ES3036075T3 - Alloy melting and refining method - Google Patents

Abstract

Un método para fundir y refinar una aleación comprende la fusión por inducción al vacío de materiales de partida para obtener una aleación fundida por inducción al vacío. Al menos una parte de la aleación fundida por inducción al vacío se refunde con electroescoria para obtener una aleación refundida por electroescoria. Al menos una parte de la aleación refundida por arco al vacío se refunde con arco al vacío para obtener una aleación refundida por arco al vacío simple. Al menos una parte de la aleación refundida por arco al vacío simple se refunde con arco al vacío para obtener una aleación refundida por arco al vacío doble. En diversas realizaciones, una composición de la aleación fundida por inducción al vacío comprende principalmente vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, niobio, molibdeno, tecnecio, rutenio, rodio, paladio, plata, tántalo, tungsteno, renio, osmio, iridio, platino y oro. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método de fusión y refinación de aleaciones

Antecedentes de la tecnología

Campo de la tecnología

La presente descripción se refiere a métodos de múltiples pasos para fundir y refinar superaleaciones y otras aleaciones. La presente descripción también se refiere a aleaciones preparadas y refinadas utilizando los métodos de fusión y refinación de múltiples pasos descritos en la presente memoria, así como a productos de molienda y productos manufacturados que incluyen las aleaciones.

Descripción de los antecedentes de la tecnología

Se conocen diversas técnicas para fundir y refinar superaleaciones de modo que las aleaciones estén adecuadamente libres de inclusiones problemáticas, segregaciones, y otros defectos. Diversas tecnologías emergentes requerirán formas de aleación más grandes y masivas, planteando mayores demandas en las técnicas de fusión y refinación existentes. Por ejemplo, las técnicas actuales de fusión y refinación utilizadas para producir superaleaciones para componentes de discos de turbinas permiten abordar las indicaciones ultrasónicas en etapas intermedias durante el procesamiento de las aleaciones sin afectar significativamente los costes finales de la pieza. Con la llegada de maquinaria turbo significativamente más grande tal como, por ejemplo, los motores de turbina GE90 y GenX, se requieren palanquillas de superaleación sustancialmente más grandes con tamaños suficientes para componentes de discos muy grandes. Estas palanquillas de superaleación pueden tener un peso superior a 453.592 kg (1000 libras), y los motores de turbina en desarrollo pueden requerir palanquillas de superaleación de hasta 1360,777 kg (3000 libras). Las técnicas de fusión y refinación existentes pueden ser incapaces de producir palanquillas de superaleaciones de este tamaño sobre una base rentable debido a, por ejemplo, la pérdida sustancial de rendimiento cuando se desecha el material que no pasa la inspección ultrasónica y otras pruebas no destructivas.

En consecuencia, existe la necesidad de desarrollar un proceso de fusión y refinación mejorado para producir superaleaciones y otras aleaciones.

La patente US-2006/075624 A1 de la técnica anterior describe un método (20) para fabricar un componente grande tal como una turbina de gas o un disco compresor (32), a partir de materiales propensos a la segregación tales como la aleación 706 o la aleación 718 cuando el tamaño del lingote requerido es mayor que el tamaño que puede formarse de modo predecible sin segregaciones utilizando procesos de triple fusión conocidos. Se forma (22) un lingote sólido (12) con núcleo interno hasta un primer diámetro (D<1>), tal como utilizando un proceso de triple fusión que incluye la fusión por inducción al vacío (VIM, por sus siglas en inglés), la refusión por electroescoria (ESR, por sus siglas en inglés), y la refusión por arco eléctrico en vacío (VAR, por sus siglas en inglés). A continuación se añade material (26) a la superficie exterior (16) del lingote central para aumentar su tamaño a una dimensión (D<2>) requerida para la operación (28) de forjado. Puede utilizarse un proceso de deposición por pulverización o para aplicar el material añadido. El material añadido puede tener propiedades diferentes a las del lingote central y puede ser de composición graduada en toda su profundidad.

La patente EP 2423340 A1 de la técnica anterior describe un proceso para fabricar un componente (10) de motor de turbina que comprende las pasos de: fundir lingotes hechos de un material gamma TiAI utilizando una técnica de fundición por refusión por doble arco eléctrico en vacío; someter los lingotes fundidos a un prensado isostático en caliente para cerrar la porosidad; formar al menos un panqueque del material gamma TiAl forjando isotérmicamente los lingotes prensados isostáticos en caliente; seccionar cada panqueque en una pluralidad de piezas en bruto; tratar térmicamente las piezas en bruto para producir una microestructura y propiedades mecánicas deseadas; y mecanizar las piezas en bruto para obtener componentes (10) de motores de turbina terminados. En este documento también se describe un sistema para realizar el proceso.

El artículo de Matthew J Donarchie y col.: “ Chapter (Selection of Superalloys for Design” en: “ Mechanical Engineers' Handbook: Materials and Mechanical Design” 26 de octubre de 2005 (26-10-2005), XP055653185, ISBN: 978-0-471 77744-1, páginas 287-334, analiza las superaleaciones y sus diferentes tipos para que los lectores comprendan las formas en que las superaleaciones pueden contribuir a un diseño. Los conocimientos proporcionados en este artículo deberían permitir al usuario formular las preguntas importantes a los proveedores de superaleaciones para evaluar la capacidad de los talleres de fusión primaria y los productores de componentes y al mismo tiempo abordar la propiedad mecánica y el comportamiento ambiental y de corrosión necesarios que influirán en la selección de las aleaciones.

