Жаропрочный сплав на основе никеля

 

Изобретение относится к жаропрочным сплавам на основе никеля. Сплав на основе никеля содержит следующие компоненты, мас.%: никель - основа; вольфрам - 11,8-12,4; кобальт - 9,7-10,3; алюминий - 4,9-5,2; хром - 8,7-9,6; тантал - 0,9-1,1; молибден - 1,4-1,6; титан - 2,16-2,36; ниобий - 1,1-1,4; ванадий - 0,2-0,24; гафний - 0,03-0,06; цирконий - 0,12-0,15; церий - 0,01-0,02; бор - 0,02-0,04; углерод - 0,18-0,26; карбид титана - 1,00-1,10; карбид тантала - 0,5-0,6. Технический эффект заключается в увеличении ресурса работы штамповой оснастки при изотермической деформации за счет повышения жаропрочности, жаростойкости и износостойкости. 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, к никелевым жаропрочным сплавам.

Известны жаропрочные сплавы на основе никеля, содержащие хром, алюминий, титан, молибден, вольфрам и другие элементы. Обладая высокими технологическими свойствами, данные сплавы имеют недостаточно высокую сточасовую жаропрочность в интервале температур 900 - 1000^oC /1/.

Все известные сплавы имеют предел сточасовой длительной прочности при 1000^oC не более 150 - 181 МПа, а при 1050^oC - 80 - 110 МПа.

Наиболее близкими аналогами к заявляемому сплаву являются: ЖС-6К, имеющие следующий химический состав (мас.%) /2/: Никель - Основа Хром - 9,5 - 12,0 Кобальт - 4,0 - 5,5 Молибден - 3,5 - 4,8 Вольфрам - 4,5 - 5,5 Титан - 2,5 - 3,2 Алюминий - 5,0 - 6,0 Углерод - 0,13 - 0,20 Церий - 0,015
Марганец - < 0,4
Кремний - < 0,4
Железо - < 2,0
Сера - < 0,015
Бор - < 0,02
Фосфор - < 0,015
Сточасовая жаропрочность при 1000^oC составляет 140 - 150 МПа.

Следующим аналогом является сплав ВЖЛ-12У (мас.%) /3/:
Никель - Основа
Хром - 8,5 - 10,5
Кобальт - 12,0 - 15,0
Молибден - 2,7 - 3,4
Вольфрам - 1,0 - 1,8
Титан - 4,2 - 4,7
Алюминий - 5,0 - 5,7
Углерод - 0,14 - 0,20
Церий - 0,02
Ниобий - 0,5 - 1,0
Цирконий - 0,02
Ванадий - 0,5 - 1,0
Марганец - < 0,4
Кремний - < 0,4
Железо - < 2,0
Сера - < 0,015
Бор - < 0,02
Фосфор - < 0,015
Наиболее близким аналогом заявляемого сплава является известный жаропрочный сплав ЖС-6У. Сплав ЖС-6У имеет следующий химический состав (в мас.%):
Никель - Основа
Хром - 8,0 - 9,5
Кобальт - 9,0 - 10,5
Молибден - 1,2 - 2,4
Вольфрам - 9,5 - 11,0
Титан - 2,0 - 2,9
Алюминий - 5,1 - 6,0
Углерод - 0,13 - 0,20
Ниобий - 0,8 - 1,2
Церий - 0,02
Цирконий - 0,08
Гафний - 0,05
Марганец - < 0,4
Кремний - < 0,4
Железо - < 1,0
Сера - < 0,01
Бор - < 0,05
Фосфор - < 0,015
Сплав ЖС-6У имеет предел сточасовой длительной прочности при 1000^oC - 170 - 180 МПа, а при 1050^oC - 110 МПа /4/.

Вместе с тем жаропрочность и износостойкость данного сплава не удовлетворяют современным условиям эксплуатации штамповой оснастки, используемой при изотермическом деформировании труднообрабатываемых титановых и жаропрочных сплавов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение жаропрочности, жаростойкости и износостойкости известного сплава при температуре выше 900^oC за счет увеличения ресурса работы штамповой оснастки при изотермическом деформировании.

Указанная задача достигается тем, что в сплав на основе никеля, содержащий вольфрам, хром, кобальт, молибден, титан, алюминий, углерод, бор, ниобий, гафний, цирконий, церий дополнительно введены тантал, ванадий, карбид титана, карбид тантала при следующем соотношении компонентов (в мас.%):
Никель - Основа
Вольфрам - 11,8 - 12,4
Кобальт - 9,7 - 10,3
Алюминий - 4,9 - 5,2
Хром - 8,7 - 9,6
Тантал - 0,9 - 1,1
Молибден - 1,4 - 1,6
Титан - 2,16 - 2,36
Ниобий - 1,1 - 1,4
Ванадий - 0,20 - 0,23
Гафний - 0,03 - 0,06
Цирконий - 0,12 - 0,15
Церий - 0,01 - 0,02
Бор - 0,02 - 0,04
Углерод - 0,18 - 0,26
Карбид титана - 1,00 - 1,10
Карбид тантала - 0,50 - 0,60
Ограничение примесей в сплаве ведет к снижению их отрицательного влияния на жаропрочность и жаростойкость. Вместе с тем полное исключение их невозможно, так как они присутствуют в шихтовых материалах сплава.

