Получение никелевых сплавов

Когда говорят про никелевые сплавы, часто представляют ровные слитки с идеальной структурой — на практике же даже легирование молибденом в индукционной печи может дать неоднородность по сечению, если не контролировать скорость охлаждения. В нашей практике на ООО 'Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии' столкнулись с тем, что многие технологи недооценивают влияние даже 0,01% примесей серы на пластичность сплавов типа хастеллой — отсюда и пошли наши эксперименты с вакуумным переплавом.

Подготовка шихты и скрытые проблемы

Начинали с катодного никеля марки Н0, но быстро поняли: декларируемые 99,98% чистоты не гарантируют отсутствие микропримесей вроде висмута. Пришлось вводить дополнительную прокалку в водородной среде — иначе при последующей прокатке ленты появлялись микротрещины. Кстати, именно тогда мы отказались от стандартных поставщиков в пользу сырья с Уральских месторождений, где меньше проблем с оксидными включениями.

С легирующими — история отдельная. Например, хром добавляли в виде феррохрома, но при содержании выше 20% в сплаве начиналась сегрегация по границам зёрен. Перешли на электролитический хром, хотя это удорожало процесс на 15%. Зато смогли добиться стабильных показателей коррозионной стойкости для выпускаемых нами лент из чистого никеля.

Самый неприятный случай был с партией никель-медь-кремниевого сплава — при плавке в индукционной печи с обычной футеровкой кремний активно взаимодействовал с магнезитом. Пришлось экстренно переходить на циркониевые тигли, хотя изначально их не планировали использовать для таких объёмов.

Особенности легирования и структурные аномалии

С алюминиевыми добавками — отдельная головная боль. Казалось бы, стандартная схема: никель + 2% алюминия = улучшение жаропрочности. Но при содержании алюминия выше 1,8% в структуре появляются хрупкие фазы Ni3Al, которые при прокатке дают расслоение. Пришлось разрабатывать ступенчатый режим нагрева перед деформацией — сначала 850°C, потом резкий подъём до 1150°C.

С медными системами работали много — особенно для электротехнических сплавов типа константана. Здесь главной проблемой стала летучесть марганца при вакуумной плавке. Пришлось менять последовательность введения компонентов: сначала никель-медь, потом перегрев до 1300°C, и только затем — ферромарганец. Кстати, этот опыт позже пригодился при освоении производства марганцово-медных сплавов.

Интересный эффект наблюдали при легировании титаном — казалось бы, классика для жаропрочных сплавов. Но при содержании титана более 2,5% и одновременном присутствии углерода выше 0,03% начиналось интенсивное образование карбидных сеток. Решение нашли в двухстадийном отжиге: сначала 1100°C для растворения карбидов, затем быстрое охлаждение до 750°C и выдержка 8 часов.

Проблемы деформации и термической обработки

При прокатке никелевых лент толщиной менее 0,1 мм постоянно сталкивались с эффектом 'рыбьей чешуи' — микроотслоениями по краям. Оказалось, причина в слишком высокой скорости деформации на финишных проходах. Снизили с 15 м/с до 7 м/с — дефект исчез, но производительность упала. Пришлось компенсировать за счёт оптимизации режимов отжига.

Отжиг — отдельная тема. Для бескислородной меди отработан идеальный режим, а вот с никелевыми сплавами пришлось экспериментировать. Особенно с системами, содержащими бериллий — там вообще нельзя допускать окисления, иначе образуются тугоплавкие оксиды. Использовали атмосферу азота с 5% водорода, но это требовало дополнительной очистки газа от кислорода.

Самый сложный случай был с крупногабаритными прутками из титановых сплавов — при отпуске после закалки возникали остаточные напряжения, вызывающие искривление. Решили проблему за счёт ступенчатого охлаждения: от температуры отпуска сначала медленно до 400°C, потом ускоренно до 200°C.

Контроль качества и типичные браки

Ультразвуковой контроль выявлял неплотности в прутках диаметром более 80 мм — оказалось, виной слишком высокая скорость кристаллизации в изложницах. Перешли на непрерывную разливку с электромагнитным перемешиванием — дефект снизился на 70%. Но при этом появились проблемы с макроструктурой в верхней части слитка.

С лентами тоньше 0,05 мм вообще отдельная история — классические методы контроля не работали. Разработали собственную методику с использованием вихревых токов повышенной частоты. Кстати, этот опыт потом пригодился при внедрении контроля медных композитных материалов.

Химический анализ — вечная проблема. Атомно-эмиссионная спектрометрия давала погрешность по кобальту до 0,005%, что критично для некоторых марок. Перешли на масс-спектрометрию с индуктивно-связанной плазмой, хотя это и увеличило стоимость контроля на 25%.

Перспективные направления и текущие эксперименты

Сейчас пробуем легирование рением для повышения жаропрочности — очень дорогое удовольствие, но для аэрокосмической отрасли оправданное. Проблема в том, что рений резко повышает температуру рекристаллизации, что усложняет последующую обработку давлением.

Интересные результаты получили по сплавам системы Ni-Cr-W с добавкой лантана — микроскопические добавки (0,03%) резко улучшили окалиностойкость. Но возникли сложности с равномерным распределением лантана по объёму слитка — при обычном перемешивании он оседал на дно тигля.

Экспериментируем с медно-никель-кремниевыми системами для электротехники — пытаемся добиться стабильного электросопротивления при сохранении высокой пластичности. Пока лучшие результаты даёт закалка с 950°C в масло с последующим отпуском при 450°C в течение 4 часов.

Из последнего — начали пробовать нанесение функциональных покрытий на никелевую основу, особенно для изделий работающих в агрессивных средах. Но пока сталкиваемся с проблемой адгезии при термоциклировании — покрытие отслаивается после 50-60 циклов нагрев-охлаждение.