Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него
Владельцы патента RU 2256717:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным свариваемым сплавам на основе никеля, предназначены для изготовления корпусов, кожухов, теплозащитных экранов и других сварных узлов и деталей, работающих при температурах до 900°С. Предложен жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из него. Сплав содержит углерод, хром, молибден, ниобий, алюминий, титан, цирконий, бор и магний, при этом он дополнительно содержит кобальт, вольфрам и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 0,02-0,10, хром - 12,0-20,0, кобальт - 8,0-20,0, молибден - 3,5-7,0, вольфрам - 0,5-3,0, ниобий - 3,2-6,5, алюминий - 1,0-1,8, титан - 1,0-1,6, цирконий - 0,4-1,4, бор - 0,0001-0,006, магний - 0,003-0,06, лантан - 0,003-0,08, никель - остальное. Технический результат - повышение прочностных характеристик сплава в области рабочих температур в сочетании с удовлетворительным уровнем пластичности, обеспечивающим отсутствие провала пластичности и чувствительности к концентраторам напряжений, а также с удовлетворительными характеристиками свариваемости и жаростойкости. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых сплавов на основе никеля и изделий, выполняемых из этих сплавов для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства, и может быть использовано для изготовления корпусов, кожухов, экранов, опор подшипника и других сварных узлов и деталей, работающих при температурах до 900°С.
Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, является высокий уровень прочностных характеристик как кратковременных, так и длительных, в области рабочих температур в сочетании с удовлетворительным уровнем пластичности, обеспечивающий надежную работу изделий из предлагаемого сплава, отсутствие провала пластичности и чувствительности к концентраторам напряжений, а также хорошие свариваемость и жаростойкость.
Удовлетворение этих условий позволит снизить вес изделий, увеличить их ресурс и весовую отдачу.
Известны сплавы на никелевой основе следующего химического состава, мас.%:
1. Хром - 16÷20
Кобальт - 8÷14
Молибден - 2÷4
Алюминий - 0,2÷0,9
Титан - 0,5÷1,5
Тантал - 3,5÷4,5
Ниобий - 3,5÷4,5
Углерод - 0÷0,05
Бор - 0,002÷0,015
Никель - остальное
(патент Германии №3921626)
2. Углерод<0,05
Кремний - <0,5
Марганец -<0,5
Железо - <5
Хром - 18-30
Молибден - 1,5-7,0
Тантал+Ниобий<5
Титан<2
Алюминий<2
Никель - остальное.
Ta+1,9Nb+3,8Ti+6,7Al≤14
(заявка Японии №60744)
Данные сплавы имеют низкую пластичность в области температур 650-800°С и чувствительны к концентраторам напряжений. Их рабочие температуры ограничены ~750°С. При более высоких температурах прочностные характеристики этих сплавов не соответствуют требованиям, предъявляемым к силовым деталям ГТД, что не позволяет использовать их в двигателях нового поколения.
Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому сплаву является сплав следующего химического состава, мас.%:
Углерод - 0,04÷0,10
Хром - 14,0÷22,0
Молибден - 3,0÷8,0
Ниобий - 1,0÷3,0
Алюминий - 0,7÷2,2
Титан – 0,7÷2,0
Ванадий - 0,3÷1,2
Цирконий - 2,0÷4,0
Бор - 0,0003÷0,008
Магний - 0,003÷0,06
Иттрий - 0,003÷0,08
Никель - остальное
(патент СССР №1827120)
Недостатком этого сплава является интенсивное снижение значений длительной прочности на базе испытания более ста часов, что связано с излишним содержанием циркония, который в таком количестве образует интерметаллидные фазы, вызывающие эффект сверхпластичности.
Недостаточна высока и кратковременная прочность сплава как следствие заниженного содержания ниобия.
