Космические сплавы

«Норникель» начал прототипирование новейших сплавов на основе никеля и кобальта, востребованных в авиационной, космической, атомной, химической и нефтегазовой отрасли. Работы по выплавке ведутся на базе Кольского дивизиона – в Мончегорске, в том числе и в Цехе электролиза никеля. 

Особые свойства сплавам придает рецептура – химический состав, в котором массовая доля никеля превышает 50% (иногда даже 90%), а доля кобальта доходит до 20%. Это обеспечивает жаропрочность, стойкость к повышенным температурам, устойчивость к агрессивным средам (кислоты и щелочи), а также способность таких сплавов выдерживать высокие нагрузки и при экстремально низких температурах.

«Одним из ключевых параметров, определяющих уровень этих свойств, является высокая чистота сплава, или минимальное содержание неметаллических включений, которые являются причинами зарождения трещин – очагами, где формируются дефекты в процессе эксплуатации изделий при высоких внешних нагрузках или температурах», – добавляют в «Норникеле». При этом применение никеля и кобальта даже самой высокой чистоты не гарантирует отсутствие вредных примесей в сплаве, поэтому повышенное внимание в процессе инновационной выплавки уделяется методам рафинирования расплава. В качестве добавок используют редкоземельные металлы, в основном – церий и лантан, имеющие высокое сродство с кислородом и серой (это ключевые контрагенты, участвующие в образовании неметаллических включений – сульфидов и оксидов).

Оба способа отлично зарекомендовали себя, но, в то же время, были выявлены и присущие им ограничения. Так, при электрошлаковом переплаве уменьшался коэффициент полезного использования материала за счет необходимости обрезки донной и прибыльной частей слитка до и после переплава, а также вынужденной обточки поверхности слитка. Использование этих металлов также увеличивает стоимость шихтовых материалов – основных исходных компонентов химического состава сплава. Был протестирован и инновационный способ очистки сплава от неметаллических включений – фильтрация расплава через керамическую губку, имеющую высокий уровень сквозной пористости. За счет того, что расплав, проходя через губку, встречает множество локальных препятствий, неметаллические включения осаждаются на поверхности фильтра, а чистый металл проходит насквозь, где уже кристаллизуется в слиток.

«Мы проводим сравнение не только самих способов выплавки сплавов из никеля и кобальта, но и способов рафинирования полученных расплавов. Это открывает возможность сравнительного анализа методов рафинирования и их эффективности при использовании в качестве основных шихтовых материалов никеля и кобальта различных марок», – говорит Максим Рябушкин, первый заместитель генерального директора – главного инженера АО «Кольская ГМК».

Первичный сравнительный анализ методами высокоразрешающей электронной микроскопии показывает параметры дисперсности и химического состава неметаллических включений, а также позволяет локализовать их в структуре металла. «С точки зрения конечного потребителя индикатором чистоты сплава по неметаллическим включениям являются его механические свойства после проведения термической обработки и деформации на конечный размер изделия. Наиболее чувствительными свойствами никелевых сплавов к содержанию загрязнений являются длительная прочность, ползучесть и циклическая усталость. Эти измерения показывают, как будет вести себя деталь из полученного сплава в реальных условиях эксплуатации. Как загрязняющие примеси будут концентрировать внутренние напряжения и, возможно, приводить к выходу детали из строя за счет снижения целевых показателей механических свойств», – прокомментировал руководитель направления департамента технологических инноваций «Норникеля» Александр Рашковский.

Кроме рецептуры сплавов важным фактором является соблюдение технологических параметров деформации и термической обработки. Большинство никелевых сплавов, используемых, например, в авиационной и космической отраслях, очень чувствительны к технологическим параметрам, и отклонение температурного режима всего на 5 градусов по Цельсию приводит к необратимым изменениям в микроструктуре и браку продукции. «Как говорят в черной металлурги, 90 % качества сплава закладывается при выплавке и разливке. В никелевых же сплавах любой передел вносит существенный вклад в уровень свойств. Наша задача на втором этапе работы отработать термомеханические параметры ковки, горячей прокатки, термической обработки, которые позволят получить оптимальные для заказчиков показатели микроструктуры, кратковременной, длительной, усталостной прочности, а также стойкости к коррозии и агрессивным средам», – говорит руководитель проектов департамента технологических инноваций «Норникеля» Виктор Кучеряев.

«Полный цикл исследований, включающий лабораторное и полупромышленное прототипирование совместно с ведущими R&D-центрами и потенциальными потребителями, позволяет увеличить ценность металлов «Норникеля», а также провести испытания в реальных условиях эксплуатации уже на ранних стадиях исследовательского цикла», – говорит директор департамента технологических инноваций «Норникеля» Анна Коротченкова.

Вовлечение собственного никеля и кобальта позволяет оптимизировать и затраты на производство никелевых сплавов, где доля металлов компании составляет от 50% и более. «Сегодня объем рынка никелевых сплавов составляет около 10 млрд долларов в год. Ожидается, что через пять лет данный рынок увеличится на 8-10%. Это отличная возможность для компании выйти на новые рынки сбыта продукции с добавленной стоимостью и активно развивать спрос на никель, стратегический металл для компании», – прокомментировал директор департамента маркетинга «Норникеля» Денис Шарыпин.