Литейный сплав на основе никеля
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе никеля. Предложен литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму, мышьяк, при этом содержание компонентов следующее, мас.%: углерод 0,06-0,12, хром 22,0-25,0, кобальт 10,0-11,5, молибден 2,55-3,2, вольфрам 4,5-6,0, алюминий 2,4-3,2, титан 4,2-5,0, иттрий 0,05, бор 0,3-0,55, цирконий 0,05, ниобий 4,2-5,0, сера 0,008, фосфор 0,008, марганец 0,3, кремний 0,3, железо 0,5, медь 0,07, азот 0,01, висмут 0,00005, свинец 0,001, сурьма 0,0005, мышьяк 0,0005, никель - остальное. Технический результат - повышение стойкости сплава к сульфидно-оксидной коррозии при работе в условиях высоких температур, а также сохранение исходной твердости и технологической прочности при наплавке. 3 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе никеля, используемым для наплавки на детали, работающие в условиях высоких температур и сульфидно-оксидной коррозии при значительных циклических нагрузках, например на контактные поверхности лопаток стационарных газовых турбинных установок.
Известен литейный сплав на основе никеля (патент RU №1233514, С 22 С 19/05, 1984), содержащий углерод, хром, молибден, вольфрам, титан, алюминий, железо, бор, ниобий, кобальт, цирконий, церий, никель при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,09-0,15, хром 9,0-10,5, молибден 5,0-6,0, вольфрам 1,5-2,0, титан 2,3-3,0, алюминий 3,2-4,0, железо 2,0-3,0, бор 0,001-0,05, ниобий 4,5-5,3, кобальт 7,5-11,5, цирконий 0,04-0,055, церий 0,005-0,01, никель - остальное.
Сплав обладает повышенной износостойкостью при высоких температурах, однако не предназначен для работы в условиях сульфидно-оксидной среды.
Наиболее близким по технической сущности является литейный сплав на основе никеля (патент RU №2112069, С 22 С 19/03, 1996), содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, титан, алюминий, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму, мышьяк при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,06-0,12, хром 15,0-16,7, кобальт 10,0-11,5, молибден 2,55-3,20, вольфрам 4,5-6,0, алюминий 2,4-3,2, титан 4,2-5,0, иттрий 0,05, бор 0,02, цирконий 0,05, ниобий 4,2-5,0, сера 0,008, фосфор 0,008, марганец 0,3, кремний 0,3, железо 0,5, медь 0,07, азот 0,01, висмут 0,00005, свинец 0,001, сурьма 0,0005, мышьяк 0,0005, никель - остальное.
Сплав обладает повышенной длительной прочностью и жаростойкостью, однако имеет низкие показатели стойкости в контакте с основным материалом лопаток турбины из сплава ЧС 70У-ВИ газоперекачивающих установок, работающих на природном газе.
Задачей изобретения является повышение стойкости сплава к сульфидной-оксидной коррозии при работе в условиях высоких температур, сохранение исходной твердости и технологической прочности при наплавке.
Поставленная цель достигается тем, что литейный сплав на основе никеля содержит углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму, мышьяк при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,06-0,12, хром 22,0-25,0, кобальт 10,0-11,5, молибден 2,55-3,2, вольфрам 4,5-6,0, алюминий 2,4-3,2, титан 4,2-5,0, иттрий 0,05, бор 0,3-0,55, цирконий 0,05, ниобий 4,2-5,0, сера 0,008, фосфор 0,008, марганец 0,3, кремний 0,3, железо 0,5, медь 0,07, азот 0,01, висмут 0,00005, свинец 0,001, сурьма 0,0005, мышьяк 0,0005, никель - остальное.
Из сплава ЧС70-ВИ (ТУ 14-1-3658-83) изготавливают лопатки для наземных газотурбинных установок, работающих на природном газе. В процессе эксплуатации при температурах свыше 900°С, в условиях агрессивной среды и контактного давления, происходит износ контактных поверхностей лопаток, что приводит к съему лопаток. Снятые лопатки восстанавливают наплавкой на контактные поверхности литейного жаропрочного сплава на основе никеля, близкого по химическому составу к материалу лопатки (патент RU №2112069, С 22 С 19/03, 1996). Показатели стойкости пары основной материал - наплавляемый материал относительно низкие.
