за счет введения при плавке активных металлов (ниобия, титана, алюминия, гафния и др.) концентрация кислорода в расплаве перед введением РЗМ может составлять 0,002-0,005% При введении РЗМ, которые являются весьма активными металлами и сродство к кислороду у которых выше, чем у ниобия, титана, алюминия и гафния, они могут частично окисляться и образовывать неметаллические включения в виде оксидов. Между тем было установлено, что эффективность действия РЗМ в готовых отливках проявляется только в том случае, когда они находятся в сплаве в несвязанном состоянии, т.е. в растворе. В случае же образования оксидов РЗМ эффект от введения РЗМ не проявляется. Along with the time parameters, it is also very important to know what is the oxidation of the melt before the introduction of rare-earth metals, i.e. what is the residual oxygen concentration in it. It was found that despite the fact that the method is carried out in a vacuum, however, due to the introduction of active metals (niobium, titanium, aluminum, hafnium, etc.) during melting, the oxygen concentration in the melt before the introduction of rare-earth metals can be 0.002-0.005%. With the introduction of rare-earth metals , which are very active metals and whose affinity for oxygen is higher than that of niobium, titanium, aluminum, and hafnium, they can partially oxidize and form nonmetallic inclusions in the form of oxides. Meanwhile, it was found that the effectiveness of rare-earth metals in finished castings is manifested only when they are in an alloy in an unbound state, i.e. in solution. In the case of the formation of REM oxides, the effect of the introduction of REM does not appear.
Поэтому перед введением РЗМ необходимо обязательно производить предварительное раскисление расплава, чтобы остаточная концентрация кислорода в нем была менее 0,001% что устраняет окисление РЗМ при последующем его введении. Раскисление расплава предпочтительно осуществлять кальцием, поскольку остаточное количество кальция после раскисления металла эффективно удаляется при выдержке расплава в вакууме. Однако использование других раскислителей, например магния, также не противоречит изобретению и может найти применение, поскольку, как и кальций, остаточный магний эффективно удаляется при выдержке расплава в вакууме. Therefore, before the introduction of rare-earth metals, it is necessary to preliminarily deoxidize the melt so that the residual oxygen concentration in it is less than 0.001%, which eliminates the oxidation of rare-earth metals upon its subsequent introduction. Deoxidation of the melt is preferably carried out by calcium, since the residual amount of calcium after deoxidation of the metal is effectively removed when the melt is exposed to vacuum. However, the use of other deoxidizing agents, for example magnesium, also does not contradict the invention and can find application, since, like calcium, residual magnesium is effectively removed when the melt is held in vacuum.
Количество вводимого в расплав для раскисления кальция должно быть увязано с остаточной концентрацией кислорода в расплаве перед введением РЗМ. При концентрации в расплаве 0,002-0,005% кислорода необходимо ввести в него 0,001-0,015% кальция, что было установлено экспериментально. В случае присадки меньшего количества кальция в расплаве могут остаться оксиды. При введении в расплав большего количества кальция в готовом металле возможно остаточное содержание самого кальция, что может оказать отрицательное влияние на свойства готового сплава. The amount of calcium introduced into the melt for deoxidation must be related to the residual oxygen concentration in the melt before the introduction of rare-earth metals. At a concentration of 0.002-0.005% oxygen in the melt, it is necessary to introduce 0.001-0.015% calcium into it, which was established experimentally. If less calcium is added, oxides may remain in the melt. When more calcium is introduced into the melt in the finished metal, a residual content of calcium itself is possible, which may adversely affect the properties of the finished alloy.
Выдержка расплава после введения кальция в течение менее 1 мин не позволяет завершиться процессам раскисления металла и удаления остаточного кальция из расплава, что оказывает негативное влияние на качество получаемого сплава. The exposure of the melt after the introduction of calcium for less than 1 min does not allow the processes of metal deoxidation and removal of residual calcium from the melt to be completed, which has a negative effect on the quality of the resulting alloy.
