Жаропрочный сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава
Владельцы патента RU 2285059:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)
Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления жаровых труб, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей, работающих в области температур 20-1000°С. Предложенный жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля имеет следующий химический состав мас.%: углерод - 0,03÷0,10, хром - 20,0÷32,0, молибден - 10,5÷18,0, ниобий - 2,5÷4,5, алюминий - 1,0÷1,8, вольфрам - 0,3÷3,0, ванадий - 0,1÷1,0, бор - 0,0001÷0,006, магний - 0,001÷0,05, лантан - 0,001÷0,10, церий - 0,001÷0,06, никель - остальное. Технический результат - высокие показатели прочности, пластичности, термостойкости и жаростойкости при хороших значениях свариваемости и деформируемости. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии жаропрочных свариваемых сплавов на основе никеля системы Ni-Cr-Mo и изделий, выполняемых из этих сплавов для авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства и может быть использовано для изготовления жаровых тру6, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей, работающих в области температур 20-1000°С.
Создание сплава, работоспособного во всем интервале температур от 20 до 1000°С и предназначенного для широкого круга сварных узлов и деталей, работающих в широком диапазоне условий эксплуатации и, соответственно, предъявляющих и различные требования к материалу, позволяет унифицировать и сократить количество сплавов в изделии, но одновременно требует от предлагаемого сплава целого ряда свойств на высоком уровне для материалов на никелевой основе.
Основными требованиями, предъявляемыми к такому сплаву, является сочетание для рабочих температур 20-1000°С высоких показателей прочности, пластичности, термостойкости и жаростойкости при хороших показателях свариваемости и деформируемости.
Известны сплавы на никелевой основе следующего химического состава (мас.%):
1. Хром 4÷16
Молибден 9÷20
Алюминий 0,2÷1,0
Титан 1÷4
Железо <10
Углерод <0,1
Ниобий <6 и/или тантал <12
Титан +1/2 ниобия + 1/4 тантала - 2÷5
Никель - остальное
(Заявка Японии №6004900 Бюллетень «Изобретения стран мира» №9-1996 г.).
2. Углерод - max 0,10
Хром - 16,0÷24,0
Молибден - 7÷12
Ниобий - 2÷6
Алюминий - 0÷1
Титан - 0,5÷2,5
Бор - max 0,02
Кобальт - max 5
Вольфрам - max 4
Цирконий - max 0,5
Кремний - max 1
Фосфор - max 0,03
Сера - max 0,03
Медь - 0-3
Железо - max 20
Азот - max 0,04
Марганец - max 5
Никель - остальное
(Патент США №5.556.594)
Данные сплавы имеют заниженные, относительно требований к материалам авиационной техники, значения характеристик пластичности (кратковременной, длительной и технологической) и свариваемости.
Вместе с тем высокая легированность сплавов элементами с высоким числом электронных вакансий ведет к выделению в процессе эксплуатации топологических плотноупакованных фаз окручивающих материал.
Перечисленные факторы существенно повышают трудоемкость изготовления жаровых труб, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей из данных сплавов, а также снижают их надежность и работоспособность в эксплуатации.
Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому сплаву является сплав на основе никеля следующего химического состава (мас.%):
Углерод - 0,05÷0,10
Хром - 26,0÷30,0
Молибден - 6,0÷10,0
Ниобий - 1,5÷4,5
Алюминий - 0,8÷2,0
Бор - 0,003÷0,01
Магний - 0,005÷0,03
Иттрий - 0,005÷0,03
Лантан - 0,01÷0,10
Никель - остальное
(патент РФ №1746733)
Данный сплав имеет высокие значения характеристик пластичности и свариваемости, обладает достаточной структурной стабильностью и не склонен к выделению топологических плотноупакованных фаз.
Вместе с тем, для изделий ГТД, таких как сварные корпуса, кожуха и т.д., требуются более высокие характеристики прочности (как кратковременной, так и длительной) и пластичности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка жаропрочного сплава на основе никеля и изделий из него, сочетающего для рабочих температур 20-1000°С высокие показатели прочности, пластичности, термостойкости и жаростойкости при хороших значениях свариваемости и деформируемости.
Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, молибден, алюминий, ниобий, бор, лантан, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, ванадий и церий, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Углерод - 0,03÷0,10
Хром - 20,0÷32,0
Молибден - 10,5÷18,0
Ниобий - 2,5÷4,5
Алюминий - 1,0÷1,8
Вольфрам - 0,3÷3,0
Ванадий - 0,1÷1,0
Бор - 0,0001÷0,006
Магний - 0,001÷0,05
Лантан - 0,001÷0,10
Церий - 0,001÷0,06
Никель - остальное
и изделие, выполненное из него.
