» » Традиционные и современные методы получения слитков
14.01.2016

Получение однородного и изотропного металла в условиях металлургического производства — задача весьма сложная. Кристаллизация крупных слитков металла в условиях промышленной плавки неизбежно сопровождается развитием ликвации. При выплавке металла электронно-лучевым, плазменно-дуговым, вакуумно-дуговым методами и электрошлаковом переплаве не выполняются равновесные условия процесса кристаллизации. Однако степень развития ликвации и остаточные явления, связанные с ней, можно в известной степени регулировать.
Применение специальных методов выплавки позволяет улучшить качество высоколегированных сталей и сплавов.
Новые технологические процессы получения изделий из сложнолегированных сталей и сплавов направлены, в частности, на совершенствование управления формированием структуры крупны) слитков.
Снизить содержание газовых примесей и взвешенных неметаллических включений можно благодаря комплексу мероприятий по подготовке шихтовых материалов, защите металла в процессе плавки, дегазации и глубокой очистке от твердых включений. Здесь существенная роль принадлежит рафинированию.
Слитки высоколегированных сплавов получают в основном методами вакуумно-индукционной, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, электрошлаковой, плазменно-дуговой плавки с использованием повторного переплава металла для повышения однородности состава и качества слитка. Весьма широкое применение получил метод направленной кристаллизации. Совершенствованию методов выплавки способствует, например, воздействие на процесс кристаллизации давлением и электромагнитным перемешиванием расплава. Обработка расплава мощным ультразвуком, т. е. кавитационная обработка расплава, занимает особое место среди новых экологически чистых методов рафинирования — очистки расплавленного металла от газовых и твердых неметаллических примесей.
При ультразвуковой обработке жидкого металла содержание газовой примеси в расплаве, например, водорода может быть уменьшено в два раза, что сравнимо с вакуумированием жидкого металла.
При совершенствовании традиционной технологии учитывается влияние технологических параметров выплавки на структуру и свойства сплавов. Дисперсность микроструктуры высокопрочных сплавов на основе никеля в сильной степени зависит от температурного режима плавки, температуры перегрева расплава, температуры заливки (рис. 2.5).
Варьирование режимов плавки позволяет улучшать структуру изделий, например существенным образом влиять на макроструктуру газотурбинных лопаток из никелевых жаропрочных сплавов (рис. 2.6).
Традиционные и современные методы получения слитков

Закономерности формирования столбчатой дендритной, равноосной, ячеистой структуры в значительной степени определяются температурным градиентом и скоростью роста кристаллической фазы (рис. 2.7). В качестве конструкционных материалов наиболее широкое применение получили изотропные материалы, свойства которых не зависят от направления и анизотропия которых рассматривается как недостаток. Однако в условиях высоконагруженных конструкций, детали которых испытывают различные нагрузки по разным направлениям, целесообразно применять анизотропные материалы, реагирующие на особенности силового воздействия. К таким материалам относятся, например, композиционные материалы. Жаропрочные материалы, предназначенные для лопаток газовых турбин, также могут быть анизотропными в силу того, что растягивающее рабочее напряжение направлено вдоль одного направления — пера лопатки, и это главная нагрузка, которую должно выдержать изделие.
Традиционные и современные методы получения слитков

Технологии направленной и монокристаллической кристаллизации являются примером усовершенствования традиционной технологии выплавки слитков из жаропрочных сплавов, повышения уровня служебных характеристик. Схемы установок направленной и монокристаллической кристаллизации приведены на рис. 2.8.
Традиционные и современные методы получения слитков

