В ВИАМ разработана ресурсосберегающая технология производства шихтовых прутковых заготовок жаропрочных и интерметаллидных сплавов с использованием до 100% кондиционных литейных отходов, позволяющая снизить стоимость сплава на 20–80% в зависимости от количества отходов, без снижения их качества [1–4]. В настоящее время заводам отрасли поставлено более 250 т прутковых заготовок жаропрочных и интерметаллидных сплавов [5].

Жаропрочные сплавы для монокристаллического литья с ультравысокой чистотой по примесям производят при использовании современного вакуумного плавильного и литейного оборудования [6, 7].

Для аттестации сплавов сдаточными характеристиками являются химический состав плавки и механические свойства контрольных образцов в соответствии с ТУ. При этом для проверки уровня свойств необходимо небольшое количество образцов (от одного до четырех штук) с монокристаллической структурой определенной кристаллографической ориентации (КГО). На промышленных литейных установках для направленной кристаллизации УВНК-9А одновременно получают до 18 заготовок под образцы с расходом 8 кг жаропрочного сплава. В лабораторной установке В-1790, которая является прототипом установок типа УВНК [8], за одну плавку получают 4 цилиндрические заготовки под образцы с расходом всего 2 кг дорогостоящего жаропрочного сплава. Кроме того, масса керамической формы образцов для установки В-1790 составляет 1,6 кг, а формы для установки УВНК-9: 3,33 кг (при одновременной заливке двух форм: 6,66 кг). Налицо экономия порошков электрокорунда, этилсиликата в 2–4 раза. Расход электроэнергии на плавку в установке В-1790 в 3 раза меньше, чем в установке УВНК-9. Поэтому получение образцов в небольших количествах для аттестации механических свойств поставок шихтовых прутковых заготовок жаропрочных сплавов целесообразно выполнять на установке В-1790.

Вакуумная установка В-1790 предназначена для отработки технологии литья монокристаллических образцов и лопаток из разрабатываемых в ВИАМ жаропрочных и интерметаллидных сплавов. Она снабжена кольцевым двухзонным нагревателем сопротивления, приводом вертикального перемещения форм с широким диапазоном регулирования скоростей, обеспечивающим кристаллизацию даже эвтектических сплавов типа ВКЛС, сменными кристаллизационными узлами с различными охлаждающими средами, дозатором, позволяющим при необходимости вводить в расплав до шести легирующих компонентов, термопарой погружения и оптическим пирометром для контроля температуры расплава, вакуумной системой из бустерного и механического насосов, обеспечивающих в плавильной камере вакуум (1–5)·10^-3мм рт. ст. Установка имеет современную двухуровневую систему компьютерного управления, обеспечивающую управление всеми агрегатами и исполнительными механизмами установки, поддержание с высокой точностью параметров технологического процесса, их запись и хранение как в цифровой, так и в графической форме. Общий вид установки и шкафа управления представлены на рис. 1.

 Рисунок 1. Общий вид установки направленной кристаллизации В-1790 (а), шкаф управления установкой с компьютером (б)

Технические характеристики установки В-1790

Для аттестации поставляемых шихтовых заготовок на установке В-1790 используют керамические блоки, состоящие из заливочной чаши и четырех цилиндрических заготовок Æ16 мм и длиной 200 мм, закрепленных на специальной подвеске из молибденовых прутков и графитовых пластин. Формы изготовляют по стандартной цеховой технологии с нанесением восьми слоев огнеупорного покрытия. В прокаленные формы в соответствующие гнезда устанавливают затравки из сплава никель–вольфрам с заданной кристаллографической ориентацией (для сплавов типа ЖС используют затравки с КГО [001], для интерметаллидных сплавов – с КГО [111]). Характерные температурные кривые параметров процесса получения монокристаллических образцов из сплава ЖС32 представлены на рис. 2.

Рисунок 2. Характерные температурные кривые параметров получения монокристаллических образцов сплава ЖС32 на установке В-1790: ППФ(В), ППФ(Н) – показания термопар на нагревателях печи подогрева форм: верх и низ соответственно; ТЕРА – показания оптического пирометра

При получении монокристаллов других сплавов меняются температуры нагревателей, температура расплава перед сливом его в форму и скорость кристаллизации.

После окончания процесса и охлаждения установки до комнатной температуры ее развакуумируют, форму с отливкой извлекают из нагревательной печи, освобождают от керамической оболочки. Образцы отрезают от заливочной чаши, и проявляют макроструктуру полученных заготовок травлением в смеси соляной кислоты и перекиси водорода в соотношении 3:1 или смеси азотной и фтористоводородной кислот и воды в соотношении 1:1:1 в зависимости от сплава (например, для сплава ВЖМ4). Контроль макроструктуры осуществляют сначала визуально по фигурам травления, а затем рентгеновским методом на поперечных срезах стартовых конусов перпендикулярно оси образца с помощью рентгеновской установки ДРОН-3 [8].

На рис. 3 представлена микроструктура образцов в поперечном сечении из сплавов ВКНА-1В с КГО [111] и ЖС32 с КГО [001]. На рис. 4 представлена морфология упрочняющей γ′-фазы при КГО образцов [111] и [001] в осях дендритов и в межосных участках. Видно, что форму частиц γ'-фазы определяет КГО образцов. При КГО [111] – частицы упрочняющей фазы треугольной формы, при [001] – они выстраиваются в виде кубоидов.

Рисунок 3. Микроструктура образцов из сплавов ВКНА-1В [111] (а) и ЖС32 [001] (б)

Рисунок 4. Морфология (×10000) γ'-фазы при КГО образцов [111] (а) и [001] (б) в осях дендритов (слева) и в межосных участках (справа)

Монокристаллические заготовки, стартовые конусы которых имеют отклонение по КГО ≤10 град от заданного направления, передают на изготовление образцов для механических испытаний. Испытания осуществляются в соответствии с техническими условиями на конкретный сплав. В таблице представлены результаты испытаний образцов из некоторых жаропрочных литейных сплавов, выплавляемых в ВИАМ, на соответствие нормам ТУ, в том числе с использованием кондиционных отходов. Годной считается плавка, отвечающая нормам ТУ.

Результаты механических испытаний жаропрочных литейных сплавов, выплавляемых в ВИАМ, на соответствие нормам ТУ [9–12]

Полученные значения предела прочности σ_в и долговечности τ жаропрочных сплавов, выплавленных по ресурсосберегающей технологии, соответствуют требованиям ТУ по всем характеристикам.

Проанализированные результаты показывают стабильность металлургического производства шихтовых заготовок жаропрочных сплавов и технологии литья монокристаллических образцов для контроля механических свойств.

В работе принимали участие Н.А. Кузьмина, Л.М. Шишкарева, Т.Б. Французова.