Коррозионно-стойкий конструкционный сплав для деталей термических машин

 

сОюз советских сОциАлистических РеспуБлик госудАРствкннок плткнтнок вщомство сссР госплткнт СССР>

ОЙБСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ (21) 5001206/02 (22) 05.07.91 (31) 90 90113008 (32) 07.07ЯО (33) ЕР (46) 30.1293 Бюл. ¹ 48-47 (71) Асеа Браун Бовери АГ (СН) (72) Мохамед Назми(Е6) (73) Асеа Браун Бовери АГ (СН) (54) ИОРРОЗИОННΠ— СТОЙКИЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ ТЕРМИЧЕСКИХ МАШИН (57) Коррозионно-стойкий конструкционный cnnas длл деталей термических машин на основе алюминида железа Fe Al со следующим составом, ат.96: Al

24 — 28; 0,1 — 5; Cr 0,1 — 10, B 0,1 — 1; Si 0,1 — 2; Fee остальное. При 550 С пределы текучести достигают значения от 500 до свыше 50 МПа. 9 зл.ф1839684

Сплавы для средней области температур для термических машин на базе интерметаллических соединений, которые подходят для направленной кристаллизации, заменяют нержавеющие стали и частично суперсплавы на базе никеля или другие интерметаллические соединения.

Изобретение относится к дальнейшему развитию и улучшению базирующихся на интерметаллическом соединении типа алюминида железа Fe&l сплавов с добавками, улучшающими механические свойства (твердость, текучесть, ковкость).

В более узком смысле изобретение касается устойчивого к окислению и коррозии 15 сплава для строительных деталей для области средних температур на основе алюминида железа Fe®t, Интерметаллические соединения и получаемые от них сплавы завоевывают в по- 20 следнее время все большее значение в качестве материалов, которые могут быть использованы в области средних и более высоких температур. Всем известны алюминиды никеля и титана, которые частично до- 25 полняют или заменяют классические суперсплавы на базе никеля. Уже долгое время известны различные алюминиды железа, прежде всего устойчивые к окислению и окалине защитные покровы на строитель- 30 ных деталях из железа и стали. Их наносят распылением алюминия на тела из стали и последующим прокаливанием, полученные таким образом интерметаллические соеди- нения из-за относительной хрупкости вряд З5 ли можно рассматривать как конструкционные материалы. Однако, в последнее время прежде всего ближе изучались богатые железом, находящиеся вблизи фазы FegAt сплавы на их пригодность в качестве мате- "0 риалов для области температур до примерно б00 С. Уже также было предложено улучшить их свойства легированием других элементов, Такого рода материалы могли бы успешно соревноваться с классическими 45 коррозионно-устойчивыми сталями в области температур примерно 500 С, Известные, базирующиеся íà FegAt сплавы, не полностью отвечают техническим требованиям. Есть необходимость в их 50 дальнейшем развитии, В основу изобретения положена задача, получить сравнительно недорогой сплав с высокой устойчивостью к коррозии и окислению в средней области температур (300 55 до 700 С) и одновременно достаточной термостойкости и текучестью при комнатной температуре и более низких температурах, который можно легко разливать и который подходит для направленной кристаллиза28 ат, 1 ат,, 5 ат. ции. Сплав должен состоять в основном иэ сравнительно тугоплавкого интерметаллического соединения с последующими добавками.

Эта задача решается тем, что сплав имеет следующий состав. ат. :

Al 24 — 29

Nb 01 — 2

Cr 0,1 — 10

 0,1 — 1

Sl 0,1 — 2

Fe остаток.

На фиг,1 показано графическое изображение влияния В-добавки на твердость по

Виккерсу НЧ (кг/мм ) некоторых сплавов на

2 базе интерметаллического соединения алюминида железа FeaAi при комнатной температуре; на фиг,2 — графическое изображение влияния В-добавки на относительное удлинение при разрыве д(о ) некоторых сплавов на базе интерметалличе- ского соединения алюминида железа ЕеэА1 при комнатной температуре; на фиг.З вЂ” графическое иэображение влияния Sl-добавки на твердость по Виккерсу HV (кг/мм ) некоторых сплавов на базе интерметаллического соединения FegAt при комнатной температуре; на фиг.4 — графическое изображен э влияния Nb-добавки на твердость по Впкерсу НЧ (кг/мм ) некоторых сплавов на t =,—

2 зе интерметаллического соединения алюминида железа Fe3AI при комнате и температуре; на фиг,5 — графическое и -.— бражение влияния Nb-добавки на отно". тельное удлинение при разрыве д(-1) некоторых сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа при комнатной температуре; на фиг.б — графическое изображение предела текучести до,z (МПа) в функции температуры для группы сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа FezAt.

