Влияние последовательности присадки легирующих на свойства сплава ХН55ВМТКЮ, выплавленного по схеме ОИП + ВДП

Сплав ХН55ВМТКЮ (ЭИ929) рекомендован для изготовления лопаток газовых турбин с длительным сроком службы при различных температурах [1]. Поиск экономически оправданных путей повышения уровня механических свойств этого и подобных сплавов в условиях эксплуатации (при температурах порядка 700...950°C) - актуальная задача, решению которой посвящена настоящая работа.

Механические свойства сплава в значительной степени определяются составом, количеством и характером распределения неметаллических включений. В ходе работы при помощи растрового электронного микроскопа JEOL JSM-6460LV, оснащенного дисперсионно-энергетическим спектрометром фирмы «Oxford Instruments» для проведения количественного рентгеноспектрального микроанализа, исследованы шлифы образцов сплава ХН55ВМТКЮ, прошедшего пластическую деформацию.

Определённый (по данным микрорентгеноспектрального анализа) средний состав металла вполне соответствует заявленной марке: А1 - 4,32, Ti - 1,89, V - 0,3 3, Сг - 10,69, Ее - 0,69, Со - 12,82, Ni - 58,71, Мо - 5,54, W - 5,02 мае. %.

Исследованные образцы содержат два типа неметаллических включений, которые по данным микрорентгеноспектрального анализа могут быть идентифицированы как нитриды титана (первый тип включений) и карбиды с повышенным содержанием молибдена и вольфрама (второй тип). Микрофотографии, иллюстрирующие особенности расположения этих включений, представлены на рис. 1,2 и 3.

Включения первого типа (на фотографиях они имеют чёрный цвет) изометричны, имеют размер порядка 10 мкм и ниже. Встречаются по одному или небольшими группами. Связь расположения таких включений с границами зёрен металла не прослеживается. Составы (в ат. %) включений данного типа, определённые по данным микрорентгеноспектрального анализа:

[NJ-45...56;

[Ti]-41,5...45;

[№]-!...5;

[Cr] - 0,4...4,0;

[WJ- 0,13. ..0,44;

[Со]-0,00...1,16;

менее процента V, Mo, А1, Ее.

Из этих данных можно заключить, что включения первого типа - частицы TiN с небольшим количеством примесей.

Серия «Металлургия», выпуск 12

w со

Lh SO К) Ох	р "so о	о Lh	4^ Lh 00	4^ 00 so	4x	4X p "so	О
SO ьэ	р о	ЬЭ ЬЭ 4х О	о 4^ Ох	ьэ 4х	p Ui	О 4X 00	^ о,
Lh S	р 04 so	р	р "lu ЬЭ	4^ Ox LU	Lh bJ 4^	LU	3
р о Ох	00	"so	ьэ 00 00	Ю LU	N> p 00 so	K) p "so LU	в
04 ui о	р 6	Ox 6	04	00 bJ Ю	p 04	"so LU	p
-U ЬЭ 4^	р 00 4^	р о	Lh so 00	Ox LU	P 04 so	P	о о,
О SO 40	р 00 so	р 00 so	LQ	4x О	o	LU 00	Н
s!	uj	о	Р Lh	P Lh Lh	p bJ 04	p s
о	о	о	О	О LU Lh	p LU so	p LU Lh	ч
о	о Ох LU	р	О	О	о	О	2

определённый на чистых от включений участках, представлен в табл. 2.

Для выплавки сплава ХН55ВМТКЮ рекомендуется [1] использование открытых индукционых печей (ОИП) с последующим применением вакуумного дугового переплава (ВДП). Очевидным направлением увеличения уровня полезных свойств сплава является видоизменение процесса его выплавки.

Полученные результаты металлографического исследования позволяют сделать вывод о том, что карбидные включения оказывают более сильное влияние на свойства сплава, чем нитридные. Несмотря на то, что включения обоих видов, очевидно, образуются на стадии выплавки металла в ОИП, именно карбидные включения располагаются по границам зёрен сплава и оказывают влияние на его жаропрочность. Нитридные включения рассредоточиваются в объеме зёрен металла.

Меняя порядок присадки легирующих элементов, можно оказать влияние на процесс карби-дообразования, что должно сказаться на потребительских свойствах металла. В пользу этого предположения говорит разработанный ранее способ выплавки сплавов на основе никеля с присадкой металлического хрома в расплав [3,4]. По этой технологии на сплаве ХН75МБТЮ получили повышение технологической пластичности и длительной прочности, а на сплаве Х20Н80 рост пластичности сопровождался увеличением живучести. .

Целью следующего этапа настоящей работы стало изучение влияния порядка присадки легирующих в ОИП на длительную прочность и механические свойства сплава ХН55ВМТКЮ после ВДП.