Выдержка расплава после введения кальция свыше 7 мин не обеспечивает дальнейшего рафинирования расплава и ведет к необоснованному задалживанию металлургического оборудования. The exposure of the melt after the introduction of calcium for more than 7 min does not provide further refining of the melt and leads to unreasonable borrowing of metallurgical equipment.
Пример реализации способа. An example implementation of the method.
Жаропрочный сплав на никелевой основе, предназначенный для отливки лопаток газотурбинных двигателей методом направленной кристаллизации системы Ni-Co-Cr-W-Mo-Nb-Al-Ti-C выплавляли в вакуумной индукционной печи в тигле емкостью 100 кг. В тигель были загружены никель, кобальт, хром, вольфрам, молибден. После завалки и расплавления шихты из свежих материалов осуществляли рафинирование расплава. После окончания рафинирования в расплав последовательно присаживали остальные легирующие металлы в порядке повышения их сродства к кислороду. Перед введением в конце плавки РЗМ расплав предварительно раскисляли кальцием. РЗМ присаживали перед началом разливки, после выдержки расплава с РЗМ приступали к разливке. Полученные шихтовые заготовки после расплавления были залиты в литейную форму в установке направленной кристаллизации, из заготовок, имеющих направленную структуру, были изготовлены образцы для определения длительной прочности. A heat-resistant nickel-based alloy for casting gas turbine engine blades by directional crystallization of the Ni-Co-Cr-W-Mo-Nb-Al-Ti-C system was smelted in a 100 kg crucible in a vacuum induction furnace. Nickel, cobalt, chromium, tungsten, and molybdenum were loaded into the crucible. After filling and melting the mixture of fresh materials, the melt was refined. After refining, the remaining alloying metals were sequentially deposited in the melt in order to increase their affinity for oxygen. Before the introduction of rare-earth metals at the end of smelting, the melt was preliminarily deoxidized with calcium. REMs were seated before casting; after exposure to the melt with REMs, casting was started. After melting, the obtained billet billets were poured into the mold in a directional crystallization unit; samples for determining long-term strength were made from billets having a directional structure.
Конкретные технологические параметры и результаты испытаний образцов полученного металла на длительную прочность приведены в табл. 2. Specific process parameters and test results of samples of the obtained metal for long-term strength are given in table. 2.
Примеры 1-12 соответствуют способу в объеме основного пункта формулы изобретения. Однако следует отметить, что в случае очень короткой выдержки после введения РЗМ (1 мин) и большой скорости кристаллизации (20 мм/мин) остаточное содержание РЗМ в сплаве после направленной кристаллизации получается весьма низкое (пример 9) и соответственно низкие свойства. Во всех остальных случаях остаточное количество РЗМ после направленной кристаллизации находится в пределах 0,002-0,005% и свойства сплава высокие. Examples 1-12 correspond to the method within the scope of the main claim. However, it should be noted that in the case of a very short exposure after the introduction of rare-earth metals (1 min) and a high crystallization rate (20 mm / min), the residual content of rare-earth metals in the alloy after directed crystallization is very low (example 9) and accordingly low properties. In all other cases, the residual amount of rare-earth metals after directed crystallization is in the range of 0.002-0.005% and the properties of the alloy are high.
При увеличении или уменьшении коэффициента пропорциональности К остаточное количество РЗМ в металле получается выше и ниже оптимальных значений (примеры 20, 21), что привело к снижению свойств. With an increase or decrease in the coefficient of proportionality K, the residual amount of rare-earth metals in the metal is obtained above and below the optimal values (examples 20, 21), which led to a decrease in properties.
В случае, если РЗМ вообще не вводятся в металл, свойства сплава очень низкие (пример 13). If REMs are not introduced into the metal at all, the properties of the alloy are very low (Example 13).