Предлагаемый наплавочный материал отличается от известного повышенным содержанием бора и хрома. Работоспособность сплава определяется его химическим составом и связана с устойчивостью и стабильностью его фазовых составляющих и карбидов.
Увеличение процентного содержания бора способствует повышению стойкости к сульфидно-оксидной коррозии, повышению твердости сплава и его жаростойкости при сохранении пластических свойств. При наплавке образуется боридная фаза, уменьшающая кристаллизационные трещины.
Повышенное содержание хрома приводит к увеличению стойкости к сульфидно-оксидной коррозии.
Комплексное легирование бором и хромом способствует повышению стойкости к сульфидно-оксидной коррозии пары основной металл-металл наплавки с сохранением твердости наплавленного металла и технологической прочности при наплавке на основной металл.
Предлагаемый сплав выплавляют из чистых шихтовых материалов индукционным способом в вакууме и разливают его в керамические формы в виде прутков. Для удаления литейной корки отлитые прутки подвергают обработке. Из заготовок прутков делают пластины для наплавки на контактные поверхности.
Были выплавлены пять составов предлагаемого сплава и один по прототипу. Химический состав сплавов приведен в таблице 1. Сплавы наплавили на образцы из сплава ЧС70У-ВИ (основной металл). После наплавки произвели механическую обработку образцов.
Испытание на сульфидно-оксидную коррозию производились по методике, в основе которой лежит принцип окисления и сульфидирования испытуемого материала в присутствии тонкой пленки соли, непрерывно поддерживаемой на образце. При визуальном осмотре и осмотре на оптическом микроскопе МБС-3 производилась оценка состояния образцов. Оценка состояния образцов проводилась по десятибалльной шкале: чем меньше балл, тем выше стойкость образцов к сульфидно-оксидной коррозии.
В таблице 2 приведены результаты испытаний на сульфидно-оксидную коррозию. Установлено, что увеличение или снижение хрома и бора за пределы легирования приводит к снижению стойкости к сульфидно-оксидной коррозии.
В таблице 3 приведены результаты замеров твердости наплавленного металла после проведения термической обработки и критической скорости деформации при наплавке.
Количественную оценку стойкости сплавов против образования горячих трещин производили по методике ИМЕТ-ЦНИИЧМ с расчетом и определением критической скорости деформации - Акр. Установлено, что твердость и критические скорости деформации сравниваемых сплавов находятся на одном уровне.
Результаты ЛЮМ и рентген-контроля и металлографические исследования образцов и турбинных лопаток наплавленных на контактные площадки предлагаемым сплавом показали отсутствие дефектов в наплавленном металле и в околошовной зоне.