Фиг.1 является графическим изображением влияния V-добавки на твердость по

Виккерсу НЧ(кг/мм2) некоторых сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа FegAt при комнатной температуре. эыли исследованы следующие основные сплавы:

Кривая 1; At 28ат.

Nb 1 ат.о

Cr . 5 ат, Fe остаток.

В-добавка находилась между 0,1 ат.% и максимально 3 ат, в отношении к содержанию железа.

Кривая 2: Al

Nb

1839684

Sl 2 ат.

Fe остаток.

В-добавка находилась между 0,1 ат,$ и максимально 4 ат. в отношении к содержанию Fe.

При небольших B-добавках можно было сначала установить небольшое снижение твердости по Виккерсу, из чего можно говорить уже об определенной дуктилиэации.

При В-содержании свыше примерно 1,5 ат. твердость по Виккерсу снова росла, что возможно было связано с выделением тверды < боридов.

Фиг.2 показывает графическое иэображение влияния В-добавки на относительное удлинение при разрыве д() некоторых сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа РедА! при комнатной температуре.

Были исследованы следующие основные сплавы:

Кривая 3: Ai 28 ат.%

Nb 1 ат.%

Cr 5 ат, Fe остаток, В-добавка находилась между 0,1 ат. (, и максимально 3 ат. в отношении к содержанию железа.

Кривая 4; AI 28 ат.

Nb 1 ат. /

Cr 5 ат, Sl 2 ат, Fe остаток.

В-добавка находилась между 0,1 ат. и максимально 4 ат. в соотношении к содержанию железа.

В зависимости от В-добавки можно было сначала наблюдать повышение относительного удлинения при разрыве, при этом . при примерно 2 ат. наступал максимум.

При дальнейшем повышении В-добавки относительное удлинение при разрыве снова уменьшалось вследствие появления хрупкости (выпадания боридов).

Фиг.3 показывает графическое иэображение влияния Si-добавки на твердость по

Виккерсу HV (кг/мм ) некоторых сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа РезА! при комнатной температуре.

Были исследованы следующие основные сплавы:

Кривая 5: Al 28 ат.

Nb 1 ат.

Cr 5 ат.

Fe остаток.

Si-добавка находилась между 0,5 и максимально 2 ат. в отношении к содержанию Fe.

Кривая 6; Ai 28 ат. /, Nb 1 ат.o

Cr 5 ат,%

В 0,1 ат.

5 Fe остаток.

Sl-добавка находилась между 0,5 и максимально 2 ат. в отношении к содержанию

Fe.

Кривая 1: Al 28 ат.

10 Nb 1 ат.

Сг 5 ат.

В 1 ат.%

Fe остаток.

Si-добавка находилась между 0,5 и мак15 симально 2 ат. в отношении к содержанию Fe, Sl-добавка осуществляла повышение твердости по Виккерсу во всех сплавах.

При этом можно было наблюдать, что

20 обусловленная примерно 1 ат.% В-добавки потеря твердости при Si-добавке могла быть больше. Фиг.4 является графическим изображением влияния Nb-добавки на твердость по Виккерсу HV {кгlмм2) некоторых

25 сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа РезА! при комнатной температуре.

Были использованы следующие основ30 ные сплавы:

Кривая 8: А! 28 ат.%

Cr 5ат.

Fe остаток, Nb-добавка находилась между 0,5 ат. и

35 максимально 2 ат.% в отношении к содержанию Fe, Кривая 9: А! 28 ат.%

Сг 5 ат.%

Si 2 ат.

40 Fe остаток.

Nb-добавка находилась между 0,6 ат. и максимально 2 ат., в отношении к содержанию Fe.

До содержания Nb примерно 1 ат."

45 твердость по Виккерсу в небольшой мере уменьшилась, чтобы при примерно 1 ат." снова достигнуть или превысить первоначальное значение Nb свободного сплава, Фиг.5 показывает графическое изобра50 жение влияния Nb-добавки на относительное удлинение при разрыве () некоторых сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа РезА! при комнатной температуре, 55 Были исследованы следующие основные сплавы, Кривая 10:AI

Cr

1839684

Nb-добавка находилась между 0,5 ат. и максимально 2 ат.% в отношении к содержанию Ге.

Кривая 11:Al 28 ат. (, Cr 5 ат. 5

Sl 2 ат

Fe остаток.

