В литейных жаропрочных никелевых сплавах кремний является вредной примесью, который понижает свойства сплавов, поэтому его содержание ограничено: в сплавах с равноосной структурой – до 0,25 % (сплавы ЖСбК-ВИ, ЖСбУ-ВИ, ВЖЛ12У-ВИ и др.), с направленной и монокристаллической структурой – до 0,20 % (сплавы ЖС32-ВИ, ЖС26-ВИ, ЖС26У-ВИ и др.) [16].
Основным источником поступления кремния в литейные жаропрочные сплавы, получаемые методом направленной кристаллизации, являются керамические материалы, применяемые для получения деталей авиационных ГТД. При технологическом процессе получения керамических форм в них остаётся несвязанный SiO2: в формах на основе электрокорунда – 4–8 %, а в формах на основе дистен-силлиманита – 10–12 %. Кроме того, в керамических стержнях может содержаться 2–7 % несвязанного SiO2.
При длительном взаимодействии расплава с керамическими формой и стержнем, которые содержат в своём составе несвязанный SiO2, что имеет место при отливке деталей с направленной или монокристаллической структурой на моторных заводах, алюминий (как наиболее активный компонент сплава) и углерод восстанавливают кремний по реакциям:
3SiO2 + 4[Al] = 2Al2О3 + 3[Si], (4)
SiO2 + 2C = [Si] + 2COгаз. (5)
Анализ динамики (2007–2011 гг.) изменения содержания кремния в сплаве ЖС32-ВИ, выплавленного в условиях ВИАМ с использованием отходов моторных заводов, показал, что по мере загрязнения сплава кремнием при отливке деталей с направленной и монокристаллической структурой содержание кремния в литых прутковых заготовках выросло в среднем с 0,065 до 0,185 % [16].
Отрицательное влияние кремния на структуру и свойства сплава ЖСбФ-ВИ показано в работе [17]. Методом фазового анализа выявлено, что > 60 % кремния (от его содержания в сплаве) входит в состав γ’-фазы, замещая в ней гафний, титан и ниобий в эквивалентных количествах. Обеднение γ’-фазы эффективными легирующими элементами приводит к ухудшению фазовой стабильности, вследствие чего более интенсивно протекает процесс её коагуляции при повышенных температурах. С увеличением содержания кремния понизились долговечность сплава при испытании на длительную прочность и пластичность при комнатной температуре.
По результатам исследований видно, что в микроструктуре монокристалла с повышенным содержанием кремния (0,27 %) наблюдается увеличение количества эвтектической γ’-фазы и образование вокруг неё областей, обогащённых кремнием. Это наблюдение подтверждает ранее известный факт о распределении кремния между фазами жаропрочного никелевого сплава [17]: 60 % от общего содержания Si в сплаве входят в γ’-фазу, 30 % – в твёрдый раствор, 10 % образуют интерметаллидное соединение системы Ni-Mo-Si.
После полной термической обработки сплава ВЖМ4-ВИ, содержащего повышенное количество кремния (0,27 %), увеличивается число микропор гомогенизации в объёме металла в сравнении со сплавом со стандартным содержанием кремния (0,085 %), наблюдается огрубление структуры и неоднородное распределение частиц γ’-фазы в междендритных участках. В металле с 0,27 % Si более интенсивно протекает процесс коагуляции дисперсных частиц упрочняющей γ’-фазы и последующее её растворение: рафт-пластины γ’-фазы шире, чем в металле со стандартным содержанием кремния [16].
При содержании в сплаве от 0,04 до 0,19 % кремния свойства находятся в пределах паспортных характеристик, причём при содержании 0,19 % кремния значение долговечности находится на минимальном уровне. При содержании в сплаве 0,27 % Si значение долговечности существенно понижается и уже не удовлетворяет паспортным характеристикам. Поэтому предельно допустимое содержание кремния в сплаве ВЖМ4-ВИ составляет 0,2 % [16].