ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Процессы переплава и рафинирования из "Суперсплавы II Жаропрочные материалы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок Кн2 " Оборудование и процедуры. Задача этого самого старого промышленного процесса переплава заключается в том, чтобы производить высококачественные слитки, управляя их затвердеванием и повышая чистоту. Рынок, созданный газотурбинным двигателем в 1950-х гг.,дал толчок развитию данного процесса, поскольку преимущества вакуумной очистки и кристаллизации с принудительным охлаждением стали очевидными. Продолжающийся рост рынка суперсплавов в сочетании с постоянным усовершенствованием процесса сделали его главным процессом переплава в мире. [c.135] Вакуумно-дуговой переплав осуществляется под вакуумом, поэтому нельзя забывать о возможных потерях элементов с высокой упругостью пара. Однако многие из этих элементов представляют собой сорные примеси , способные, если при-. сутствуют в достаточных количествах, оказывать пагубное влияние на свойства сплава иными словами, удаление таких элементов, как свинец, висмут, олово, мышьяк и цинк, является благоприятным событием. Но опасность потерь в таких летучих элементах, как марганец и медь в сплавах, где их содержание строго определено, требует некоторых изменений в практике вакуумно-дугового переплава. В этих случаях плавку ведут под некоторым парциальным давлением азота или аргона, либо заблаговременно оптимизируют исходный химический состав электрода. Важно понимать, что вакуумно-дуговой переплав не был предназначен для удаления летучих элементов. Следует помнить и то, что эти элементы, даже если они полезны в том или ином отношении, понижают стабильность дуги. Когда же они образуют мощный конденсат на стенках изложницы, происходит серьезное ухудшение качества поверхности слитков. [c.139] Процесс электрошлакового переплава запускают, наливая горячий жидкий шлак в медный тигель или зажигая электрическую дугу между электродом и металлической стружкой на подине изложнице и расплавляя тем самым первые порции шлака, помеш,енного в изложнице. Эти две процедуры известны соответственно как старт с горячим и холодным шлаком обе они используются в промышленных установках в условиях промышленного производства. Плавку проводят при регулируемом напряжении о скорости плавления судят по силе тока, а о скорости подачи электрода — по уровню напряжения. Когда плавление электрода близится к завершению, на слитке формируют прибыльную наставку, чтобы устранить усадочную раковину. Дав достаточно времени для затвердевания шлака, слиток раздевают. В зависимости от типа сплава и размеров слитка последний охлаждают на воздухе, подвергают медленному регулируемому охлаждению или отжигу. [c.142] При самом обычном процессе электрошлакового переплава наибольший тепловой поток, направленный вовнутрь изложницы, возникает на поверхности раздела шлак—металл. По некоторым оценкам подавляющая часть выделяемого тепла отбирается в охлаждающем контуре изложницы. Следовательно, конструкция изложницы для электрошлакового переплава — чрезвычайно важный фактор. Условия на поверхности раздела изложница—вода играют в процессе электрошлакового переплава критическую роль согласно некоторым сообщениям небольшие изменения в тепловом потоке, температурах изложницы, воды и других элементов охлаждающего контура оказывают влияние на условия поверхностной теплопередачи так, что охлаждение в режиме кипения может смениться таковым при отсутствии кипения. В бывшем Советском Союзе и в Европе на многих установках электрошлакового переплава применяют спрейерное охлаждение изложниц, чтобы сократить расход воды и упростить конструкцию. В США большинство печей для электрошлакового переплава оснащено холодильником в виде кольцевой водяной рубашки или канала такой способ охлаждения предотвращает кипение за счет высокой скорости водяного потока относительно охлаждаемой поверхности. [c.143] Процесс электрошлакового переплава не обладает стол1 же высокой способностью к обезгаживанию, как вакуумнодуговой переплав. Тем не менее, взгляды относительно влияния электрошлакового переплава на содержание кислорода азота и водорода тоже расходятся. Сообщают и о повышении и о понижении этого содержания, но сходятся во мнении что уровень кислорода и азота можно сохранять неизменным если использовать оптимальные параметры процесса. Присутствие водорода в аустенитных суперсплавах не создает проблем, небольшое его содержание считается нормальным. [c.146] Промышленное применение каких-либо процессов переплава и рафинирования, кроме вакуумно-дугового или электрошлако-вого переплавов, очень ограничено. Однако вне промышленного производства такие процессы активно разрабатывают. Задача этих разработок — добиться преимуществ в стоимости качества или долговечности материала по сравнению с теми, что удается достичь с помощью вакуумно-дугового или элек-трошлакового переплавов. К числу процессов, получивших наиболее заметное развитие, относятся процессы электронно-лучевого переплава на холодном поду, вакуумного двойного электродугового переплава и плазменного переплава. Рассмотрим