» » Методы получения быстрозакаленных гранул никелевых сплавов
15.01.2016

Применяют в основном два способа получения быстрозакаленных гранул никелевых сплавов: распыление расплава газовой струей и центробежное распыление вращающегося электрода.
Расплав распыляется различными способами с охлаждением капель металла в воле (установки типа УРН), в инертном газе (установки типа УРС) и в вакууме (установки типа ЭЛС). Способ распыления расплава на установках типа УРН и УРС предусматривает плавление шихтовых материалов в индукционной печи, а диспергирование — в распылительном устройстве. Форма частиц зависит от вида охлаждающей среды: при охлаждении в воде частицы приобретают осколочную форму, при охлаждении в среде инертного газа — сферическую.
Помимо основных факторов — размеров гранул и условий охлаждения, на структуру гранул могут влиять особенности различных методов их изготовления, например способ получения расплава перед распылением. В случае получения гранул методом распыления расплава может иметь значение температура расплава, точнее, перегрев над температурой ликвидуса, давление газа-энергоносителя и др. При получении расплава за счет оплавления торца быстровращающейся заготовки на структуру гранул может влиять диаметр заготовки, частота ее вращения и др.
Исследование особенностей структуры гранул, полученных при различных параметрах процесса распыления расплава (температура расплава, давление газа-энергоносителя, геометрия форсунки и т.п.) показывает, что формирование структуры зависит от процесса дробления струи расплава, взаимодействия капель и затвердевших гранул разной степени дисперсности в фокусе распыления и за его пределами, т.е. в зоне охлаждения. Столкновение капель разного размера в жидком состоянии приводит к образованию существенно более крупных капель. Наблюдаются случаи столкновения жидкой капли с затвердевшей гранулой, имеющей обычно близкую к сферической форму, в результате поверхность последней становится подложкой при кристаллизации. Имеются случаи, когда кристаллизация начинается от нескольких дисперсных, ранее затвердевших гранул. Что касается гранул, полученных центробежным метолом распыления электродов, то здесь столкновения жидких капель с затвердевшими частицами наблюдаются крайне редко.
Оптимальные параметры процесса распыления при получении гранул выбирают с учетом их влияния на зеренную структуру гранул. химическую неоднородность в объеме отдельных гранул и между гранулами, дисперсность карбидных фаз.
Важной задачей используемого метода распыления является обеспечение высокой однородности состава и структуры гранул, минимального содержания кислорода и других газов.
При распылении газовой струей расплав диспергируется струями газа на микрокапли, кристаллизующиеся со скоростью 10в2—10в4 К/с в виде гранул преимущественно сферической формы.
Центробежное распыление вращающегося электрода, оплавляемого электрической дугой или плазмотроном, получившее широкое распространение в нашей стране, осуществляется на установках типа ВГУ. Высокоскоростная кристаллизация капель расплава в виде сферических гранул происходит в среде инертного газа.
Структура гранул жаропрочных никелевых сплавов типа ЖС6У и ЭП741НП характеризуется формированием ячеистых дендритов с дендритным параметром (РВО — расстояние между вторичными осями) и размером зерен (ячеек), существенно зависящими от размера гранул и охлаждающей среды. Сравнение влияния этих факторов свидетельствует о более значительном влиянии размера гранул.
В связи с этим важной характеристикой процесса распыления является распределение гранул по размерам (гранулометрический состав).
Химическая неоднородность быстрозакаленных жаропрочных никелевых сплавов развивается лишь в пределах дендритных ячеек, размеры которых в гранулах составляют от 1,5 до 8—10 мкм. Это обстоятельство затрудняет исследование дендритной ликвации в гранулах: даже в наиболее крупных гранулах (- 500 мкм) размеры ячеек не превышают 10 мкм, а размеры межосных участков при этом составляют 1—1,5 мкм.