Другим недостатком прототипа являются ограниченные значения жаростойкости. Изготовленные из этого сплава изделия будут обладать ограниченными значениями ресурса и надежности
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава, обладающего высоким уровнем прочностных характеристик как кратковременных, так и длительных, в области рабочих температур до 900°С в сочетании с удовлетворительным уровнем пластичности, обеспечивающим надежную работу изделий из предлагаемого сплава, отсутствие провала пластичности и чувствительности к концентраторам напряжений. Одновременно сплав должен обладать высокими характеристиками свариваемости и жаростойкости. Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, молибден, ниобий, алюминий, титан, цирконий, бор, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт, вольфрам, лантан при следующим соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,02÷0,10
Хром - 12,0÷20,0
Кобальт - 8,0÷20,0
Молибден - 3,5÷7,0
Вольфрам - 0,5÷3,0
Ниобий - 3,2÷6,5
Алюминий - 1,0÷1,8
Титан - 1,0÷1,6
Цирконий - 0,4÷1,4
Бор - 0,0001÷0,006
Магний - 0,003÷0,06
Лантан 0,003÷0,08
Никель - остальное
и изделие, выполненное из него.
Введение в состав предлагаемого сплава кобальта позволяет повысить как жаропрочные (максимальная температура работы, длительная прочность и т.д.), так и технологические (свариваемость и технологическая пластичность) свойства материала.
Вольфрам также повышает жаропрочность сплава за счет дополнительного легирования γ-твердого раствора и усложнения его электронной структуры.
Дополнительное легирование сплава лантаном улучшает качество окисной плены, в состав которой входят его окислы, повышая его жаростойкость, и уменьшает дефектность границ зерен, улучшая тем самым показатели жаропрочности в верхнем районе рабочих температур и технологическую пластичность сплава.
Ограничение содержания циркония в пределах 0,4-1,4% позволяет за счет образования мелкодисперсных монокарбидов и оптимизации химического состава γ’-фазы обеспечить наряду с высокой прочностью требуемый уровень пластичности сплава, исключить чувствительность к концентрации напряжений.
При таком содержании циркония не проявляется эффект сверхпластичности, снижающий характеристики длительной прочности.
Повышение содержания ниобия в заявленных пределах (3,2-6,5) позволяет через увеличение рассогласования параметров решеток γ- и γ’-фаз и соответственно повышения уровня структурных напряжений в матрице, обеспечить высокие значения характеристик прочности.
Повышение содержания ниобия дает возможность получить высокие характеристики прочности при ограниченном количестве основных γ’-образующих элементов - алюминия и титана, что обеспечивает хорошую свариваемость сплава, чему способствует также низкая диффузионная подвижность атомов ниобия (медленное старение).
Использование нового сплава в качестве материала корпусов, кожухов и др. сварных узлов перспективных изделий пятого и шестого поколения позволит снизить их вес, увеличить ресурс и улучшить весовую отдачу.
Пример осуществления
Для практического осуществления изобретения в лабораторных условиях были выплавлены четыре вакуумных индукционных плавки предлагаемого сплава (примеры 1-3) и сплава-прототипа (пример 4) (таблица 1).
Заливка металла плавок производилась в круглые металлические изложницы. Полученные слитки были обточены резцом по конусной поверхности “как чисто”, а затем от них отрезаны прибыльная и донные части по причине повышенной дефектности.
Полученные заготовки проковали на прессе “Блисс” на сутунки размером 40×100×Lмм и прутки 20 мм. После чего сутунки прострогали с поверхности и прокатали горячекатаные листы толщиной 2 мм. Горячекатаные листы отожгли при температуре 1020±10°С и подвергали щелочно-кислотному травлению поверхности. После травления листы прокатали на стане “Крупп” на холоднокатаные листы толщиной 1,0 мм, из которых на гильотинных ножницах нарезали заготовки под образцы.
Полученные образцы подвергли испытаниям на длительную и кратковременную прочность, пластичность, многоцикловую усталость, жаростойкость и свариваемость.
Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Предлагаемый сплав превосходит сплав-прототип по всему комплексу свойств: кратковременной и длительной прочности, пластичности, многоцикловой усталости, жаростойкости и свариваемости, в противоположность сплаву-прототипу предлагаемый сплав не чувствителен к концентраторам напряжений.
