Сплав на основе кремния для жаростойкого покрытия

 

Изобретение относится к сплавам на основе кремния, предназначенным для защитных покрытий тугоплавких металлов и их сплавов. Сплав содержит, мас.%: титан 15,0-30,0; молибден 5,0-25,0; бор 1,0-3,0; кальций 0,5-2,0; кремний остальное. Свойства сплава следующие: количество циклов до разрушения от 20 до 1400°С 16-20. Стойкость к эрозии в экстремальных условиях при 1900°С 150 с. Адгезионная прочность 8-12 МПа. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)s С 22 С 28/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4925128/02 (22) 18,03,91 (46) 15.01.93, Бюл, ¹ 2 (71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И,П.Бардина (72) Т.Е.Бердникова, В,С.Терентьева, О, П. Богачкова, Ж, И,Дзнеладзе, О.А, Скачков, В.Д. Головин и Е.Д. Бойков (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 569213, кл. С 22 С 28/00, 1977 г, Жаропрочность и жаростойкость металлических материалов. М.: Наука, 1976, с,204.

Изобретение относится к составам защитных покрытий тугоплавких металлов и их сплавов, полученных методом порошковой металлургии, работающих в условиях одновременного воздействия термоудара и высокоскоростного трения при больших удельных нагрузках газового потока.

Известен сос1 м защитного покрытия, содержащий кремний- и боросодержащие вещества, в roM числе дисилицид молибдена (50 — 90 мас.%) и борид титана (10-50 мас,%), Несмотря на то, что известный состав имеет достаточно высокие жаростойкие свойства, недостатком его является то, что сформированные из него покрытия склонны к эрозионному ра;трескиванию при термоуда ре.

Известен сплав для защитного покрытия системы Si — Т вЂ” Мо(кремниевый угол), который имеет достаточно высокие жаростойкие и адгезионные свойства. Этот сплав наиболее близок к заявляемому и поэтому выбран за прототип.

Недостатком известного сплава является то, что покрытия, полученные из него, при

„„ ÄÄ 1788065 А1 (54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ ДЛЯ

ЖАРОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ (57) Изобретение относится к сплавам на основе кремния, предназначенным для защитных покрытий тугоплавких металлов и их сплавов. Сплав содержит, мас.%: титан

15,0-30,0; молибден 5,0 — 25,0; бор 1,0 — 3,0; кальций 0,5 — 2,0; кремний остальное. Свойства сплава следующие: количество циклов до разрушения от 20 до 1400 С 16 — 20. Стойкость к эрозии в экстремальных условиях при 1900 С 150 с. Адгезионная прочность

8-12 МПа, 1 табл. одновременном воздействии температуры и высокоскоростного трения газового потока, недостаточно стойкие к эрозии и термоудару из-за низкой адгезионной прочности сцепления покрытия с защищаемым материалом.

Целью изобретения является повышение стойкости покрытия к термоудару и эрозии в высокоэнтальпийном потоке, Поставленная цель достигается тем, что известный сплав на основе кремния для жаростойкого покрытия, содержащий титан и молибден, в соответствии с изобретением, дополнительно содержит кальций и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%;

Титан 15 — 30

Молибден 5 — 25

Бор 1 — 3

Кальций 0,5 — 2

Кремний Остальное

Сущность изобретения заключается в следующем.

В основу разрабо .ки жаростойких композиций сплавов для покрытий были положены термомеханические характеристики