В случае введения РЗМ, как указано в способе-прототипе, при котором не учитывается скорость направленной кристаллизации и не проводится предварительное раскисление расплава (пример 22), остаточное количество РЗМ в металле и его свойства низкие (следует сравнить с примером 3). В случае введения РЗМ в количестве, рассчитанном по формуле, но без предварительного раскисления, имеет место повышенный угар РЗМ и свойства получаются низкие (пример 14, 15, 16, 17). In the case of the introduction of rare-earth metals, as indicated in the prototype method, in which the directed crystallization rate is not taken into account and the melt is not deoxidized (example 22), the residual amount of rare-earth metals in the metal and its properties are low (should be compared with example 3). In the case of the introduction of rare-earth metals in an amount calculated by the formula, but without preliminary deoxidation, there is an increased burn of rare-earth metals and the properties are low (example 14, 15, 16, 17).
В случае введения в качестве предварительного раскислителя кальция в количестве ниже и выше оптимального (примеры 18, 19), свойства получаются также низкие, это связано с тем, что в первом случае раскисление расплава прошло недостаточно полно и РЗМ при введении в расплав сильно окислился, а во втором случае в металле остался избыточный кальций, который понизил свойства. In the case of the introduction of calcium as a preliminary deoxidizer in amounts lower and higher than optimal (examples 18, 19), the properties are also low, this is due to the fact that in the first case, the deoxidation of the melt was not complete enough and the rare-earth metals were strongly oxidized when introduced into the melt, and in the second case, excess calcium remained in the metal, which lowered the properties.
Использование изобретения позволит за счет правильного выбора количества РЗМ и способа его введения в расплав дополнительного повысить жаропрочные свойства литейных никелевых сплавов, тем самым повысить ресурс работы изготовленных из них деталей и сэкономить дорогостоящие легирующие металлы. Using the invention will allow, due to the correct choice of the amount of rare-earth metals and the method of introducing it into the melt, to further increase the heat-resistant properties of cast nickel alloys, thereby increasing the operating life of parts made from them and saving expensive alloying metals.
Claims (3)
где τ выдержка после введения РЗМ до начала разливки, мин;
vк р скорость направленной кристаллизации отливки, мм/мин;
K 0,03 oC 0,04 эмпирический коэффициент пропорциональности, мас. · мм · мин- 2.1. METHOD FOR PRODUCING CASTING HEAT RESISTANT NICKEL ALLOYS FOR PRODUCING CASTINGS WITH DIRECTIONAL AND SINGLE CRYSTAL STRUCTURE, including melting the starting components, introducing rare-earth metals into the melt in vacuum and casting to melt a billet batch and melting a batch of molten billets that before the introduction of rare earth metals carry out the deoxidation of the melt, and rare earth metals are introduced in the amount of P, determined from the following cheers introductions:
where τ the exposure after the introduction of rare-earth metals before the casting, min;
v to p directional crystallization rate of the casting, mm / min;
K 0.03 o C 0.04 empirical coefficient of proportionality, wt. · Mm · min - 2 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93017386A RU2035521C1 (en) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | Method for production of heat-resistant cast nickel alloys and castings with directional and monocrystalline structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93017386A RU2035521C1 (en) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | Method for production of heat-resistant cast nickel alloys and castings with directional and monocrystalline structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2035521C1 true RU2035521C1 (en) | 1995-05-20 |
| RU93017386A RU93017386A (en) | 1997-01-20 |
Family
ID=20139722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93017386A RU2035521C1 (en) | 1993-04-05 | 1993-04-05 | Method for production of heat-resistant cast nickel alloys and castings with directional and monocrystalline structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2035521C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2190680C1 (en) * | 2001-07-12 | 2002-10-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Method for producing castable refractory nickel-base alloys |
