Способ комбинированной выплавки сплавов

 

Сущность изобретения: способ комбинированной выплавки сплавов, включающий расплавление шихты, нагрев расплава до температуры 1,2-1,35 T_лик, охлаждение расплава в тигле до температуры 1,05-1,11 T_лик повторный нагрев до температуры 1,2-1,35 T_лик, отличается тем, что осуществляют повторный нагрев до температуры 1,25-1,35 T_лик электронным лучом локально в зоне фокального пятна электронного луча, причем время воздействия определяют по формуле τ_p=(n_кр·W·C_v·ΔT)/P где n_кр - кратность высокотемпературной обработки; W - объем расплава в тигле: C_v - объемная теплоемкость расплава; ΔT - температура перегрева металла в фокальном пятне; P - мощность электронного луча. Кратность высокотемпературной обработки равна 2-5, а температура перегрева металла в фокальном пятне составляет 0,15-0,25 T_лик. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к металлургии и специальной электрометаллургии, к производству многокомпонентных конструкционных литейных сплавов, в том числе никелевых жаропрочных. Целью изобретения является стабильное и значительное повышение физико-механических свойств получаемых литых изделий за счет улучшения качества расплава многокомпонентного сплава, точной регламентации температурно-временных параметров, а также обеспечение экономии электроэнергии при комбинированном нагреве. Цель достигается тем, что по способу выплавки сплавов с использованием комбинированного индукционного и электроннолучевого нагрева, включающему расплавление шихты, нагрев расплава до температуры 1,2-1,35 температуры ликвидуса, затем охлаждение расплава в тигле до температуры 1,05-1,1 температуры ликвидуса, повторный нагрев расплава до температуры 1,2-1,35 температуры ликвидуса и охлаждение до температуры заливки осуществляют индукционным нагревом всего объема металла до 1,05-1,1 температуры ликвидуса с затратой мощности нагрева от 71 до 95% а нагрев расплава до 1,2-1,35 температуры ликвидуса осуществляют локально только в зоне фокального пятна электронного луча при затрате общей мощности от 29ш до 5% при строго регламентированном времени воздействия τ_p= W где W объем расплава в тигле; λ и С соответственно эффективная теплопроводность и объемная теплоемкость расплава; V скорость относительного перемещения фокального пятна вдоль поверхности расплава; а радиус фокального пятна; n_кр кратность высокотемпературной обработки металла (ВТО). Время обработки непосредственно зависит от температурных и мощностных параметров процесса обработки расплава ΔT T_ф-T_об= °C где Т_ф и Т_об соответственно температура фокального пятна и объемная температура расплава в тигле; Р мощность электронного луча. Таким образом, регламентированное время воздействия в зависимости от температурных и мощностных параметров обработки расплавов должно соответствовать τ_p= c где n_кр кратность высокотемпературной обработки объема металла (безразмерная величина); W объем металла в тигле, м³; С объемная теплоемкость сплава, Дж/м³ К; ΔТ температура перегрева в фокальном пятне электронного луча, К; Р мощность электронного луча, Вт, n_кр практически может пятна принята 2, 3, 4 и 5 в зависимости от исходной чистоты выплавляемого сплава. Рассчитанные параметры плавки препятствуют перерасходу энергии и обеспечивают получение оптимального состава расплава с учетом заданных температурных параметров плавки и мощности электронного луча в интервале 29-5% от общей мощности индукционного и электронно-лучевого нагрева. Индукционный нагрев обеспечивает расплавление шихты и нагрев обрабатываемого объема металла до Т_об, после чего происходит обработка поверхностных слоев металла на зеркале в тигле электронным лучом, с регламентированными параметрами по мощности и времени обработки. Сущность изобретения заключается в том, что при комбинированном нагреве объемном за счет индукционного нагрева и локальном электронным лучом перегрев расплавов в тигле для достижения его оптимальной гомогенизации (химической микронеоднородности) до температуры 1,2-1,35 температуры ликвидуса осуществляют только в зоне фокального пятна электронного луча при принудительном перемешивании (термоциклировании) расплава в течение точно регламентируемого от температурных и мощностных параметров плавки промежутка времени τ_p= W c где кратность термоциклирования n_кр принимается 