1788065

30

55 образования сложных тугоплавких силицидных фаз с высокой жаростойкостью. Достаточно высокая температура плавления и высокая химическая стабильность силицидов титана и молибдена, образующихся в сплаве, повышает температурный предел эксплуатации покрытий, Поэтому в качестве основы сплава взят кремний, кроме того, учитывали его способность образовывать аморфные пленки легированного кремнезема, Выбор титана, как основного легирующего элемента, обусловлен его жаростойкими свойствами, химической стабильностью его силицидов. Кроме того, образующийся в процессе окисления оксидный слой, состоящий из плотного аморфного кремнезема и кристаллов рутилла TiOz в нем, способствует повышению защитных свойств сплава против эрозии при высоких температурах. Использование титана при его содержании в сплаве менее 15 мас.% и более 30% приводит к снижению стойкости покрытия к термоудару. Применение молибдена в сплаведля защитного покрытия обьясняется повышением его жаропрочных свойств, стойкости к термоудару. Однако, содержание молибдена а сплаве до 5 мас.% не оказывает заметного" влияния на свойства сплава, а повышение содержания Мо свыше 25 мас,% окисляет, образуя МоОз со сравнительно невысокой температурой испарения, в результате чего окисел сублимирует, плотность покрытия ухудшается и снижаются его жаростойкие свойства, Присутствие бора стабилизирует аморфное состояние покрытия, т,е. препятствует его кристаллизации в процессе эксплуатации, а также увеличивает, по сравнению с прототипом, вязкость оксидного слоя, т.к, при содержании бора свыше 1 мас.% образуется боросиликатное стекло с меньшей температурой плавления, что приводит к релаксации возникающих в покрытии напряжений при термоударе и увеличивает самозалечивающие свойства окалины. Вместе с тем, повышение содержания бора в сплаве более 3 мас.% приводит к понижению температуры плавления сплава и, соответственно снижает его стойкость к эрозии при высоких температурах, что существенно сказывается на возможностях его применения.

Заявляемый сплав содержит от 0,5 до

2 мас.% кальция, который обеспечивает образование на поверхности покрытия защитного окисного слоя, представляющего собой силикатное стекло, уже на начальной стадии его окисления более жаростойкого, чем у прототипа, причем без снижения температуры плавления покрытия. Кроме того наличие кальция в сплаве повышает адгезионную прочность сцепления покрытия и защищаемого тугоплавкого металла или его сплава, Наличие в сплаве кальция до

0,5 мас,% не влияет на его жаростойкие свойства, Увеличение содержания кальция более 2 мас,% приводит к понижению температуры плавления покрытия и, следовательно, к ухудшению стойкости сплава к эрозии.

Пример. Порошок сплава жаростойкого покрытия изготавливали методом совместного гидридно-кальциевого восстановления расчетного количества соответствующих окислов металлов. Окислы и гидрид кальция смешивали в шаровой мельнице в течение 6 часов при П;Ш = 2:1. Восстановление готовой шихты проводили в шахтных печах по стандартной технологии, Аналогичным образом готовили сплавпрототип.

Для получения покрытия на предварительно обезжиренные изделия методом шликерного наплавления наносили слой сплава, который затем отжигали в вакуумной печи типа СШВЛ, толщина покрытия

90 — 100 мкм. Из каждой партии сплавов отбирали не менее 5 образцов. Для всех групп изделий проводили испытания на солнечной установке СГУ-4 на термоциклирование с термоударом по режиму; нагрев от 20 до

1400 С за 5 мин, выдержка при заданной температуре 5 мин, охлаждение до 20 С в течение 5 — 7 мин. О стойкости к термоудару судили по количеству циклов до разрушения образца, Эрозионные испытания проводили на плазменной установке ВГУ-4, при температурах от 1700 до 2000 С, Данные приведены в таблице, Приведенные в таблице сведения подтверждаются актом испытаний.

Как следует из таблицы, образцы с покрытием заявляемого состава сплава показали лучшие свойства (N 1-3), т.е. при испытаниях на термоудар они простояли

20 циклов без разрушения (прототип — 8), а при испытаниях на эрозионную стойкость они выдержали без разрушения поток плазмы с температурой 1900 С в течение 150 с, прототип — лишь 15 с, при 1750 С.

Таким. образом, заявляемый сплав при использовании его в качестве покрытия на жаростойкие сплавы имеет высокую стойкость к термоудару и эрозии при одновременном воздействии температуры и высокоскоростного трения, Это обеспечивает при его использовании увеличение ресурса работы жаростойких сплавов и повышение температуры их использования.

1788065

Формула изобретения

Результаты испытаний

20

Составитель Т. Бердникова

Техред М,Моргентал Корректор Н. Король

Редактор

Заказ 51 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Сплав на основе кремния для жаростойкого покрытия, содержащий титан и молибден, отл и ч а ю щийс ятем, что, с целью повышения стойкости к термоудару и эрозии при одновременном воздействии температуры и высокоскоростного трения газового потока. он дополнительно содержит кальций и бор при следующем соотношении компонентов, мас.7,:

Титан 15 — 30

5 Молибден 5 — 25 бор 1 — 3

Кальций 0,5 — 2,0

Кремний Остальное,