Resumen

La invención se expone en el conjunto de reivindicaciones adjunto.

Breve descripción de los dibujos

Las características y ventajas de los métodos, sistemas, y artículos de aleación descritos en la presente memoria pueden entenderse mejor haciendo referencia a las figuras adjuntas, en las que:

La figura 1 es un gráfico que ilustra el área de óxido por unidad de masa para las pruebas de fusión del botón con haz de electrones en la aleación 718 utilizando solo VIM y secuencias de VIM-ESR y VIM-ESR-VAR (triple fusión); La figura 2 es un gráfico que ilustra la cantidad de óxido (ppm) para las pruebas de fusión del botón en la aleación 718 para las rutas VIM únicamente, VIM-ESR, y VIM-Va R; y

La figura 3 es un diagrama de flujo de una realización de un método de fusión y refinación de una aleación según la presente descripción.

El lector apreciará los detalles anteriores, así como otros, al considerar la siguiente descripción detallada de ciertas realizaciones de métodos y sistemas según la presente descripción. El lector también puede comprender algunos de tales detalles adicionales al utilizar los métodos y sistemas descritos en la presente memoria.

Descripción detallada de ciertas realizaciones no limitativas

En la presente descripción de las realizaciones y en las reivindicaciones, diferentes de los ejemplos operativos o donde se indique de cualquier otro modo, debe entenderse que todos los números que expresan cantidades o características de los ingredientes y productos, las condiciones de procesamiento, y similares están modificados en todos los ejemplos por el término “ aproximadamente” . En consecuencia, a menos que se indique lo contrario, cualquier parámetro numérico expuesto en la siguiente descripción y en las reivindicaciones adjuntas son aproximaciones que pueden variar dependiendo de las propiedades deseadas que se busca obtener en los métodos, sistemas, y artículos según la presente descripción. Como mínimo, cada parámetro numérico debe interpretarse al menos a la luz del número de dígitos significativos notificados y aplicando técnicas de redondeo habituales.

Los procesos convencionales actuales para fundir y refinar superaleaciones a base de níquel utilizadas en componentes de turbinas y otras piezas de alto rendimiento incorporan una operación de fusión por inducción al vacío (VIM) seguida de una operación de refusión por arco eléctrico en vacío (VAR) o una operación de refusión por electroescoria (ESR). Un método alternativo de fusión y refinación utilizado para producir una superaleación a base de níquel para componentes de turbinas consiste en pasos de fusión por inducción al vacío (VIM), seguidos de la refusión por electroescoria (ESR), y a continuación seguidos de la refusión por arco eléctrico en vacío (VAR). Esta ruta de procesamiento VIM ESR VAR se conoce comúnmente en la industria como el proceso de triple fusión. El proceso de triple fusión combina una operación de VIM para la fusión y refinación básicas de los materiales de carga, una operación de ESR que reduce las inclusiones de óxido, y una operación de VAR final para minimizar la segregación de los elementos de aleación. La eficacia relativa de las secuencias de VIM-ESR, VIM-VAR, y VIM-ESR-VAR (triple fusión) para refinar la superaleación a base de níquel aleación 718 (UNS N07718) puede verse en las figuras 1 y 2, que aparecen en Moyer y col., “Advances in Triple Melting Superalloys” (1994). La figura 1 representa gráficamente el área de óxido por unidad de masa para las pruebas de fusión del botón con haz de electrones en la aleación 718 utilizando solo VIM y secuencias de VIM-ESR y VIM-ESR-VAR (triple fusión). La figura 1 muestra una reducción en el contenido de óxido de más del 50 % para una secuencia de triple fusión con respecto a una secuencia de VIM-ESR. La figura 2 representa la cantidad de óxido (ppm) para las pruebas de fusión del botón en la aleación 718 solo para las rutas VIM, VIM-ESR, y VIM-VAR, y muestra que una operación de ESR es significativamente más eficaz que la VAR para reducir la incidencia de inclusión de óxido en la aleación 718.

Durante una operación de VAR final, los óxidos aislados que quedaron atrapados en las gotas de aleación durante la fusión por ESR, o que se acumulan en las superficies interiores del crisol durante la fusión de VAR y caen en la aleación, pueden quedar atrapados durante la solidificación. Estos segregados de óxido pueden hacer que la aleación no sea adecuada para su fabricación en componentes de discos de turbina y otras piezas de alto rendimiento. En algunos casos, los segregados forman una interfaz en la aleación que puede detectarse durante la inspección ultrasónica después de la conversión de la palanquilla. En otros casos, los segregados pueden extenderse a la pieza final y ser motivo de rechazo de un componente durante la inspección de la pieza final. La palanquilla o pieza acabada deficiente se desecha a continuación, reduciendo el rendimiento y aumentando los costes de producción.