Метод направленной кристаллизации дает возможность получать сплавы с анизотропной структурой (турбинные лопатки), в которой межзеренные границы либо полностью отсутствуют (монокристальные лопатки), либо ориентированы перпендикулярно оси главных напряжений с очень малыми углами разориентировки между смежными зернами. Высокая пластичность металла достигается при этом за счет устранения в структуре лопатки поперечных границ зерен.
Ориентированная направленная структура слитка формируется при кристаллизации с плоским фронтом, перпендикулярным направлению роста кристаллов, и продвигается с постоянной скоростью.
Термические условия направленной кристаллизации сводятся к созданию вблизи фронта кристаллизации постоянного теплового потока. Теплообмен ограничивается с помощью нагрева стенок керамической формы — кристаллизатора, а конвекция снижается вертикальным расположением кристаллизатора с холодильником, играющим роль теплоотвода в нижней части (см. рис. 2.8).
При кристаллизации эвтектических сплавов критерием устойчивости плоского фронта является отношение термического градиента к скорости роста, причем для эвтектических сплавов эти условия более жесткие, так как при одновременном росте двух фаз вероятность нарушения фронта в микроскопическом масштабе больше, чем при росте одной фазы.
Благодаря направленному теплоотводу, из большого числа кристаллов, зарождающихся на поверхности кристаллизатора, право на существование в процессе конкурирующего роста получают лишь столбчатые кристаллы с ориентацией, близкой к (001).
Постоянный перегрев жидкой ванны перед фронтом кристаллизации на 150—200 °С предупреждает зарождение новых зерен и обеспечивает непрерывный рост столбчатых кристаллов промышленных жаропрочных сплавов. Структура этих сплавов характеризуется большим количеством упрочняющей фазы, сосредоточенной в межосных участках.
Степень ликвации в направленно закристаллизованном сплаве ниже, чем в слитке при обычной кристаллизации.
Сплавы, полученные направленной кристаллизацией, характеризуются высоким сопротивлением усталостному разрушению, что по аналогии с волокнистой структурой в деформированных сплавах обусловлено наличием структуры вытянутых зерен.
Высокий уровень жаропрочности определяется не только количеством дисперсной упрочняющей фазы, но и ее термической устойчивостью. Высокой термической устойчивостью обладают фазы внедрения, в частности карбидные фазы. Поэтому в жаропрочных сплавах, содержащих, как правило, титан, ниобий и углерод, происходит сильная ликвация этих элементов при кристаллизации и усиление ликвации других компонентов, а в твердом состоянии образуются выделения избыточной карбидной фазы.
При направленной кристаллизации жаропрочных сплавов формируется композиционная структура сплавов с эвтектикой в межосных участках при определенной кристаллографической ориентации фаз. Такая композиционная структура образуется при высоких температурах, что в наибольшей степени обеспечивает ее высокую термическую устойчивость.
Склонность сплава к ликвации определяется в первую очередь его химическим составом. В сплавах с неограниченной растворимостью компонентов степень ликвации возрастаете увеличением интервала кристаллизации и уменьшением наклона линий ликвидус — солидус. Легирование элементами, образующими термодинамически прочные фазы, обычно способствует усилению ликвации.
Сопоставление макроструктуры и соответствующей ей ликвации свидетельствует о том, что ликвация уменьшается при одно-типной макроструктуре слитка. Снижение ликвации может быть достигнуто получением однородной структуры, состоящей из элементов одного типа: дисперсных дендритов или только из столбчатых кристаллов.
Это связано с тем, что в процессе кристаллизации расплав обогащается ликвирующими и неметаллическими включениями, поэтому в зоне стыка кристаллов, растущих от противоположных стенок, могут наблюдаться сильная ликвация, скопления неметаллических включений и нарушения сплошности металла. Для использования преимущества структуры из ориентированных кристаллов большой протяженности необходимо одновременно с выращиванием столбчатых кристаллов обеспечить возможность удаления неметаллических включений и газов из зоны стыка кристаллов,
Основные принципы использования регулируемой кристаллизации слитка заключаются в создании однородной структуры слитка из столбчатых кристаллов и проведении кристаллизации таким образом, чтобы не образовывались неблагоприятные стыки.
Уменьшение зоны столбчатых кристаллов происходит при усложнении состава сплава, и особенно при легировании компонентами, образующими термодинамически прочные фазы. Например, при электрошлаковой выплавке стали 12Х25Н16Г7АР макроструктура слитка, полученного в кристаллизаторе диаметром 425 мм, однородная (сплошная) в виде столбчатых кристаллов, При тех же режимах плавления стали 37Х12Н8Г8МФБ, легированной 0,4 % (мас.) С и карбидообразующими элементами, в центральной области слитка появляется зона равноосных кристаллов.
Формирование однотипной макроструктуры слитка, обеспечивающей однородность свойств металла, достигается методами направленной кристаллизации при регулировании скорости кристаллизации с учетом влияния химического состава сплавов на ликвацию. Так как градиент ликвации при направленной кристаллизации растянут по радиусу, сильная ликвация может возникнуть только в зоне стыка кристаллов, растущих от противоположных стенок, т. е. в очень узкой центральной области, не выходящей за размеры дендритной ячейки. Такая локализованная неоднородность сравнительно быстро исчезает при нагреве и деформации.
Сплавы, имеющие в своем составе элементы, образующие термодинамически прочные фазы, целесообразно плавить методами с регулируемой кристаллизацией. Это относится и к сплавам, попадающим в область составов, где последние порции жидкого металла кристаллизуются как жидкость эвтектического состава.
На практике при получении слитков сложнолегированных сплавов обычно применяется комбинация переплавов, из которых первый очищает металл от включений и примесей, а второй обеспечивает максимальное развитие столбчатой зоны. Примером такой комбинации может служить сочетание вакуумной индукционной плавки и вукуумно-дугового переплава (ВИП + ВДП). Методом ВИП можно точно получить заданный состав и очистить сплав от неметаллических включений примесей и газов. Последующий переплав такого металла способом ВДП или электрошлакового переплава (ЭШП) с направленной кристаллизацией необходим для формирования однотипной столбчатой макроструктуры слитка.
Низкие значения ликвации, высокая плотность литого металла с направленной столбчатой макроструктурой, достаточно высокая пластичность и незначительная анизотропия позволяют использовать такой металл даже без последующей пластической деформации.
При выплавке слитков измельчение структуры может быть достигнуто различными методами в результате воздействия на пограничный слой кристалл-жидкость. Среди этих методов можно выделить воздействие мощными ультразвуковыми колебаниями на жидкую ванну при кристаллизации, введение модификаторов, перемешивание металла магнитным полем.
Ультразвуковая обработка оказывается эффективной при выплавке конструкционных сталей, тогда как в сплавах на основе никеля ее влияние практически не обнаружено.
Такое поведение сплавов на основе железа и никеля при воздействии ультразвука может быть объяснено более узким интервалом кристаллизации никелевых сплавов, а также большей прочностью растущих кристаллов в них.
Измельчение микроструктуры жаропрочных сплавов хотя и не сопровождается существенным уменьшением коэффициента ликвации, тем не менее способствует повышению технологической пластичности литого металла на 20-60 % в интервале температур горячей деформации.
С применением различных методов измельчения структуры литого металла уменьшается также грубая пятнистая ликвация, однако микропористость и микросегрегация в мелких равноосных кристаллах снижаются лишь в отдельных случаях. По эффективности снижения ликвации эти методы измельчения структуры литого металла уступают регулируемой кристаллизации.
Традиционные методы плавки металлов и сплавов, например вакуумно-дуговой, имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что зона плавления металла совмещена с зоной затвердевания водном кристаллизаторе. Эта особенность создает практические трудности в предотвращении образования дефектов в слитках, их очистке от включений, примесей, а также в управлении формированием структуры слитков.
Разделение зон плавления и затвердевания с целью независимого управления этими процессами представляет собой перспективное направление совершенствования методов традиционной технологии выплавки металлов и сплавов ответственного назначения с повышенным уровнем требований по качеству, структуре слитков и наличию дефектов.
Методы электронно-лучевой (ЭЛППЕ) и плазменно-дуговой (ПДППЕ) плавки с холодным подом или промежуточной емкостью являются процессами, которые реализуют схему непрерывного литья с возможностью раздельного управления плавлением шихты и затвердеванием слитка.
При ЭЛППЕ металл в виде мелкоизмельченной шихты или компактной заготовки подается в медный тигель, где расплавляется и затем переливается в кристаллизатор, в котором происходит непрерывная (полунепрерывная) отливка слитка.
Управление электронными лучами позволяет использовать тигли любой конфигурации, кристаллизаторы разнообразных сечений и, следовательно, производить слитки различной формы и размеров. При этом предусмотрено применение нескольких тиглей, в которых последовательно происходят плавление и гравитационная сепарация.
Процесс ЭЛППЕ применяется при серийном производстве слябов под прокатку из технически чистого титана массой до 16 т.
Структура слябов является типичной для большинства слитков направленного затвердевания и характеризуется грубыми столбчатыми кристаллами. Последующие операции горячей прокатки и ленточной шлифовки промежуточных заготовок устраняют поверхностные дефекты, вызванные грубозернистой структурой слябов.
Традиционные и современные методы получения слитков