Nb-добавка находилась между 0,5 ат.g u максимально 2 ат, в отношении к содержанию Fe. 10

Относительное удлинение при разрыве сплава по кривой 10 проходило при примерно 1 ат. Nb ясно выраженный максимум, чтобы при более высоких значениях Nb-содержания снова уменьшится, Это отноше- 15 ние нельзя было наблюдать при

SI-содержащих сплавах по кривой 11, Кроме того, значения относительного удлинения при разрыве оставались значительно ниже, чем у сплавов в соответствии с кривой 10. 20

Фиг,6 является графическим изображением предела текучести до,2 (MPA) в функции температуры Т /С для группы сплавов на базе интерметаллического соединения алюминида железа FegAI, В качестве срав- 25 нения дан предел текучести чистого алюминида железа FeaAI с 25 ат. Al. Таким образом можно увидеть влияние других элементов сплавов.

Кривая 12; 25 ат, Al, остаток Fe 30

Кривая 13:28ат. AI, 1 ат. Nb,5àò. Сг, 1 ат." В, остаток Fe.

Кривая 14; 28 ат.% AI, 1 ат. Nb, 5àò, Сг, 1 ат, В, 2 ат. Si, остаток Fe.

Кривая 15: 28 ат, Al, 1 ат, Nb, 2 ат. о Сг, 35 остаток Fe, Кривая 1.6; 28 ат. Al. 2 ат. ЙЬ, 4 ат. Cr, остаток Fe.

Кривая 17: 28 ат, Al, 2 ат. Nb, 4 ат, Cr, 0,2 ат. В, 2 ат. Si, остаток Fe. 40

Все кривые показывают похожее поведение веществ. До температуры примерно

400 С предал текучести сначала уменьшается сильнее, затем несколько менее сильно примерно на 50 значения при комнатной 45 температуре, Здесь проходит предел текучести свой минимум и растет до температуры примерно 550 С снова относительно круто до примерно 5 значения при комнатной температуре. Этот максимум типи- 50 чен для поведения интерметаллических соединений типа FeaAI. После этого максимума предел текучести падает до низких

"-начений. Наивысшие значения твердости наблюдались при сплавах с Nb и Сг. 55

Пример 1. В дуговой печи под аргоном в качестве защитного газа плавился сплав следующего состава, ат. :

AI 28

ЫЬ 1

Сг 5

Fe остаток.

В качестве исходных материалов служили отдельные элементы со степенью чистоты 99,99 . Расплав отливался в заготовку для литья диаметром примерно 60 мм и высотой примерно 80 мм. Заготовка снова расплавлялась и тоже под защитным газом затвердевала в форме стержней с диаметром примерно 8 мм и длиной примерно 80 мм.

Стержни без дополнительной термообработки подготавливались для пробы давлением в ускоренном испытании. Полученные механические свойства измерялись в функции температуры, Дальнейшее улучшение механических свойств при помощи подходящей термообработки лежит в области возможного. Кроме того, есть возможность улучшения при помощи направленной кристаллизации, длячего сплав особенно подходит, Пример 2. Аналогично примеру 1 следующий сплав плавился под аргоном, ат,, Al 28 ,Nb 1

Сг 5

В 0,1

Я 2

Fe остаток.

Расплав аналогично примеру 1 разливался, под аргоном снова расплавлялся и вынуждался к твердению в форме стержней.

Размеры стержней соответствовали примеру 1. Стержни без дальнейшей термообработки обрабатывались для пробы давлением. Полученные таким образом механические свойства соответствовали примерно значениям в примере 1. Эти значения могут быть улучшены при помощи термообработки, Пример 3. Точно такие, как в примере

1 атмосфере аргона расплавлялся следующий сплав, ат. :

Al 28

Nb

Сг 5

В 1

Si 2

Fe остаток.

Расплав разливали аналогично примеру 1, под аргоном снова расплавляли и разливали в призмы квадратным сечением (8 х 8 х 100 мм). Из этих призм делались образцы для испытания давлением, на удар и определение твердости, Механические свойства соответствовали примерно значениям в предыдущих примерах, Термообработка давала улучшение этих значений, 1839684

Пример 4. Под аргоном расплавлялся следующий сплав, ат. ;

А! 28

Nb 1

Cr 5

Fe остаток.

Поступали так же, как в примере 1.

Пример 5. Под аргоном расплавлялся следующий расплав, ат. :

Al 28

Nb 05

Cr 6

В 0,5

Sl 1,5

Fe остаток, Пример 6, Образ действия аналогичен примеру 1. Под аргоном расплгвлялся следующий сплав, ат. :

А! 28

Nb 1,5

Сг 3

В 0,7

Si 1

Fe остаток, Образ действий аналогичен примеру 1, Пример 7. Расплавлялся следующий расплав, ат. :

Al 28

Nb 2

Cr 1

В 1

Sl 05

Fe остаток, Образ действий аналогичен примеру 1.