Таким образом применение предлагаемого сплава позволит повысить весь комплекс прочностных характеристик элементов двигателя, таких как корпусов, теплозащитных экранов, кожухов опор подшипника и других сварных узлов, увеличить ресурс и надежность двигателей ГТД, ГТУ.
| Таблица 1 Химический состав опытных плавок предлагаемого сплава, и сплава-прототипа (масс%). | |||||||||||||||
| Хим. эл-т № пл. | С | Сч | Со | Мо | W | Nb | Аl | Ti | Zr | V | в | Mg | La | Y | Ni |
| 1 | 0,02 | 12,0 | 8,0 | 3,5 | 0,5 | 3,2 | 1,0 | 1,0 | 0,4 | - | 0,0001 | 0,003 | 0,003 | - | Ост. |
| 2 | 0,06 | 16,2 | 15,8 | 5,2 | 1,7 | 4,8 | 1,4 | 1,3 | 0,9 | - | 0,003 | 0,03 | 0,04 | - | Ост. |
| 3 | 0,10 | 20,0 | 20,0 | 7,0 | 3,0 | 6,5 | 1,8 | 1,6 | 1,4 | - | 0,006 | 0,06 | 0,08 | - | Ост. |
| 4 | 0,07 | 17,1 | - | 5,6 | - | 2,0 | 1,4 | 1,4 | 3,0 | 3,0 | 0,001 | 0,01 | - | 0,015 | Ост. |
| Таблица 2 Результаты сравнительного испытания свойств опытных плавок предлагаемого сплава, и сплава-прототипа | |||||||||
| Свойства № пл. | Т | σв 20 | σ0,2 20 | δ5 20 | σ100 |  | σ-1 на базе 2·107 | Vкр | q |
| °С | Кгс/мм2 | % | Кгс/мм2 | - | Кгс/ мм2 | MM/ мин | г/ м2час | ||
| 1 | 20 | 135,7 | 100,5 | 29,5 | |||||
| 136,9 | 102,4 | 30,2 | - | ||||||
| 134,6 | 100,8 | 32,6 | >1 | 45 | 5,8 | 0,115 | |||
| 600 | - | - | - | 96,0 | |||||
| 700 | - | - | - | 61,5 | |||||
| 900 | - | - | - | 15,0 | |||||
| 2 | 20 | 140,0 | 105,0 | 24,6 | |||||
| 138,7 | 103,8 | 27,9 | - | ||||||
| 140,3 | 106,4 | 28,1 | >1 | 46 | 5,6 | 0,110 | |||
| 600 | - | - | - | 97,0 | |||||
| 700 | - | - | - | 63,0 | |||||
| 900 | - | - | - | 17,0 | |||||
| 3 | 20 | 143,6 | 108,2 | 24,8 | |||||
| 141,9 | 106,4 | 26,5 | - | ||||||
| 144,5 | 110,1 | 23,4 | >1 | 44 | 5,5 | 0,100 | |||
| 600 | - | - | - | 96,5 | |||||
| 700 | - | - | - | 62,0 | |||||
| 900 | - | - | - | 16,5 | |||||
| 4 | 20 | 127,3 | 94,8 | 18,2 | |||||
| 128,4 | 95,3 | 16,8 | - | ||||||
| 130,6 | 96,2 | 15,4 | 1< | 37 | 5,0 | 0,185 | |||
| 600 | - | - | - | 86,0 | |||||
| 700 | - | - | - | 57,5 | |||||
| 900 | - | - | - | 6,0 |
Т - температура испытания;
σв - предел прочности;
σ0,2 - предел текучести;
δ - относительное удлинение;
σ100 - предел сточасовой длительной прочности;
σ100 н - предел сточасовой длительной прочности образца с надрезом (rн=0,15 мм);
σ-1 - предел выносливости;
Vkp - критическая скорость деформации в сварном шве;
q - жаростойкость по привесу при 1000°С за 100 час.
1. Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, молибден, ниобий, алюминий, титан, цирконий, бор и магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт, вольфрам и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,02÷0,10
Хром 12,0÷20,0
Кобальт 8,0÷20,0
Молибден 3,5÷7,0
Вольфрам 0,5÷3,0
Ниобий 3,2÷6,5
Алюминий 1,0÷1,8
Титан 1,0÷1,6
Цирконий 0,4÷1,4
Бор 0,0001÷0,006
Магний 0,003÷0,06
Лантан 0,003÷0,08
Никель Остальное
2. Изделие из жаропрочного свариваемого сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.
