Національна АкадеміЯ Наук України

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

Квасницька

Юлія Георгіївна

УДК 621.745.558.04:669.044.045:533.9

ТЕХНОЛОГІЯ ОДЕРЖАННЯ ШИХТОВОЇ ЗАГОТОВКИ З ЛИВАРНИХ ВІДХОДІВ ЖАРОМІЦНИХ КОРОЗІЙНОСТІЙКИХ СПЛАВІВ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ЛОПАТОК ГТД

Спеціальність 05.16. 04 – “Ливарне виробництво”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2004 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук

Ладохін Сергій Васильович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

НАН України , м. Київ, завідуючий відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук

Костяков Володимир Миколайович,

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

НАН України , м. Київ , старший науковий співробітник

доктор технічних наук

Ахонін Сергій Володимирович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник

Провідна установа: Запорізький державний технічний університет,

кафедра ливарного виробництва,

Міністерство освіти і науки України, м. Запоріжжя

Захист відбудеться 15.04.2004 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 при Фізико-технологічному інституті металів та

сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 142, бульв. Вернадського, 34/1,

тел. 424-04-50.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ - 142, бульв. Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий 12.03. 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук ________________ Тарасевич М.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ливарні жароміцні сплави на нікелевій основі використовуються для виготовлення лопаток та інших деталей газотурбінних двигунів (ГТД), що у даний час широко застосовуються як силові агрегати в авіації, суднобудуванні, енергетиці та газоперекачувальних установках. Особливістю стаціонарних (енергетичних та газоперекачувальних агрегатів) і суднових ГТД є необхідність їхньої роботи протягом тривалого часу в умовах впливу атмосфери, що містить солі морської води і продукти згоряння палива з домішками сірки, фосфору, ванадію та інших агресивних елементів. Саме тому ливарні жароміцні корозійностійкі сплави, які призначені для роботи в вищенаведених умовах, розглядають як особливий клас матеріалів, які повинні забезпечувати не тільки максимальні жароміцність і жаростійкість, але й підвищену стійкість проти високотемпературної корозії.

В Україні зосереджені великі центри виробництва газових турбін для авіації, суднобудування та енергетики ( ДП НВКГ “Зоря” - “Машпроект”, м. Миколаїв; ВАТ “Мотор-Січ”, ЗМКБ “Прогрес”, м. Запоріжжя). У процесі виготовлення лопаток ГТД методом лиття за моделями, що виплавляються, на цих підприємствах утворюється значна кількість відходів, які повертають для переробки на заводи-постачальники сплавів, що знаходяться за межами України. Це пов'язано зі значними економічними втратами, оскільки жароміцні сплави є досить дорогими матеріалами. Тому підприємства-виробники ГТД намагаються використовувати частину відходів для підшихтовки при литті лопаток. Однак таким чином можна використовувати тільки ті відходи, що не мають відхилень від необхідного хімічного складу сплаву і не містять екзогенних неметалевих включень (матеріали футерівки плавильних агрегатів, ливарних форм та стрижнів). Крім того, вміст цих відходів у шихті обмежується діючими технологічними інструкціями через можливість погіршення експлуатаційних властивостей внаслідок накопичення в сплавах небажаних домішок.

Виходячи з вищезазначеного, розробка технології очищення ливарних відходів з метою подальшого використання для виготовлення лопаток ГТД є надзвичайно актуальною внаслідок відсутності в Україні власного виробництва жароміцних сплавів. Крім того, важливою є переробка також відходів, що містять помітну кількість неметалевих включень та домішок, рафінування яких є досить складною технологічною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно з планами науково-дослідних робіт Фізико-технологічного інституту металів і сплавів НАН України за темами 1.6.5.393 “Розробка і дослідження нових технологічних процесів вакуумної плавки жароміцних нікеле-

вих сплавів з використанням сумісного індукційного та електронно-променевого нагріву і створення устаткування для їхньої реалізації” (1995-2000 р., № ДР 0197U009248) і 1.6.5.488 “Дослідження технологічного процесу рафінування відходів жароміцних сплавів авіаційних ГТД з використанням сумісної індукційної та електронно-променевої плавки та отримання з них виробів методом лиття за моделями, що виплавляються” (2000-2002 р., № ДР 0102U002165).

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є розробка технологічного процесу одержання шихтових заготовок з відходів жароміцних корозійностійких сплавів з забезпеченням у них властивостей, які відповідають вимогам сплавів для виробництва лопаток ГТД.

Для досягнення зазначеної мети були сформульовані і вирішені такі задачі досліджень:

- проведено класифікацію відходів по групам згідно зі ступенем їх забруднення після вакуумної плавки і лиття первинних сплавів;

- розроблено та науково обґрунтовано раціональні технологічні схеми очищення від неметалевих включень відходів сплавів з використанням різних методів вакуумного переплаву та їх повернення як мірних шихтових заготівок для подальшого використання у виробництві лопаток ГТД;

- встановлено оптимальні технологічні режими переплаву відходів ливарних сплавів методами вакуумної термічної плавки з направленою кристалізацією і сумісної індукційної та електронно-променевої плавки;

- проведено порівняльні дослідження хімічного складу, структури, фізико-механічних властивостей, тривалої міцності і корозійної стійкості жароміцних сплавів, отриманих з використанням розроблених технологій;

- розроблено рекомендації щодо вдосконалення нових технологій та поширення області їх застосування, а також створення відповідного устаткування;

- проведено дослідно-промислову перевірку і впроваджено розроблену технологію у виробництво.