Преимущество предлагаемого сплава состоит в более высокой стойкости к сульфидно-оксидной коррозии с сохранением уровня твердости и технологической прочности при наплавке.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Состав | Содержание компонентов, мас.% | |||||||||
| С | Cr | W | Мо | Fe | Nb | Со | Ti | Al | Y | |
| Предлагаемый сплав | ||||||||||
| 1 | 0,11 | 24,7 | 5,38 | 2,6 | 0,5 | 4,1 | 11,2 | 4,62 | 2,46 | 0,05 |
| 2 | 0,08 | 24,1 | 5,43 | 2,8 | 0,5 | 4,3 | 10,6 | 4,84 | 2,98 | 0,05 |
| 3 | 0,10 | 23,9 | 5,64 | 3,2 | 0,5 | 4,8 | 10,8 | 4,28 | 3,15 | 0,05 |
| Прототип | ||||||||||
| 4 | 0,06-0,12 | 15,0-16,7 | 4.5-6,0 | 2,55-3,20 | 0,5 | 4,2-5.0 | 10,0- 11,5 | 4,2-5,0 | 2,4-3,2 | 0,05 |
| Таблица 1 (продолжение) | ||||||||||
| Состав | Содержание компонентов, мас.% | |||||||||
| В | Zr | S | Р | Mn | Si | Cu | N | Bi | ||
| Предлагаемый сплав | ||||||||||
| 1 | 0,48 | 0,05 | 0,008 | 0,008 | 0,3 | 0,3 | 0,07 | 0,01 | 0,00005 | |
| 2 | 0,52 | 0,05 | 0,008 | 0,008 | 0,3 | 0,3 | 0,07 | 0,01 | 0,00005 | |
| 3 | 0,38 | 0,05 | 0,008 | 0,008 | 0,3 | 0,3 | 0,07 | 0.01 | 0,00005 | |
| Прототип | ||||||||||
| 4 | 0,02 | 0,05 | 0,008 | 0,008 | 0,3 | 0,3 | 0,07 | 0,01 | 0,00005 | |
| Таблица 1 (продолжение) | ||||||||||
| Состав | Содержание компонентов, мас.% | |||||||||
| Pb | Sb | As | Ni | |||||||
| Предлагаемый сплав | ||||||||||
| 1 | 0,001 | 0,0005 | 0,0005 | основа | ||||||
| 2 | 0,001 | 0,0005 | 0,0005 | основа | ||||||
| 3 | 0,001 | 0,0005 | 0,0005 | основа | ||||||
| Прототип | ||||||||||
| 4 | 0,001 | 0,0005 | 0,0005 | основа |
| Таблица 2 | ||||
| Состав | Состояние поверхности наплавленного металла | Балл | Состояние поверхности основного материала | Балл |
| 1 | Плотная неинтенсивно серо-зеленоватая окалина с небольшим шелушением | 2 | Плотная неинтенсивно темно-серая и зеленоватая окалина с небольшим шелушением | 2 |
| 2 | Плотная неинтенсивно серо-зеленоватая окалина с небольшим шелушением | 2 | Плотная неинтенсивно темно-серая и зеленоватая окалина с небольшим шелушением | 2 |
| 3 | Плотная неинтенсивно зеленоватая окалина с небольшим шелушением | 2 | Плотная неинтенсивная окалина с небольшим шелушением | 2 |
| 4 | Неравномерная темно-серая окалина с растрескиванием по всей окисленной поверхности и вспучиванием, начало отслаивания окалины | 5 | Неравномерная темно-серая окалина со вспучиванием, растрескиванием по всей окисленной поверхности и отслаиванием окалины | 6 |
| Таблица 3 | ||
| Состав | Твердость наплавленного металла, HV5 | Акр, мм/с |
| 1 | 454...502 | 0,06 |
| 2 | 480...502 | 0,05 |
| 3 | 483...502 | 0,06 |
| 4 | 454...502 | 0,05 |
Литейный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, кобальт, молибден, вольфрам, алюминий, титан, иттрий, бор, цирконий, ниобий, серу, фосфор, марганец, кремний, железо, медь, азот, висмут, свинец, сурьму, мышьяк, отличающийся тем, что он содержит компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,06-0,12 |
| Хром | 22,0-25,0 |
| Кобальт | 10,0-11,5 |
| Молибден | 2,55-3,2 |
| Вольфрам | 4,5-6,0 |
| Алюминий | 2,4-3,2 |
| Титан | 4,2-5,0 |
| Иттрий | 0,05 |
| Бор | 0,3-0,55 |
| Цирконий | 0,05 |
| Ниобий | 4,2-5,0 |
| Сера | 0,008 |
| Фосфор | 0,008 |
| Марганец | 0,3 |
| Кремний | 0,3 |
| Железо | 0,5 |
| Медь | 0,07 |
| Азот | 0,01 |
| Висмут | 0,00005 |
| Свинец | 0,001 |
| Сурьма | 0,0005 |
| Мышьяк | 0,0005 |
| Никель | Остальное |