En la producción de ciertas aleaciones de acero que requieren una limpieza extremadamente alta, se ha utilizado un proceso de fusión y refinación con la secuencia VIM VAR VAR. Al volver a fundir aleaciones de acero, el alto punto de fusión de las aleaciones da como resultado un depósito de fusión relativamente profundo en la parte superior del lingote de VAR en formación. Esto permite que el material fundido tenga un tiempo de residencia adicional, permitiendo que las inclusiones de óxido floten hacia la superficie como resultado de la diferencia de densidad con la aleación base. La secuencia VIM VAR VAR no se ha adaptado para utilizarse con superaleaciones a base de níquel. Las superaleaciones a base de níquel generalmente tienen un depósito de fusión menos profundo durante la fusión de VAR en comparación con las aleaciones de acero. Debido a que el depósito fundido en la superficie de un lingote de VAR en formación de una superaleación a base de níquel es relativamente poco profundo, el tiempo de residencia y las fuerzas de Lorenz pueden no ser suficientes para permitir que las inclusiones de óxido floten y se muevan hacia la superficie exterior del depósito fundido durante el procedimiento de refusión. Una operación de ESR intermedia proporciona un medio eficaz para proporcionar un depósito profundo para la flotación y una escoria reactiva para reducir cantidades relativamente grandes de óxidos metálicos residuales de diferentes combinaciones. Por lo tanto, una secuencia VIM VAR VAR es inferior para las superaleaciones a base de níquel en comparación con una secuencia VIM ESR VAR.

Aun de este modo, se ha observado que los óxidos pueden sobrevivir a una operación de ESR realizada en una superaleación a base de níquel, y las inclusiones de óxido pueden llevarse a la operación de refusión final en una secuencia de triple fusión (VIM ESR VAR). Un objetivo de la presente invención es reducir la incidencia de óxidos residuales, así como de aglomeraciones de carburo y carbonitruro asociadas, por ejemplo, con contaminantes del crisol en superaleaciones a base de níquel.

En la producción de ciertas aleaciones de titanio, se han aplicado múltiples operaciones de VAR para eliminar los efectos dañinos de las inclusiones de alta densidad, incluidos los nitruros de las aleaciones de titanio durante las operaciones de fusión primaria o refusión. Sin embargo, se cree que no se ha aplicado una secuencia de múltiples operaciones de VAR al refinado de superaleaciones a base de níquel. La práctica principal de fusión en el caso de las aleaciones de titanio proporciona una idea de por qué se han aplicado múltiples pasos de VAR a las aleaciones de titanio, pero no anteriormente a las aleaciones de níquel. El paso principal en el proceso de fusión de titanio convencional utiliza un electrodo soldado de material de esponja y material de desecho. Este electrodo primario puede contener nitruros que se forman fácilmente con el titanio o funden contaminantes como las brocas de TiN utilizadas en el mecanizado. Dado que el paso de fusión primaria en la producción de titanio es típicamente una operación de VAR de este electrodo compuesto, tales inclusiones pueden quedar atrapadas en el depósito de solidificación. Los múltiples pasos de fusión se utilizan para disolver progresivamente cualquier material retenido durante la operación progresiva. Por el contrario, el titanio acepta fácilmente los óxidos en solución y puede utilizarse como endurecedor de aleaciones en muchos casos. En la producción de aleaciones a base de níquel, el fundido original es un fundido por inducción al vacío en el que los nitruros se pondrían en solución durante la operación de fusión primaria. Los óxidos típicamente forman una escoria o pueden arrastrarse en la corriente de fusión durante el vertido. Por lo tanto, las operaciones de refusión en la producción de aleaciones a base de níquel están dirigidas a eliminar físicamente los óxidos en lugar de ponerlos en solución.

Según un aspecto de la presente descripción, una aleación a base de níquel se proporciona mediante una secuencia mejorada de fusión y refinación que incluye una operación de VIM seguida de una operación de ESR, y a continuación seguida de dos operaciones de VAR secuenciales. La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra esquemáticamente esta secuencia. La secuencia puede referenciarse con la abreviatura VIM ESR VAR VAR, y en la presente memoria puede denominarse proceso de “ fusión cuádruple” , terminología que la contrasta fundamentalmente con una secuencia de fusión triple, así como con secuencias de fusión doble. La operación terminal (final) de refusión por arco eléctrico en vacío del proceso de fusión cuádruple puede reducir además la incidencia de segregados de óxido, carburo, y carbonitruro en la aleación. Estos segregados, que están sujetos a separación por diferencias de densidad con la aleación base y por el flujo térmico y electromagnético dentro del fundido, se dirigen a la superficie del lingote que se solidifica y pueden retirarse durante el procesamiento posterior del material de lingote de VAR. Se ha observado que las superaleaciones a base de níquel, por ejemplo, fabricadas utilizando la secuencia de fusión cuádruple según la presente descripción muestran una incidencia reducida de segregados de óxido, carburo, y carbonitruro, y pueden utilizarse en componentes críticos tales como, por ejemplo, componentes de discos de turbina.