Об'єкт досліджень - технологія очищення ливарних відходів жароміцних корозійностійких сплавів від неметалевих включень, шкідливих домішок і газів.

Предмет дослідження – ливарні відходи жароміцних корозійностійких сплавів ЧС70ВІ, ЧС88УВІ, ЧС104ВІ та ЕК9ВД, які застосовуються для лиття робочих та соплових лопаток стаціонарних і суднових ГТД.

Методи дослідження – оптична та електронна мікроскопія, фазовий фізико-хімічний і високотемпературний диференційно-термічний аналіз для вивчення структурного і фазового складу сплавів. Хіміко-спектральний метод з використанням аналізатора “ЛЕКО” для визначення хімічного складу. Використання компютерної програми для оцінки випаровування окремих хімічних елементів.

Наукова новизна отриманих результатів.

Встановлено оптимальні параметри способу очищення розплавів від неметалевих включень, який відрізняється від відомих тим, що видалення включень забезпечується за рахунок направленої кристалізації розплаву у керамічній формі з одержанням мірної шихтової заготовки. Показано, що такий процес проходить ефективно, коли швидкість руху фронту кристалізації (R) в центральній частині форми не перевищує 2...4 мм/хв, а градієнт температури (G) перед фронтом кристалізації знаходиться у межах 15...20С/см. При цьому неметалеві включення компактно скупчуються перед фронтом кристалізації у верхній частині кожної заготовки.

Дістало подальший розвиток використання електронно-променевого нагріву, при якому створюються в розплаві локальні зони, які забезпечують високотемпературну обробку неметалевих включень та випарювання їх складових. Встановлено, що для ефективного процесу видалення неметалевих включень при сумісній індукційній та електронно-променевій плавці відходів досліджених жароміцних сплавів питома потужність нагріву у фокальній плямі діаметром 20 мм повинна бути в межах (4,5…4,8)103 Вт/см2, а оптимальний час обробки розплаву стандартної шихтової заготовки масою до 10 кг складає 240...320 с.

Практична цінність отриманих результатів. Розроблений технологічний процес одержання шихтової заготовки з відходів сплавів ЧС70ВІ, ЧС88УВІ, ЧС104ВІ та ЕК9ВД методом вакуумно-термічної плавки з направленою кристалізацією для переплаву трьох тонн ливарних відходів на добу впроваджено у виробництво ДП НВКГ “Зоря”- “Машпроект” з економічним ефектом 560015 грн. на рік.

Технологія одержання шихтової заготовки методом сумісної вакуумно-індукційної і електронно-променевої плавки для одержання стандартної шихтової заготовки масою до 10 кг прийнята цим же підприємством до впровадження і в даний час проводиться підготовка до її дослідно-промислової перевірки в умовах промислового виробництва.

Положення, які виносяться на захист. На захист виносяться:

- особливості розвинення процесів рафінування та видалення неметалевих включень, які відбуваються при переплаві відходів жароміцних сплавів при застосуванні методів вакуумно-термічної плавки з направленою кристалізацією і при локальному електронно-променевому нагріві розплавів;

- вакуумно-термічна плавка з направленою кристалізацією для переплаву трьох тонн ливарних відходів на добу і сумісна вакуумно-індукційна та електронно-променева плавка для одержання стандартної шихтової заготовки масою до 10 кг, при яких здійснюється ефективне очищення відходів жароміцних сплавів від неметалевих включень;

- вплив параметрів переплаву відходів на хімічний склад, структуру, механічні властивості і тривалу міцність досліджених жароміцних сплавів;

- технології переплаву відходів жароміцних корозійностійких сплавів з використанням методів вакуумної плавки, що забезпечує максимальне повернення ливарних відходів у виробництво лопаток ГТД і дозволяє зменшити закупівлю коштовних легуючих елементів.

Особистий внесок здобувача у виконанні роботи. Вибір об'єктів та постановка задач досліджень роботи, класифікація та аналіз існуючих відходів, які утворюються при виробництві лопаток ГТД виконано особисто здобувачем. Вона є одним з розробників технології переплаву ливарних відходів та конструкції керамічної форми 1. Здобувач брала участь в експериментальних плавках по переплаву ливарних відходів сплавів ЧС70ВІ та ЧС88УВІ. За участю здобувача була проведена обробка та узагальнення результатів експериментів, дослідження макро- та мікроструктури отриманих сплавів і аналіз результатів хімічного складу та фізико-механічних властивостей отриманих сплавів 2, 3, 4.