Выплавку сплава ХН55ВМТКЮ в открытой индукционной печи (ОИП) проводили по действующей технологии сплавления свежих материалов и собственных отходов по трем вариантам:

1)в завалку загружали отходы, никель, кобальт, вольфрам, металлический хром. В конце плавления добавляли в следующей последовательности феррованадий, молибден, алюминий и титан;

• 2)    в завалку - отходы, никель, кобальт, вольфрам, в конце плавления - феррованадий, молибден, алюминий, титан и хром;

• 3)    в завалку - отходы, никель, кобальт, вольфрам, хром, в конце плавления - феррованадий, алюминий, титан и молибден.

Таким образом, второй вариант отличается от первого (базового) тем, что хром добавляется в конце легирования, а не находится в завалке. Третий вариант выплавки отличается от первого очерёдностью присадки молибдена.

Разливку металла осуществляли на МПНЛЗ в кристаллизатор - круг диаметром 120 мм. Переплав электродов в ВДП проводили по действующей технологии на заготовку - круг диаметром 160 мм. Прокатку слитков на сортовую заготовку проводили на круг диаметром 38 мм. Изучение и контроль металла проводили в готовом сорте -круг диаметром 38 мм.

Химический состав образцов сплава после ВЦП приведен в табл. 3.

Механические свойства и длительная прочность сплава ХН55ВМТКЮ приведены в табл. 4.

Основной режим термообработки при испытании длительной прочности включал: нагрев до

Таблица 2

Результаты определения состава металла, свободного от включений (мае. %)

[А1]	[П]	[V]	[Сг]	[Fe]	[Со]	[Ni]	[Мо]	[W]
4,25	1,83	0	10,18	0,79	13,10	58,54	5,60	5,69
4,40	1,51	0,54	10,57	0,58	13,02	58,85	5,47	5,06
4,35	1,24	0	10,32	0,72	13,30	58,42	5,44	6,20

Таблица 3

Химический состав сплава ХН55ВМТКЮ

Вариант технологии	Содержание элементов, мае. %
	[С]	[А1]	ГП]	[V]	[Сг]	[Fe]	[Со]	[Ni]	[Мо]	[W]	[Si]	ЕР]	[S]
1	0055	43	1,99	озз	10,68	0,70	12,87	58,73	534	5,16	0,45	0,013	0,008
2	0,062	436	1,91	0,44	10,80	0,62	11,09	58,75	5,78	538	0,48	0,014	0,007
3	0,065	432	1,89	озз	10,69	0,69	12,86	58,70	534	5,02	0,50	0,015	0,009

Таблица 4

Механические свойства и длительная прочность сплава ХН55ВМТКЮ

Вариант технологии	Количество плавок, шт.	Длительная прочность, м2	Механические свойства при 950 °C
		Температура 900 °C, а = 2711 кДж/м2	ав, МПа	а, %	^,%
1	2274	72,7	70953	18,85	29,9
2	6	79,2	7134,4	18,18	30,5
3	6	82,3	7114,8	22,3	31,4
Нормы по ТУ		70	5684	8	12

Ощепков Б.В., Жильцова Т.А.

Влияние последовательности присадки легирующих на свойства сплава ХН55ВМТКЮ...

1220 °C, выдержку в течение двух часов, охлаждение на воздухе; нагрев до 1050 °C в течение четырёх часов, охлаждение на воздухе; старение на воздухе при 850 °C в течение 8 часов.

Из представленных результатов видно, что изменение порядка присадки легирующих в ОИП коррелирует с улучшением свойств металла после ВДП. Однако роль легирующих элементов не одинакова. Изменение порядка присадки молибдена сказывается на свойствах металла сильнее, чем изменение способа добавления хрома в сплав.

Выводы

• 1.    Проведено исследование состава, формы, характера расположения неметаллических включений в образцах сплава ХН55ВМТКЮ.

• 2.    Экспериментально изучено влияние порядка присадки легирующих элементов, присаженных в открытую индукционную печь (ОИП) на свойства высокопрочного сплава ХН55ВМТКЮ, выплавленного по схеме ОИП + ВДП.

• 3.    Установлено, что присадка металлического хрома и металлического молибдена при выплавке в ОИП в расплав (после введения алюминия и титана) положительно влияет на длительную прочность и другие механические свойства сплава ХН55ВМТКЮ в готовом сорте (после ВДП).

• 7.    Масленков, С.Б. Жаропрочные стали и сплавы: справочное издание / С.Б. Масленков. - М.: Металлургия; 1983. -192 с.

• 2.    Choi, J. Non-equilibrium synthesis of Fe-Cr-C-Walloy by laser cladding/ J. Choi, J. Mazumder // Journal of materials science. - 1994. - V. 29. -P. 4460-4476.

• 3.    Ощепков, Б.В. Совершенствование технологии производства сплава ХН75МБТЮ в электропечах / Б.В. Ощепков // Сталь. - 2002. -№ 5.-С. 27-29.

• 4.    Разработка технологии производства сплава Х20Н80 с повышенной пластичностью и живучестью / Б.В. Ощепков, Е.А. Трофимов, Б.И. Леонович, А. В. Григорук // Сталь. - 2008. - № 8. -С. 43-46.

Работа проведена по научной программе Федерального агентства по образованию - «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», код проекта - 713 и при поддержке РФФИ, гранты №№ 07-08-12092 и 08-08-00416.