Пример 8. В аргоновой атмосфере в индукционной печи расплавлялся следующий сплав, ат. ;

Al 24

Nb . 1

Cr 10

В 0,5

S! 2

Fe остаток.

Образ действий аналогичен примеру 1, Пример 9. Под аргоном плавился следующий сплав, ат, :

Al 28 !

ЧЬ 08

Cr 5

В 0,8

S! 1

Fe остаток, Образ действий аналогичен примеру 1, Действие элементов.

Вследствие легирования элементов Cr стойкость к окислению дальше повышалась.

Влияние на механические свойства (твердость, пластичность. текучесть, термостойкость) является различным в зависимости от того, какие еще есть компоненты сплава и от вида кристаллизации в детали, Вместе с

Nb при определенном содержании других дополнительных элементов Cr оказывает благоприятное действие. Добавление Cr больше чем 10 ат., ухудшает механические свойства. Элемент повышает в определенных областях твердость и жесткость, Ковкость (относительное удлинение при разрыве) имеет для определенных сплавов максимум при 1 ат. Nb.

Легированием В пытались повысить пластичность. Но его влияние проявляется только в присутствии определенных других элементов. При небольших содержаниях В жесткость легко уменьшается, чтобы при содержании выше 2 ат. снова повыситься.

При очень высоких содержаниях В это приводит к образованию твердых боридов. Относительное удлинение при разрыве проходит при 2 ат. В характерный максимум. Поэтому содержание В свыше 7 ат., не имеет особого смысла. В большинстве можно удовлетворить максимум 1 ат. Si, улучшает литейные свойства и воздействует благоприятно на устойчивость к ol

Практически во всех сплавах он псвышает жесткость и компенсирует таким образом уменьшение твердости, вызванное В-добавкой.

Изобретение не ограничивается поимерами исполнения.

В общем имеется устойчивый к окислению и коррозии сплав для строительных деталей для средней области температуры на базе алюминида железа РезА! следующего состава, ат. ;

Al 24 — 28

Nb 0,1 — 2

Cr 0,1— - 10

 0,1 — 1

Sl 0,1-2

Fe остаток. (56) Н,Thonye, Effects of ООз transitions on

the ylllol tehavlour of Fe-Al Alloys, Metals and

ceramics division. Oak Ride National

Laboratory, Tennessee 37831, Wat. Res. Soc, Symp, proc, Rcl, 39, 1985, Materials Research

Society, 1839684

28

Формула изобретения

1, КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ СПЛАВ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ

ТЕРМИЧЕСКИХ МАШИН, содержащий железо и алюминий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий, хром, бор, кремний при следующем соотношении компонентов, ат. ф,:

Алюминий 24- 28

Ниобий 0,1 - 5,0

Хром 0,1 - 10,0

Бор 0,1- 1,0

Кремний 0,1-2,0

Железо Остальное

2, Сплав по п.1, отличающийся тем, что имеет следующий состав:

А1 28

Nb 1

Сг 5

В 0,1

Si 2

Fe Остальное

3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что имеет следующий состав:

Ai 28

Nb I

Cr 5

В 0,1

Si 2

Fe Остальное

4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что имеет следующий состав:

А(28

Nb 1

Сг 5

В 1

Si 2

Fe Остальное

5. Сплав по п.1, отличающийся тем, что имеет следующий состав:

AI

ИЬ

24

0,8

0,8

Остальное

В 0,2

Si 2

Fe Остальное

6. Сплав по п,1, отличающийся тем, что

5 имеет следующий состав:

Al 26

Nb 0,5

Cr 6

В 0,5

10 р 1,5

Fe Ос гал ьное

7. Сплав no n.1, отличающийся тем, что имеег следующий состав;

26

Nb 1,5

Cr 3

В 0,7

Si 1

20 Fe Остальное

8, Сплав по п.1, отличающийся тем, что имеет следующий состав;

At 2

Nb 2

25 1

В 1

St 0,5

Fe Остальное

9. Сплав по п.1, отличающийся тем, что имеет следующий состав:

AI 24

Nb 1

Cr 10

35 В 0,5

Sl 2

Fe Остальное

10, Сплав по п.1, отличающийся тем, что имеет следующий состав:

40 Ai

Cr

Si

1839684

НЧ

01 05 1

1839684

ыч (kgimm 1

0,5 нч

С00

Э00

0,5

1839684

1000

0 100 200 300

Составитель О, Сидорова

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор В, ПетРаш

Редактор С. Кулакова

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

Заказ 3412

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