Здобувачем розроблена методика проведення промислових випробувань способу регенерації відходів жароміцних сплавів з використанням електронно-променевої технології 5.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися на таких Міжнародних науково-технічних конференціях, конгресах і семінарах: “Ливарно - металургійні процеси. Нові технології, матеріали й устаткування” (м. Київ, жовтень 1998 р.); “Сучасні матеріали, технології, обладнання і інструмент в машинобудуванні” (м. Київ, квітень 1999 р.); III з'їзді ливарників України (м. Київ, жовтень 1999 р.); “R'2000” (Recovery, Recycling, Re-integration) (Канада, Торонто, червень 2000 р.); “Electron-beam melting and refining” (США, Рено, Невада, жовтень 2000 р.); “Зварювання та суміжні технології” (м. Ворзель, травень 2001 р.); “Напрямки відродження ливарного виробництва в Україні на початку нового тисячоліття” (Київ, червень 2001 р.); R'2002” (Recovery, Recycling, Re-integration) (Швейцарія, Женева, лютий 2002 р.); “Матеріали та покриття в екстремальних умовах: дослідження, використання, екологічно чисті технології виробництва та утилізації виробів” (м. Кацивелі-Понізовка, вересень 2002 р.); “Ливарне виробництво в новому віці – як перемогти в конкуренції” (м. Київ, червень 2002); “Металознавство та обробка металів” (м. Київ, лютий 2003 р.); “Зварювання та суміжні технології”(м. Ворзель, червень 2003 р.); “Сучасні зварювальні і споріднені технології та їх роль у розвитку виробництва” (м. Миколаїв, жовтень 2003 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації видано 4 наукові статті в академічних журналах, 3 доповіді і 7 тез доповідей у збірниках наукових праць конференцій, отримано 3 патенти України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, шести глав, загальних висновків, переліку використаної літератури з 143 найменувань, додатків. Дисертація має загальний обсяг 222 сторінки, в тому числі містить 32 таблиці та 45 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми роботи, формулювання мети і задач досліджень, оцінку наукової новизни і практичної значущості досліджень, внесок автора в роботу, відомості про публікації та апробацію роботи.

Глава перша присвячена аналізу сучасного стану технологій виробництва лопаток ГТД з ливарних жароміцних корозійностійких сплавів. Наведено характеристику цих сплавів, проаналізовано структурну стабільність сплавів з позиції присутності в них домішок, розглянуто існуючі технологічні схеми плавки і лиття жароміцних сплавів і проведений аналіз їхніх переваг і недоліків. Показано, що вауумно-індукційна плавка, яка в даний час є основним методом одержання жароміцних сплавів для лопаток ГТД, забезпечує достатньо ефективну очистку металу від газів і деяких домішок. Однак ця плавка не гарантує видалення неметалевих включень, якими в значній мірі забруднені ливарні відходи. В той же час такі включення ефективно видаляються при електронно-променевій плавці.

Дослідження проводили з використанням відходів жароміцних сплавів ЧС70ВІ, ЧС88УВІ, ЧС104ВІ і ЕК9ВД, які широко застосовуються на газотурбобудівних підприємствах України для виготовлення робочих і соплових лопаток ГТД. Сформульовано основні задачі роботи.

Глава друга присвячена аналізу причин, які зумовлюють вміст домішок у жароміцних корозійностійких сплавах в процесі плавки та при литті лопаток в умовах виробництва, а також в їх відходах. Проведено аналіз витрат первинних сплавів, кількісну і якісну оцінку утворюваних відходів та встановлено їхній розподіл за видами. Так, при виході придатного по лопатках у межах 37 %, кондиційні відходи складають 23,0 %, а некондиційні – 27,7 % від завалки. Некондиційні відходи відрізняються наявністю підвищеного вмісту хімічних домішок і механічних включень у вигляді керамічних матеріалів з ливарних форм і стрижнів, що не дозволяє використовувати їх під час індукційної плавки і лиття лопаток.

Глава третя включає опис методик, які розроблено і використано для проведення роботи. Для рафінування відходів і лиття з них лопаток ГТД розроблено двоетапні технологічні схеми проведення процесів (рис.1).

Схема, яка наведена на рис.1,а, передбачає переплав відходів на першому етапі методом вакуумно-термічної плавки з направленою кристалізацією (ВТПНК), а на другому – методом вакуумно-індукційної плавки (ВІП) або сумісної вакуумно-індукційної та електронно-променевої плавки (ВІП+ЕПП).

По другій технологічній схемі (рис.1,б) відходи на першому і другому етапах переплавляються методами ВІП або ВІП+ЕПП у різних комбінаціях з метою встановлення найбільш ефективного варіанта рафінування. При цьому схему ВІПВІП було обрано для проведення порівняльного аналізу.

Структуру і фазовий склад сплавів вивчали за допомогою оптичної металографії, а також рентгенівським, електронно-мікроскопічним, мікрорентгеноспектральним, фазовим, фізико-хімічним та високотемпературним диференціальним термічним методами.

Визначення вмісту основних компонентів і домішок у сплавах проводили хімічним методом за стандартними методиками; мікролегуючі домішки РЗМ, кальцію і магнію контролювали хіміко-спектральним методом з точністю 0,001%.

Аналіз газів (кисню, азоту, водню), вуглецю і сірки у твердому металі проводився на аналізаторах фірми “Леко” (США): RO-17, TN15, RH2, CS-144, відповідно. Нижня границя обумовлених концентрацій по кисню й азоту складає (1 - 2)10-4%, по водню - 410-6%, по вуглецю і сірці - 110-3% (мас.).

Вивчення механічних властивостей і тривалої міцності сплавів проводили згідно з ТУ 809-1040–99. Тимчасовий опір найбільшому навантаженню (в) визначали при 600С , а випробування на тривалу міцність проводили при 900С.

Стійкість до високотемпературної сольової корозії оцінювалася за питомими втратами маси на спеціальних та стандартних циліндричних зразках. Середню швидкість корозії і глибину корозійного проникнення визначали металографічними методами. Розроблено конструкцію зразка, що враховує вплив геометрії виробу на високотемпературну корозію. Геометрія зразка змінна в розрізі і відображає всі критичні елементи конструкції лопаток газотурбінних двигунів відповідно до металографічного дослідження.

