Особливості ливарного процесу

Отримання розтопу жароміцного стопу для литва проводиться в спеціальній вакуумній камері. Потім в камеру при залишковому тиску повітря 10^-3мм.рт.ст. вводиться заздалегідь підігріта виливниця і виконується заливка рідкого стопу. Для заливки стопу створюють систему з літниковими каналами, живильниками, стояками і воронкою, які з великою точністю розміщені по відповідним місцям для управління течією і твердінням металу. Після заливки для формування "прибуткової частини" вводиться екзотермічний підживлюючий матеріал і виливниця охолоджується. При литві жароміцних стопів найголовніша мета - із заданою точністю забезпечити проектну форму і розміри відливок, а також оптимальний рівень властивостей. Останнє досягається управлінням бездефектністю (суцільністю) відливок, конфігурацією її зерен, особливостями мікроструктури і чистотою по неметалевим включенням. Суцільність залежить від того, наскільки інтенсивно подається розтоплений метал до міждендритних областей в тій частині відливки, де кристалізація вже відбувається. Краща суцільність досягається при умові, коли процес твердіння закінчується в області системи живлення, за межами відливка, що вже сформувався. Суцільність відливка залежить від температури: чим вище температура виливниці і металу, тобто чим нижче швидкість твердіння, тим більш суцільна відливка.

Поява мікроусадкових раковин у відливках пов'язана із термоусадкою стопів після затвердівання. Бажано, щоб у відливках, призначених для високонавантажених деталей, мікроусадкова раковина була відтіснена до вісі відливка; в цьому випадку її можна заварити за допомогою гарячого ізостатичного пресування. Вісьова усадкова раковина виникає в тому випадку, коли температура виливниці нижче за температуру солідус стопу; в цих умовах фронт кристалізації рухається до середини відливка. Теплові потоки формуються під впливом розташування літникової системи і стрижнів, а також під впливом змін в розмірах поперечного перетину відливка. Мікроусадкова пористість може допускатися, але вона повинна бути рівномірно розподілена і не перевищувати 0,5 % (у металографічній оцінці), щоб уникнути помітного погіршення механічних властивостей. З наростанням усадкової мікропористості характеристики довготривалої міцності погіршуються більше при проміжних (близько 760°С), ніж при високих температурах. Зменшення пластичності і чутливість до надрізу, як результат пористості, виявляються при знижених температурах.

Важливим засобом для досягнення і підтримки необхідних механічних і фізичних властивостей є управління розміром зерен. Необхідно, щоб в поперечному перетині була присутня достатньо велика кількість рівновісьових зерен різної кристалографічної орієнтації, проте досягти цього в тонких перетинах дуже важко. Тому підбирається певне покриття лицьової поверхні ливарної форми, температура виливниці та розтопу і інші параметри, що прискорюють зародження і кристалізацію зерен.

Створенням дрібнозернистої структури зазвичай поліпшують опір втомі і повзучості при знижених і проміжних температурах. Подрібнення зерна за рахунок відносно швидкої кристалізації супроводжується більш рівномірним розподілом виділень частинок g'-фази і схильністю до формування масивних коагульованих карбідних частинок. Така форма карбідних частинок не сприяє розвитку втомних явищ на відміну від карбідів у формі ієрогліфів.

Повільне затвердівання і охолодження дозволяє отримати крупне зерно в процесі кристалізації і крупніші виділення частинок g'-фази в процесі охолодження, що забезпечує підвищення високотемпературної довготривалої міцность. Таке підвищення є результатом зменшення загальної довжини меж зерен, але при цьому відбувається розкид властивостей внаслідок безладної кристалографічної орієнтації зерен. Отримати оптимальну мікроструктуру в турбінних лопатках досить складно, оскільки перо лопатки, що працює при високій температурі, потребує крупного зерна, а масивніша коренева частина лопаток, що нагрівається до менших температур, повинна мати дрібнозернисту структуру. Оптимальне сполучення розмірів зерен досягається за допомогою літникових каналів вздовж кромок пера; потік розтопу, що подається по цим каналам, забезпечує навмисне спотворення термічних напружень і дозволяє локально знизити швидкість кристалізації. Таку ж роль відіграють стрижні в порожнистих лопатках.