La operación de fusión de VAR final de la secuencia de fusión cuádruple proporciona un medio para eliminar los grupos de fases secundarias, tales como óxidos, y los grupos de carburos y carbonitruros que pueden quedar atrapados en un producto de lingote durante las operaciones de fusión anteriores. Los óxidos y los grupos de fase secundaria típicamente son pequeños y poco frecuentes. La utilización de un lingote preparado mediante una secuencia VIM ESR VAR como un electrodo para la operación de VAR terminal proporciona un material de partida relativamente limpio desde el punto de vista metalúrgico que se refina además durante la operación de VAR terminal. También, la operación de VAR del terminal puede conducirse de modo que se controle el contenido de los elementos que tienen una presión de vapor relativamente baja. Tales elementos incluyen, por ejemplo, magnesio, y, potencialmente, otros elementos que pueden proporcionar a la aleación propiedades del material importantes tanto en las operaciones de formación posteriores como en las aplicaciones finales. En las secuencias de refinación convencionales que incluyen múltiples operaciones de fusión al vacío, el contenido de los elementos de aleación que tienen una presión de vapor baja puede verse afectado negativamente. Por lo tanto, el proceso de fusión cuádruple según la presente descripción puede mejorar la integridad final del producto y puede refinar la química de la aleación, sin comprometer la segregación química del lingote.

La figura 3 ilustra una realización 100 de una secuencia de fusión cuádruple. Con referencia a la figura 3, la operación 102 de VIM de la secuencia 100 de fusión cuádruple implica la fusión por inducción de materiales cargados para proporcionar una aleación parcialmente refinada que puede utilizarse como electrodo para la siguiente operación de ESR. La operación de VIM puede conducirse de una manera convencional, como conocen los expertos para producir electrodos tal como están fundidos dentro de los intervalos de especificación de aleación requeridos y que tienen una integridad estructural suficiente para permitir una operación de refusión estable. La operación de VIM utiliza bobinas de inducción para fundir la carga de materia prima dentro de un crisol revestido de material refractario. En ciertas realizaciones no limitativas, los materiales de carga pueden incluir, por ejemplo y sin limitación, tanto materia prima, tales como materiales elementales de pureza relativamente alta (p. ej., más del 99 %) producidos al refinar un cuerpo mineral, y material reciclado tal como torneado mecanizado y revertido limpiado del fluido de corte residual. Las materias primas se seleccionan y combinan en proporciones para garantizar que el calor resultante se adhiera a la especificación de aleación deseada. La operación de VIM se conduce típicamente en un vacío inferior a 100 micrones o en una atmósfera de gas inerte parcial cuando la especificación de la aleación incluye requisitos elementales de baja presión de vapor. En ciertas realizaciones, el proceso de VIM concluye con una operación de vertido en la que los electrodos pueden verterse por la parte inferior a través de un sistema central de surtidores y canales o cada electrodo puede verterse por la parte superior individualmente. Las operaciones posteriores a VIM típicamente incluyen una operación de separación para extraer el electrodo del molde después de la solidificación y pueden incluir una operación de rectificado de la superficie dependiendo del método de refusión posterior empleado.

Nuevamente en la figura 3, la operación 104 de ESR de la secuencia 100 de fusión cuádruple implica la refusión por electroescoria de un electrodo de la aleación preparada en la operación 102 de VIM. La operación de ESR puede conducirse generalmente de una manera convencional tal como conocen los expertos en la técnica. Es posible que sea necesario rectificar el electrodo de VIM antes de la operación de ESR para elim inar las incrustaciones superficiales sueltas si las hubiera. En ciertas realizaciones no limitativas de la operación, el electrodo de aleación puede soldarse a un tubo no consumible que incluye una superficie de unión capaz de transmitir, por ejemplo, al menos 20 kW de energía eléctrica desde el horno de ESR. El proceso de ESR hace pasar la corriente a través del flujo para fundir el flujo. Los expertos en la técnica pueden determ inar fácilmente la composición de los flujos adecuados para una operación de ESR particular. En ciertas realizaciones, el flujo puede ser, por ejemplo, un flujo a base de CaF<2>que también incluye componentes significativos de CaO (10-40 % en peso) y Al2O3 (10-40 % en peso). Pueden incluirse óxidos adicionales en el flujo en concentraciones más pequeñas para garantizar la compatibilidad química del flujo con el electrodo de refusión y para minim izar cualquier ganancia o pérdida de elementos reactivos con el flujo. Otros óxidos que pueden emplearse en el flujo incluyen La2O3, MgO, SiO<2>, T iO<2>, y ZrO<2>. El electrodo se sumerge en el flujo de ESR fundido, que transfiere suficiente calor para fundir la punta del electrodo. La profundidad de inmersión del electrodo en el flujo es típicamente de 6-12 mm y se controla de modo convencional, por ejemplo, mediante un bucle de control automático de oscilación de resistencia o de oscilación de voltaje. El bucle de control puede medir la desviación de la resistencia o la oscilación de voltaje con respecto al punto de ajuste y ajustar la posición del electrodo en la dirección adecuada para mantener el punto de ajuste deseado correspondiente a la profundidad de inmersión. En ciertas realizaciones no limitativas, el segundo bucle de control de ESR se funde a un punto de ajuste de corriente constante o utiliza celdas de carga para medir la velocidad de fusión por unidad de tiempo. Si se emplea el control de la velocidad de fusión, la corriente aplicada puede ajustarse para mantener el punto de ajuste de la velocidad de fusión deseado.

