Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля и изделие, выполненное из этого сплава

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформируемых свариваемых сплавов на основе никеля и может быть использовано для изготовления жаровых труб, газосборников, экранов и других деталей и сварных узлов авиационной техники, машиностроения и других отраслей народного хозяйства, работающих при температурах до 1100°С. Предложен жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля, мас.%: кобальт 26,0÷30,0; хром - 20,0÷23,0; углерод - 0,02÷0,07; вольфрам - 13,0÷16,0; алюминий - 0,01÷0,30; ниобий - 0,5÷1,0; лантан 0,003÷0,06; магний - 0,002÷0,03; ванадий - 0,1÷0,6; неодим - 0,002÷0,03; церий - 0,01÷0,3; иттрий - 0,001÷0,05; никель - остальное. Технический результат - повышение характеристик жаропрочности, жаростойкости, термостойкости, технической пластичности, в первую очередь деформируемости и свариваемости. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии жаропрочных деформированных 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 камер сгорания, жаровых труб, газосборников, экранов и других деталей и сварных узлов, работающих при температурах до 1100°С.

Основными требованиями, предъявляемыми к этому классу материалов, являются высокие показатели жаропрочности в области рабочих температур 900÷1100°С, термостойкости, технологической пластичности и свариваемости.

Применение сплава, обладающего высокими показателями указанных характеристик, позволит повысить ресурс и надежность промышленных изделий, в первую очередь газотурбинных двигателей, снизить расход топлива и трудоемкость их изготовления.

Известны сплавы на никель-кобальтовой основе следующего химического состава (мас.%):

1. Кобальт 25,0÷32,0

Хром - 20,0÷25,0

Вольфрам - 10,0÷16,0

Алюминий - 0,2÷0,7

Углерод - 0,02÷0,1

элемент, выбранный из группы:

Лантан - 0,01÷0,1

Неодим - 0,01÷0,1

Никель - остальное

(Авторское свидетельство СССР №1072501 Б.И. №40-1990 г.)

2. Кобальт 25,0÷55,0

Хром - 10,0÷22,0

Вольфрам - 13,0÷25,0

Углерод ≤0,1

Ниобий ≤3,0

Титан ≤1,0

Итрий ≤0,2

Бор ≤0,02

Магний ≤0,05

Никель - остальное

(патент Германии №2420362)

Данные сплавы обладают относительно низкими значениями пределов кратковременной и длительной прочности и термостойкости. Показатели технологической пластичности у них не стабильны в различных плавках. В целом это увеличивает вес изделий, трудоемкость их изготовления и снижает коэффициент использования металла (КИМ), ресурс и надежность.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому сплаву является сплав следующего химического состава (мас.%):

Кобальт 20,5÷31,0

Хром - 18,0÷26,0

Вольфрам - 12,0÷20,0

Алюминий - 0,1÷1,2

Ниобий ≤3,0

Углерод - 0,02÷0,2

Титан - 0,5÷1,9

Лантан - ≤0,5

Бор - 0,002÷0,01

Магний - ≤0,1

Кремний - ≤1,0

Марганец - ≤1,5

Железо - ≤5,0

Цирконий - ≤0,5

Никель - остальное

(Патент США №4621499)

У этого сплава недостаточно высокие значения как жаропрочности и термостойкости, так и технологических характеристик (технологическая пластичность и свариваемость). Наличие в его химическом составе относительно высокого суммарного содержания γ'-образующих элементов (алюминия, титана и ниобия) ведет к снижению показателей пластичности относительно гомогенных сплавов.

Изделия, выполненные из этого сплава, имеют ограниченный ресурс и надежность и их изготовление трудоемко.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка сплава с высоким уровнем жаропрочности, термостойкости и жаростойкости в диапозоне температур 900÷1100°С в сочетании с хорошими показателями пластичности и технологичности, в первую очередь деформируемости и свариваемости, что позволит использовать его в изделиях с более высокими требованиями к показателям надежности и ресурса.

Для решения поставленной задачи предлагается жаропрочный свариваемый сплав на никелевой основе, содержащий кобальт, хром, углерод, вольфрам, алюминий, ниобий, лантан, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, неодим, церий, иттрий при следующим соотношении компонентов (мас.%):

Кобальт 26,0÷30,0

Хром - 20,0÷23,0

Углерод - 0,02÷0,07

Вольфрам - 13,0÷16,0

Алюминий - 0,01÷0,30

Ниобий - 0,5÷1,0

Лантан 0,003÷0,06

Магний - 0,002÷0,03

Ванадий - 0,1÷0,6

Неодим - 0,002÷0,03

Церий - 0,01÷0,3

Иттрий - 0,001÷0,05

Никель - остальное

И изделие, выполненное из него.

Введение в состав предлагаемого сплава ванадия позволяет повысить его технологические свойства, термостойкость и жаропрочность без снижения пластических характеристик γ-твердого раствора.

Легирование сплава такими горофильными элементами, как неодим, иттрий и церий, улучшает структуру границ зерен посредством уменьшения дефектности их кристаллической решетки.

Таким образом, технический результат является следствием сложного взаимодействия легирующих компонентов в предлагаемом сплаве.

