Обеспечение высокого качества литых заготовок современных сложнолегированных жаропрочных никелевых сплавов

Все процессы дегазации вакуумированием основаны на законе Сивертса, показывающем зависимость содержания газа в растворе от его давления над расплавом: [Г] = kрг₂. По существу, вакуумирование происходит при простой выдержке приготовленного расплава. В самом деле, если при открытой плавке использовались недостаточно хорошо просушенные материалы или, например, катоды меди или никеля, насыщенные при электролизе водородом, то в расплаве окажется какое-то количество растворённого водорода [Н], для которого равновесное давление будет равно р_Н2 = [Н]²/k². При выдержке такого расплава в атмосфере сухого воздуха, где парциальное давление водорода практически равно нулю, должен неизбежно пойти процесс перехода водорода из расплава в атмосферу. Этим явлением иногда пользуются для удаления большого избытка водорода из расплавов.

Процесс дегазации расплавов вакуумированием осуществляется созданием над расплавом разрежения или помещением расплава в специальную камеру с остаточным давлением 10–1000 Па. В таких условиях расплавы, содержащие газы, «закипают», в них образуются пузыри водорода, азота, монооксида углерода, которые всплывают на поверхность и создают видимость кипения. Этот процесс сопровождается активным падением содержания растворённых газов. Через несколько минут «кипение» прекращается, одновременно заканчивается активное снижение содержания газов [1].

С целью повышения эффективности процессов рафинирования и дегазации жаропрочных сплавов при осуществлении вакуумно-индукционной плавки в нашей стране и за рубежом были опробованы различные перспективные технологии.

Преимущественной задачей при вакуумно-индукционной плавке является не допустить окисления активных легирующих элементов типа Al, Ti, Zr и Hf. В дополнение к этому необходимо обеспечить испарение вредных летучих элементов типа висмута, свинца и селена, которые присутствуют обычно в сырье и которые существенно снижают механические свойства в жаропрочных сплавах.

На содержание оксидов и нитридов в плавке влияют:

1) используемые для плавки шихтовые материалы;

2) реакции, которые могут произойти в течение времени, пока материал находится в тигле.

В вакуумно-индукционной плавке, где используются первичные шихтовые материалы, общей практикой является рафинирование неактивных элементов (Ni, Со, Cr, Mo, W, Та и т. д.), прежде чем вводятся активные элементы (Ti, Al, Hf, Zr), которые легко поглощают растворённый кислород и образуют оксиды (Al₂O₃, HfO, ZrO₂) и нитриды (TiN).

Удаление кислорода из металла в вакууме может происходить различными путями: а) путём раскисления металла углеродом, водородом, металлическими раскислителями; б) путём всплывания неметаллических и окисных включений; в) путём испарения летучих окислов; г) путём непосредственного выделения в газовую фазу [2].

Удаление кислорода является относительно простой задачей, пока в сплаве не присутствуют активные элементы. Раскисление производится углеродом, взаимодействующим с кислородом и вызывающим удаление образовавшегося СО. Уровень кислорода, который может быть достигнут, не соответствует рассчитанному по равновесной реакции. Конкурирующие условия, такие как кинетика перемещения СО и образование кислорода из материала тигля, воздействуют на уровень концентрации кислорода, который может быть достигнут при раскислении.

Точно так же азот может быть эффективно удалён вакуумной дегазацией, пока в расплав не введены сильные нитридообразующие элементы. Это справедливо, например, для титана, после введения которого дальнейшая вакуумная дегазация азота происходит чрезвычайно медленно.

Раскисление металла водородом

С термодинамической точки зрения применение водорода для раскисления металла в вакууме не имеет преимуществ по сравнению с его использованием в открытой плавке. На реакцию раскисления

H_2(r) + [O] = H₂O_r, (2)

снижение давления не оказывает влияния и не приводит к смещению равновесия. Однако при помощи водорода удаётся значительно снизить содержание кислорода в металле. Особенностью применения водорода в вакуумных печах является то, что после обдувки или продувки металла водородом снижение давления обеспечивает полное удаление водорода из металла.

Особое значение применение водорода для раскисления имеет при производстве безуглеродистых и низкоуглеродистых сплавов, когда применение углерода не может быть рекомендовано из-за опасности загрязнения металла углеродом. По сравнению с раскислением углеродом раскисление водородом требует большего времени для достижения тех же минимальных концентраций кислорода.

Водород в вакуумной индукционной плавке используется для обдувки поверхности металла или продувки его. В первом случае раскисление идёт только с поверхности ванны, и скорость этого процесса определяется скоростью подвода водорода к поверхности металла, которая имеет малую величину; в случае продувки металла раскисление должно происходить значительно быстрее [2].

Раскисление металлическими раскислителями