На рис. 2.9 приведена схема четырехплазмотронной (3,0 МВт) установки для плавки в холодном тигле. Установка обеспечивает подачу шихты в измельченном или компактном виде, плавку на одном участке холодного пода, рафинирование на последующих двух участках, перелив металла в кристаллизатор и отливку слитка с вытягиванием. Каждый из этих участков обслуживается плазмотроном мощностью по 750 кВт. Процесс осуществляется в атмосфере инертного газа (гелия) с системой рециркуляции газа. Эта установка используется для плавки слитков ответственного назначения (вращающиеся детали авиационных двигателей). Процесс ПДППЕ значительно снижает вероятность дефектов типа включений различных видов по сравнению с традиционными методами плавки, позволяет производить новые сплавы для аэрокосмической и биомедицинской техники.
Несмотря на большие капитальные затраты и расход электроэнергии при ЭЛППЕ и ПДППЕ по сравнению с традиционным методом ВДП, что обусловлено необходимостью применения нередко тройного вакуумно-дугового переплава и дополнительных операций нагрева и горячей обработки, они рассматриваются как перспективные для получения изделий ответственного назначения.
Для высоколегированных жаропрочных сплавов уменьшить ликвацию рассмотренными кристаллизационными методами часто не удается, поэтому необходимо применение принципиально новых технологий, например распыления расплава с получением быстрозакаленных микрослитков — гранул и последующим их компактированием.