коротко оборудование и процедуры, которые используют в рамках этих процессов. [c.147] Главным благоприятным качеством электронных пушек является возможность регулировать размеры и форму сечения пучка, в пределах которого пучок ударяет мишень. Такая регулировка позволяет пользоваться сосредоточенным интенсивным пучком для плавления и широким диффузным пучком для рафинирования и обработки прибыльной части слитка [9]. Очень важно все время поддерживать высокий вакуум как условие для необходимого управления процессом генерирования электронов и параметрами пучка. Скорость плавления зависит главным образом от мощности пучка, особенностей расплавляемого материала (его типа и формы) и необходимой степени рафинирования. Реальные скорости плавления могут изменяться от 54 до 898кг/ч, а при соответствующих условиях и до более высоких значений. [c.148] Плазменный переплав. В ограниченной степени плавку с помощью плазмы исследовали применительно к обеим стадиям производства, первичной выплавке и переплаву. Регулировку температуры, которая существенно превышает температуру у всех остальных процессов, осуществляют при посредстве газовой среды, в которой происходит плавка. Главные соображения, по которым обращаются к данному способу плавки, — высокая производительность и высокий коэффициент использования тепловой энергии [9]. Различные виды плазмы образуются в результате пропускания электрического тока через газ. Чтобы последний приобрел электропроводимость, его сначала необходимо ионизировать. В результате между двумя электродами устанавливается проводящий канал, и электрический ток, проходя сквозь ионизированный газ, порождает газовые разряды. Средняя температура газа меняется в пределах от 3000 до 6000 °С, а температуры электрической дуги- от 6000 до 20000 °С. [c.149] Вакуумный двухэлектродный электрод у говой переплав. По сравнению с другими процессами выплавки суперсплавов этот процесс относительно новый, впервые он был применен в конце 1970-х гг. В основу его разработки положен дешевый, но перспективный вариант вакуумно-дугового переплава или других процессов, применяемых в порошковой металлургии трудно обрабатываемых таких суперсплавов, как IN-100, Ren6 95, AF2-IDA. Подробное описание процесса малодоступно известно, что он складывается из вакуумного электро-дугового плавления двух расходуемых электродов, при этом образуются полурасплавленные капли, которые затвердевают в опрокидываемой или съемной изложнице 112]. Возможная скорость заливки достигает приблизительно 8кг/мин, а потребление энергии меньше чем при стандартном процессе вакуумно-дугового переплава. Скорости плавления примерно втрое выше, чем у последнего. [c.150] Вакуумный электрод у говой переплав. Основное преимущество данного процесса в том, что его рабочая среда инертна по отношению к химически активным элементам, и в том, что он позволяет управлять формированием структуры кристаллизующегося слитка. Помимо этого, рассматриваемый процесс был самым главным в числе способов переплава, используемых при производстве суперсплавов. То, что он давно разработан и его предпочитают другим процессам, обеспечило время для создания практических навыков для обработки многих суперсплавов. Представляется, что доминирующая роль этого процесса будет сохраняться впредь, учитывая цены, которые приходится платить за отбор материалов для газотурбинных двигателей, особенно для ответственных вращающихся деталей. [c.151] Размеры (диаметр) слитка суперсплавов после вакуумнодугового переплава меняются от 30,5 см до 76,2 мм. Большинство слитков изготавливают с диаметром от 50,8 до 63,5 мм и средней массой от 4576 до 5443 кг. Все слитки круглые, что считается недостатком, в частности, при необходимости последующей прокатки на лист или полосу. Производство других сечений вместо круглых порождает проблемы в управлении процессом, которые пока не получили должного разрешения. [c.151] Процесс вакуумно-дугового переплава изначально был разработан с целью улучшить структуру и свести к минимуму ликвационные явления в слитках суперсплавов, чтобы таким образом обеспечить сплавам максимально возможные свойства уже на стадии их выплавки. Следовательно, в процессе плавки необходимо как можно тщательнее регулировать температурные градиенты и скорость кристаллизации. Подвод тепла с электрической дугой уравновешивается его отводом через слиток к стенкам тигля и базовой плите, а также излучением от поверхности жидкой ванны с ее хорошо знакомой полусферической формой. Именно форма и глубина ванны ответственны за рост дендритов, расстояние между их осями, характер макро- и микроструктуры [13]. Достоинство процесса вакуумно-дугового переплава заключается в том, что он позволяет управлять этими возможностями ванны в заранее заданных пределах, особенно при использовании гелия для охлаждения поверхности раздела слитка и изложницы. Однако с увеличением размера слитков становится все труднее поддерживать оптимальные размер и глубину ванны, в конечном счете это ставит пределы размеру слитка, которому в рамках вакуумно-дугового переплава еще можно придать удовлетворительные свойства. [c.152] Вернуться к основной статье