Nuevamente en la figura 3, la primera operación 106 de VAR de la secuencia 100 de fusión cuádruple implica el arco eléctrico en vacío refundiendo un electrodo de la aleación preparada en la operación 104 de ESR. La primera operación 106 de VAR puede conducirse generalmente de un modo convencional, como conocen los expertos en la técnica. El electrodo de VAR puede requerir rectificado para eliminar el flujo de ESR atrapado en la capa superficial extrema. En ciertas realizaciones no limitativas, el electrodo puede soldarse a un tubo no consumible que incluye una superficie de acoplamiento capaz de transmitir, por ejemplo, al menos 15 kW de energía eléctrica desde el horno de VAR. El proceso de VAR hace pasar la corriente entre el electrodo y el lingote fundido resultante que se forma directamente debajo. El inicio del proceso pasa la corriente directamente a una placa base, tal como, por ejemplo, una placa base de cobre refrigerada por agua. La placa base de cobre no se funde porque su alta conductividad térmica transmite rápidamente la energía térmica resultante al agua de refrigeración, de modo que la temperatura de la placa base no supera la temperatura de fusión del cobre. El proceso de VAR típicamente mantiene una distancia de separación convencional y relativamente constante (espacio de arco eléctrico) de, por ejemplo, 6-12 mm entre la punta del electrodo y la parte superior del lingote fundido. En diversas realizaciones, un bucle de control de distancia de separación mide automáticamente el voltaje y ajusta la posición del electrodo en la dirección adecuada para mantener un punto de ajuste correspondiente a la distancia de separación deseada. En ciertas realizaciones, un segundo bucle de control de VAR se funde a un punto de ajuste de corriente constante o utiliza celdas de carga para medir la velocidad de fusión por unidad de tiempo. Si el bucle de control emplea el control de la velocidad de fusión, la corriente aplicada se ajusta para mantener el punto de ajuste de la velocidad de fusión deseado.

Nuevamente en la figura 3, la segunda operación 108 de VAR de la secuencia 100 de fusión cuádruple implica el arco eléctrico en vacío refundiendo un electrodo de la aleación preparada en la primera operación 106 de VAR. La segunda operación 108 de VAR puede conducirse generalmente de un modo convencional tal como conocen los expertos en la técnica. En ciertas realizaciones no limitativas, por ejemplo, la segunda operación de VAR se conduce del mismo modo que la primera operación de VAR. Puede ser necesario rectificar la superficie del primer lingote de VAR para eliminar los óxidos presentes en la superficie y cerca de ella que se acumularon durante la primera operación de VAR. En diversas realizaciones, se aplican los mismos bucles de control y la misma metodología al segundo paso de VAR para controlar la corriente de separación y fusión y/o la velocidad de fusión. La composición de la aleación dicta la tendencia a la segregación, que a su vez restringe las condiciones de solidificación requeridas para evitar la presencia de fases perjudiciales. Las fases perjudiciales pueden incluir, por ejemplo, zonas de una fracción anormalmente alta de precipitación de carburo y/o precipitación de fases topológicamente compactas (TCP, por sus siglas en inglés) que generalmente actúan como concentradores de tensión que reducen la ductilidad local del material. La combinación del espacio de arco eléctrico y la velocidad de fusión puede controlarse dentro de los intervalos mínimo y máximo, que dependen de la composición de la aleación, para controlar la velocidad de solidificación dentro de un intervalo que produzca una estructura sin una fracción excesiva de fases perjudiciales. Los expertos en la técnica pueden determinar fácilmente los parámetros operativos ventajosos para las operaciones de VAR sin la necesidad de realizar un esfuerzo y una experimentación indebidos. Para mejorar la velocidad de solidificación a una velocidad de fusión y un espacio de arco eléctrico dados, en diversas realizaciones no limitativas puede introducirse un gas inerte en el espacio entre el crisol de cobre y el lingote de VAR que se produce debido a la contracción asociada con la solidificación y el enfriamiento del lingote de VAR. La conductividad térmica del gas inerte puede ser órdenes de magnitud mayor que la conductividad térmica del vacío que de cualquier otro modo existiría en el espacio.

El presente método de fusión cuádruple puede utilizarse con cualquier aleación cuyo elemento base o constituyente principal sea cualquiera de vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre, niobio, molibdeno, tecnecio, rutenio, rodio, paladio, plata, tántalo, tungsteno, renio, osmio, iridio, platino, y oro. (Como se utiliza en la presente memoria, un elemento es el “ constituyente principal” de una aleación si el porcentaje en peso del elemento excede el de cada uno de los demás elementos de la aleación). Una lista no limitativa de aleaciones específicas significativas desde el punto de vista comercial que pueden procesarse utilizando el método de fusión cuádruple de la presente descripción incluye: aleaciones y superaleaciones a base de níquel, que incluyen, por ejemplo, la aleación 718 (UNS N07718), la aleación 720 (UNS N07720), y la aleación Rene 65; aleaciones y superaleaciones a base de cobalto, que incluyen, por ejemplo, la aleación L605 (UNS R30605); aleaciones a base de níquel-cobalto, que incluyen, por ejemplo, la aleación MP35N (UNS R30035); y aleaciones de níquel-cromo-molibdeno, que incluyen, por ejemplo, la aleación C-22 (UNS N06022). La composición de cada una de esas aleaciones es bien conocida y se proporciona en la siguiente tabla (las aleaciones también pueden incluir impurezas incidentales).

