В отличие от жаропрочных сплавов, отливаемых методом равноосной кристаллизации, при которой имеет место объёмная кристаллизация и, соответственно, большая протяжённость границ зёрен, при получении монокристаллических отливок, в которых границы зёрен отсутствуют, кристаллизация расплава происходит однонаправленно – в направлении теплового потока; при этом примеси концентрируются перед плоским фронтом кристаллизации и нарушают его устойчивость, что приводит к появлению дефектов в монокристалле [11].
Таким образом, жаропрочные сплавы с монокристаллической структурой более чувствительны к примесям, чем сплавы с равноосной структурой, что связано с особенностями их структурообразования.
Удаление водорода и азота
Большой интерес представляет механизм удаления водорода и азота из жидкого металла. При рассмотрении выделения из жидкого металла в вакууме необходимо учитывать газовыделение через стенки тигля.
В работе [2] представлена следующая схема удаления водорода и азота из жидкого металла:
1. Перенос растворённых атомов азота или водорода в объёме жидкого металла, включающий массопередачу, благодаря конвективным потокам и диффузии через непромешиваемый слой на границе раздела фаз. Перенос атомов азота и водорода осуществляется из объёма металла к границам раздела: металл – футеровка, металл – газовая атмосфера над металлом, металл – газовые пузырьки, находящиеся в металле.
2. Адсорбция атомов азота и водорода в поверхностном слое:
3. Рекомбинация адсорбированных атомов азота и водорода на поверхности раздела в газовые молекулы по реакции:
Надс + Надс = Н2адс; Nадс + Nадс = N2адс.
4. Десорбция газовых молекул.
5. Отвод молекулярного азота и водорода в газовую фазу, в т. ч. всплывание пузырьков в металле, отвод газа от поверхности металла в результате работы вакуумных насосов.
Повышение температуры и понижение давления в печи значительно ускоряют процесс дегазации и обеспечивают достижение более низких остаточных содержаний водорода и азота.
Более низкое значение скорости дегазации в алундовом тигле по сравнению с магнезитовым объясняется тем, что алундовый тигель более плотный, дегазация идёт преимущественно с поверхности ванны, в то время как при плавке в магнезитовом тигле газ может уходить и через его стенки.
Необходимо считаться и с тем, что наличие в металле хрома, ванадия, ниобия, титана понижает коэффициент активности азота в расплаве и тем самым прочнее связывает азот в растворе. С другой стороны, присутствие углерода и кремния повышает активность азота и способствует его удалению. Удалению азота мешает также и то, что он обладает низким коэффициентом диффузии по сравнению с водородом (DN = l – 4 · 10-4 см2/сек).
Удаление азота может происходить как путём образования и всплывания пузырьков, так и выделением при помощи конвективного переноса в газовую фазу. С повышением температуры процесс деазотации значительно ускоряется [2].
Ранее указывалось [4], что в сплаве ЖС30-ВИ при повышенном содержании азота (> 0,001 %) образуются карбидные включения округлой или полиэдрической формы, а при низком содержании азота (0,0006–0,0008 %) возникают игольчатые, вытянутые карбиды в виде «китайских иероглифов». В первом случае отмечался повышенный брак монокристаллических лопаток, отливаемых из такого металла, по макроструктуре (образование равноосных зёрен в монокристалле). При повышенной загрязнённости металла азотом образующиеся включения становятся центрами произвольной кристаллизации и нарушают естественный рост монокристаллов [11].
В этом исследовании изучалось влияние азота на структуру монокристаллов жаропрочных никелевых сплавов и разработаны эффективные способы рафинирования расплава от примеси азота в условиях вакуумной индукционной плавки.
Реакция деазотации относится к гетерогенным и происходит на границе раздела металл – газ. Уравнение скорости удаления азота из расплава будет иметь вид:
где Sрас – площадь поверхности расплава; Vрас – объём расплава; В – константа; Ср и С – равновесная и текущая константа соответственно; 0 – доля площади поверхности, заблокированная поверхностно-активными элементами (ПАЭ); D – коэффициент диффузии (D = Dмол + Dтурб, где Dмол – молекулярная диффузия; Dтурб – турбулентная диффузия); ν – кинематическая вязкость.
Из уравнения следует, что скорость деазотации может быть увеличена путём более интенсивного перемешивания расплава, увеличения поверхности раздела, металл – газ, уменьшения величины Ѳ (за счёт раскисления и десульфурации расплава), а также увеличения коэффициента Dмол и уменьшения ν (путём повышения температуры расплава).
Кроме того, повышение температуры расплава облегчает диссоциацию нитридных и карбонитридных включений в условиях вакуума.
Исследовано влияние температуры расплава на полноту удаления из него азота в условиях вакуумной индукционной плавки в сплаве ЖС30-ВИ.
На рис. 5 показано, что с повышением температуры расплава с 1620 до 1680 °С высота пиков падения вакуума в печи увеличивается, что свидетельствует о более интенсивном газовыделении при температуре расплава 1680 °С. При температуре расплава 1560 °С пиков падения вакуума не наблюдается.
На рис. 6 приведено изменение содержания азота в сплаве ЖС30-ВИ во время рафинирования расплава при разных температурах. Видно, что при температурах расплава 1560 и 1620 °С азот удалился незначительно (до 0,003 %), и только после рафинирования при температуре расплава 1680 °С его содержание понизилось до 0,0007 %. Содержание газов в металле определяли на анализаторе ТСН 600 фирмы Leco.
Рис. 5. Изменение уровня вакуума при проведении плавок сплава ЖС30-ВИ с различной термовременной обработкой расплава: 1620 °С (1), 1600 °С (2) и 1680 °С (3)
Рис. 6. Изменение содержания азота в сплаве ЖС30-ВИ во время рафинирования расплава при температурах 1560 (1), 1620 (2) и 1680 °С (3)
Для подтверждения полученных результатов в условиях промышленного производства сплава ЖС30-ВИ в вакуумной индукционной печи ИСВ 0,6 с ёмкостью тигля 600 кг было сделано пять плавок данного сплава.
Из металла всех плавок в условиях моторостроительного завода отлиты лопатки с монокристаллической структурой с кристаллографической ориентацией <001>. При проведении контроля макроструктуры лопаток установлено, что если содержание азота в металле составляет < 0,001 % (по массе), то брак лопаток по макроструктуре незначителен; если же содержание азота > 0,001 % (по массе), то отмечался повышенный брак монокристаллических лопаток по макроструктуре – образование в них равноосных зёрен.
Рис. 7. Количество бракованных лопаток по макроструктуре в зависимости от содержания азота в сплаве ЖС30-ВИ
На рис. 7 приведены статистические данные моторостроительного завода по количеству бракованных по макроструктуре лопаток из сплава ЖС30-ВИ, отлитых с монокристаллической структурой из металла с высоким и низким содержанием азота; при содержании в сплаве > 0,001 % азота (фактически 0,014–0,027 %) бракованных лопаток оказалось > 80 %, в то время как при содержании азота < 0,001 % (фактически 0,0006–0,0008 %) таких лопаток всего 15 %.