Поскольку рабочие температуры изделий из предлагаемого сплава (900÷1100°С) превышают эквикогезивную точку, повышение качества границ улучшает такие важнейшие для их работоспособности и надежности характеристики как жаропрочность, термостойкость и пластичность, как кратковременная, так и длительная и технологическая.

Указанное сочетание свойств имеет также и прикладное значение, снижая трудоемкость и КИМ при изготовлении из них деталей и сварных. узлов.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для практического осуществления изобретения в лабораторных условиях в вакуумно-индукционной печи выплавлены сплавы предлагаемого состава, прототипа и аналога. В таблице 1 представлены химические составы сплавов, где примеры 1, 2, 3 - предлагаемые составы, 4 - прототип, 5 - аналог.

Заливка металла производилась в круглые металлические изложницы. Полученные слитки были прокованы на сутунки, которые прокатывались на горячекатаные листы толщиной 2 мм. Горячекатаные листы после отжига были прокатаны вхолодную на толщину 1,0 мм.

После закалки из холоднокатаных листов были изготовлены образцы и подвергнуты испытанию на определение механических, жаростойких и технологических свойств. Результаты испытания представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый сплав превосходит прототип и аналог в области рабочих температур 900÷1100°С по пределу длительной прочности временному сопротивлению, относительному удлинению, термостойкости (число циклов до образования трещины по режиму испытания 200↔1000°С) жаростойкости (по привесу при 1100°С за 100 час), а также по удельной работе разрушения образца с трещиной при ударном изгибе, жаростойкости и технологическим характеристикам: сопротивлению образования горячих трещин при сварке и коэффициенту штампуемости.

Таким образом, использование предлагаемого сплава для деталей и сварных узлов, работающих в области температур 900÷1100°С, позволит повысить ресурс и надежность изделий авиационной техники, машиностроения и других областей народного хозяйства, снизить трудоемкость их изготовления и увеличить коэффициент использования металла.

Таблица 1
Химический состав опытных плавок предлагаемого сплава, и сплава-прототипа (масс %).
Хим. эл-т № пл.	С	Со	Сч	W	Al	Nb	V	Y	La	Mg	Се	Nd	В	Ti	Si	Mn	Fe	Zr	Ni
1	0,02	26,0	20,0	13,0	0,01	0,50	0,10	0,001	0,003	0,002	0,01	0,002	-	-	-	-	-	-	Ост.
2	0,04	28,0	21,0	14,5	0,15	0,75	0,35	0,02	0,03	0,015	0,015	0,015	-	-	-	-	-	-	Ост.
3	0,07	30,0	23,0	16,0	0,3	1,0	0,60	0,05	0,06	0,030	0,3	0,030	-	-	-	-	-	-	Ост.
4	0,08	28,0	22,0	16,0	0,6	1,5	-	-	0,10	0,050	-	-	0,006	1,2	0,3	0,5	3,0	0,3	Ост.
5	0,05	25,0	25,0	12,0	0,7	-	-	-	0,01	-	-	-	-	-	-	-	-	-	Ост.

Таблица 2
Результаты сравнительного испытания свойств опытных плавок предлагаемого сплава, сплава-прототипа и сплава аналога.
Свойства	σв 900	σв 1000	σв 1100	σ100 900	σ100 1000	σ100 1100	δ900	N20-1000	Vкр	q1100	Kвыт	Aту
№ плавкие	кгс/мм2	%	Число циклов	мм/мин	г/м2час		кгм/см2
1	28,5	16,7	8,6	9,3	4,1	1,8	75	146	6,1	0,130	4,0	11,0
2	29,2	17,0	8,8	10,0	4,2	1,9	68	160	5,8	0,120	4,3	11,5
3	29,5	17,5	9,0	9,8	4,3	1,9	63	152	5,2	0,125	3,9	10,5
4	28,0	16,0	8,0	8,0	3,5	1,6	25	105	3,8	0,160	2,5	8,0
5	26,9	16,4	7,0	7,0	4,0	1,5	50	86	4,5	0,375	3,2	9,0
σв 900 - предел прочности при растяжении при температуре испытания 900°С.
σ100 900 - предел длительной прочности за 100 часов при температуре испытания 900°С.
δ900 - относительное удлинение при температуре испытания 900°С.
N20-1000 - число циклов до образования трещины при испытании на термостойкость в интервале температур от 20° до 1000°С.
Vкр - сопротивление образованию горячих трещин при сварке.
q1100- жаростойкость по привесу при 1000°С за 100 час.
Квы - коэффициент штампуемости.
Ату - удельная работа разрушения образца с трещиной при ударном изгибе.

1. Жаропрочный свариваемый сплав на основе никеля, содержащий кобальт, хром, углерод, вольфрам, алюминий, ниобий, лантан, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, неодим, церий, иттрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Кобальт	26,0-30,0
Хром	20,0-23,0
Углерод	0,02-0,07
Вольфрам	13,0-16,0
Алюминий	0,01-0,30
Ниобий	0,5-1,0
Лантан	0,003-0,06
Магний	0,002-0,03
Ванадий	0,1-0,6
Неодим	0,002-0,03
Церий	0,01-0,3
Иттрий	0,001-0,05
Никель	Остальное

2. Изделие из жаропрочного свариваемого сплава на основе никеля, отличающееся тем, что оно выполнено из сплава по п.1.