Глава четверта містить результати досліджень з рафінування некондиційних відходів усіх обраних для проведення роботи сплавів. Рафінування проводилося методом ВТПНК у печі ПМП-4М, що являє собою прохідну вакуумну багатозонну піч опору. Схеми печі та оптимальний температурний режим її роботи показано на рис.2. Піч має графітову футерівку, графітові нагрівачі, робочий тиск в камері плавки – 10-2…10-3 мм рт.ст.

Рафінування відходів і одержання з них мірних шихтових заготовок проводиться в спеціальних керамічних оболонкових формах. У кожну форму закладається по 7 кг підготовлених відходів зі співвідношенням кондиційних і некондиційних відходів в завалці 1:1.

Принцип рафінування в печі ПМП-4М заснований на плавленні металу в чаші керамічної форми, що пристосована до плавки відходів, які забруднені екзогенними неметалевими включеннями, а саме за допомогою керамічного фільтра забезпечує попередню фільтрацію розплаву від включень, перш ніж він потрапить у порожнину форми. Швидкість кристалізації регулюється швидкістю пересування форми в печі з однієї зони в іншу при заданій температурі в кожній зоні. При циклі переміщення 10 хв., кроці протягування 200 мм і температурі в кожній камері, що показано на рис. 2, б, швидкість просування плоского фронту кристалізації становить 2…4 мм/хв, а термічний градієнт на початковому етапі росту зерен знаходиться в межах 15…20 С/см. При цьому домішки та неметалеві включення зосереджуються в рідкій фазі перед фронтом кристалізації. Після повного затвердіння розплаву вони виявляються у верхній частині виливок, яка надалі видаляється шляхом механічної обробки. При відливанні однієї суцільної заготовки (d = 70 мм і h = 220 мм) встановлено, що направленість твердіння при просуванні фронту кристалізації починає зникати і це призводить до забруднення металу неметалевими включеннями.

У зв'язку з викладеним для реалізації процесу була сконструйована спеціальна багаторівнева ливарна форма. Особливістю форми є те, що вона дозволяє формувати по три або чотири мірні шихтові заготовки порівняно невеликої маси (~ по 2 кг), а також три зразки для дослідження властивостей. Затравки для направленої кристалізації встановлюються там, де формуються зазначені зразки, а форми для одержання мірних заготовок з'єднуються одна з одною трьома каналами діаметром по 15 мм.

У цьому випадку направлена кристалізація ініціюється з трьох точок ніби спочатку, що забезпечує видалення неметалевих включень та одержання більш рівномірного складу заготовок. На рис.3, як приклад, наведено графіки розподілу сірки в одній суцільній та у чотирьох мірних заготовках, сформованих описаним способом, а також фотографії макроструктур мірних заготовок у повздовжньому напрямку, тобто по висоті.

Розрахунки розподілу концентрації домішки по висоті відливок при нормальній направленій кристалізації виконано за відомою залежністю

, (1)

де К0 – рівноважний коефіцієнт розподілу; С0 – концентрація домішки в шихті;

g – частка закристалізованого об’єму сплаву.

Аналіз макроструктури показав, що насправді направленість кристалізації виявляється лише у двох нижніх заготовках, у третій заготовці вона в значній мірі зменшується, а в четвертій – практично зникає. Тому на практиці для рафінування відходів на ДП НВКГ “Зоря”- “Машпроект” було рекомендовано використовувати трирівневу форму. Отримані заготовки переплавляються методом вакуумно-індукційної плавки шляхом введення їх у шихту для лиття лопаток ГТД, причому кількість відходів у шихті збільшено до 65 % замість 50 %, що вводили в шихту раніше.

Інша перевірена технологічна схема передбачала переплав отриманих мірних заготовок методом сумісного вакуумно-індукційного та електронно-променевого нагрівання з одержанням зразків для визначення властивостей. У цьому випадку технологія переплаву була такою ж, як при рафінуванні кондиційних відходів при сумісній плавці (див. стор. 11 і рис.5,б).

На рис.4 показано мікроструктури сплаву ЧС88УВІ, який виплавлявся за схемами: ВТПНКВІП та ВТПНК(ВІП+ЕПП), а в табл. 1 наведені механічні властивості сплавів.

Таблиця 1

Механічні властивості та тривала міцність сплавів, отриманих з використанням некондиційних відходів