Литво більшості жароміцних стопів проводиться у вакуумі, щоб уникнути окислення присутніх в їх складі хімічно активних елементів. На повітрі відливають деякі стопи на кобальтовій основі, для цього використовують індукційні печі або дугові печі з непрямим нагріванням. Відливки зі стовпчастою або монокристалічною структурою отримують з охолодженням на відповідному обладнанні, що забезпечує спрямовану кристалізацію.

Після литва жароміцні стопи піддаються тепловій обробці. Її мета - усунути мікроусадкові раковини і підвищити характеристики міцності стопів.

Мікроусадкова раковина усувається гарячим ізостатичним пресуванням. Обирається гранично висока температура, нижче за температуру топлення, але, якщо можливо, вище за температуру сольвус для g'-фази. Більшість жароміцних стопів нагріваються до 1200-1220 °С при тиску 10² МПа. За таких умов достатньо витримки протягом 4-х годин для завершення обробки. Якщо в стопі міститься гафній, точка топлення знижена, і температура нагрівання знижується до 1185 °С при відповідному підвищенні тиску до 174 МПа. Застосування гарячого ізостатичного пресування значною мірою знижує розкид в характеристиках довготривалої міцності. Це зниження найістотніше при проміжних температурах, коли роль пористості, як джерела локальної концентрації напружень, особливо значна. Відповідно, поліпшуються характеристики втомної міцності. Термічна обробка, що складається з гомогенізації і старіння жароміцних стопів, дозволяє звести до мінімуму розкид властивостей і поліпшити усі характеристики довготривалої міцності.

Ливарні дефекти

До основного дефекту при литві за витопними моделями відноситься деформація і руйнування керамічних стрижнів та вихід стрижнів на поверхню. До дефектів жароміцних стопів, що зазвичай з’являються у відливках, також відносяться неметалеві включення, гарячі надриви (тріщини), неслітіни і деякі мікроструктурні особливості, властиві певним системам стопів.

Неметалеві включення виявити легше, ніж інші дефекти. Такі включення можуть з’явиться в процесі виготовлення стопу, перетопу або в результаті викришування покриття на контактній поверхні виливниці. В процесі роботи з деякими стопами, особливо стопами, що містять гафній, різновидом включень може стати окалина або залишки шлаку. Визначити джерело дефекту можна за хімічним складом включень, отриманого за методом рентгеноспектрального мікроаналізу.

Гарячі надриви створюються тоді, коли виливниця при високих температурах примушує відливок пластично деформуватися, так що метал ледве закристалізовувавшись, фрагментується. Цей процес розвивається для певної геометрії деталі (наприклад, коли її форма передбачає сполучення тонких і товстих перетинів), а причиною є значна різниця характеристик термічного розширення матеріалів стрижня і виливниці. Зазвичай надриви прив'язані до поверхні відливок. Вони виявляються за допомогою люмінесцентного контролю.

Неслітіни виникають, коли два потоки розтопленого металу, що заливається в виливницю, зустрічаються, але не вступають в металевий зв’язок один з одним, тому що їх розділяють тонкі оксидні плівки; в цих умовах метал по обидві сторони цієї поверхні розділу кристалізується незалежно. Виявити цей дефект дуже складно.

Існує ряд небажаних фаз, які можуть виділитися в процесі кристализації. До них відносяться так звані топологічні щільнопаковані фази, які зазвичай виділяються в зонах відливок, що затвердівають в останню чергу. Поява цих фаз погіршує характеристики довготривалої міцності. Щоб подавити цю схильність необхідно оптимізувати хімічний склад стопу. Звести до мінімуму присутність фаз Лавеса в деяких стопах вдається гомогенізацією, тривалість якої визначається фактичним ступенем ліквації.

Службові характеристики багатьох деталей визначаються розміром зерен. Стосовно пера лопаток може бути визначений мінімальний, і максимальний припустимий розмір зерен. Існує тенденція до утворення «гартівного» зерна в тонких кромках лопаток. Це надзвичайно дрібне зерно, яке позбавлене характерних ознак, властивих дендритній структурі. Тим самим локальний опір матеріалу повзучості в таких місцях істотно знижується. Аналогічним чином стовпчасті зерна, що зростають від ведучої до веденої кромок лопатки негативно впливають на втомну довговічність деталі. Проблема відхилень в характері мікроструктури від оптимальних значень вирішується відладкою параметрів литва і розташуванням літникових живильників.