Aleación Aleación 718 Aleación 720 Aleación Rene 65 Aleación L-605 Aleación MP35N Aleación C-22 Ni 50,0-55,0 bal bal 9,0-11,0 33,0-37,0 bal Co 1,0 máximo 14,0-15,5 12,5-13,5 bal bal 2,5 máximo Cr 17,0-21,0 15,5-16,5 15,5-16,5 19,0-21,0 19,0-21,0 20,0-22,5 Fe bal 0,5 máximo 0,75-1,20 3,0 máximo 1,0 máximo 2,0-6,0 Mn 0,35 máximo 0,15 máximo - 1,0-2,0 0,15 máximo 0,50 máximo Mo 2,8-3,3 2,75-3,25 3,8-4,2 - 9,0-10,5 12,5-14,5

W - 1,0-1,5 3,8-4,2 14,0-16,0 - 2,5-3,5

Nb 4,75-5,50 - 0,6-0,8 - - -Ti 0,65-1,15 4,75-5,25 3,55-3,90 - 1,0 máximo -Al 0,2-0,8 2,25-2,75 1,95-2,30 - - -Si 0,35 máximo 0,2 máximo - 0,40 máximo 0,15 máximo 0,08 máximo Zr - 0,025-0,050 0,03-0,06 - -C 0,08 máximo 0,01-0,02 0,005-0,011 0,05-0,15 0,025 máximo 0,015 máximo B 0,006 máximo 0,01-0,02 0,01-0,02 - - -

Las realizaciones del método según la presente descripción pueden mejorar la limpieza de la aleación, conduciendo a un aumento en el rendimiento de las propiedades cuando las discontinuidades microestructurales son perjudiciales. La resistencia a la rotura por fatiga es un ejemplo de una propiedad mecánica que se beneficiará de una mejor limpieza de la aleación. La limpieza mejorada de la aleación puede mejorar las propiedades de fatiga al mejorar la resistencia a la iniciación de fisuras y/o la propagación de las fisuras existentes. La corrosión es otra propiedad cuyo rendimiento puede mejorarse mediante una menor tasa de discontinuidades microestructurales. Las aleaciones comerciales 718, 720, y Rene 65 se procesan actualmente mediante el método de triple fusión VIM ESR VAR para proporcionar material en, por ejemplo, los núcleos de motores de turbinas aeroespaciales como discos de motor. Los presentes inventores creen que el rendimiento por fatiga de estas aleaciones puede mejorarse si se procesan según el método de la presente descripción, permitiendo una vida útil más prolongada de los componentes del motor fabricados con las aleaciones, o permitiendo una pieza más ligera al tiempo que se mantiene la vida útil actual. Las aleaciones tales como la aleación C-22 y la aleación MP35N se utilizan a menudo en entornos de corrosión extrema en los que una mayor limpieza de la aleación podría mejorar el rendimiento de la aleación. Esto es particularmente cierto para el rendimiento frente a la corrosión por picaduras, donde una discontinuidad microestructural puede iniciar la reacción de corrosión.