Сплав | Схема переплаву | Механічні властивості | Тривала міцність

в, МПа | , % | , % | , час | , % | , %

ЧС70ВІ | ВТПНКВІП | 960 | 10,0 | 24,0 | 145 | 14,4 | 20,6

ВІП | 968 | 9,4 | 22,1 | 129 | 14,0 | 19,2

ЕПГП | 1010 | 4,1 | 6,5 | 142 | 9,0 | 21,6

ТУ 1-809-1040-99 | 833 | 3,0 | 4,0 | 100 | - | -

ЧС88УВІ | ВТПНКВІП | 960 | 11,0 | 33,5 | 160 | 11,8 | 22,6

ВТПНК (ВІП+ЕПП) | 1105 | 12,0 | 35,0 | 185 | 12,0 | 20,0

ВІП | 974 | 8,2 | 26,7 | 132 | 12,8 | 23,8

ТУ 1-809-1040-99 | 882 | 4,0 | 5,0 | 100 | - | -

ЧС104ВІ | ВТПНКВІП | 720 | 15,0 | 48,0 | 120 | 10,6 | 18,4

ВІП | 734 | 14,6 | 42,1 | 82 | 8,0 | 15,2

ТУ 1-809-1040-99 | 588 | 7,0 | 14,0 | 50 | - | -

ЕК9ВД | ВТПНКВІП | 1023 | 7,0 | 16,0 | 85 | 10,4 | 18,6

ВІП | 978 | 6,9 | 14,7 | 74 | 8,7 | 15,0

ЕПГП | 1086 | 3,7 | 6,2 | 147 | 16,0 | 27,7

ТУ 1-809-1040-99 | 833 | 3,0 | 4,0 | 50 | - | -

Для порівняння в таблиці представлено також дані щодо властивостей сплавів традиційної (штатної) виплавки у вакуумних індукційних печах з 50 % кондиційних відходів і в електронно-променевій гарнісажній установці (ЕПГП) з 100% кондиційних відходів. Вивчення мікроструктур свідчить, що переплав за схемою ВТПНК(ВІП+ЕПП) сприяє зменшенню розміру зерна. Установлено також, що кількість і розмір неметалевих включень зменшується при наступному переплаві заготовок під час лиття лопаток і зразків, як за схемою ВТПНКВІП, так і за схемою ВТПНК(ВІП+ЕПП).

З табл. 1 видно, що механічні властивості і тривала міцність сплавів, виплавлених зі збільшеною кількістю відходів у шихті, відповідають вимогам технічних умов. Важливим результатом варто вважати помітне збільшення тривалої міцності сплаву ЧС88УВІ, переплавленого за схемою ВТПНК (ВІП+ ЕПП) з використанням 100% відходів.

Дослідження хімічного складу сплавів показали, що рафінування методом направленої кристалізації приводить до істотного (на 30…60 %) зменшення в сплавах вмісту кисню, азоту і сірки. Видаляється також фосфор, але в меншій мірі. З основних легуючих елементів в експериментах було виявлено зниження вмісту у всіх плавках лише хрому, у середньому на ~ 0,5%. Однак у цілому всі легуючі елементи залишаються в межах, передбачених технічними умовами.

Дослідження корозійної стійкості, які проводили на сплаві ЧС88УВІ, показали, що сумісна плавка ВІП+ЕПП забезпечує кращі показники корозійної стійкості порівняно з ВІП.

Глава п'ята присвячена дослідженню рафінування відходів сплавів ЧС70ВІ і ЧС88УВІ методом сумісної індукційної та електронно-променевої плавки. Установка для проведення сумісної плавки була змонтована на базі стандартної вакуумно-індукційної печі типу УППФ-3М. Схеми установки та розроблених режимів проведення плавки кондиційних і некондиційних відходів показано на рис. 5.

При сумісній плавці конди-ційних відходів особливістю використання електронно-проме-невого нагріву є те, що він проводиться на заключній стадії процесу перед зливанням металу у форму.

Плавки кондиційних відходів проводили за всіма трьома показаними на рис. 1 схемами, тобто ВІПВІП, ВІП(ВІП+ЕПП), (ВІП+ЕПП)(ВІП+ЕПП), що дало можливість провести порівняльний аналіз ефективності різних схем рафінування.

Завдання електронно-променевого нагріву при сумісній плавці полягає в тому, щоб забезпечити локальний перегрів розплаву до температури, при якій реалізується така ж зміна структури і властивостей сплаву, яка має місце при термочасовій обробці (ТЧО) розплаву в процесі ВІП. Таким чином, перегрів всієї маси розплаву в тиглі замінюється на локальний, що не лише знижує витрати електро-енергії, але і зменшує негативний вплив розплаву на футерівку внаслідок його більш низької інтегральної температури порівняно з ТЧО. Фізична модель нагріву розплаву при наявності в зоні фокальної плями неметалевого включення і схема розподілу температури в цій зоні наведені на рис.6. В цій моделі: 2а - діаметр фокальної плями;0 – довжина пробігу електрона в металі; 0- довжина пробігу електрона в неметалевому включенні; - глибина прогріву розплаву; v – швидкість сканування променя; Т – температура розплаву в зоні фокальної плями; Т0 – інтегральна температура розплаву в тиглі.

Основними параметрами електронно-променевої обробки розплаву є потужність електронного променя (Р) і час перебування розплаву в зоні фокальної плями ().

Ці параметри в роботі розраховувалися за рівнян-нями:

; (2)

, (3)

де W – об’єм ванни; Cv – об'ємна теплоємність; - ефективна теплопровідність; - КПД електронно-променевого нагріву.

Формули справедливі при умові /2aCv< < 2a/Cv02.

Розрахунки показують, що для локального нагріву рідких сплавів ЧС70ВІ і ЧС88УВІ в зоні фокальної плями до 2000...2100С потужність електронного променя повинна складати 14...15 кВт, а час одноразової високотемпературної обробки розплаву масою 7 кг – близько 80 с. У дослідних плавках розплав піддавали триразовій високотемпературній обробці променем. Хімічний склад зразків у всіх випадках відповідає вимогам технічних умов.

Вивчення макро- і мікроструктури (рис. 7) показує, що використання сумісного нагріву забезпечує здрібнення дендритів, дрібнокристалічну структуру і більшу чистоту границь зерен, ніж ВІП.