У предлагаемого сплава значительная доля прочности обеспечивается за счет образования термически стабильных зон предвыделений упрочняющих фаз. Из числа легирующих элементов в образовании таких зон ведущая роль принадлежит хрому и молибдену, поэтому повышение содержания молибдена в предлагаемом сплаве позволяет существенно увеличить количество предвыделений и тем самым повысить прочность сплава. Поскольку между предвыделениями и матрицей отсутствует четкая фазовая граница, данный вид упрочнения не приводит к сколько-нибудь значительному падению пластичности.
Введение вольфрама увеличивает силы межатомной связи в матрице, что повышает жаропрочные свойства сплава, прежде всего в верхнем районе рабочих температур.
Ванадий улучшает свариваемость сплава и его жаропрочные свойства при температурах до 800-850°С. Введение церия снижает дефектность границ зерен, посредством чего улучшается весь комплекс его механических свойств, и повышает жаростойкость материала.
В отличие от иттрия, который входит в состав γ фазы прототипа, церий располагается преимущественно по границам зерен и тем самым более эффективно снижает степень их дефектности, а также способствует образованию окислов с лучшими жаростойкими свойствами.
Использование предлагаемого сплава в качестве материала жаровых тру6, корпусов, кожухов, экранов и других сварных узлов и деталей изделий авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства позволит снизить их вес за счет увеличения удельной прочности, увеличить ресурс и надежность и существенно сократить номенклатуру материалов, используемых при изготовлении изделий.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
В лабораторных условиях были выплавлены четыре вакуумные индукционные плавки предлагаемого сплава и сплава-прототипа. В таблице 1 представлены химические составы сплавов, где примеры 1-3 предлагаемый состав, пример 4 - сплав-прототип.
Заливка металла плавок производилась в круглые металлические изложницы. Полученные слитки ковались на сутунки, которые затем прокатывались вгорячую на листы толщиной 2 мм с температуры нагрева 1120°С.
Горячекатаные листы отжигались при температуре 1020°С, затем в холодную прокатывались на листы толщиной 1,2 мм.
Из холоднокатаных листов изготовлялись образцы для испытания на механические свойства, жаростойкость и свариваемость.
Поскольку на холоднокатаных листах из предлагаемого сплава отсутствуют трещины и иные нарушения целостности материала, а состояние их поверхности отвечает всему комплексу требований, предъявляемых к холоднокатаному листу из жаропрочных сплавов на никелевой основе, закономерно заключение о его хорошей деформируемости.
Результаты испытаний свойств, представленные в таблице 2, свидетельствуют, что предлагаемый сплав обладает высокими прочностными и пластическими свойствами как кратковременными, так и длительными, в области температур от 20 до 1000°С, существенно превышающими уровень свойств прототипа.
Предлагаемый сплав имеет лучшие, чем у прототипа показатели свариваемости (Vкр), жаростойкости и такой важнейшей для жаровых труб характеристики как термостойкость (число циклов до образования трещины).
Таким образом, применение предлагаемого сплава позволит снизить вес изделий, а также увеличить их ресурс, надежность и температуру эксплуатации, унифицировать и сократить количество сплавов, используемых в изделии.
| Таблица 1 | |||||||||||||
| Химический состав опытных плавок предлагаемого сплава, и сплава-прототипа (мас.%). | |||||||||||||
| Хим. эл-т № пл. | С | Cr | Мо | Al | Nb | W | V | в | Mg | La | Се | Y | Ni |
| 1 | 0,03 | 20.0 | 10.5 | 1.0 | 2.5 | 0,3 | 0,1 | 0,0001 | 0,001 | 0,001 | 0,001 | - | Ост. |
| 2 | 0,06 | 26.0 | 14.1 | 1.4 | 3.5 | 1,6 | 0,6 | 0,003 | 0,03 | 0,05 | 0,03 | - | Ост. |
| 3 | 0,10 | 32.0 | 18.0 | 1.8 | 4.5 | 3,0 | 1,0 | 0,006 | 0,05 | 0,10 | 0,06 | - | Ост. |
| 4 | 0,06 | 27.0 | 7.5 | 1.35 | 3.1 | - | - | 0,001 | 0,01 | 0,006 | - | 0,01 | Ост. |
1. Жаропрочный сплав на основе никеля, содержащий углерод, хром, молибден, алюминий, ниобий, бор, лантан, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам, ванадий и церий при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,03÷0,10 |
| Хром | 20,0÷32,0 |
| Молибден | 10,5÷18,0 |
| Ниобий | 2,5÷4,5 |
| Алюминий | 1,0÷1,8 |
| Вольфрам | 0,3÷3,0 |
| Ванадий | 0,1÷1,0 |
| Бор | 0,0001÷0,006 |
| Магний | 0,001÷0,05 |
| Лантан | 0,001÷0,10 |
| Церий | 0,001÷0,06 |
| Никель | Остальное |
2. Изделие из жаропрочного сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из жаропрочного сплава на основе никеля по п.1.