Según una realización no limitativa de un método de la presente descripción para fundir y refinar la aleación 718, el método implica una secuencia VIM ESR VAR VAR. El paso de VIM inicial se conduce preferiblemente de manera convencional bajo un nivel de vacío inferior a 100 micrones de presión para permitir no más que una contaminación atmosférica mínima, inhibiendo o evitando la captación excesiva de nitrógeno. Los electrodos producidos en el paso de VIM se muelen para reducir el contenido de óxido en la superficie. Una operación de ESR utilizando los electrodos se conduce de un modo convencional (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s) para proporcionar un intervalo de velocidad de fusión de 6-20 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s). El lingote producido en el paso de ESR se acondiciona mediante trituración para eliminar el flujo de ESR de la superficie del lingote, antes de pasar a un primer paso de VAR. El primer paso de VAR se conduce idealmente con un nivel de vacío inferior a 20 micrones de presión para permitir solo una contaminación atmosférica mínima, un espacio de arco eléctrico en el intervalo de 6-12 mm y una velocidad de fusión en el intervalo de 6 20 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s). El primer lingote de VAR producido en este paso puede acondicionarse mediante trituración para eliminar la capa superficial del lingote, que contiene un contenido de óxido más alto que el interior del lingote. El primer lingote de VAR se utiliza como electrodo para un segundo paso de VAR. El segundo paso de VAR se conduce preferiblemente con un nivel de vacío inferior a 20 micrones de presión para permitir solo una contaminación atmosférica mínima, un espacio de arco eléctrico en el intervalo de 6-12 mm y una velocidad de fusión en el intervalo de 6-20 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s). En una realización preferida del método, se produce un lingote de mayor diámetro (por ejemplo, 2-4 pulgadas (2-4 pulgadas = 5,08-10,16 cm) de diámetro mayor que el lingote anterior) en cada etapa sucesiva de la secuencia VIM ESR VAR VAR para maximizar la eficiencia industrial, pero puede utilizarse una forja posterior entre etapas cuando sea necesario para adaptarse a las limitaciones del equipo. La forja posterior homogeneizará el lingote anterior a, por ejemplo, 1190 °C (2175 0F) durante un mínimo de 24 horas antes de forjarlo hasta obtener un diámetro más pequeño apropiado. En un ejemplo no limitativo del presente método. La aleación 718 puede producirse mediante el método para proporcionar un lingote de VIM de 14 pulgadas (14 pulgadas = 35,56 cm), un lingote de ESR de 17 pulgadas (17 pulgadas = 43,18 cm), un lingote de VAR de 20 pulgadas (20 pulgadas = 50,8 cm) (primer paso de VAR), y a continuación un lingote de VAR de 22 pulgadas (22 pulgadas = 55,88 cm) (segundo paso de VAR). Cuando se desean piezas de mayor peso, tales como piezas para turbinas de gas terrestres para la generación de energía eléctrica, la aleación 718 puede producirse mediante una realización no limitativa del método para proporcionar un lingote de VIM de 36 pulgadas (36 pulgadas = 91,44 cm), un lingote de ESR de 40 pulgadas (40 pulgadas = 101,6 cm), a continuación un paso de avance intermedio, un lingote de VAR de 36 pulgadas (36 pulgadas = 91,44 cm) (primer paso de VAR), y a continuación un lingote de VAR de 40 pulgadas (40 pulgadas = 101,6 cm) (segundo paso de VAR).

Según una realización no limitativa de un método de la presente descripción para fundir y refinar la aleación 720, el método implica una secuencia VIM ESR VAR VAR. El paso de VIM inicial se conduce preferiblemente de manera convencional bajo un nivel de vacío inferior a 100 micrones de presión para permitir no más que una contaminación atmosférica mínima, inhibiendo o evitando la captación excesiva de nitrógeno. Los electrodos producidos en el paso de VIM pueden triturarse para reducir el contenido de óxido en la superficie. La ESR se conduce de modo convencional con los electrodos producidos a partir de la operación de VIM utilizando un intervalo de velocidad de fusión de 6-20 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s). El lingote producido en el paso de ESR se acondiciona mediante trituración para eliminar el flujo de ESR de la superficie del lingote, y el lingote se somete después a un primer paso de VAR. El primer paso de VAR se conduce preferiblemente con un nivel de vacío inferior a 20 micrones de presión para permitir solo una contaminación atmosférica mínima. Un espacio de arco eléctrico en el intervalo de 6-12 mm y una velocidad de fusión en el intervalo de 6 20 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s). El primer lingote de VAR puede acondicionarse mediante trituración para eliminar la capa superficial de óxido superior del lingote, y el lingote se utiliza después como electrodo para un segundo paso de VAR. El segundo paso de VAR se conduce preferiblemente con un nivel de vacío inferior a 20 micrones de presión para permitir solo una contaminación atmosférica mínima, un espacio de arco eléctrico en el intervalo de 6-12 mm y una velocidad de fusión en el intervalo de 6-9 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s) (la aleación 720 tiene una mayor tendencia a la segregación que la aleación 718). En una realización preferida del método, se produce un lingote de mayor diámetro (por ejemplo, 2-4 pulgadas (2-4 pulgadas = 5,08-10,16 cm) de diámetro mayor que el lingote anterior) en cada etapa sucesiva de la secuencia VIM ESR VAR VAR para maximizar la eficiencia industrial, pero puede utilizarse una forja posterior entre etapas cuando sea necesario para adaptarse a las limitaciones del equipo. La forja posterior homogeneizará el lingote anterior a, por ejemplo, 1190 °C (2175 0F) durante un mínimo de 24 horas antes de forjarlo hasta obtener un diámetro más pequeño apropiado. En un ejemplo no limitativo del presente método, la aleación 720 puede producirse mediante el método para proporcionar un lingote de VIM de 18 pulgadas (18 pulgadas = 48,7 cm), un lingote de ESR de 20 pulgadas (20 pulgadas = 50,8 cm), un lingote de VAR de 22 pulgadas (22 pulgadas = 55,88 cm) (primer paso de VAR), y a continuación un lingote de VAR de 24 pulgadas (24 pulgadas= 60,96 cm) (segundo paso de VAR). Cuando se desean piezas de mayor peso, tales como piezas para turbinas de gas terrestres para la generación de energía eléctrica, en una realización no limitativa la aleación 720 puede producirse mediante el método para proporcionar un lingote de VIM de 24 pulgadas (24 pulgadas = 60,96 cm), un lingote de ESR de 26 pulgadas (26 pulgadas = 66,04 cm), y a continuación un lingote de VAR de 24 pulgadas (24 pulgadas = 60,96 cm) (primer paso de VAR), y a continuación un lingote de VAR de 26 pulgadas (26 pulgadas = 66,04 cm) (segundo paso VAR).