Результати досліджень механічних властивостей сплавів наведено в табл.2. Отримані дані свідчать, що у випадку плавки кондиційних відходів за схемою ВІПВІП не забезпечуються необхідні (за технічними умовами) значення тривалої міцності сплавів. Підвищення тривалої міцності досягається при використанні електронно-променевого нагріву розплавів, тобто при проведенні плавок за схемами ВІП(ВІП+ЕПП) і (ВІП+ЕПП)(ВІП+ЕПП). У цих випадках час до руйнування зразків помітно перевищує 100 годин, що відповідає вимогам технічних умов.

Таблиця 2

Механічні властивості та тривала міцність сплавів, отриманих при переплаві

кондиційних відходів з використанням сумісної плавки

Сплав | Схема переплаву | Механічні властивості | Тривала міцність

в, МПа | , % | , % | , час | , % | , %

ЧС70ВІ | ВІП ВІП | 964 | 6,4 | 12,5 | 93 | 14,0 | 19,2

ВІП (ВІП+ЕПП) | 979 | 5,2 | 11,3 | 124 | 7,7 | 19,9

(ВІП+ЕПП) (ВІП+ЕПП) | 971 | 7,2 | 13,4 | 328 | 10,0 | 14,4

ТУ 1-809-1040-99 | 833 | 3,0 | 4,0 | 100 | - | -

ЧС88УВІ | ВІП ВІП | 961 | 5,8 | 6,2 | 95 | 8,2 | 15,6

ВІП (ВІП+ЕПП) | 914 | 4,8 | 5,2 | 154 | 6,2 | 16,7

(ВІП+ЕПП) (ВІП+ЕПП) | 895 | 4,9 | 7,7 | 144 | 8,3 | 19,7

ТУ 1-809-1040-99 | 882 | 4,0 | 5,0 | 100 | - | -

При рафінуванні некондиційних відходів з використанням сумісного нагріву встановлено, що плавка зв'язана з досить високими витратами електроенергії й істотними втратами легуючих елементів внаслідок випаровування, у першу чергу, хрому. Тому, як і при ВТПНК, доцільно рафінувати суміші кондиційних і некондиційних відходів. В даний час дослідження в цьому напрямку продовжуються в рамках договору з ДП НВКГ “Зоря”-“Машпроект” по рафінуванню відходів сплавів ЧС88УВІ і ЧС104ВІ.

В шостій главі наводиться аналіз техніко-економічних показників нових технологій, а також формулюються пропозиції щодо подальшого вдосконалення технологічних процесів і створення устаткування для цих цілей.

Встановлено, що плавка кондиційних відходів і лиття виробів за схемою (ВІП+ЕПП)(ВІП+ЕПП) супроводжується сумарними питомими витратами електроенергії в межах 2,9...3,4 кВт·год/кг (залежно від режиму проведення процесу), за схемою ВІП(ВІП+ЕПП) – від 3,1 до 3,6 кВт·год/кг, за схемою ВІПВІП – до 3,7 кВт·год/кг.

При плавці некондиційних відходів у суміші з кондиційними і литті виробів за схемою ВТПНК(ВІП+ЕПП) питомі витрати електроенергії становлять 5,4 кВт·год/кг, а за схемою ВТПНКВІП – 5,75 кВт·год/кг.

Що стосується виходу придатного металу, який оцінювали відношенням маси металу в заготовках до маси садки відходів, то при рафінуванні кондиційних відходів методом ВІП+ЕПП він становить 98%, а некондиційних у суміші з кондиційними – 89,5%. При рафінуванні некондиційних відходів методом ВТПНК вихід придатного також становить 89,5%. Незважаючи на те, що рафінування некондиційних відходів супроводжується значно більшими безповоротними втратами металу порівняно з кондиційними, використання розробленої технології їх рафінування є ефективним, оскільки дозволяє повернути у виробництво близько 90% цих відходів.

Для використання у виробничих умовах технології рафінування відходів і лиття лопаток за схемою (ВІП+ЕПП)(ВІП+ЕПП), яка забезпечує одержання найбільш високого рівня властивостей сплавів, розроблені пропозиції щодо модернізації промислової вакуумно-індукційної печі ІСВ-016. Ця установка дозволяє рафінувати за плавку до 160 кг відходів, що вирішує завдання практично повної переробки відходів на підприємстві. Для реалізації процесу розроблено конструкцію комбінованого гарнісажно-керамічного тигля, що забезпечує переплав збільшеної кількості відходів з використанням сумісного нагріву.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Запропоновано використати вакуумно-термічну плавку з направленою кристалізацією (ВТПНК) для видалення неметалевих включень з ливарних відходів жароміцних корозійностійких сплавів, які за статистичними дослідженнями складають 51%. В процесі ВТПНК очищення відходів від неметалевих включень забезпечується при швидкості просування фронту кристалізації у центральній частині форми 2…4 мм/хв і градієнті температур на фронті кристалізації в межах 15…20 С/см.

2. Встановлено, що при сумісній вакуумно-індукційній та електронно-променевій плавці (ВІП+ЕПП) випаровування елементів і видалення неметалевих включень забезпечується при потужності нагріву у фокальній плямі діаметром 20 мм у межах 14...15 кВт. При цьому температура розплаву у фокальній плямі досягає 2000...2100С, а оптимальний час обробки розплаву стандартної шихтової заготовки масою до 10 кг складає 240...320 с.

3. Розроблено технологію плавки кондиційних ливарних відходів сплавів ЧС70ВІ і ЧС88УВІ у вакуумній установці на базі печі УППФ-3М методом ВІП+ЕПП для переплаву 250...300 кг ливарних відходів за зміну. Показано, що одержані заготовки мають хімічний склад і властивості, які відповідають ТУ 1-809-1040-99 на сплави.