| RU2344188C2 (en) * | 2007-02-12 | 2009-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Method of producing nickel heat resistant alloy |
| RU2353688C1 (en) * | 2007-12-29 | 2009-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Melting method of carbon-free foundry heat-resistant alloys on basis of nickel |
| RU2356965C1 (en) * | 2007-11-16 | 2009-05-27 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской Академии Наук (Государственное учреждение) | METHOD OF RECEIVING OF CASTABLE HEAT-RESISTANT ALLOY OR PRODUCTS OF ALLOY OF TYPE VKNS ON BASIS OF INTERMETALLIDE Ni3Al (VERSIONS) AND PRODUCTS RECEIVED BY THESE METHODS |
-
1993
- 1993-04-05 RU RU93017386A patent/RU2035521C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Научно-технический сборник. Технология легких сплавов, ВИЛС, 1992, N 6, с.17-17. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2190680C1 (en) * | 2001-07-12 | 2002-10-10 | Государственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов | Method for producing castable refractory nickel-base alloys |
| RU2344188C2 (en) * | 2007-02-12 | 2009-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "Салют" | Method of producing nickel heat resistant alloy |
| RU2356965C1 (en) * | 2007-11-16 | 2009-05-27 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской Академии Наук (Государственное учреждение) | METHOD OF RECEIVING OF CASTABLE HEAT-RESISTANT ALLOY OR PRODUCTS OF ALLOY OF TYPE VKNS ON BASIS OF INTERMETALLIDE Ni3Al (VERSIONS) AND PRODUCTS RECEIVED BY THESE METHODS |
| RU2353688C1 (en) * | 2007-12-29 | 2009-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Melting method of carbon-free foundry heat-resistant alloys on basis of nickel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103981386B (en) | Hypoeutectic and cocrystallized Al-Si alloy go bad and the method for refinement | |
| KR102204170B1 (en) | Gray cast iron inoculant | |
| RU2572117C1 (en) | Method of production of superalloys based on nickel and alloyed by rare-earth metals | |
| RU2035521C1 (en) | Method for production of heat-resistant cast nickel alloys and castings with directional and monocrystalline structure | |
| JP2989060B2 (en) | Low oxygen Ti-Al alloy and method for producing the same | |
| JP7412197B2 (en) | Method for manufacturing Ti-Al alloy | |
| RU2221067C1 (en) | Method of production of carbon-free casting heat- resistant nickel-based alloys | |
| RU2353688C1 (en) | Melting method of carbon-free foundry heat-resistant alloys on basis of nickel | |
| CN117127036B (en) | Preparation method of strengthening NCu30-4-2-1 alloy by adding rare earth element Ce | |
| CN118531265A (en) | High-strength and high-toughness cast aluminum alloy and preparation method and application thereof | |
| RU2392338C1 (en) | Method of heat-resistant nickel-based cast alloy obtainment | |
| RU2003727C1 (en) | Master alloy | |
| JPS61210142A (en) | Ni-ti alloy having superior shock resistance and its manufacture | |
| JP6515278B2 (en) | Carbon steel slab and method of manufacturing carbon steel slab | |
| JPH09241767A (en) | Consumable electrode type remelting method for superalloy | |
| US10465258B2 (en) | Grain refinement in iron-based materials | |
| JP4209964B2 (en) | Method for melting and casting metal vanadium and / or metal vanadium alloy | |
| US4184869A (en) | Method for using flux and slag deoxidizer in ESR process | |
| RU2680330C1 (en) | Method of obtaining ligatures based on aluminum | |
| RU1727403C (en) | Method of producing magnesium-aluminum-zinc-manganese alloy compositions | |
| JP2009113061A (en) | METHOD FOR PRODUCING INGOT OF TiAl-BASED ALLOY | |
| CN107326202B (en) | A kind of high Mn content magnesium manganese intermediate alloy preparation method and alloy product | |
| RU2158781C1 (en) | Nickel-base alloy for single crystal seeds and method of its smelting | |
| RU93017386A (en) | METHOD FOR PRODUCING CASTING HEAT RESISTANT NICKEL ALLOYS FOR PRODUCING CASTINGS WITH DIRECTED SINGLE CRYSTAL STRUCTURE | |
| RU2557438C1 (en) | Chrome-based heat resisting alloy and method of smelting of chrome-based alloy |