Градиент концентрации легирующего элемента в условиях дендритной ликвации, характеризующий химическую неоднородность гранул жаропрочных никелевых сплавов, определяется отношением двух параметров: сегрегационного соотношения (СО) содержания легирующего элемента в межосном участке и и дендритной осн (что определяется коэффициентом распределения k0) и размерного параметра РВО. При скоростях охлаждения 10в3—10в4 К/с размерный параметр ликвации РВО, объем ликвации уменьшаются в значительно большей степени, чем величина СО, по сравнению с традиционным слитком. Для гранул диаметром 500 мкм сплава типа ЭП741 НП размерный параметр химической неоднородности характеризуется РВО - 1 мкм. В связи с этим градиент концентрации в гранулах значительно выше, чем в традиционном слитке. Это определяет высокую скорость гомогенизации при термической обработке гранулированных сплавов.
Структура гранул зависит также от особенностей способа их получения,
При использовании центробежного распыления вращающегося электрода имеет место некоторая химическая неоднородность гранул в пределах одной партии, что объясняется малым объемом расплава и недостаточной его гомогенизацией.
Таким образом, однородность состава гранул при центробежном распылении существенно зависит от диаметра распыляемого электрода, так как в литой структуре электрода с увеличением диаметра возрастают размеры выделений карбидной фазы, избыточной γ-фазы (от частиц карбидов размером 3 мкм при диаметре 60 мм до 30 мкм при диаметре электрода 85 мм). «Наследственный» переход карбидов при распылении вращающегося электрода ограничивает диаметр используемого слитка. Указанная неоднородность сохраняется на последующих стадиях получения изделия.
При распылении расплава газовой струей повышение степени перегрева расплава перед распылением сплава типа ЭП975П от 1650 до 1800 °С приводит к увеличению размера зерна (дендритной ячейки) от 2 до 5 мкм преимущественно в гранулах крупных фракций (-500 + 280 мкм), а в гранулах диаметром -40 мкм перегрев на размер зерна практически не влияет.
Высокая дисперсность структуры гранул сочетается обычно с высокой дисперсностью вторичных фаз. Измельчение ветвей дендритов сопровождается уменьшением размеров и продуктов кристаллизации — первичных карбидов. В гранулах сплава типа ЭП975П размером -500 + 100 мкм выделения имеют размер -1 мкм, а и гранулах -40 мкм они не обнаружены. Более интенсивное измельчение структуры гранул происходит при распылении жаропрочных никелевых сплавов в Аr—Не-газовой смеси, чем при использовании аргона. Распыление в вакууме при электронно-лучевом оплавлении вращающегося электрода приводит к резкому увеличению размера ячеек, РВО и размера карбидных частиц, выделяющихся по границам ячеек.
Производство гранул высоколегированных жаропрочных сплавов, в том числе ииконель-100, удимет-700, астролой, метолом распыления расплава инертным газом осуществляется на фирмах Pratt and Whitney, Henry Wiggin и др. Дисперсность гранул составляет 40-250 мкм, содержание кислорода 0,005 %.
Для небольших объемов производства за рубежом применяется метод вращающегося электрода. Фирма Wittaker Corporation производит этим способом порошки с содержанием кислорода - 0,006 %.
Перспективным направлением повышения свойств быстрозакаленных никелевых сплавов является увеличение скорости охлаждения до ~ 10в6 К/с за счет применения методов сверхбыстрого затвердевания (RSR- методов).
Скорости охлаждения выше используемых в настоящее время в металлургии гранул 10в3—10в4 К/с обеспечивают дальнейшее повышение однородности состава и структуры, а также создают дополнительные возможности по разработке новых композиций сплавов.
В этих условиях имеет место переход от дендритной к микрокристаллической структуре гранул, снижается степень развития ликвации, формируется более однородная и гомогенная структура, наблюдается существенное повышение температуры солидуса, что является важным фактором улучшения высокотемпературных свойств.
Рост скорости охлаждения при кристаллизации до 10в6 К/с и выше сопровождается образованием аномально пересыщенных твердых растворов и позволяет перейти к новому классу сплавов с максимально высоким уровнем легирования и необычно высоким содержанием упрочняющей γ-фазы (до 80 %). Эти сплавы имеют более высокую температуру плавления, чем обычные гранулированные никелевые сплавы, что сопровождается расширением области гомогенности и создаст благоприятные условия для их термообработки.
Для сплава на основе никеля, содержащего 9 % Аl, 9 % Сr, 9 % W, достигнуто увеличение рабочей температуры на 85 °С при высоких значениях прочностных характеристик и высокой жаростойкости.