4. Розроблено та освоєно технологію очищення до трьох тонн на добу ливар-них відходів жароміцних сплавів ЧС70ВІ, ЧС88УВІ, ЧС104ВІ і ЕК9ВД від неметалевих включень методом ВТПНК у вакуумній печі ПМП-4М. Технологія забезпечує одержання сплавів, хімічний склад і властивості яких відповідають ТУ 1-809-1040-99. Для реалізації процесу розроблена і впроваджена багаторівнева керамічна форма, яка дозволяє одержувати мірні шихтові заготовки масою по 2 кг за рахунок стабілізації направленої кристалізації.

5. Для одержання шихтової заготовки з ливарних відходів і лиття з них лопаток ГТД запропоновані технологічні схеми, що передбачають двоетапне проведення процесів: ВТПНКВІП, ВТПНК(ВІП+ЕПП), (ВІП+ЕПП)(ВІП+ЕПП). Технологія переплаву відходів і лиття лопаток ГТД за схемою ВТПНКВІП впроваджена на ДП НВКГ “Зоря”-“Машпроект”, м. Миколаїв з економічним ефектом 560015 грн. на рік. Технологія переробки ливарних відходів жароміцних сплавів з використанням сумісного нагріву за іншими запропонованими схемами прийнята вказаним підприємством до впровадження.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.Добкина Ю.Г.* Специальная конструкция многоуровневой формы с фильтрацией расплава для утилизации суперсплавов // Процессы литья. – 2001. - № 1. – С. 68-74.

2. Анікін Ю.П., Максюта І.І., Добкина Ю.Г. *, Вербило М.О.Вплив вакуумних переплавів на структурні перетворення та властивості жароміцного сплаву ЧС70-ВІ // Металознавство та обробка металів. – 2001. – № 3. – С.64-68.

3. Аникин Ю.Ф., Максюта И.И., Добкина Ю.Г. *, Вербило М.А., Андреєва Т.Б., Кравчук Л.О. Регенерация отходов сплава ЧС88У-ВИ методами вакуумных переплавов // Процессы литья. – 2002. - № 1. – С. 78-82.

4. Аникин Ю.Ф., Максюта И.И., Добкина Ю.Г. *, Вербило М.А. Процессы регенерации отходов жаропрочных сплавов методами вакуумных переплавов // Проблемы спецэлектрометаллургии. – 2002.- № 1.- С. 37-39.

5. Патент України 55053А, МПК8 С21С5/56. Спосіб регенерації відходів жароміцних сплавів з використанням електронно-променевої технології: Анікін Ю.П., Ладохін С.В., Добкина Ю.Г. *, Максюта І.І., Мяльниця Г.П., Левицький М.І. (Україна) - Заявл. 19.06.2002; Опубл. 17.03.2003; Бюл. № 3. - 5 с.

6. Патент України 44460А, МПК6 В22D11/113, B22C23/00. Спосіб плавки і лиття активних та тугоплавких металів і сплавів та пристрій для його реалізації: Ю.П. Анікін, Левицький М.І., Мірошниченко В.І., Добкина Ю.Г. *, Вербило М.О. - Заявл. 02.04.2001; Опубл. 15.02.2002; Бюл. № 2.- - 5 с.

7. Патент України, МПК8С21С5/56, F27В14/10. Тигель для сумісної індукційної і електронно-променевої плавки: Ладохін С.В., Левицький М.І., Добкина Ю.Г. *, Анікін Ю.П.-№ 2003065463; Заявл. 12.06.03; Рішення про видачу 09.12.03. – 2 с.

8. Ладохин С.В., Максюта И.И., Аникин Ю.Ф., Добкина Ю.Г. * Применение вакуумных технологий при переработке отходов жаропрочных сплавов// Труды Междунар. Семинара-выставки “Современные материалы, технологии, оборудование и инструмент в машиностроении”. – Киев: ИСМ НАН Украины. – 1999. – С. 75-76.

9. Myalnitsa H., Dobkina Yu. *, Ladokhin S., Maksyuta I. Recovering of nickel-based superalloys using special ceramic shell with filtration // Proc. 5th Word Cong. on R’2002 (Recovery, Recycling, Re-integration). – Toronto (Canada). – 2000. - 5с.

10. Ladokhin S., Anikin Yu., Maksyuta I., Dobkina Yu. *, Myalnitsa H. Superalloys waste refining at the combined induction and electron-beam melting // Proc. 6th Word Cong. on “Electron-beam melting and refining”. – Nevada (USA). – 2000. – P. 188 - 195.

11. Мяльница Г.Ф., Добкина Ю.Г. * Технология восстановления свойств отходов литейных жаропрочных сплавов, применяемых в производстве лопаток ГТД // Труди міжнар. конгр. “Напрямки відродження ливарного виробництва в Україні на початку нового тисячоліття”. – Київ: ФТІМС НАН України. – 2002. – С. 35-36.

12. Myalnitsa H., Dobkyna Yu. * Refinement of superalloys scrap by methods of vacuum remelting // Труды 2-й междунар. конф. “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий” – Кацивели (Україна). – 2002.– P. 608-609.

13. Myalnitsa H., Dobkyna Yu. * Thermal stability of superalloys structure after cast waste recovery // Proc. 6th Word Cong. on R’2002 (Recovery, Recycling, Re-integration). – Geneva (Switzerland). – 2002. – 5 c.