2-5, а оптимальные температуры перегрева Δ Т ( ТВО) должны быть 0,1-0,2 температуры ликвидуса. Проведенные исследования влияния комбинированной выплавки по изобретению на качество литого сплава марки ЖСЗДК, выполненные по режимам, соответствующим предлагаемым и близким к ним, по отличительным от заявляемых, представлены в табл.1. Как следует из приведенных в табл.1 данных, применение предлагаемого способа обеспечивает получение литого металла с более высокими механическими свойствами по сравнению с другими технологическими вариантами, отличающимися по параметрам от предлагаемого. Это объясняется следующим. Снижение температуры в фокальном пятне до 1,25 температуры ликвидуса не обеспечивает условий гомогенизации сплава, т.е. не достигается усреднение химического состава расплава, не обеспечивается измельчение металлических включений и всех компонентов структуры (см. табл.2, N 17 и 18). Превышение температуры в фокальном пятне над предлагаемой 1,35 температуры ликвидуса приводит к избирательному испарению из расплава элементов с высокой упругостью паров, отклонению химического состава сплава от регламентного, полному растворению неметаллических включений потенциальных центров кристаллизации, а при кристаллизации такого расплава к укрупнению зерна и снижению механических свойств сплава (см. табл.2, N 10). Снижение объемной температуры расплава в тигле до 1,05 температуры ликвидуса приводит к нежелательным предкристаллизационным процессам образованию в расплаве крупных и грубых карбонитридных включений, т.е. к нивелированию ранее проведенного процесса гомогенизации. Превышение указанной температуры в процессе промежуточного охлаждения свыше 1,1 температуры ликвидуса не обеспечивает выделения дисперсных карбонитридных фаз, являющихся в итоге всего процесса центрами кристаллизации, т.е. приводит к увеличению кристаллов γ-фазы в 1,3-1,5 раза и снижению механических свойств сплава (см. табл.2, N 11 и 12). Установленная величина объемной температуры металла в тигле ≈1,1 температуры ликвидуса основана на том, что в этом интервале в расплаве происходят предкристаллизационные процессы имеет место структурное формирование карбонитридов и прототипов γ-фазы, когда указанные образования и приобретают достаточные для дальнейшей устойчивости размеры и компактную форму. Пятикратное количество циклов режима ВТО в зоне фокального пятна в предлагаемых температурных интервалах 1,2-1,3 от температуры ликвидуса является оптимальным по влиянию на свойства отливок (см. табл.2, N 4 и 5). Менее пяти циклов не обеспечивает завершения процесса глобулизации включений, а превышение пятикратности циклов приводит к некоторому избирательному огрублению неметаллических включений, что подтверждается результатами металлографического анализа (см. табл.2, N 2 и 6). Таким образом, оптимальным режимом выплавки и перегрева для сплава ЖСЗДК является пятый режим (см. табл. 2); объемная температура Т_ср 1817 К, температура перегрева Т_ср 2175 К, ΔТ 358 К, n_кр 5- и 10-минутная обработка лучом при 10 кВт мощности луча. Мощность электронного луча в фокальном пятне выбирается с учетом того, чтобы время обработки в режиме ВТО было не более 15 мин. При таком регламентированном режиме обеспечивается повышение прочности в 1,2 раза, пластичности в 1,5-2 раза, ударной вязкости в 1,7-1,8 раза, ликвидируется брак по структуре. Указанный режим прошел опытную проверку при отливке лопаток газотурбинных двигателей.

Формула изобретения

1. СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОЙ ВЫПЛАВКИ СПЛАВОВ, включающий расплавление шихты, нагрев расплава до температуры 1,2-1,35 Т_лик, охлаждение расплава до температуры 1,05-1,1 Т_лик, отличающийся тем, что осуществляют повторный нагрев до температуры 1,2-1,35 Т_лик электронным лучом локально в зоне фокального пятна электронного луча, причем время воздействия определяют по формуле где n_кр - кратность высокотемпературной обработки (безразмерная);
W - объем расплава в тигле, м³;
C_v - объемная теплоемкость расплава, Дж/м³ · К;
ΔT - температура перегрева металла в фокальном пятне, К;
P - мощность электронного луча, Вт. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кратность повторного перегрева равна 2-5, а температура перегрева в фокальном пятне составляет 0,1-0,2 Т_лик.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4