Литье никелевых сплавов

Когда говорят про литье никелевых сплавов, часто представляют что-то вроде обычной стали, только 'покруче'. На деле же даже никелевый лом разной партии может дать расхождение по селену до 0.003% - а этого уже хватит, чтобы при литье турбинных лопаток пошли трещины по границам зёрен. Мы в ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' через это проходили, когда брали сырьё с разных металлобаз.

Что не так с никелевыми сплавами

Вот смотрите: все учебники твердят про жаропрочность никелевых сплавов, но никто не пишет, как поведёт себя сплав Нимоник 90 при резком охлаждении в зоне выпотевания. А ведь именно там потом появляются риски, которые при вихревом контроле выдают ложный сигнал. Приходится либо переплавлять заготовку, либо пускать в обдирочку - теряем до 15% металла.

Наш технолог как-то пробовал добавлять в шихту ленту из чистого никеля от собственного производства - думал, выровняет химию. Но без предварительного отжига при 850°C никелевая лента давала газовыделение, в сплаве появлялись раковины. Пришлось отказаться, хотя идея казалась логичной.

Сейчас работаем над модификацией сплава на основе хром-циркониевой меди для литейных форм - пытаемся снизить пригар в зонах тонких сечений. Пока результаты нестабильные: на трёх отливках всё идеально, на четвертой появляется сетка трещин. Видимо, влияет скорость охлаждения сердечника.

Проблемы с газонасыщением

Заметил интересную вещь: когда используем титановые сплавы в качестве легирующей добавки, нужно строго контролировать влажность в цехе. Даже 80% влажности против обычных 60% дают увеличение водорода в расплаве на 20-30%. Проверяли на сплаве ЭИ437Б - без вакуумирования вообще невозможно работать.

Как-то раз получили партию никелевого сплава с содержанием алюминия под 4.5% - вроде бы в допуске. Но при литье крыльчаток насосов поверхность отливок пошла 'апельсиновой коркой'. Оказалось, проблема в соотношении алюминия и титана - когда их сумма превышает 6.2%, начинается сегрегация по границам зёрен. Теперь всегда считаем этот параметр дополнительно.

Вакуумные печи конечно спасают, но и там есть нюансы. Например, при литье жаропрочных сплавов для авиации часто используем керамические фильтры. Но если фильтр прогреется выше 1500°C, начинается взаимодействие с оксидами никеля - получаем включения в готовой отливке. Пришлось разрабатывать собственную методику подогрева фильтров.

Реальная металлургия против теории

В теории все красиво: подобрал состав - расплавил - разлил. На практике же каждый раз ловишь себя на мысли, что литье никелевых сплавов больше напоминает алхимию. Вот пример: для сложнопрофильных отливок типа направляющих аппаратов иногда специально вводим микропримеси серы - около 0.008%. Это улучшает обрабатываемость, но требует ювелирного контроля, чтобы не превысить лимит.

С бериллиевой бронзой вообще отдельная история - там нужно выдерживать скорость кристаллизации в узком диапазоне. Слишком быстро - получаем внутренние напряжения, медленно - крупнозернистость. Нашли компромисс через комбинированное охлаждение: сначала воздушная завеса, потом водяной туман.

Кстати, про охлаждение: многие недооценивают влияние материала изложниц. При переходе с графитизированных на медные с покрытием сразу получили прирост в стабильности геометрии отливок. Но и здесь палка о двух концах - медь требует более тщательной подготовки поверхности, иначе начинается пригар.

Технологические хитрости

Для ответственных отливок типа роторов ГТД давно перешли на комбинированные литниковые системы. Верхний прибыток делаем из теплоизоляционных материалов, нижний - экзотермический. Это позволяет направленно кристаллизовать массивные узлы без усадочных раковин.

Но и это не панацея. Как-то пришлось переделывать партию из 12 отливок из-за того, что в экзотермической смеси сменили поставщика оксида железа. Новый содержал следы меди - это привело к местному перегреву и оплавлению кромки прибытка.

Сейчас экспериментируем с компьютерным моделированием процессов кристаллизации. Пока программа не может учесть все нюансы, например, как поведет себя сплав при наличии локальных зон перегрева в 20-30°C. Приходится дополнять модели практическими поправками.

Контроль качества - где подвох

Ультразвуковой контроль - вещь хорошая, но он не видит диффузионные поры размером меньше 50 мкм. А именно они становятся очагами разрушения при циклических нагрузках. Для особо ответственных деталей внедрили рентгеноструктурный анализ с построением карт напряжений.

Заметил, что после механической обработки часто проявляются дефекты, не видимые при первоначальном контроле. Особенно это касается отливок из сплавов типа Инконель 718 - там остаточные напряжения после литья могут достигать 300 МПа. Теперь обязательно проводим отжиг перед чистовой обработкой.

Самое обидное - когда брак выявляется на финишной операции. Как в прошлом месяце: при нанесении защитного покрытия на лопатку турбины проявилась сетка микропор. Пришлось разбираться - оказалось, виноват перегрев сплава на 25°C выше расчетного при литье. Всего 25 градусов - а результат плачевный.

Перспективы и тупики

Сейчас много говорят про 3D-печать металлом, но для серийного литья никелевых сплавов это пока дорого и медленно. Хотя для опытных образцов иногда используем - когда нужно быстро проверить геометрию литниковой системы.

Интереснее направление - комбинированные методы. Например, литье с последующей прокаткой или прессованием. Для изделий типа теплообменных труб это даёт прирост в стойкости к термоциклированию на 30-40%. Особенно эффективно для сплавов на основе монеля.

Но есть и тупиковые ветки. Пытались внедрить лазерное легирование поверхности отливок - в теории должно улучшить износостойкость. На практике получили непредсказуемое распределение легирующих элементов по глубине. Отказались, хотя потратили на эксперименты почти полгода.

Выводы которые нигде не прочитаешь

Главный вывод за 15 лет работы: не бывает идеальных технологий литья, есть оптимальные для конкретных условий. То, что работает для производства ленты из чистого никеля, совершенно не подходит для крупных отливок из жаропрочных сплавов.

Ещё важно понимать, что даже самая совершенная технология не компенсирует некачественное сырьё. Мы в ООО 'Сучжоу Ляньсинь' поэтому строго контролируем каждую партию шихты - своя лаборатория хоть и дорогое удовольствие, но экономит нервы и деньги.

И последнее: в литье никелевых сплавов мелочей не бывает. Разница в 10°C при заливке, 0.5% влажности формовочной смеси или 2 минуты выдержки - всё это влияет на результат. Научиться этому можно только через практику, причём желательно на собственных ошибках.