14. Добкина Ю.Г.*, Максюта И.И., Мяльница Г.Ф. Классификация отходов никелевых сплавов для лопаток ГТД и методы возвращения их в производство // Труды Междунар. научно-техн. конгр. “Литейное производство в новом веке – как победить в конкуренции” – Киев: ФТИМС НАН Украины. - 2002. - С.18-20.

15. Добкина Ю.Г. *, Вербило М.О. Дослідний зразок для випробування стійкості лопаток газотурбинних двигунів з жароміцних сплавів проти високотемпературної корозії // Труди ІІ Всеукраїнській науково-техн. конф. молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”. – Київ: ІЕЗ ім. Є. О. Патона - 2003. – С. 62.

16. Добкина Ю.Г. *, Мяльница Г.Ф. Применение совмещенного вакуумно-индукционного и электронно-лучевого нагрева для рафинирования жаропрочных сплавов // Труды междунар. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых работников “Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства” - Николаев: НМУ – 2003 – С. 58-61.

17. Добкина Ю.Г. *, Мяльница Г.Ф. Рафинирование отходов жаропрочных сплавов с использованием метода направленной кристаллизации // Труды междунар. научно-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых работников “Современные сварочные и родственные технологии и их роль в развитии производства” - Николаев: НМУ – 2003 – С. 56-58.

* - Добкина Ю.Г. – попереднє прізвище Квасницької Ю.Г.

АНОТАЦІЯ

Квасницька Ю.Г. Технологія одержання шихтової заготовки з ливарних відходів жароміцних корозійностійких сплавів для виробництва лопаток ГТД. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 – “Ливарне виробництво”. – Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2004.

Дисертаційна робота присвячена розробці нових технологій рафінування відходів жароміцних сплавів, у тому числі некондиційних, з використанням методу направленої кристалізації у вакуумі і сумісної вакуумно-індукційної та електронно-променевої плавки. Під час направленої кристалізації очищення реалізується за рахунок накопичення неметалевих включень перед фронтом кристалізації у верхній частині заготовки. При сумісній плавці плавлення шихти і перегрів розплаву забезпечуються індукційним нагрівом, а рафінування від неметалевих включень проходить шляхом їх видалення під впливом високих температур за рахунок електронно-променевого нагріву.

Для одержання лопаток з використанням відходів запропоновані технологічні схеми, які складаються з двох етапів. На першому етапі відходи рафінуються методом направленої кристалізації або сумісною плавкою з одержанням мірних шихтових заготовок, а на другому етапі ці заготівки переплавляються сумісною плавкою з одержанням лопаток.

Властивості сплавів, які одержані з використанням розроблених технологій рафінування ливарних відходів відповідають вимогам технічних умов на жаро-міцні корозійностійкі сплави. Технологія рафінування відходів з використанням направленої кристалізації впроваджена у виробництво на ДП НПКГ “Зоря”-“Машпроект”, м. Миколаїв.

Ключові слова: жароміцні сплави, ливарні відходи, вакуумна плавка, направлена кристалізація, індукційний нагрів, електронно-променевий нагрів.

АННОТАЦИЯ

Квасницкая Ю.Г. Технология получения шихтовой заготовки из литейных отходов жаропрочных коррозионностойких сплавов для производства лопаток ГТД. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 – “Литейное производство”. – Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2004.

Диссертационная работа посвящена разработке новых технологий рафинирования кондиционных и некондиционных отходов, которые формируются при литье лопаток ГТД на газотурбостроительных предприятиях. Рассмотрено современное состояние технологии плавки и литья лопаток ГТД, проведена классификация литейных отходов, исходя из условий производства. Указано на сложности решения проблемы возвращения в производство литейных отходов, особенно некондиционных.

Предложены новые технологии рафинирования отходов, в том числе некондиционных, с использованием методов направленной кристаллизации в вакууме и совмещенной вакуумно-индукционной и электронно-лучевой плавки. Суть первого метода состоит в плавке отходов в специально сконструированной многоуровневой керамической форме с последующим проведением процедуры направленной кристаллизации. При этом перед фронтом кристаллизации сосредотачиваются как примеси, так и неметаллические включения, что позволяет после затвердевания отливки удалять загрязненную часть заготовки механическим путем.

Второй метод предусматривает возможность удаления неметаллических включений путем электронно-лучевого нагрева. Формирование ванны, т.е. плавление шихты и перегрев расплава до требуемой температуры осуществляется за счет индукционного нагрева, а электронно-лучевой нагрев используется только для интенсификации процессов рафинирования.

Для получения лопаток ГТД предложены двухэтапные технологические схемы, в которых на первом этапе проводится рафинирование отходов указанными выше методами с получением мерных шихтовых заготовок, а на втором – из полученных заготовок отливают лопатки методом совмещенной вакуумно-индукционной и электронно-лучевой плавки.

Изучение химического состава, макро- и микроструктуры, физико-механических свойств, длительной прочности и коррозионной стойкости сплавов свидетельствует, что обе разработанные технологии решают задачу возвращения литейных отходов жаропрочных коррозионностойких сплавов в производство, поскольку состав и свойства сплавов, выплавленных с использованием отходов, отвечают требованиям технических условий.

Технология рафинирования отходов с использованием направленной кристаллизации в вакууме внедрена в производство на ГП НПКГ “Зоря”-“Машпроект”