Сплав готовился в вакуумных индукционных печах с электрокорундовым тиглем емкостью 15 кг при глубине вакуума 0,133 ГПа и при натекании 5·10^-5 м³/сек. Дисперсные тугоплавкие соединения вводились в расплав при температуре 1495 - 1500^oC. Заливка форм производилась при температуре 1535 - 1540^oC.

В качестве исходных шихтовых материалов для выплавки сплава применялись:
Никель электрический марки НО - ГОСТ 849 - 84
Хром алюмотермический марки ХО - ГОСТ 5905 - 79
Молибден металлический в штабиках (99,8% Mo) - ТУ 48-19-73-66
Вольфрам металлический в штабиках (96,7% W) - ТУ 48-19-76-90
Кобальт металлический марки К1 - ТУ 123 - 78
Алюминий металлический марки А99 - ГОСТ 11739-78
Титан марки ВТ1-0 - ТУ 48-4-282-73
Тантал (слитки) - ТУ 95-205-73
Цирконий йодидный - ТУ 95-46-76
Ниобий металлический в штабиках НБШ000 - ГОСТ 16100-79
Гафний марки ГФМ1 - ТУ 22517-77
Ванадий ВИМ1 - ТУ 48-4-272-73
Церий металлический марки Ce-Э1 - ТУ 48-4-227-72
Лигатура никель-бор НБ1 - ТУ 1425-3-71
Углерод (электродный бой) - ГОСТ 4426-79
Карбид титана - ТУ 6-09-492-75
Карбид тантала - ТУ 66-09-443-77
Химический состав исследованных сплавов приведен в таблице 1.

Испытывались точнолитые образцы без последующей механической обработки. Размеры образцов для испытаний на разрыв при комнатной и повышенных температурах на длительную прочность соответствовали ГОСТ 1497-61 и ГОСТ 10145-62 (L = 25 мм, d = 5 мм). Образцы для определения ударной вязкости соответствовали ГОСТ 9454-60 (сечение 10 х 10 мм, L = 55 мм, сечение расчетной части 8 х 10 мм).

Исследование жаростойкости сплавов проводилось на плоских образцах с отшлифованными поверхностями. Степень жаростойкости определялась при температуре 1000^oC в течение 100 часов с точностью 1,25 · 10^-3 г. Результаты испытаний приведены в таблице 2 (испытания проводились на образцах без термической обработки).

Механические свойства сплава ЖС-6У приведены в /4/.

Испытания на жаростойкость проводились по методике, изложенной выше. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Средние значения пределов сточасовой длительной прочности нового сплава и ЖС-6У составляют при 1000^oC 195 и 170 - 180 МПа, при 1050^oC - 145 и 110 МПа соответственно.

Новый сплав может быть применен в литом состоянии (без термической обработки), так как в процессе охлаждения после кристаллизации он проходит цикл старения, при котором происходит почти полный распад твердого раствора.

Применение сплава в промышленном производстве позволит значительно повысить ресурс работы штамповой оснастки при изотермическом деформировании труднообрабатываемых титановых и жаропрочных сплавов.

Литейный сплав может быть рекомендован для изготовления штамповой оснастки, работающей в изотермических условиях при температурах 900 - 1000^oC, пресс-форм литья под давлением, сопловых венцов и цельнолитых роторов газотурбинных авиационных двигателей.

Источники информации
1. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1969, с. 1 - 749.

2. Коррозионностойкие и жаропрочные стали и сплавы. Справочник по авиационным материалам. Том III, ВИАМ. - М., Машиностроение, 1975, с. 525-532.

3. Панкратов В.А., Фоменко В.А. Применение литейного никелевого жаропрочного сплава ВЖЛ-12У в современных конструкциях. Сб. Конструкционные и жаропрочные материалы новой техники. Наука, 1977, 36-39.

4. Шпунт К. Я.. Сидоров В.Ц. Высокопрочный литейный сплав на никелевой основе марки ЖС-6Ф. - Сб. Конструкционные и жаропрочные материалы для новой техники. Наука, 1977, 31-35.

Формула изобретения

Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий вольфрам, хром, кобальт, молибден, титан, цирконий, ниобий, гафний, церий, алюминий, углерод, бор, отличающийся тем, что в него дополнительно введены тантал, ванадий, карбид титана, карбид тантала при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Никель - Основа
Вольфрам - 11,8 - 12,4
Кобальт - 9,7 - 10,3
Алюминий - 4,9 - 5,2
Хром - 8,7 - 9,6
Тантал - 0,9 - 1,1
Молибден - 1,4 - 1,6
Титан - 2,16 - 2,36
Ниобий - 1,1 - 1,4
Ванадий - 0,2 - 0,24
Гафний - 0,03 - 0,06
Цирконий - 0,12 - 0,15
Церий - 0,01 - 0,02
Бор - 0,02 - 0,04
Углерод - 0,18 - 0,26
Карбид титана - 1,00 - 1,10
Карбид тантала - 0,5 - 0,6

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2