Según una realización no limitativa de un método de la presente descripción para fundir y refinar la aleación MP35N, el método implica una secuencia VIM ESR VAR VAR. El paso de VIM inicial se conduce preferiblemente de modo convencional bajo un nivel de vacío inferior a 100 micrones de presión para permitir no más que una contaminación atmosférica mínima, inhibiendo o evitando la captación excesiva de nitrógeno, y los electrodos producidos en el paso de VIM se trituran para reducir el contenido de óxido en la superficie. Los electrodos producidos en el paso de VIM se someten a ESR utilizando un intervalo de velocidad de fusión de 6-20 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s). El lingote producido en el paso de ESR se tritura en la superficie para eliminar el flujo de ESR de la superficie del lingote, y a continuación el lingote se somete a un primer paso de VAR. El primer paso de VAR se conduce preferiblemente con un nivel de vacío inferior a 20 micrones de presión para limitar la contaminación atmosférica, un espacio de arco eléctrico en el intervalo de 6-12 mm, y una velocidad de fusión en el intervalo de 6-20 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s). El primer lingote de VAR puede acondicionarse moliendo para eliminar la capa superficial de óxido superior del lingote, y el lingote se utiliza como electrodo para un segundo paso de VAR, que preferiblemente se conduce con un nivel de vacío inferior a 20 micrones de presión para permitir solo una contaminación atmosférica mínima, un espacio de arco eléctrico de 6-12 mm, y una velocidad de fusión en el intervalo de 6-15 libras por minuto (la aleación MP35N tiene una mayor tendencia a la segregación que la aleación 718). En una realización preferida del método, se produce un lingote de mayor diámetro (por ejemplo, 2-4 pulgadas (2-4 pulgadas = 5,08-10,16 cm) de diámetro mayor que el lingote anterior) en cada etapa sucesiva de la secuencia VIM ESR VAR VAR para maximizar la eficiencia industrial, pero puede utilizarse una forja posterior entre etapas cuando sea necesario para adaptarse a las limitaciones del equipo. La forja posterior homogeneizará el lingote anterior a, por ejemplo, 1190 0C (2175 0F) durante un mínimo de 24 horas antes de forjarlo hasta obtener un diámetro más pequeño apropiado. En un ejemplo no limitativo del presente método, la aleación MP35N se puede producir mediante el método para proporcionar un lingote de VIM de 18 pulgadas (18 pulgadas = 45,72 cm), un lingote de ESR de 20 pulgadas (20 pulgadas = 50,8 cm), un lingote de VAR de 22 pulgadas (22 pulgadas = 55,88 cm) (primer paso de VAR), y a continuación un lingote de VAR de 24 pulgadas (24 pulgadas = 60,96 cm) (segundo paso de VAR).

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES

   Un método para fundir y refinar una aleación, comprendiendo el método:

   materiales de partida de fusión por inducción al vacío para proporcionar una aleación fundida por inducción al vacío;

   refusión por electroescoria de al menos una parte de la aleación fundida por inducción al vacío para proporcionar una aleación refundida por electroescoria;

   refusión por arco eléctrico en vacío de al menos una parte de la aleación refundida por electroescoria para proporcionar una aleación refundida por arco eléctrico en vacío individualmente; y

   refusión por arco eléctrico en vacío de al menos una parte de la aleación refundida por arco eléctrico en vacío individualmente utilizando un nivel de vacío inferior a 20 micrones de presión (pPa), un espacio de arco eléctrico en el intervalo de 6-12 mm, y una velocidad de fusión de 6-9 libras por minuto (1 lb/min = 0,0075598728333333 kg/s) para proporcionar una aleación fundida por arco eléctrico en doble vacío;

   en donde la aleación fundida por inducción al vacío comprende, en porcentajes en peso basados en el peso total de la aleación: 12,5-13,5 de Co; 15,5-16,5 de Cr; 0,75-1,20 de Fe; 3,8-4,2 de Mo; 3,8-4,2 de W; 0,6-0,8 de Nb; 3,55-3,90 de Ti; 1,95-2,30 de Al; 0,03-0,06 de Zr; 0,005-0,011 de C; 0,01-0,02 de B; y Ni.

   El método de la reivindicación 1, en donde la refusión por arco eléctrico en vacío comprende formar un lingote refundido por arco eléctrico en vacío en un crisol, y en donde en al menos uno de los pasos de refusión por arco eléctrico en vacío, se introduce un gas inerte en un espacio entre el crisol y el lingote. El método de la reivindicación 1 o 2, en donde la operación de refusión por electroescoria y las operaciones de refusión por arco eléctrico en vacío producen lingotes de la aleación.

   El método de la reivindicación 1, en donde el paso de refusión por arco eléctrico en vacío de al menos una parte de la aleación refundida por arco eléctrico en vacío individualmente elimina una fase seleccionada del grupo que consiste en una fase de carburo y una fase topológicamente compacta (TCP).

   El método de la reivindicación 4, en donde el paso de refusión por arco eléctrico en vacío de al menos una parte de la aleación refundida por arco eléctrico en vacío individualmente elimina un material seleccionado del grupo que consiste en un óxido, un carburo, y un carbonitruro.