Влияние возврата собственного производства на структуру и свойства жаропрочного никелевого сплава ЖС6У

Для изготовления литых лопаток газотурбинного двигателя (ГТД), используют дорогостоящие никелевые сплавы, причем на сами лопатки расходуется лишь небольшая их часть, остальное - это элементы литниково питающей системы. Поэтому большая часть сплава после заливки представляет собой отходы, использование которых повторно значительно снижает себестоимость лопаток. Однако использование возврата сопряжено с некоторыми рисками, связанными с возможностью загрязнения сплава неметаллическими включениями и угаром легирующих компонентов. Поэтому исследование последствий использования возврата собственного производства в изготовлении лопаток весьма актуально.

В статье рассмотрено влияние возврата собственного производства на структуру и фазовый состав сплава ЖС6У-ВИ и его механические свойства. Были изучены образцы лопаток ГТД, изготовленные методом литья в оболочковые керамические формы из возврата собственного производства сплава ЖС6У-ВИ, а также специально отлитые в медную форму образцы из исходного сплава ЖС6У-ВИ, без использования возврата, а также с использованием 50% и 100% возврата в шихте. Исследование структуры проводили с использованием электронной и оптической микроскопии. Идентификация фаз и структурных составляющих производилась по результатам микрорентгеноспектрального анализа (МРСА) и с использованием расчётов фазового состава в программе Thermo-Calc. Исследования проводились на образцах в литом и отожженном в течение 4 часов при 1210 °С состояниях. Было показано, что использование возврата в шихте принципиально не изменяет фазовый состав сплава. Несколько повышенное содержание неметаллических включений в структуре сплава, выплавляемого с использованием возврата, не влияет на механические свойства сплава. Механические свойства после термической обработки (σ_в = 1090-1100 МПа и δ = 9-11%), полученные на образцах, выплавленных с применением возврата 50 и 100% от массы шихты, полностью удовлетворяют требованиям ТУ1-92-177-91, предъявляемым к сплаву ЖС6У-ВИ. В процессе затвердевания большая часть крупных включений сосредотачиваются в поверхностных зонах отливок, что затрудняет их механическую обработку, вследствие чего использование в шихте 100% возврата без его предварительной переработки не рекомендуется. Приемлемые результаты были достигнуты при применении 50% очищенного возврата собственного производства.

1. Каблов Е.Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей: сплавы, технология, покрытия 2-е изд. М.: Наука, 2006. 632 с.

2. Зеленюк А.Н., Наумик В.В., Елькин А.В. Использование технологического возврата при производстве отливок из жаропрочного никелевого сплава ВЖЛ12Э-ВИ // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. 2011. № 1 (22). С. 198–202.

3. Сидоров B.B., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Организация производства литых прутковых заготовок из современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов // Литейное производство. 2011. № 10. С. 2–6.

4. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б. С. Стратегические направления развития конструкционных материалов и технологий их переработки для авиационнных двигателей настоящего и будущего // Автоматическая сварка. 2013. № 10–11. С. 23–32.

5. Binczyk F., Śleziona J., Mikuszewski T. Effect of repeated remelting on the chemical composition and structure of nickel alloys // Archives of foundry engineering. 2010. Vol. 10. Is. 1. P. 189–194.

6. deBarbadillo J.J. Nickel–base superalloys; physical metallurgy of recycling // Metallurgical Transactions A. 1983. Vol. 14. Is. 2. P. 329–341.

7. Richards N.L., Chaturvedi M.C. Effect of minor elements on weldability of nickel base superalloys // International Materials Reviews. 2000. Vol. 45. Is. 3. P. 109–129.

8. Morscheiser J., Thönnessen L., Gehrmann B., Friedrich B. The influence of the slag composition on the desulfurization of Ni–based superalloys // Proceedings of the 2011 International Symposium on Liquid Metal Processing and Casting: Nancy, France. September 25-28. 2011. LMPC 2011, P. 89–96.

9. Клочихин В.В., Жеманюк П.Д., Наумик В.В., Цивирко Э.И. Влияние условий кристаллизации на качество жаропрочных сплавов, выплавленных с использованием литейного возврата // Литейное производство. 2015. № 6. С. 2–5.

10. Зеленюк А.Н., Елькин А.В., Наумик В.В. Исследование качества мерных слитков, полученных из 100% технологического возврата, рафинированного методом температурно–временной обработки // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. 2012. № 1. С. 45–48.

11. Prasad V.S., Rao A.S., Prakash U.V., Rao R., Rao P.K., Gupt K.M. Recycling of Superalloy Scrap through Electro Slag Remelting // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 12. P. 1459–1464.

12. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Сидоров В.В., Ригин В.Е., Каблов Д.Е. Особенности технологии выплавки и разливки современных литейных высокожаропрочных никелевых сплавов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2011. № SP2. С. 68–78.

13. Zhang Z.W., Niu Y.J., Tian J.J., An N., Gao Y., Wang C., Shi S.F. The Effect of Remelting on the Microstructure and Mechanical Properties of a Nickel Superalloy // Materials Science Forum. 2016. Vol. 849. P. 492–496.

14. Cheng J.–Q., Hu X.–J., Gu Y. Development and application of molds for producing large superalloy vacuum electrodes // Foundry. 2016. Vol. 65. No. 9. P. 917–919.

15. Коваленко В.С. Металлографические реактивы: Справ. изд. 3–е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1981. 120 с.

16. Беккерт М., Клемм Х. Способы металлографического травления: Справ. изд.: Пер. с нем. 2–е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1988. 400 с.

17. Geddes B., Leon H., Huang X. Superalloys: alloying and performance. Materials Park, Ohio: ASM International, 2010. 176 p.

18. Reed R.C. The Superalloys: Fundamentals and Applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 372 р.

19. Pollock T.M., Tin S. Nickel–Based Superalloys for Advanced Turbine Engines: Chemistry, Microstructure and Properties // Journal of Propulsion and Power. 2006. Vol. 22. No. 2. P. 361–374.

20. Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: a technical guide. 2nd ed. Materials Park. OH: ASM International, 2002. 439 p.

21. Zhang T., Jiang J., Shollock B.A., Britton T.B., Dunne F.P.E. Slip localization and fatigue crack nucleation near a non–metallic inclusion in polycrystalline nickel–based superalloy // Materials Science and Engineering: A. 2015. Vol. 641. P. 328–339.

22. Барышев Е.Е. , Костина Т.К., Тягунов А.Г., Савина Л.Г., Павлинич С.П., Мысик Р.К., Семенова И.П. Влияние обработки расплава на структуру жаропрочного сплава ЖС6У в жидком состоянии и процессе его кристаллизации// Высокотемпературные расплавы 1997. № 1. С. 26–31.

23. Manjili M.H., Halali M. Removal of Non–metallic Inclusions from Nickel Base Superalloys by Electromagnetic Levitation Melting in a Slag // Metallurgical and Materials Transactions B. 2018. Vol. 49. Is. 1. P. 61–68.